一种改进型的CMOS电荷泵电路

一种改进型的CMOS电荷泵电路1朱翔，陈星弼电子科技大学电子薄膜与集成器件国家重点实验室，成都（610054）E-mail：xiangzhu@摘要：本文提出一种改进型的CMOS电荷泵电路结构。

在传统的电荷泵电路基础上，本文采用了后级反馈控制结构和预充电结构。

理论分析表明，本文结构具有更小的开关管损耗、更大的电压增益与更高的输出电压，同时获得更短的初态建立时间与更高的电路转换效率。

CADENCE SPECTRE 仿真显示，相对于传统结构，电压增益增大60%，初态建立时间缩小20% 。

该结构适用于低电源电压和低功耗电路设计。

关键词：电荷泵电路，电压增益，初态建立时间，转换效率中图分类号：TN41．引言电荷泵电路是一种能够产生比电源电压更高的电压的电路。

它在实现过程中不使用电感，而能够只用电容和有源器件来实现，非常便于集成。

电荷泵电路具有广泛应用，一个重要的用途是用于非易失性存储器中，作为编程电压产生器或电平转换电路中的高压产生器。

电荷泵电路还应用在需要高压来驱动模拟开关的低电源电压开关电容系统、数模转换器和DC-DC转换器中。

随着IC的设计与制造中晶体管尺寸的逐渐减小（scaling down）以及低功耗的需求越来越高，电源电压将不断降低，电荷泵电路的应用也将越来越广泛[1]。

现在集成的电荷泵电路多数基于经典的Dickson型电荷泵[2]。

其基本结构如图1所示，时钟脉冲经电容耦合到各个极点,利用二极管的单向导电性和电容存储电荷的特性,在时钟驱动下将电荷从输入端推向输出端。

在CMOS工艺中，二极管不易实现，往往用栅漏短接的MOS 管代替，但MOS管的阈值电压会严重影响电荷泵的增益，衬偏效应使问题更加严重，限制了最大输出电压。

为了解决这个问题，已经有很多种方案被提出，如Jinbo的四相位电荷泵电路，Wu的 Static CTS电荷泵电路等等，都是对Dickson型电荷泵较低增益缺陷的改进。

图1 经典的Dickson型电荷泵电路另外，由于电荷泵不可避免涉及到启动时间的问题，特别是电荷泵级数增多时，初态建立时间会更长，进而影响电荷泵的效率，因此初态情况也是需要考虑的问题。

本文提出了一种改进型的CMOS电荷泵，在Wu的电荷泵基础上进行改进，既有较大的增益，又优化了初态建立时间。

第二部分将详细进行分析。

第三部分将给出电路的仿真，第四部分简略描述相关的振荡器电路,最后是结论。

1本课题得到高等学校博士学科点专项科研基金（项目编号：20030614005）的资助。

2．改进型电荷泵电路的分析2.1 结构及增益分析这种改进型的电荷泵电路结构如图2所示。

从MD1到MDN 管接法与Dickson 型类似，并且也会在各电荷泵节点建立相同的电压。

而MS1到MSN 管则是后级反馈控制结构，前一级管子的栅极由后一级节点电压控制。

以便能够避免阈值电压的损耗，使开关处于线性导通状态，从而提高增益并增大输出电压。

而MB1到MBN 管是预充电管，先给各个节点预充电，以减小启动时初态的建立时间。

V 图2 改进型电荷泵电路结构首先对增益的具体分析如下。

在电荷泵电路中，定义电压增益G V 为后一级节点电压减去前一级节点的电压[3]1−−=N N V V V G （1）对于用栅漏短接MOS 管的Dickson 型电荷泵而言，它的增益为：tn SV V V C C C G −+=φ （2） 其中C S 为节点寄生电容，V Φ为时钟的供电电压，一般与输入电压相同，V tn 为MOS 管阈值电压。

如果输出接了电阻负载，还会有输出电流，此时增益更小：tn socS out S V V f C C I V C C C G −+−+=).(φ （3） 其中f OSC 是时钟频率。

而图2结构中，由于稳态下MOS 管工作于线型导通状态，它的增益为：φV C C C G SV += （4） 当然考虑了输出电流后，增益损耗会增大，此时由： on out soc S out S V R I f C C I V C C C G −+−+=).(φ （5） 其中R on 为MOS 管的导通电阻。

比较（3）和（5）式，如果I out R on 小于V Φ，则能后获得较大的增益，而实际上这种情况通常都是成立的。

通过上述分析可以看到，图2结构的电荷泵电路比起Dickson 型电荷泵的每一级（除了最后一个输出管）损耗都要小，随着级联级数增大，就更加影响输出电压的大小。

2.2 稳态分析稳态情况是指电荷泵经过初始状态后输出电压稳定的情况[1]。

在连接负载，有一定输出电流的情况下，随着时钟的变化，输出电压会有一定的抖动，即纹波，如图3所示，下面以一级的电荷泵为例，就此进行分析。

图3 稳态时的输出电压波形在稳态的时候，电荷泵工作分成两个阶段。

在第一个阶段（charge phase ），泵电容被充电，输出电流由输出电容也即存储电容提供；在第二个阶段（bootstrap phase ）,输出电压被重新抬高，由泵电路提供输出电流并给输出电容充电。

对于一级的电荷泵，在稳态时，输出电压最小值为： oscout out tn on out in f I C C V R I V V V )211(min +−−−+=φ （6） 其中C 为时钟所接的泵电容值，C out 为输出电容。

