CN105743328B - 一种晶体管、电荷泵组件以及电荷泵 - Google Patents

Abstract

本发明实施例公开了一种晶体管、电荷泵组件以及电荷泵，该晶体管外部接入端包括源极在内的至少两个接入端，其内部形成有至少一个等效二极管，与其中一个接入端相连，与所述等效二极管相连的接入端作为中间电压输入端，其他所述接入端作为高电压输入端，其中，所述高电压输入端的允许输入电压高于中间电压输入端的允许输入电压，且所述中间电压输入端的允许输入电压小于所述等效二极管的击穿电压。与现有的晶体管相比，本发明实施例提供的晶体管允许输入的电压较高，将其应用于电荷泵中，可以达到提高电荷泵输出电压的目的。

Description

一种晶体管、电荷泵组件以及电荷泵

技术领域

本发明实施例涉及电荷泵电路技术，尤其涉及一种晶体管、电荷泵组件以及电荷泵。

背景技术

近年，随着科技的发展，硅微机电系统传感器在设计和工艺上有显著的突破，以硅微机电系统振荡器为例，它正不断地攻占石英振荡器在传统时序市场上的地位。

当将硅微机电系统振荡器应用在通信领域时，该微机电系统谐振器需要配置一个较高的直流电压，这样可以减少其动态阻抗，提高信号能量输出，亦可以透过调变偏压，改变微机电系统谐振器的振动频率，以满足低相噪和频率微调的需求。

但是，现有技术中用来为硅微机电系统振荡器提供电压的电荷泵往往受到器件特性的限制并不能提供较高的输出电压。例如，图1为现有技术中1.8V CMOS晶体管的结构示意图，该晶体管的外部接入端包括源极14、体偏置端13以及深N阱引出端12，内部结构包括P型衬底101，形成于P型衬底101中的深N阱102，形成于深N阱102中的P阱103，形成于P阱103中的源区104和漏区105，形成于源区104和漏区105之间的P阱103上的栅极绝缘层106。该源极14从源区104引出形成，该漏极15从漏区105引出形成，该栅极16形成于栅极绝缘层106之上，该体偏置端13从P阱103中引出形成，该深N阱引出端12从深N阱102引出形成。如图1所示，深N阱102与P型衬底101之间形成一个等效二极管21。在使用时，该晶体管的源极14、体偏置端13以及深N阱引出端12共同作为电压输入端。由于此1.8VCMOS晶体管其内部结构中深N阱102与P型衬底101之间形成的等效二极管21击穿电压约为15V，其电压输入端不能输入高于15V的电压，以至于不能提供较高的输出电压。无疑，这就将限制硅微机电系统在通信应用领域的应用。

发明内容

本发明提供一种晶体管、电荷泵组件以及电荷泵，以实现提高电荷泵的输出电压的目的。

第一方面，本发明实施例提供了一种晶体管，该晶体管外部接入端包括源极在内的至少两个接入端，其内部形成有至少一个等效二极管，与其中一个接入端相连，与所述等效二极管相连的接入端作为中间电压输入端，其他所述接入端作为高电压输入端，其中，所述高电压输入端的允许输入电压高于中间电压输入端的允许输入电压，且所述中间电压输入端的允许输入电压小于所述等效二极管的击穿电压。

进一步地，所述晶体管的内部结构具体包括：

P型衬底，

在所述P型衬底中形成的深N阱，

在所述深N阱中形成的P阱，

从所述P阱中引出的体偏置端，

在所述P阱中形成的源区和漏区，

从所述深N阱引出的深N阱引出端，

从所述源区中引出的源极，

从所述漏区中引出的漏极，以及

栅极；

其中，所述深N阱与所述P型衬底之间形成第一等效二极管，所述源区和所述P阱之间形成第二等效二极管；

所述源极作为所述高电压输入端，所述体偏置端以及深N阱引出端作为所述中间电压输入端；

所述中间电压输入端的允许输入电压小于所述第一等效二极管的击穿电压；

所述高电压输入端的允许输入电压小于所述中间电压输入端实际输入电压与所述第二等效二极管的击穿电压之和。

第二方面，本发明实施例还提供了电荷泵组件，该电荷泵组件包括本发明所提供的任意一种晶体管，各所述晶体管的高电压输入端和中间电压输入端分别与不同的电源输入端相连。

进一步地，该电荷泵组件包括六个所述晶体管、四个电容以及四个时钟，分别为：第一晶体管、第二晶体管、第三晶体管、第四晶体管、第五晶体管、第六晶体管、第一电容、第二电容、第三电容、第四电容、第一时钟、第二时钟、第三时钟以及第四时钟；

