CN106026637B - 一种电荷泵电路及其单级电路 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种电荷泵电路及其单级电路，能够自动选择较低者作为相应NMOS管体端的偏置电压，避免了NMOS管体端与漏端之间的寄生二极管可能导通的问题。所述的单级电路，包括主传输单元和辅助传输单元；主传输单元包括分别连接输入时钟和反相输入时钟的两个电容，分别交叉耦合连接在两个电容之间的两个PMOS管和第一、二主NMOS管；两个PMOS管的源端和体端均与输出端vout相连接；第一、二主NMOS管的源端均与输入端vin相连接；第一主NMOS管上设置有第一辅助传输单元；第二主NMOS管上设置有第二辅助传输单元；所述的电荷泵电路，包括N级逐级串联的电荷泵单级电路，其中N为大于1的正整数。本发明通过在主传输单元中主NMOS管上设置辅助传输单元。

Description

一种电荷泵电路及其单级电路
技术领域
本发明涉及集成电路设计领域，具体为一种电荷泵电路及其单级电路。
背景技术
电荷泵用于实现高于电源电压的内部电压，广泛应用于存储器、显示驱动等芯片中。图1是现有交叉耦合式电荷泵的电路原理图。交叉耦合式电荷泵包含两个NMOS管(MN1和MN2)、两个PMOS管(MP1和MP2)和两个电容(C1和C2)。MN1和MN2的源端(source)和体端(bulk)均与输入端vin相连接；MN1的漏端(drain)、MP1的漏端、MN2的栅端(gate)、MP2的栅端和电容C1的一端均连接在一起，即图1中的A点；电容C1的另一端接输入时钟clk；MN2的漏端、MP2的漏端、MN1的栅端、MP1的栅端和电容C2的一端均连接在一起，即图1中的B点；电容C2的另一端接输入时钟clkn，输入时钟clkn与输入时钟clk互相反相；MP1和MP2的源端和体端均与输出端vout相连接。
如图3所示是其工作原理图，输入端vin的电平为v1，当时钟信号clk由高电平变为低电平，clkn由低电平变为高电平时，由于电容自举的作用，节点A处的电压会跳变到一个较低的电平v0，节点B处的电压会跳变到一个较高的电平v3，此时MN1管的体端与漏端之间的电压差VBD_MN1大于零，可能会使MN1管体端与漏端之间的寄生二极管打开，如图2所示。
当时钟信号clk由低电平变为高电平，clkn由高电平变为低电平时，由于电容自举的作用，节点A处的电压会跳变到较高的电平v3，节点B处的电压会跳变到较低的电平v0，此时MN2管的体端与漏端之间的电压差VBD_MN2大于零，可能会使MN2管体端与漏端之间的寄生二极管导通，从而发生交叉耦合式电荷泵中NMOS管体端与漏端的寄生二极管导通的缺陷。
发明内容
针对现有技术中存在的问题，本发明提供一种电荷泵电路及其单级电路，能够自动选择较低者作为相应NMOS管体端的偏置电压，避免了NMOS管体端与漏端之间的寄生二极管可能导通的问题。
本发明是通过以下技术方案来实现：
一种电荷泵单级电路，包括主传输单元和辅助传输单元；
所述主传输单元包括分别连接输入时钟和反相输入时钟的两个电容，分别交叉耦合连接在两个电容之间的两个PMOS管和第一、二主NMOS管；两个PMOS管的源端和体端均与输出端vout相连接；第一、二主NMOS管的源端均与输入端vin相连接；
所述第一主NMOS管上设置有第一辅助传输单元；
所述第二主NMOS管上设置有第二辅助传输单元；
所述第一辅助传输单元包括两个辅助NMOS管；一个辅助NMOS管的源端和体端连接第一主NMOS管的体端，栅端连接第一主NMOS管的漏端，漏端连接第一主NMOS管的源端；另一个辅助NMOS管的源端和体端连接第一主NMOS管的体端，栅端连接第一主NMOS管的源端，漏端连接第一主NMOS管的漏端。
