CN107733223B - 电荷泵增压单元电路 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种电荷泵增压单元电路，包括五个信号端口：分别为电荷输入端口INi、电荷输出端口OUTi、时钟输入端口CLKi、使能信号端口ENi和接地端口GND，所述增压单元电路由2个PMOS晶体管PM1~PM2（20‑21）、1个NMOS晶体管NM1（22）和一个用于电荷存储及传输的电容C1（23）组成，本发明降低了电荷泵增压单元电路中电荷传输管的衬偏效应和电荷传输路径上的寄生电容，提高了电荷泵的电压增益和工作效率。

Description

电荷泵增压单元电路
技术领域
本发明涉及一种集成电路，特别涉及一种电荷泵增压电路。
背景技术
电荷泵电路是集成电路中常用的电压转换电路，较小的直流或交流电压通过电荷泵可以转变为不同电平的直流电压。电荷泵电路广泛应用于电可擦除可编程只读存储器（EEPROM）、闪速存储器（Flash Memory）以及超低功耗单栅非易失性存储器电路中。
以无源超高频RFID芯片为例，芯片中需要嵌入一定存储容量的超低功耗非易失性存储器电路，为了降低成本，存储器电路通常采用单层多晶硅CMOS工艺实现，并且一般需要在片上集成高压产生电路，即采用电荷泵来产生编程时所需的高压。由于编程时整个存储器超过90％的功耗都消耗在电荷泵上，因此电荷泵的设计非常关键，需要设计一种高效的电荷泵电路。
电荷泵电路通常由多个增压单元电路级联组成。在增压单元电路中，电荷传输管是一个关键器件，电荷传输管的源漏两端分别连接电荷输入端口与电荷输出端口。如果电荷传输管的开启电压较高，将降低增压单元电路的电压增益，从而降低电荷泵的工作效率。另一方面由于电荷传输管在电荷泵电路工作时具有两种工作状态：一种是电荷传输状态，此时电荷输入端口的电压高于电荷输出端口的电压；一种是截止状态，此时电荷输入端口的电压低于电荷输出端口的电压。为了避免电荷传输管的衬底寄生三极管开启导致漏电流，电荷传输管的衬底必须高于源漏两端的电压。如图1所示，传统的方法是将第i级增压单元电路中电荷传输管的衬底接至第i+2级增压单元电路的电荷输出端口，但由于第i+2级增压单元电路的电荷输出端口的电压较高，使得电荷传输管存在较严重的衬偏效应，电荷传输管开启电压大幅增加，导致电荷泵的工作效率大幅降低。此外，该技术中，电荷传输管的衬底与电荷传输端口直接连接，导致电荷传输路径上的寄生电容增加，也进一步降低了电荷泵的工作效率。
发明内容
本发明的目的是提供一种电荷泵增压单元电路，可以有效降低电荷传输管的衬偏效应和电荷传输路径上的寄生电容，提高电荷泵的电压增益和工作效率。
本发明的目的是这样实现的：一种电荷泵增压单元电路，包括五个信号端口：分别为电荷输入端口INi、电荷输出端口OUTi、时钟输入端口CLKi、使能信号端口ENi和接地端口GND，其特征在于：
所述增压单元电路由2个PMOS晶体管PM1~PM2、1个NMOS晶体管NM1和一个用于电荷存储及传输的电容C1组成；
增压单元电路内部的连接方式为：
晶体管PM1源漏中的一端与电荷输入端口INi相连，电荷输入端口INi即第i-1级增压单元的电荷输出端口OUTi-1；
晶体管PM1源漏中的另一端与电荷输出端口OUTi、晶体管PM1的栅极、晶体管PM2源漏中的一端以及电容C1的一端连接在一起，电荷输出端口OUTi即第i+1级增压单元的电荷输入端口INi+1；
晶体管PM2源漏中的另一端与晶体管PM2的衬底及晶体管PM2的栅极、晶体管NM1的漏极和晶体管PM1的衬底连接在一起；
晶体管NM1的栅极与使能信号ENi相连；
晶体管NM1的源极和晶体管NM1的衬底以及接地端口GND连接在一起；
电容C1的另一端与时钟输入端口CLKi相连。
作为本发明的进一步限定，采用了晶体管PM1作为电荷传输管，同时采用晶体管PM2产生晶体管PM1衬底的偏置电压。
作为本发明的进一步限定，所述晶体管PM1的阈值电压高于晶体管PM2的阈值电压。