所述第一晶体管、所述第二晶体管、所述第三晶体管以及所述第四晶体管的高电压输入端电连接后作为所述电荷泵组件的第一电压输入端，所述第一晶体管、所述第二晶体管、所述第三晶体管、所述第四晶体管、所述第五晶体管以及所述第六晶体管的中间压输入端电连接后作为所述电荷泵组件的第二电压输入端；

所述第一晶体管的漏极与所述第一电容的第一端电连接，所述第一晶体管的栅极与所述第二电容的第一端电连接；

所述第二晶体管的漏极与所述第二电容的第一端电连接，所述第二晶体管的栅极与所述第三电容的第一端电连接；

所述第三晶体管的漏极与所述第三电容的第一端电连接，所述第三晶体管的栅极与所述第二电容的第一端电连接；

所述第四晶体管的漏极与所述第四电容的第一端电连接，所述第四晶体管的栅极与所述第三电容的第一端电连接；

所述第五晶体管的源极和栅极与所述第一电容的第一端电连接；

所述第六晶体管的源极和栅极与所述第四电容的第一端电连接；

所述第一电容的第二端与所述第一时钟电连接；

所述第二电容的第二端与所述第三时钟电连接；

所述第三电容的第二端与所述第四时钟电连接；

所述第四电容的第二端与所述第二时钟电连接；

所述第五晶体管的漏极与所述第六晶体管的漏极电连接后作为所述电荷泵组件的输出端。

第三方面，本发明实施例还提供了一种电荷泵，该电荷泵包括至少一个本发明提供的电荷泵组件；

各所述电荷泵组件依次串联。

进一步地，各所述电荷泵组件中，所述第一时钟与所述第三时钟打开时间不同；并且，

所述第二时钟与所述第四时钟打开时间不同。

进一步地，该电荷泵还包括时钟信号产生器；

所述时钟信号产生器与各所述电荷泵组件的第一时钟、第二时钟、第三时钟、以及第四时钟均电连接，以控制各所述电荷泵组件的工作状态。

进一步地，该电荷泵还包括时电压调整电路；

所述电压调整电路的输入端与所述电荷泵的输出端电连接，所述电压调整电路的输出端与所述时钟信号产生器的输入端电连接，以根据所述电荷泵的输出信号，控制所述时钟信号产生器。

本发明实施例通过根据各输入端与其内部形成的等效二极管的连接关系，将各输入端划分为高电压输入端和中间电压输入端，并根据其内部所形成的等效二极管的击穿电压，向该晶体管高电压输入端和中间电压输入端输入不同电压，解决了现有的晶体管由于受到内部形成的等效二极管击穿电压的限制，允许输入的电压较低的问题，提高了晶体管允许输入电压，并且将该晶体应用于电荷泵中，可以达到提高电荷泵输出电压的目的。

附图说明

图1是现有技术中的一种晶体管的结构示意图；

图2是本发明实施例二提供的一种晶体管的结构示意图；

图3是本发明实施例三提供的一种电荷泵组件的电路图；

图4是一组用于驱动图3中提供的电荷泵组件的时钟信号波形图；

图5是本发明实施例四提供的一种电荷泵的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本发明，而非对本发明的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与本发明相关的部分而非全部结构。

实施例一

本实施例提供了一种晶体管，该晶体管的外部接入端包括源极在内的至少两个接入端，其内部形成有至少一个等效二极管，与其中一个接入端相连，与所述等效二极管相连的接入端作为中间电压输入端，其他所述接入端作为高电压输入端，其中，所述高电压输入端的允许输入电压高于中间电压输入端的允许输入电压，且所述中间电压输入端的允许输入电压小于所述等效二极管的击穿电压。

