CN102647082A - 负电压产生电路 - Google Patents

Abstract

一种负电压产生电路，包括一电荷泵，基于使能信号产生负电压；与电荷泵相连的一非均匀分压电路，所述的非均匀分压电路中至少包括一个MOS管，该MOS管的源极与衬底不相连，所述的衬底接收一输入电压；一比较器，所述的比较器将所述MOS管的源极电压与参考电压进行比较，仅当所述的源极电压超过参考电压时，产生电荷泵的使能信号，使电荷泵运行，产生负电压。本发明可将输出电压控制在一个小的负电压范围内，同时在此范围内灵活调节所需的电压值。

Description

负电压产生电路

技术领域

本发明涉及一种电子电路，尤其涉及一种负电压产生电路。

背景技术

在实际使用电子电路过程中，常需要利用一种电压值较小的负电压电路。例如：需要截止某一MOS管时，仅使Vgs为0，有时会因漏电流而使得MOS管未能完全截止。此时，需保持Vgs更低，比如施加-0.1V至-0.5V的负电压，以保证MOS管完全截止。

这样电压值较小的负电压可以通过对一个较大的负电压的分压来实现。比如：分压电路中串联多个等值电阻，对较大的负电压进行等值分压，在所需的电位处，引出负电压。但显然这样并不理想。尤其是需要调整该负电压大小的时候，很不方便。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种负电压产生电路，可将输出电压控制在一个小的负电压范围内，同时可在此范围内灵活调节所需的电压值。

为了解决上述问题，本发明提供一种负电压产生电路，包括：

一电荷泵，基于使能信号产生负电压；

与电荷泵相连的一非均匀分压电路，所述的非均匀分压电路中至少包括一个MOS管，该MOS管的源极与衬底不相连，所述的衬底接收一输入电压；

一比较器，所述的比较器将所述MOS管的源极电压与参考电压进行比较，仅当所述的源极电压超过参考电压时，产生电荷泵的使能信号，使电荷泵运行，产生负电压。

可选的，所述的非均匀分压电路包括n个同等规格的MOS管，该些MOS管的栅极均与其漏极相连，第一个MOS管的源极与电源电压相连，其它MOS管的源极与前一个MOS管的漏极相连，最后一个MOS管的漏极与电荷泵输出端相连，一电容连接于电荷泵输出端与接地端之间；

所述源极与衬底不相连的MOS管为第m个MOS管，m＜n；

所述的输入电压须高于参考电压。

可选的，所述参考电压的值通过一均匀分压电路均匀分压所得；

所述的均匀分压电路包括与非均匀分压电路相同数量、同等规格的n个MOS管，该些MOS管的栅极均与其漏极相连，且其源极均与其衬底相连，第一个MOS管的源极与电源电压相连，其它MOS管的源极与前一个MOS管的漏极相连，最后一个MOS管的漏极接地；

所述的参考电压为第m个MOS管的源极电压。

可选的，所述的输入电压须高于所述的均匀分压电路中第m个MOS管的衬底电压。

可选的，所述的电源电压为3V。

可选的，所述的非均匀分压电路和均匀分压电压均包括3个同等规格的MOS管，所述第m个MOS管为第2个MOS管。

可选的，还包括一个时钟产生电路，与电荷泵的时钟输入端相连，用于产生电荷泵所需的时钟信号。

可选的，所述的负电压范围在-0.5～0V。

可选的，所述的MOS管为PMOS管。

本发明与现有技术相比，本发明具有以下优点：

1、由于本电路中的某些MOS管的源极与衬底不相连，在其衬底施加了衬底偏压，产生了衬底的体效应(body effect)。通过体效应对电路电压的影响，产生使能信号，控制电荷泵运行，将输出的负电压控制在一个小的负电压范围内。

