CN113328623A - 一种电荷泵输出节点放电电路及实现方法 - Google Patents

一种电荷泵输出节点放电电路及实现方法 Download PDF

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聂雨巳
刘士荣
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Abstract

本发明公开了一种电荷泵输出节点放电电路及实现方法，属于集成电路技术领域，包括与电荷泵输出高压节点连接的第一NMOS管、与第一NMOS管相连接的第二NMOS管、与第二NMOS管相连接的第一PMOS管、与第一PMOS管相连接并控制第一NMOS管栅电压的第三NMOS管；所述第三NMOS管参数决定第一NMOS管栅最高电压，其中，所述第三NMOS管栅极和漏极相连接，并与电阻和电容的一端相连接，所述第一NMOS管、第二NMOS管、电阻和电容的器件参数决定放电速度和第一NMOS管、第二NMOS管放电时漏源间、栅漏间、栅源间承受的最大压差，该电荷泵输出节点放电电路，结构简单、生产成本低。

Description

一种电荷泵输出节点放电电路及实现方法
技术领域
本发明属于集成电路技术领域，具体涉及在集成电路内部用低压器件对电荷泵输出高压节点进行放电的技术。
背景技术
在集成电路内部如果需要一个比输入电源电压高的电平，通常需要利用电荷泵进行自举，比如H桥输出结构的上管栅极驱动，但是在需要关闭电源或者退出栅极驱动时，需要对电荷泵输出节点对地放电，通常是采用NMOS管导通将其放电到地，而电荷泵输出节点的电压要比集成电路中其他器件的耐压值高，只能采用额外的高压器件，但是在大部分标准低压工艺中没有高压器件，或者需要增加额外的光刻来制作高压器件，提高了生产成本，因此需要研发一种新的电荷泵输出节点放电电路来解决现有的问题。
发明内容
本发明的目的在于提供一种电荷泵输出节点放电电路，以解决电荷泵输出节点放电电路生产成本较高的问题。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种电荷泵输出节点放电电路，包括与电荷泵输出高压节点连接的第一NMOS管、与第一NMOS管相连接的第二NMOS管、与第二NMOS管相连接的第一PMOS管、与第一PMOS管相连接并控制第一NMOS管栅电压的第三NMOS管；所述第三NMOS管参数决定第一NMOS管栅最高电压。
其中，所述第三NMOS管栅极和漏极相连接，并与电阻和电容的一端相连接，所述第一NMOS管、第二NMOS管、电阻和电容的器件参数决定放电速度和第一NMOS管、第二NMOS管放电时漏源间、栅漏间、栅源间承受的最大压差。
优选的，所述第一NMOS管源极与衬底端连接，并与第二NMOS管漏极和第一PMOS管漏极相连接，且所述第一NMOS管漏极与电荷泵输出高压节点连接。
优选的，所述第一NMOS管栅极与第三NMOS管栅极和漏极相连接，并与电容上极板和电阻一端相连接后形成第一节点，所述电阻另一端与系统电源电压相连接。
优选的，所述第二NMOS管栅极与第一PMOS管栅极和电容下极板相连接，并连接到控制信号。
优选的，所述第二NMOS管源极与衬底端连接并与系统电源地连接。
优选的，所述第一PMOS管源极与衬底端连接，并与第三NMOS管源极相连接,所述第三NMOS管源极与衬底端以及系统电源电压相连接。
优选的，所述第一NMOS管、第二NMOS管、第三NMOS管和第一PMOS管的器件耐压均与系统电源电压相匹配，所述第一NMOS管、第二NMOS管、第三NMOS管和第一PMOS管均为与系统电源电压相匹配的低压器件。
优选的，所述第一NMOS管和第三NMOS管均为隔离NMOS管，且所述第一NMOS管和第三NMOS管的源极均与衬底端连接。
优选的，所述第一NMOS管源极与第二NMOS管漏极和第一PMOS管漏极相连接后形成第二节点并连接到第一NMOS管衬底端。
一种电荷泵输出节点放电的实现方法，包括以下步骤：
S1、若控制信号为低电平时，不对电荷泵输出高压节点放电,第一NMOS管漏端电位为电荷泵输出电压；第二NMOS管栅极、第一PMOS管栅极和电容下极板连接信号为低电平，第二NMOS管截止；第一PMOS管导通，使得第一NMOS管源极电位为系统电源电压；第一NMOS管栅极由电阻充电至系统电源电压，使得第一NMOS管截止，此时第一NMOS管、第二NMOS管和第一PMOS管的每个端口间承载电压均不超过系统电源电压，电容两端电压差为系统电源电压的数值；
S2、若控制信号为高电平时，对电荷泵输出高压节点进行放电，第二NMOS管栅极、第一PMOS管栅极和电容下极板连接信号切换为电源电压，此时电容上极板电平开始同步上升,电容上极板电平上升至第三NMOS管导通时电压被第三NMOS管钳位，同时第一NMOS管和第二NMOS管均导通，对电荷泵输出节点进行放电,电荷泵输出节点、第一NMOS管源极电位均下降，第一NMOS管栅极通过电阻放电至系统电源电压，由于第一NMOS管源极电位已经下降，第一NMOS管仍然导通。