本实施例技术方案通过根据各输入端与其内部形成的等效二极管的连接关系，将各输入端划分为高电压输入端和中间电压输入端，并根据其内部所形成的等效二极管的击穿电压，向该晶体管高电压输入端和中间电压输入端输入不同电压，解决了现有的晶体管由于受到内部形成的等效二极管击穿电压的限制，允许输入的电压较低的问题，提高了晶体管允许输入电压，并且将该晶体管应用于电荷泵中，可以达到提高电荷泵输出电压的目的。

需要说明的是，本实施例提供的晶体管在使用时，可选地，晶体管的高电压输入端和中间电压输入端分别与不同的电源输入端相连。

实施例二

图2为本发明实施例二提供的一种晶体管的结构示意图。本实施例提供的晶体管是实施例一中提供的晶体管的一个具体示例。如图2所示，该晶体管的外部接入端共包括三个，分别为源极14、体偏置端13以及深N阱引出端12。其内部深N阱102与P型衬底101之间形成了第一等效二极管21，其中，该体偏置端13以及深N阱引出端12作为中间电压输入端VM，源极14作为高电压输入端VH，其中，高电压输入端VH的允许输入电压高于中间电压输入端VM的允许输入电压，且中间电压输入端VM的允许输入电压小于第一等效二极管21的击穿电压。

晶体管的内部结构具体包括：P型衬底101，在P型衬底101中形成的深N阱102，在深N阱102中形成的P阱103，从P阱103中引出的体偏置端13，在P阱中形成的源区104和漏区105，形成于源区104和漏区105之间的P阱103上的栅极绝缘层106，从深N阱102引出的深N阱引出端12，从源区104中引出的源极14，从漏105区中引出的漏极15，以及栅极16；其中，深N阱102与P型衬底101之间形成第一等效二极管21，源区104和P阱103之间形成第二等效二极管22；源极14作为高电压输入端VH，体偏置端13以及深N阱引出端12作为中间电压输入端VM；中间电压输入端VM的允许输入电压小于第一等效二极管21的击穿电压；高电压输入端VH的允许输入电压小于中间电压输入端VM实际输入电压与第二等效二极管22的击穿电压之和。

示例性地，若该晶体管为1.8VCMOS晶体管，该晶体管内，第一等效二极管21的击穿电压为15V,可以在中间电压输入端VM输入15V的电压，高电压输入端VH输入25V的电压。即第一等效二极管21两侧的电压差为10V,小于其击穿电压，此时，该晶体管并不会受到损害，同时又达到了提高其允许输入电压的目的。将这种晶体管应用于电荷泵上，可以有效提高电荷泵的输出电压。

本实施例技术方案通过根据各输入端与其内部形成的等效二极管的连接关系，将各输入端划分为高电压输入端和中间电压输入端，并根据其内部所形成的等效二极管的击穿电压，向该晶体管高电压输入端和中间电压输入端输入不同电压，解决了现有的晶体管由于受到内部形成的等效二极管击穿电压的限制，允许输入的电压较低的问题，提高了晶体管允许输入电压，并且将该晶体管应用于电荷泵中，可以达到提高电荷泵输出电压的目的。

实施例三

图3为本发明实施例三提供的一种电荷泵组件的结构示意图。如图3所示，该电荷泵组件，包括上述实施例中提供的晶体管。具体地，该电荷泵组件共包括六个晶体管、四个电容以及四个时钟，分别为：第一晶体管M1、第二晶体管M2、第三晶体管M3、第四晶体管M4、第五晶体管M5、第六晶体管M6、第一电容C1、第二电容C2、第三电容C3、第四电容C4、第一时钟T1、第二时钟T2、第三时钟T3以及第四时钟T4。