作为本发明的进一步限定，所述电容C1的电容值远大于端口OUTi对地的寄生电容，以获得较大的电压增益和能量转换效率。
作为本发明的进一步限定，所述电容C1实现形式可以为MOS电容、MIM电容、金属叉指电容或这三种电容的混合电容。
与现有技术相比，本发明的有益效果在于，在本发明所提出的增压单元电路中，电荷传输管的偏置晶体管可以为电荷传输管的衬底提供偏置电压，且衬偏效应较小，从而提高电荷泵的电压增益；在本发明所提出的增压单元电路中，电荷传输管以及偏置晶体管的衬底均未与电荷传输端口相连，因此降低了电荷传输路径上的寄生电容，从而进一步提高电荷泵的电压增益；当需要电荷泵停止工作时，晶体管NM1将增压单元电路内部各节点的电压快速恢复至零点位，以提高电荷泵电路的可靠性。
附图说明
图1为传统的电荷泵增压单元电路原理图。
图2 为本发明所提出的电荷泵增压单元电路原理图。
图3 为采用传统增压单元电路实现的四级电荷泵电路原理图。
图4为 采用本发明所提出增压单元电路实现的四级电荷泵电路原理图。
图5为两种结构四级电荷泵电路的仿真结果对比示意图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。
如图2所示的一种电荷泵增压单元电路，包括五个信号端口：分别为电荷输入端口INi、电荷输出端口OUTi、时钟输入端口CLKi、使能信号端口ENi和接地端口GND，其特征在于：
所述增压单元电路由2个PMOS晶体管PM1~PM2 20-21 、1个NMOS晶体管NM1 22 和一个用于电荷存储及传输的电容C1 23 组成；
增压单元电路内部的连接方式为：
晶体管PM1 20 源漏中的一端与电荷输入端口INi相连，电荷输入端口INi即第i-1级增压单元的电荷输出端口OUTi-1；
晶体管PM1 20 源漏中的另一端与电荷输出端口OUTi、晶体管PM1 20 的栅极、晶体管PM2 21 源漏中的一端以及电容C1 23 的一端连接在一起，电荷输出端口OUTi即第i+1级增压单元的电荷输入端口INi+1；
晶体管PM2 21 源漏中的另一端与晶体管PM2 21 的衬底及晶体管PM2 21 的栅极、晶体管NM1 22 的漏极和晶体管PM1 20 的衬底连接在一起；
晶体管NM1 22 的栅极与使能信号ENi相连；
晶体管NM1 22 的源极和晶体管NM1 22 的衬底以及接地端口GND连接在一起；
电容C1 23 的另一端与时钟输入端口CLKi相连；增压单元电路采用了晶体管PM120 作为电荷传输管，同时采用晶体管PM2 21 产生晶体管PM1 20 衬底的偏置电压，所述晶体管PM1 20 的阈值电压高于晶体管PM2 21 的阈值电压，所述电容C1 23 的电容值远大于端口OUTi对地的寄生电容，以获得较大的电压增益和能量转换效率，所述电容C1 23 实现形式可以为MOS电容、MIM电容、金属叉指电容或这三种电容的混合电容。
图3给出了采用图1所示的传统电荷泵增压单元电路实现的四级电荷泵电路结构图；该电路包括了五个信号端口：VDD为电源电压输入端口，EN为使能信号输入端口，CLK为时钟信号输入端口，VH为电荷泵高压输出端口，GND为接地端口；该电路包括了四级增压单元电路 30~33 ，一个输出晶体管PML 34 和一个负载电容CL 35 ，其中四级增压单元电路的内部结构与图1中的电路相同。
在图3所示电路中，第一级增压单元电路的电荷输入端口IN1与端口VDD相连；第一级增压单元电路的输出端口BS1与第三级增压单元电路的电荷输出端口OUT3相连，第二级增压单元电路的输出端口BS2与第四级增压单元电路的电荷输出端口OUT4相连，第三级和第四级增压单元电路的输出端口BS3和BS4与电荷泵的高压输出端口VH相连；四级增压单元电路的使能信号输入端口EN1~EN4连接在一起，并与端口EN相连；第二级增压单元电路的时钟输入端口CLK2与第四级增压单元电路的时钟输入端口CLK4连接在一起并与电荷泵电路的时钟输入端口CLK相连；第一级增压单元电路的时钟输入端口CLK1与第三级增压单元电路的时钟输入端口CLK3连接在一起并通过一个反相器与电荷泵电路的时钟输入端口CLK相连。