所述第二辅助传输单元包括两个辅助NMOS管；一个辅助NMOS管的源端和体端连接第二主NMOS管的体端，栅端连接第二主NMOS管的漏端，漏端连接第二主NMOS管的源端；另一个辅助NMOS管的源端和体端连接第二主NMOS管的体端，栅端连接第二主NMOS管的源端，漏端连接第二主NMOS管的漏端。
优选的，第一、二主NMOS管的尺寸相同。
优选的，两个PMOS管的尺寸相同。
优选的，两个电容的尺寸相同。
进一步，辅助NMOS管的尺寸相同，辅助NMOS管的尺寸不大于第一和二主NMOS管尺寸的1/10。
一种电荷泵电路，包括N级逐级串联的电荷泵单级电路，其中N为大于1的正整数。
与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：
本发明通过在主传输单元中主NMOS管上设置辅助传输单元，利用辅助传输单元中相互配合的辅助NMOS管对电压进行选择，能够根据主传输单元中主NMOS管源端与漏端的电压大小，自动选择较低者作为相应主NMOS管体端的偏置电压，从而避免了主NMOS管体端与漏端之间的寄生二极管可能导通的问题。
进一步的，辅助NMOS管的尺寸很小，一般不大于主NMOS管尺寸的1/10，因此增加的辅助单元在节点A和节点B处额外引入的寄生电容极小，从而对电荷泵效率的影响很小；同时，由于电容的面积在电荷泵的面积中占有绝对主导的比例，因此，增加的辅助电路对整体电路的面积造成的影响微乎其微。
附图说明
图1是现有交叉耦合式电荷泵的电路原理图。
图2是NMOS管的剖面图。
图3是现有交叉耦合式电荷泵的工作原理图。
图4是本发明所述的单级电荷泵的电路原理图。
图5是本发明所述的单级电荷泵的工作原理图。
图6是本发明实施例提供的一种电荷泵电路的结构示意图。
具体实施方式
下面结合具体的实施例对本发明做进一步的详细说明，所述是对本发明的解释而不是限定。
具体的如图4所示，本发明提供了一种电荷泵单级电路，包括主传输单元、第一辅助单元和第二辅助单元；
其中，两个电容分别为电容C1和电容C2，两个PMOS管分别为PMOS管MP1和PMOS管MP2，第一、二主NMOS管分别为NMOS管MN1和NMOS管MN2，第一辅助传输单元的两个辅助NMOS管分别为辅助NMOS管MND1和辅助NMOS管MNS1，第二辅助传输单元的两个辅助NMOS管分别为辅助NMOS管MND2和辅助NMOS管MNS2；
所述主传输单元包括一端连接输入时钟的电容C1，一端连接反相输入时钟的电容C2，交叉耦合连接在电容C1另一端和电容C2另一端之间的PMOS管MP1和PMOS管MP2，以及交叉耦合连接在电容C1另一端和电容C2另一端之间的NMOS管MN1和NMOS管MN2；PMOS管MP1和PMOS管MP2的源端和体端均与输出端vout相连接；NMOS管MN1和NMOS管MN2的源端均与输入端vin相连接；除NMOS管MN1和NMOS管MN2的体端外，其他端口的连接与现有技术相同；
所述第一辅助传输单元包括辅助NMOS管MND1和辅助NMOS管MNS1；
辅助NMOS管MND1的源端和体端连接NMOS管MN1的体端，栅端连接NMOS管MN1的源端，漏端连接NMOS管MN1的漏端；
辅助NMOS管MNS1的源端和体端连接NMOS管MN1的体端，栅端连接NMOS管MN1的漏端，漏端连接NMOS管MN1的源端；
所述第二辅助传输单元包括辅助NMOS管MND2和辅助NMOS管MNS2，采用与第一辅助单元对称的连接方式连接在NMOS管MN2上。
其中，电荷泵单级电路内，MN1和MN2尺寸相同；MP1和MP2尺寸相同；MNS1、MNS2、MND1和MND2尺寸相同，且一般不大于MN1和MN2尺寸的1/10；电容C1和C2的尺寸相同。
如图6所示，是将N个电荷泵单级电路逐级相连得到电荷泵电路，其中N为大于1的正整数。
本发明所述的电荷泵单级电路的工作过程，如下所述。
主传输单元在时钟信号clk和clkn的作用下，将输入端vin的电压(其电平为v1)升高后输出至输出端vout，其中时钟信号clk和clkn相位互补且占空比均为50％。