本发明的技术效果和优点：该电荷泵输出节点放电电路及实现方法，结构简单、生产成本低，采用与系统电源电压相匹配的低压器件进行放电，而且使器件均工作在安全工作区范围，解决了在标准低压工艺中没有高压器件，或者需要增加额外的光刻来制作高压器件，生产成本较高的问题。
附图说明
图1为本发明的电路结构图；
图2为本发明两种状态下VCK信号和电荷泵节点VCP的电压波形；
图3为本发明控制信号VCK由低到高切换时，第一NMOS管M1管漏源电压VDS,M1,第一NMOS管M1管栅源电压VGS,M1和第二NMOS管M2管漏源电压VDS，M2的波形图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明提供了一种电荷泵输出节点放电电路，如图1所示，包括第一NMOS管M1、第二NMOS管M2、第一PMOS管M4、第三NMOS管M3；电容C1和电阻R1，其中第一NMOS管M1漏极与系统中电荷泵输出高压节点VCP连接，第一NMOS管M1栅极连接第三NMOS管M3栅极和漏极，并与电容C1上极板、电阻R1一端连接形成第一节点VG，电阻R1另一端连接系统电源电压VCC，第一NMOS管M1源极与衬底端连接，并连接到第二NMOS管M2漏极和第一PMOS管M4漏极构成第二节点VMID；第二NMOS管M2栅极连接第一PMOS管M4栅极和电容C1下极板，并与控制信号VCK连接；第二NMOS管M2源极与衬底端连接并与系统电源地GND连接；第一PMOS管M4源极与衬底端连接系统电源电压VCC；第三NMOS管M3源极与衬底端连接系统电源电压VCC，当系统中的电荷泵正常工作时，高压节点VCP电压最大为两倍的系统电源电压，控制信号VCK为低电平，使得第二NMOS管M2管截止，第一PMOS管M4管导通，将第一NMOS管M1管源端电位拉到系统电源电压VCC，第一NMOS管M1管栅极由电阻R1充电至系统电源电压VCC，此时第一NMOS管M1每两个端口间压差均不超过系统电源电压VCC，第一NMOS管M1、第二NMOS管M2、第三NMOS管M3和第一PMOS管M4管各个节点间的电压均不超过系统电源电压VCC，电容C1两极板间电压差为VCC，当需要为电荷泵节点放电时， 控制信号VCK翻转为高电平，第一PMOS管M4管截止，第二NMOS管M2管导通；与此同时电容C1上极板电压被自举，使得第一NMOS管M1管也导通，由于存在第三NMOS管M3管钳位，第一节点VG电压最大为系统电源电压VCC+第三NMOS管M3管栅源电压VGS，M3，由于第一NMOS管M1、第二NMOS管M2管均导通，高压节点VCP开始放电，高压节点VCP、第二节点VMID节点电压均开始下降，第一节点VG通过电阻R1放电，最终电压稳定在系统电源电压VCC，由于第二节点VMID电位已经下降，第一NMOS管M1管仍然导通，通过设计第一NMOS管M1、第二NMOS管M2和电容C1、电阻R1参数可以确保各个端口间电位不大于系统电源电压VCC，当下次启动电荷泵时，控制信号VCK翻转为低电平，关闭放电路径，回到初始状态；
如图2所示，本发明在两种状态切换时控制信号VCK和电荷泵高压节点VCP的电压波形，可以看出，控制信号VCK从高到低翻转时，电荷泵输出为高电平，控制信号VCK由低到高翻转时，电荷泵输出电压被放电至低电平；
如图3所示，当系统电源电压VCC=5V，系统中电荷泵输出电压为2*系统电源电压VCC，器件工艺平台为5VCMOS标准工艺，MOS管漏源电压VDS、栅源电压VGS均不得超过6V，控制信号VCK由低翻转为高时，第一NMOS管M1管漏源电压VDS,M1,第一NMOS管M1管栅源电压VGS,M1和第二NMOS管M2管漏源电压VDS，M2的波形，可以看出，在整个过程中第二NMOS管M2管漏源电压VDS,M2的最大电压差为5.3V，小于器件极限值，其他电压均小于系统电源电压VCC;
一种电荷泵输出节点放电的实现方法，包括以下步骤：
S1、若控制信号VCK为低电平时,第一NMOS管M1漏端电位为电荷泵输出电压；第二NMOS管M2栅极、第一PMOS管（M4）栅极和电容C1下极板连接信号为低电平，第二NMOS管M2截止；第一PMOS管M4导通，使得第一NMOS管M1源极电位为系统电源电压VCC；第一NMOS管M1栅极由电阻R1充电至系统电源电压VCC，使得第一NMOS管M1截止，此时第一NMOS管M1、第二NMOS管M2和第一PMOS管M4的每个端口间承载电压均不超过系统电源电压VCC，电容C1两端电压差为系统电源电压VCC的数值；