图4给出了采用图2所示的本发明电荷泵增压单元电路实现的四级电荷泵电路结构图；该电路包括了五个信号端口：VDD为电源电压输入端口，EN为使能信号输入端口，CLK为时钟信号输入端口，VH为电荷泵高压输出端口，GND为接地端口；该电路包括了四级增压单元电路 40~43 ，一个输出晶体管PML 44 和一个负载电容CL 45 ，其中四级增压单元电路的内部结构与图2中的电路相同。
在图4所示电路中，第一级增压单元电路的电荷输入端口IN1与端口VDD相连；四级增压单元电路的使能信号输入端口EN1~EN4连接在一起，并与端口EN相连；第二级增压单元电路的时钟输入端口CLK2与第四级增压单元电路的时钟输入端口CLK4连接在一起并与电荷泵电路的时钟输入端口CLK相连；第一级增压单元电路的时钟输入端口CLK1与第三级增压单元电路的时钟输入端口CLK3连接在一起并通过一个反相器与电荷泵电路的时钟输入端口CLK相连。
本发明采用0.18um CMOS工艺分别实现了如图3和图4电路结构的两种四级电荷泵电路；两种电荷泵采用了相同电容值的电荷传输电容以及相同尺寸的电荷传输晶体管，且具有相同尺寸的输出晶体管和相同电容值的负载电容；图5给出了在1.2V电源电压、2MHz输入时钟条件、50M欧姆负载电阻和15pF负载电容条件下，两种电荷泵电路的仿真结果。其中VHref为采用传统增压单元电路实现的四级电荷泵的输出电压曲线，VHref最高值为2.4V。VH为采用本发明所提出增压单元电路实现的四级电荷泵输出电压曲线，VH最高值为2.7V；由此可见，本发明所提出的增压单元电路比传统增压单元电路可以实现更高的电压增益，所实现的电荷泵电路具有更高的工作效率。
本发明并不局限于上述实施例，在本发明公开的技术方案的基础上，本领域的技术人员根据所公开的技术内容，不需要创造性的劳动就可以对其中的一些技术特征作出一些替换和变形，这些替换和变形均在本发明的保护范围内。

Claims (5)

1.一种电荷泵增压单元电路，包括五个信号端口：分别为电荷输入端口INi、电荷输出端口OUTi、时钟输入端口CLKi、使能信号端口ENi和接地端口GND，其特征在于：
所述增压单元电路由2个PMOS晶体管PM1~PM2（20-21）、1个NMOS晶体管NM1（22）和一个用于电荷存储及传输的电容C1（23）组成；
增压单元电路内部的连接方式为：
晶体管PM1（20）源漏中的一端与电荷输入端口INi相连，电荷输入端口INi即第i-1级增压单元的电荷输出端口OUTi-1；
晶体管PM1（20）源漏中的另一端与电荷输出端口OUTi、晶体管PM1（20）的栅极、晶体管PM2（21）源漏中的一端以及电容C1（23）的一端连接在一起，电荷输出端口OUTi即第i+1级增压单元的电荷输入端口INi+1；
晶体管PM2（21）源漏中的另一端与晶体管PM2（21）的衬底及晶体管PM2（21）的栅极、晶体管NM1（22）的漏极和晶体管PM1（20）的衬底连接在一起；
晶体管NM1（22）的栅极与使能信号ENi相连；
晶体管NM1（22）的源极和晶体管NM1（22）的衬底以及接地端口GND连接在一起；
电容C1（23）的另一端与时钟输入端口CLKi相连。
2.根据权利要求1所述的电荷泵增压单元电路，其特征在于，采用了晶体管PM1（20）作为电荷传输管，同时采用晶体管PM2（21）产生晶体管PM1（20）衬底的偏置电压。
3.根据权利要求1所述的电荷泵增压单元电路，其特征在于，所述晶体管PM1（20）的阈值电压高于晶体管PM2（21）的阈值电压。
4.根据权利要求1所述的电荷泵增压单元电路，其特征在于，所述电容C1（23）的电容值远大于端口OUTi对地的寄生电容，以获得较大的电压增益和能量转换效率。
5.根据权利要求1所述的电荷泵增压单元电路，其特征在于，所述电容C1（23）实现形式可以为MOS电容、MIM电容、金属叉指电容或这三种电容的混合电容。
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