2、通过调节MOS管的长宽比以及衬底输入的电压大小，达到灵活调节输出的负电压的范围的目的。

附图说明

图1是本发明的负电压产生电路的一种实施例的电路图。

图2是图1实施例的电压波形图。

具体实施方式

下文中的说明与附图将使本发明的前述特征及优点更明显。兹将参照附图详细说明依据本发明的较佳实施例。以下阐述旨在说明本发明，而不应理解为对本发明的限定。

图1是本发明的负电压产生电路的一种实施例的电路图。图2是图1的电压波形图。下面结合图1、图2进行说明：

本实施例的电路结构如图1所示。时钟产生电路1产生电荷泵2所需的时钟信号CLK。电荷泵2的电源电压Vdd为3V。同时，电荷泵2还受控于使能信号Enb。该使能信号Enb由非均匀分压电路5中的A点电压与均匀分压电路4中对应位置的B点电压经比较器比较所得。仅当A点电压高于B点电压时，使能信号Enb有效，电荷泵2工作。

均匀分压电路4包括3个同等规格的PMOS管4a、4b、4c。其中PMOS管4a的源极接收电源电压Vdd为3V。PMOS管4a的源极与其衬底相连，PMOS管4a的栅极与其漏极相连，PMOS管4a的漏极与PMOS管4b的源极相连。PMOS管4b的源极与其衬底相连，PMOS管4b的栅极与其漏极相连，PMOS管4b的漏极与4c的源极相连。PMOS管4c的源极与其衬底相连，PMOS管4c的栅极与其漏极相连，PMOS管4c的漏极接地。其中，引出PMOS管4b的源极电压，即B点电压，进入比较器3比较。

非均匀分压电路5包括3个同等规格的PMOS管5a、5b、5c。其中PMOS管5a的源极接收电源电压Vdd为3V。PMOS管5a的源极与其衬底相连，PMOS管5a的栅极与其漏极相连，PMOS管5a的漏极与PMOS管5b的源极相连。PMOS管5b的源极与其衬底不相连，其衬底接收一输入电压Vin，输入电压Vin须大于PMOS管5b的源极与其衬底相连时的源极电压，以引入衬底偏压。

由于均匀分压电路4和非均匀分压电路5中的PMOS管数量、规格都一致，其区别仅在于非均匀分压电路5中有源极与衬底不相连的PMOS管5b，所以PMOS管5b的源极与其衬底相连时的源极电压可参照均匀分压电路4中对应的PMOS管4b的源极电压。PMOS管5b的栅极与其漏极相连，PMOS管5b的漏极与PMOS管5c的源极相连。PMOS管5c的源极与其衬底相连，PMOS管5c的栅极与其漏极相连，PMOS管5c的漏极与电荷泵输出端Vout相连，还有一电容连接于电荷泵输出端Vout与接地端之间。其中，引出PMOS管5b的源极电压，即A点电压，进入比较器3比较。

由于PMOS管4a、PMOS管4b、PMOS管4c的规格一样，且连接方式也一样，所以在电源电压为3V，PMOS管4a、PMOS管4b、PMOS管4c串联的情况下，3个PMOS管实现均匀分压，每个PMOS管两端的电压差为1V。即PMOS管4a源极电压为3V，PMOS管4b源极电压为2V，PMOS管4c源极电压为1V。所以B点电压恒定输出为2V。

虽然PMOS管5a、PMOS管5b、PMOS管5c的规格也一样，但连接方式并不完全一样。其中，PMOS管5b的源极与其衬底的连接方式与其它各管不同，其源极与其衬底不相连，在其衬底施加了衬底偏压Vin，由此产生衬底体效应(body effect)。所以在电源电压为3V，PMOS管5a、PMOS管5b、PMOS管5c串联的情况下，PMOS管5a、PMOS管5b、PMOS管5c的分压不再均匀。PMOS管5b衬底产生的衬底体效应(body effect)，会使PMOS管5b两端的电压差略大于均匀分压情况下的电压差1V。而PMOS管5a、PMOS管5c未受体效应的影响，两端的电压差仍为1V，所以在电源电压为3V的情况下，PMOS管5c漏极的电压值会为一较小的负电压，该电压值的大小由PMOS管5b衬底的体效应强弱控制。PMOS管5c漏极电压的等势位即为电荷泵2的输出端Vout。