该电荷泵组件的具体连接方式为：第一晶体管M1、第二晶体管M2、第三晶体管M3以及第四晶体管M4的高电压输入端(源极)电连接后作为电荷泵组件的第一电压输入端Vin1，第一晶体管M1、第二晶体管M2、第三晶体管M3、第四晶体管M4、第五晶体管M5以及第六晶体管M6的中间压输入端(包括体偏置端与深N阱引出端)电连接后作为电荷泵组件的第二电压输入端Vin2；第一晶体管M1的漏极与第一电容C1的第一端电连接，第一晶体管M1的栅极与第二电容C2的第一端电连接；第二晶体管M2的漏极与第二电容C2的第一端电连接，第二晶体管M2的栅极与第三电容C3的第一端电连接；第三晶体管M3的漏极与第三电容C3的第一端电连接，第三晶体管M3的栅极与第二电容C2的第一端电连接；第四晶体管M4的漏极与第四电容C4的第一端电连接，第四晶体管M4的栅极与第三电容C3的第一端电连接；第五晶体管M5的源极和栅极与第一电容C1的第一端电连接；第六晶体管M6的源极和栅极与第四电容C4的第一端电连接；第一电容C1的第二端与第一时钟T1电连接；第二电容C2的第二端与第三时钟T3电连接；第三电容C3的第二端与第四时钟T4电连接；第四电容C4的第二端与第二时钟T2电连接；第五晶体管M5的漏极与第六晶体管M6的漏极电连接后作为电荷泵组件的输出端Vout。

需要说明的是，在本实施例中，仅示例性地给出了一种包含本发明所提供的晶体管的电荷泵组件的具体示例。本领域技术人员可以理解，在本发明中包含本发明所提供的晶体管的电荷泵组件包括但不限于上述电荷泵组件。

在具体使用过程中，该电荷泵组件中，第三时钟T3和第四时钟T4是一组互不重叠的时钟。另外第一时钟T1和第三时钟T3的打开时间不同，第二时钟T2和第四时钟T4的打开时钟不同。图4中示例性地给了一组用于驱动该电荷泵组件四个时钟的时钟信号波形图。

本实施例技术方案通过将电荷泵组件中的晶体管替换为本申请提供的晶体管，利用其允许输入的电压较常规晶体管允许输入的电压大的特点，在使用时，其输入电压经电荷泵组件升压后，可以得到更大的输出电压，实现了提高电荷泵输出电压的效果。

实施例四

本实施例给出了一种电荷泵，该电荷泵包含有至少一个本发明上述实施例提供的电荷泵组件，且各电荷泵组件依次串联。示例性地，如图5给出了一种电荷泵的结构示意图，该电荷泵包含M个本发明所提供的电荷泵组件100，各电荷泵组件100依次串联，具体地，各电荷泵组件的输出端123作为与其相邻的下一个电荷泵组件100的第一电压输入端121，各电荷泵组件100的第二输入端122与其他电路的输出端电连接，用于接收来自其他电路的电信号。

典型地，如图5，该电荷泵还包括N个常规电荷泵组件200。该N个常规电荷泵组件200依次串联后作为电荷泵的第一部分1，该M个电荷泵组件100依次串联后作为电荷泵的第二部分2。该电荷泵的第一部分1的输入端作为电荷泵的输入端，该电荷泵的第一部分1的输出端与该电荷泵的第二部分2的第一输入端以及该电荷泵的第二部分2中各电荷泵组件100的第二电压输入端122电连接。该电荷泵的第二部分2的输出端123作为该电荷泵的输出端。

同样地，在工作时，各电荷泵组件中，第一时钟与第三时钟打开时间不同；并且，第二时钟与第四时钟打开时间不同，以控制各电荷泵组件中晶体管的工作状态，进而控制各电荷泵组件的输出电压。

在具体使用时，当所需要输入的电压低于晶体管内等效二极管的击穿电压时，通过控制各电荷泵组件的时钟信号，以使得电荷泵的第一部分1主要处于工作状态，以便高效率的充电。当所需要输入的电压高于晶体管内等效二极管的击穿电压时，通过控制各电荷泵组件的时钟信号，以使电荷泵的第二部分2主要处于工作状态，以使该电荷泵满足高电压输出的需求。

本实施例通过在电荷泵电路中串联本申请提供的电荷泵组件以及常规电荷泵组件，可以使得电荷泵可以根据其输入的电压调整其内部的各组件的工作状态，进而达到高电压输出或者高效率充电的目的。