S2、若控制信号VCK为高电平时，第二NMOS管M2栅极、第一PMOS管M4栅极和电容C1下极板连接信号VCK切换为电源电压，此时电容C1上极板电平开始同步上升,电容C1上极板电平上升至第三NMOS管M3导通时电压被第三NMOS管M3钳位，同时第一NMOS管M1和第二NMOS管M2均导通，对电荷泵输出节点进行放电,电荷泵输出节点、第一NMOS管M1源极电位均下降，第一NMOS管M1栅极通过电阻R1放电至系统电源电压VCC，由于第一NMOS管M1源极电位已经下降，第一NMOS管M1仍然导通，实现对电荷泵输出高压节点VCP进行放电。
最后应说明的是：以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换,凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种电荷泵输出节点放电电路，其特征在于：包括与电荷泵输出高压节点（VCP）连接的第一NMOS管（M1）、与第一NMOS管（M1）相连接的第二NMOS管（M2）、与第二NMOS管（M2）相连接的第一PMOS管（M4）、与第一PMOS管（M4）相连接并控制第一NMOS管（M1）栅电压的第三NMOS管（M3）；
其中，所述第三NMOS管（M3）与电阻（R1）和电容（C1）相连接。
2.根据权利要求1所述的一种电荷泵输出节点放电电路，其特征在于：所述第一NMOS管（M1）源极与衬底端连接，并与第二NMOS管（M2）漏极和第一PMOS管（M4）漏极相连接，且所述第一NMOS管（M1）漏极与电荷泵输出高压节点（VCP）连接。
3.根据权利要求1所述的一种电荷泵输出节点放电电路，其特征在于：所述第一NMOS管（M1）栅极与第三NMOS管（M3）栅极和漏极相连接，并与电容（C1）上极板和电阻（R1）一端相连接后形成第一节点（VG）,所述电阻（R1）另一端与系统电源电压（VCC）相连接。
4.根据权利要求1所述的一种电荷泵输出节点放电电路，其特征在于：所述第二NMOS管（M2）栅极与第一PMOS管（M4）栅极和电容（C1）下极板相连接再与控制信号（VCK）相连接。
5.根据权利要求1所述的一种电荷泵输出节点放电电路，其特征在于：所述第二NMOS管（M2）源极与衬底端和系统电源地（GND）连接。
6.根据权利要求1所述的一种电荷泵输出节点放电电路，其特征在于：所述第一PMOS管（M4）源极与衬底端连接，并与第三NMOS管（M3）源极相连接,所述第三NMOS管（M3）源极与衬底端以及系统电源电压（VCC）相连接。
7.根据权利要求1所述的一种电荷泵输出节点放电电路，其特征在于：所述第一NMOS管（M1）、第二NMOS管（M2）、第三NMOS管（M3）以及第一PMOS管（M4）的器件耐压均与系统电源电压（VCC）相匹配。
8.根据权利要求1所述的一种电荷泵输出节点放电电路，其特征在于：所述第一NMOS管（M1）和第三NMOS管（M3）均为隔离NMOS管，且所述第一NMOS管（M1）和第三NMOS管（M3）的源极均与衬底端连接。
9.根据权利要求1所述的一种电荷泵输出节点放电电路，其特征在于： 所述第一NMOS管（M1）源极与第二NMOS管（M2）漏极和第一PMOS管（M4）漏极相连接后形成第二节点（VMID）并连接到第一NMOS管（M1）衬底端。
10.根据权利要求4-9任一项所述的一种电荷泵输出节点放电电路的实现方法，其特征在于：包括以下步骤：
S1、若所述控制信号（VCK）为低电平时,所述第一NMOS管（M1）漏端电位为电荷泵输出电压；所述第二NMOS管（M2）栅极、第一PMOS管（M4）栅极和电容（C1）下极板连接信号为低电平，所述第二NMOS管（M2）截止；所述第一PMOS管（M4）导通，使得所述第一NMOS管（M1）源极电位为系统电源电压（VCC）；所述第一NMOS管（M1）栅极由所述电阻（R1）充电至系统电源电压（VCC），使得所述第一NMOS管（M1）截止，此时所述第一NMOS管（M1）、第二NMOS管（M2）和第一PMOS管（M4）的每个端口间承载电压均不超过系统电源电压（VCC），所述电容（C1）两端电压差为系统电源电压（VCC）的数值；
S2、若控制信号（VCK）为高电平时，所述第二NMOS管（M2）栅极、第一PMOS管（M4）栅极和电容（C1）下极板连接信号（VCK）切换为电源电压，此时所述电容（C1）上极板电平开始同步上升,所述电容（C1）上极板电平上升至所述第三NMOS管（M3）导通时电压被所述第三NMOS管（M3）钳位，同时所述第一NMOS管（M1）和所述第二NMOS管（M2）均导通，对电荷泵输出节点进行放电,电荷泵输出节点、第一NMOS管（M1）源极电位均下降，所述第一NMOS管（M1）栅极通过所述电阻（R1）放电至系统电源电压（VCC），由于所述第一NMOS管（M1）源极电位已经下降，所述第一NMOS管（M1）仍然导通，实现对电荷泵输出高压节点（VCP）进行放电。
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