将PMOS管5b的源极电压(A点电压)，即受体效应影响的电压与PMOS管4b的源极电压(B点电压)，即未受体效应影响的电压比较，产生的结果为电荷泵2的使能信号Enb。当A点电压小于B点电压时，即非均匀分压电路5中的体效应还未被类似漏电流等外部影响所完全抵消，仍能在电荷泵输出端Vout输出一较小的负电压，此时使能信号Enb无效，电荷泵2停止。当A点电压大于B点电压时，即A点电压已大于均匀分压时同等位置的电压值，非均匀分压电路5中的体效应带来的负电压已被完全抵消。此时，使能信号Enb有效，电荷泵2运行，电荷泵输出端Vout产生负电压，将与电荷泵输出端Vout相连的非均匀分压电路5的各点电压都相应地下拉。一旦A点电压低于B点电压，使能信号Enb再次无效，电荷泵2停止，电荷泵输出端Vout输出电压不再继续下降。电荷泵输出端Vout端因漏电流等外部原因，其电压值无法稳定，会逐渐升高，带动非均匀分压电路5的各点电压都相应地升高。一旦A点电压高于B点电压，使能信号Enb再次有效，电荷泵2再次运行，电荷泵输出端Vout产生负电压。

结合图2的电压波形图进行说明。

其中，A点电压(PMOS管5b源极电压)，即受体效应影响的电压，始终在2V附近循环变化。一旦超过2V，即会被电荷泵输出端Vout产生的负电压下拉至约1.85V，后逐渐回升，待超过2V时，又会被再次下拉。至于下拉的电压值，即受PMOS管5b的体效应影响。

B点电压(PMOS管4b源极电压)，即未受体效应影响的电压，始终稳定在2V位置。将其作为参照物，一旦体效应的影响已弱化至和未受体效应影响时一样，使能信号Enb有效，电荷泵2运行。

比较A点电压和B点电压的波形图可以看出，使能信号Enb的波形图基本稳定在3V高电压位置，只有在A点电压高于B点电压时，产生一瞬时负值电压，使电荷泵2运行。

电荷泵输出端Vout的输出基本稳定在-0.3V至-0.1V范围内。当A点电压高于B点电压时，使能信号Enb为低时有效(图2中a点位置)，电荷泵运行，电荷泵输出端Vout输出负电压，与电荷泵输出端Vout相连的非均匀分压电路5的各点电压也相应下降。电荷泵输出端Vout降至-0.3V时，A点电压低于B点电压，使能信号Enb为高无效，电荷泵2停止，电荷泵输出端Vout不再下降。之后由于漏电流及电容的影响，电荷泵输出端Vout无法维持在某一固定电压，而逐渐回升(图中b点位置)。当电荷泵输出端Vout回升至-0.1V时，A点电压已高于B点电压，使能信号Enb再次有效，电荷泵2再次运行，电荷泵输出端Vout再次降至-0.3V。如此循环往复，始终能保持电荷泵输出端Vout在-0.3V至-0.1V范围内。

需要说明的是，本实施例中均匀分压电路4和非均匀分压电路5中均采用3个MOS管，非均匀分压电路5中源极与衬底不相连的MOS管只有一个，且为中间一个。但不应理解为：这是对本发明中可使用MOS管数量及源极与衬底不相连的MOS管数量及连接顺序的限定。本实施例中采用的，仅仅是通过有限次的试验并综合考虑可操作性及功效能耗因素后而采用的较佳实施例。

需要说明的是，B点电压也可以不由均匀分压电路4产生，而是直接连接一参考电压2V。只不过在电源电压Vdd不够稳定的情况下，B点电压并不能恰好稳定在2V，而是在比如1.8至2.2V的一个范围内。直接将A点电压与2V做比较，可能无法很好地区分造成电压不同的原因到底是体效应，还是电源电压Vdd不稳，因此造成的误差可能会比较大。将A点与均匀分压电路4产生的B点电压做比较，可将由电源电压Vdd不稳造成的干扰因素完全去除，将造成电压不同的原因聚焦到体效应本身，控制电荷泵2停启的效果更好。