在此基础上，为了使得该电荷泵的工作更加智能化，可选地，如图5所述，还包括时钟信号产生器300；时钟信号产生器300与各电荷泵组件的第一时钟、第二时钟、第三时钟、以及第四时钟均电连接，以控制各电荷泵组件的工作状态。

进一步，为了实时掌握该电荷泵的输出电压，并根据该输出电压及时调整电荷泵的工作状态，可选地，如图4所示，还包括时电压调整电路400；电压调整电路的输入端与电荷泵的输出端电连接，电压调整电路的输出端与时钟信号产生器的输入端电连接，以根据电荷泵的输出信号，控制时钟信号产生器。

注意，上述仅为本发明的较佳实施例及所运用技术原理。本领域技术人员会理解，本发明不限于这里所述的特定实施例，对本领域技术人员来说能够进行各种明显的变化、重新调整和替代而不会脱离本发明的保护范围。因此，虽然通过以上实施例对本发明进行了较为详细的说明，但是本发明不仅仅限于以上实施例，在不脱离本发明构思的情况下，还可以包括更多其他等效实施例，而本发明的范围由所附的权利要求范围决定。

Claims (1)

1.一种电荷泵组件，其特征在于，包括至少一个晶体管，各所述晶体管的高电压输入端和中间电压输入端分别与不同的电源输入端相连；

所述晶体管的外部接入端包括源极在内的至少两个接入端，其内部形成有第一等效二极管和第二等效二极管，所述第一等效二极管与其中一个接入端相连，与所述第一等效二极管相连的接入端作为中间电压输入端，其中，所述高电压输入端的允许输入电压高于中间电压输入端的允许输入电压；

所述晶体管的内部结构具体包括：

P型衬底，

在所述P型衬底中形成的深N阱，

在所述深N阱中形成的P阱，

从所述P阱中引出的体偏置端，

在所述P阱中形成的源区和漏区，

从所述深N阱引出的深N阱引出端，

从所述源区中引出的源极，

从所述漏区中引出的漏极，以及

栅极；

其中，所述深N阱与所述P型衬底之间形成第一等效二极管，所述源区和所述P阱之间形成第二等效二极管；

所述源极作为所述高电压输入端，所述体偏置端以及深N阱引出端作为所述中间电压输入端；

所述中间电压输入端的允许输入电压小于所述第一等效二极管的击穿电压；

所述高电压输入端的允许输入电压小于所述中间电压输入端实际输入电压与所述第二等效二极管的击穿电压之和；

所述电荷泵组件，包括六个所述晶体管、四个电容以及四个时钟，分别为：第一晶体管、第二晶体管、第三晶体管、第四晶体管、第五晶体管、第六晶体管、第一电容、第二电容、第三电容、第四电容、第一时钟、第二时钟、第三时钟以及第四时钟；

所述第一晶体管、所述第二晶体管、所述第三晶体管以及所述第四晶体管的高电压输入端电连接后作为所述电荷泵组件的第一电压输入端，所述第一晶体管、所述第二晶体管、所述第三晶体管、所述第四晶体管、所述第五晶体管以及所述第六晶体管的中间压输入端电连接后作为所述电荷泵组件的第二电压输入端；

所述第一晶体管的漏极与所述第一电容的第一端电连接，所述第一晶体管的栅极与所述第二电容的第一端电连接；

所述第二晶体管的漏极与所述第二电容的第一端电连接，所述第二晶体管的栅极与所述第三电容的第一端电连接；

所述第三晶体管的漏极与所述第三电容的第一端电连接，所述第三晶体管的栅极与所述第二电容的第一端电连接；

所述第四晶体管的漏极与所述第四电容的第一端电连接，所述第四晶体管的栅极与所述第三电容的第一端电连接；

所述第五晶体管的源极和栅极与所述第一电容的第一端电连接；

所述第六晶体管的源极和栅极与所述第四电容的第一端电连接；

所述第一电容的第二端与所述第一时钟电连接；

所述第二电容的第二端与所述第三时钟电连接；

所述第三电容的第二端与所述第四时钟电连接；

所述第四电容的第二端与所述第二时钟电连接；

所述第五晶体管的漏极与所述第六晶体管的漏极电连接后作为所述电荷泵组件的输出端。