第一辅助传输单元根据NMOS管MN1的源端和漏端的电压大小，自动选择较低者作为其体端的偏置电压。
第二辅助传输单元根据NMOS管MN2的源端和漏端的电压大小，自动选择较低者作为其体端的偏置电压。
如图5所示，当时钟信号clk由低电平变成高电平，时钟信号clkn由高电平变成低电平时，由于电容C1的自举作用，节点A处的电压由电平v1跳变到电平v3；由于电容C2的自举作用，节点B处的电压由电平v2跳变到电平v0。自此开始至下一次时钟变化之前，MN2管导通，MN1管断开，电荷从输入端vin向节点B处传输；同时，MP2管断开，MP1管导通，储存在电容C1上的电荷从节点A处向输出端vout传输。在此过程中，节点A处的电压最终变化至电平v2，节点B处的电压最终变化至电平v1。
在此过程中节点A处的电压始终高于输入端vin的电压，因此第一辅助传输单元中MND1管断开，MNS1管导通，输入端vin的电压被传输到节点E，作为MN1管的体端偏置电压，同时也是MNS1管和MND1管的体端偏置电压。
同时，在此过程中节点B处的电压始终低于输入端vin的电压，因此第二辅助传输单元中MNS2管断开，MND2管导通，节点B处的电压被传输到节点F，作为MN2管的体端偏置电压，同时也是MNS2管和MND2管的体端偏置电压。
当时钟信号clk由高电平变成低电平，时钟信号clkn由低电平变成高电平时，由于电容C1的自举作用，节点A处的电压由电平v2跳变到电平v0；由于电容C2的自举作用，节点B处的电压由电平v1跳变到电平v3。自此开始至下一次时钟变化之前，MN2管断开，MN1管导通，电荷从输入端vin向节点A处传输；同时，MP2管导通，MP1管断开，储存在电容C2上的电荷从节点B处向输出端vout传输。在此过程中，节点A处的电压最终变化至电平v1，节点B处的电压最终变化至电平v2。
在此过程中节点A处的电压始终低于输入端vin的电压，因此第一辅助传输单元中MNS1管断开，MND1管导通，节点A处的电压被传输到节点E，作为MN1管的体端偏置电压,同时也是MNS1管和MND1管的体端偏置电压。
同时，在此过程中节点B处的电压始终高于输入端vin的电压，因此第二辅助传输单元中MND2管断开，MNS2管导通，输入端vin的电压被传输到节点F，作为MN2管的体端偏置电压,同时也是MNS2管和MND2管的体端偏置电压。
当时钟信号clk为高电平而clkn为低电平时，MN1管的体端偏置电压与输入端vin的电压相同，其漏端电压即节点A处的电压，因此MN1管的体端与漏端之间的电压差VBD_MN1小于零，不可能使MN1管体端与漏端之间的寄生二极管打开；同时，MN2管的体端偏置电压与节点B处的电压相同，其漏端电压即节点B处的电压，因此MN2管的体端与漏端之间的电压差VBD_MN2等于零，不可能使MN2管体端与漏端之间的寄生二极管打开；同时，MNS1管的体端与漏端之间的电压差等于零，MND1管的体端与漏端之间的电压差小于零，MNS2管的体端与漏端之间的电压差小于零，MND2管的体端与漏端之间的电压差等于零，均不会使各相应NMOS管的体端与漏端之间的寄生二极管打开。
当时钟信号clk为低电平而clkn为高电平时，MN1管的体端偏置电压与节点A处的电压相同，其漏端电压即节点A处的电压，因此MN1管的体端与漏端之间的电压差VBD_MN1等于零，不可能使MN1管体端与漏端之间的寄生二极管打开；同时，MN2管的体端偏置电压与输入端vin的电压相同，其漏端电压与节点B处的电压相同，因此MN2管的体端与漏端之间的电压差VBD_MN2小于零，不可能使MN2管体端与漏端之间的寄生二极管打开；同时，MNS1管的体端与漏端之间的电压差小于零，MND1管的体端与漏端之间的电压差等于零，MNS2管的体端与漏端之间的电压差等于零，MND2管的体端与漏端之间的电压差小于零，均不会使各相应NMOS管的体端与漏端之间的寄生二极管打开。