需要说明的是，本实施例中的均匀分压电路4以及非均匀分压电路5中的MOS管均为PMOS管，是基于该电路中使用PMOS管效果更佳的考虑，而不应理解为只能使用PMOS管来实现。

需要说明的是，本发明产生的负电压的范围由引入的体效应的强弱决定。体效应强，则负电压范围大，反之亦然。影响体效应的因素有很多，且各因素对体效应的影响并无明显规律可循。经多次的试验及经验积累，可确定MOS管的长宽比可影响体效应的强弱，可通过调节MOS管的长宽比，达到调节负电压范围的目的。同时，衬底输入电压Vin的大小也可影响体效应的强弱。衬底输入电压Vin越高，体效应越强，电荷泵输出端Vout产生的负电压也越大。但考虑到实际需求、保障MOS管正常运行的需要及功耗能率，该衬底输入电压Vin也不可能无限制地高，而是相应地维持在某一个范围内较为理想，比如能将电荷泵输出端Vout产生的负电压控制在-0.5V至0V范围之内所需的电压。

虽然本发明己以较佳实施例披露如上，但本发明并非限定于此。任何本领域技术人员，在不脱离本发明的精神和范围内，均可作各种更动与修改，因此本发明的保护范围应当以权利要求所限定的范围为准。

Claims (9)

1.一种负电压产生电路，其特征在于，包括：

一电荷泵，基于使能信号产生负电压；

与电荷泵相连的一非均匀分压电路，所述的非均匀分压电路中至少包括一个MOS管，该MOS管的源极与衬底不相连，所述的衬底接收一输入电压；

一比较器，所述的比较器将所述MOS管的源极电压与参考电压进行比较，仅当所述的源极电压超过参考电压时，产生电荷泵的使能信号，使电荷泵运行，产生负电压。

2.如权利要求1所述的负电压产生电路，其特征在于：

所述的非均匀分压电路包括n个同等规格的MOS管，该些MOS管的栅极均与其漏极相连，第一个MOS管的源极与电源电压相连，其它MOS管的源极与前一个MOS管的漏极相连，最后一个MOS管的漏极与电荷泵输出端相连，一电容连接于电荷泵输出端与接地端之间；

所述源极与衬底不相连的MOS管为第m个MOS管，m＜n；

所述的输入电压须高于参考电压。

3.如权利要求1所述的负电压产生电路，其特征在于：

所述参考电压的值通过一均匀分压电路均匀分压所得；

所述的均匀分压电路包括与非均匀分压电路相同数量、同等规格的n个MOS管，该些MOS管的栅极均与其漏极相连，且其源极均与其衬底相连，第一个MOS管的源极与电源电压相连，其它MOS管的源极与前一个MOS管的漏极相连，最后一个MOS管的漏极接地；

所述的参考电压为第m个MOS管的源极电压。

4.如权利要求3所述的负电压产生电路，其特征在于：

所述的输入电压须高于所述的均匀分压电路中第m个MOS管的源极电压。

5.如权利要求2所述的负电压产生电路，其特征在于：

所述的电源电压为3V。

6.如权利要求3所述的负电压产生电路，其特征在于：

所述的非均匀分压电路和均匀分压电压均包括3个同等规格的MOS管，所述第m个MOS管为第2个MOS管。

7.如权利要求2所述的负电压产生电路，其特征在于：

还包括一个时钟产生电路，与电荷泵的时钟输入端相连，用于产生电荷泵所需的时钟信号。

8.如权利要求2所述的负电压产生电路，其特征在于：所述的负电压范围在-0.5～0V。

9.如权利要求1至8所述的任一种负电压产生电路，其特征在于：

所述的MOS管为PMOS管。

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