CN205883044U - 电荷泵电路及其单级电路 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供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。本实用新型通过在主传输单元中主NMOS管上设置辅助传输单元。

Description

电荷泵电路及其单级电路

技术领域

本实用新型涉及集成电路设计领域，具体为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。

实用新型内容

针对现有技术中存在的问题，本实用新型提供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。

本实用新型是通过以下技术方案来实现：

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。

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，本实用新型具有以下有益的技术效果：

本实用新型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是本实用新型所述的单级电荷泵的电路原理图。

图5是本实用新型所述的单级电荷泵的工作原理图。

图6是本实用新型实施例提供的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实用新型做进一步的详细说明，所述是对本实用新型的解释而不是限定。

具体的如图4所示，本实用新型提供了电荷泵单级电路，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MN，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。

本实用新型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。

本实用新型还可有其它多种实施例，在不背离本实用新型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实用新型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实用新型的权利要求的保护范围。

Claims (6)

1.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；

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。

2.根据权利要求1所述的电荷泵单级电路，其特征在于，第一、二主NMOS管(MN1、MN2)的尺寸相同。

3.根据权利要求1所述的电荷泵单级电路，其特征在于，两个PMOS管(MP1、MP2)的尺寸相同。

4.根据权利要求1所述的电荷泵单级电路，其特征在于，两个电容(C1、C2)的尺寸相同。

5.根据权利要求1-4中任意一项所述的电荷泵单级电路，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。

6.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5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。