如图6所示的电荷泵电路，包含了逐级相连的N级如图4所示的电荷泵单级电路，其中N为大于等于2的正整数。如图6所示本实施例的电荷泵电路中，第一单级电路的输入端与电源电压vext相连，其输出端与第二单级电路的输入端相连；第二单级电路的输出端与第三单级电路的输入端相连；如此类推，第N-1单级电路的输出端与第N单级电路的输入端相连；第N单级电路的输出端与输出端vout相连。该实施例理论上可将输入电压由vext提升到N+1倍vext后自输出端vout输出，并且无任何NMOS管存在体端与漏端之间的寄生二极管可能导通的缺陷。
本发明还可有其它多种实施例，在不背离本发明精神及其实质的情况下，熟悉本领域的技术人员均可根据本发明作出各种相应的改变和变形，但这些相应的改变和变形都应属于本发明的权利要求的保护范围。

Claims (4)

1.一种电荷泵单级电路，其特征在于，包括主传输单元和辅助传输单元；
所述主传输单元包括分别连接输入时钟和反相输入时钟的两个电容(C1、C2)，分别交叉耦合连接在两个电容(C1、C2)之间的两个PMOS管(MP1、MP2)和第一、二主NMOS管(MN1、MN2)；两个PMOS管(MP1、MP2)的源端和体端均与输出端vout相连接；第一、二主NMOS管(MN1、MN2)的源端均与输入端vin相连接；
第一主NMOS管(MN1)的漏端、一个PMOS管(MP1)的漏端、第二主NMOS管(MN2)的栅端、另一个PMOS管(MP2)的栅端和一个电容(C1)的一端均连接在一起；一个电容(C1)的另一端接输入时钟clk；
第二主NMOS管(MN2)的漏端、另一个PMOS管(MP2)的漏端、第一主NMOS管(MN1)的栅端、一个PMOS管(MP1)的栅端和另一个电容(C2)的一端均连接在一起；另一个电容(C2)的另一端接输入时钟clkn，输入时钟clkn与输入时钟clk互相反相；
所述第一主NMOS管(MN1)上设置有第一辅助传输单元；
所述第二主NMOS管(MN2)上设置有第二辅助传输单元；
所述第一辅助传输单元包括两个辅助NMOS管(MNS1、MND1)；一个辅助NMOS管(MNS1)的源端和体端连接第一主NMOS管(MN1)的体端，栅端连接第一主NMOS管(MN1)的漏端，漏端连接第一主NMOS管(MN1)的源端；另一个辅助NMOS管(MND1)的源端和体端连接第一主NMOS管(MN1)的体端，栅端连接第一主NMOS管(MN1)的源端，漏端连接第一主NMOS管(MN1)的漏端；
所述第二辅助传输单元包括两个辅助NMOS管(MNS2、MND2)；一个辅助NMOS管(MNS2)的源端和体端连接第二主NMOS管(MN2)的体端，栅端连接第二主NMOS管(MN2)的漏端，漏端连接第二主NMOS管(MN2)的源端；另一个辅助NMOS管(MND2)的源端和体端连接第二主NMOS管(MN2)的体端，栅端连接第二主NMOS管(MN2)的源端，漏端连接第二主NMOS管(MN2)的漏端；
第一、二主NMOS管(MN1、MN2)的尺寸相同；
两个PMOS管(MP1、MP2)的尺寸相同。
2.根据权利要求1所述的一种电荷泵单级电路，其特征在于，两个电容(C1、C2)的尺寸相同。
3.根据权利要求1-2中任意一项所述的一种电荷泵单级电路，其特征在于，辅助NMOS管(MNS1、MND1、MNS2、MND2)的尺寸相同，辅助NMOS管(MNS1、MND1、MNS2、MND2)的尺寸不大于第一和二主NMOS管(MN1、MN2)尺寸的1/10。
4.一种电荷泵电路，其特征在于，包括N级逐级串联的如权利要求1至3中任一项权利要求所述的电荷泵单级电路，其中N为大于1的正整数。
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