在稳态的第kT 个周期，当时钟高电平到来，C 节点电压被抬高，MOS 管导通，电荷迅速在泵电容和输出电容分配，使输出电压迅速抬高（见图3）。

这个阶段电压变化约为：oscout out f I C C V 211+=Δ （7） 之后电容放电（可以看作两个电容并联）以维持电流。

在（k +0.5）T 个周期，当时钟变成低电平，两个电容断开，只有输出电容放电。

此阶段电压变化为：oscout out f I C V 212=Δ （8） 在稳态过程中电压纹波就等于两部分电压变化之和。

图3显示了此过程，并且在两个阶段电压下降的斜率是有所不同的。

实际中仿真结果与理论分析完全一致。

2.3 初态建立时间电荷泵在初始状态时，输出电压有一个逐渐上升的初始过程，直到建立稳态所需的时间即为初态建立时间，初态建立时间的长短对电荷泵的转换效率有密切影响。

而在电荷泵作电源输出时，转换效率是一个很重要的参数。

转换效率可以通过电荷来定义[4]：所有有效＝效率Q Q η （9）只有当电荷转移能使电压有效上升的转移电荷才是有效转移电荷，它与电荷泵各充电电容上的电荷贮存状态、各MOS 管的泄漏电流和实际应用中电荷泵的电流负载都有关系。

在传统的电荷泵中，初态时各电容上的电荷基本为零, 从这一初态开始, 电压上升会导致很多电荷消耗在无意义的电荷转移中，因此在初态时效率很低。

而图2改进型的电荷泵结构中，MB 管可以对各个电荷泵节点进行预充电，当电荷泵进入初态时，节点上已经存储一定电荷。

而在电荷泵进入稳态之后，由于MB 管源端电压高，管子将截止，也不影响稳态的情况。

对于N 级的改进型电荷泵，预存的电荷为：)(tn in V V NC Q −= （10）通过MB 管的预充电作用，将会缩短电荷泵的初态建立时间，并且增大电荷泵的转换效率，在下部分的仿真中将能看到对初态建立时间仿真的结果。

3．电路仿真下面进行改进型电荷泵电路结构的仿真。

使用0.6μm 的CMOS 工艺库，采用的是CADENCE 下的SPECTRE 仿真器，结构中主要MOS 传输管的尺寸为30/0.6，时钟频率为1MHZ 。

仿真中输入电压与时钟电源电压一致。

对电荷泵输出电压的仿真结果如图4所示，反映了随电荷泵级数的变化以及随电源电压变化，改进型电荷泵与DICKSON 型输出电压的比较。

其中级数从1级到5级变化，电源电压取值为1.5V 、2V 、2.5V 和3V 。

仿真显示，相对于DICKSON 型，改进型电荷泵结构有更大的增益和输出电压。

以5级电荷泵、电源电压2V 为例，DICKSON 型输出电压仅为4.471V ，平均增益为0.894V ,而改进型输出电压为7.340V ，平均增益为1.468V ，电压增益增大约60％。

图4 电荷泵输出电压的仿真结果图5是图2结构中有MB 预充电管与无MB 预充电管的电荷泵电路仿真比较。

图中建立时间较短的即图2中改进型的电荷泵结构。

仿真中采用的时钟频率为100kHZ ，时钟初始有一个100us 的延迟，采用三级电荷泵电路。

从图5中显示，输出电压在初始是逐渐抬高上去的，而改进型的电荷泵在初始阶段即有预充电电荷，从而减小了初态建立时间，增大了转换效率。

在这种仿真条件下，无预充电管的初态建立时间为200μs ，有预充电管的为160μs ，减小了约20％ 。

图5 初态建立时间的仿真与比较4．振荡器电路实际电路中时钟信号由振荡器电路产生，由于电荷泵电路需要的频率较高，故振荡器必需能产生较高频率，并且能有合适的驱动电容的能力，图6为采用的振荡器电路的拓扑图。

严格的来说，为了防止穿通电流，提高转换效率，互补的时钟信号最好是非交迭的，实现非交迭时钟信号的方法可以根据情况而定。

5．结论本文中改进型的电荷泵电路结构具有较大的增益，提高了输出电压。

通过预充电的方式，缩短了初态建立时间，提高了电荷泵的转换效率。

通过电路仿真验证得到与理论比较一致的结果。

电荷泵电路与相应的其他电路（如振荡器电路、Regulator电路等）配合起来，将在低电源电压及低功耗应用起到重要作用。

当然这种结构同样也适用于高电压的应用情况。

参考文献[1] M.Berkhout. Integrated Audio Amplifiers in BCD Technology.[M] Netherlands:Kluwer Academic Publishers, 1997.[2] J.Dickson. On-chip High-V oltage Generation in NMOS Integrated Circuits Using an Improved V oltage Multiplier [J] Technique.IEEE.J.Solid-State Circuits,June 1976,vol.11.no.6:pp.374-378.．[3] J.Wu and K.Chang. MOS Charge Pumps for Low-V oltage Operation.[J] IEEE.J.Solid-State Circuits, Aprill 1998,vol.33.no.4,pp.592-597.[4] 徐志伟,肖斌，闵昊，等.适合低功耗工作的MOS电荷泵.[J].微电子学.2000年4月，第30卷第2期：pp.136-140。

An Improved CMOS Charge Pump CircuitZhu Xiang, Chen XingbiState Key Laboratory of Electronic Thin Films and Integrated Devices, UESTC, Chengdu,PRC（610054）AbstractIn this paper, an improved charge pump circuit based on CMOS technology is presented. On the basis of the traditional structure, the backward control structure and the pre-charge structure are acquired. Theoretical analysis shows that smaller voltage drop on the switch transistor, bigger voltage gain and higher output voltage can be obtained. It also shows that the initial state settling time can be reduced and the conversion efficiency of the charge pump can be improved. The characteristics of the structure are researched by CADENCE SPECTRE. It is shown that，compared with the traditional one, the voltage gain increases 60% and the settling time reduces 20%.It is suitable for the application in low voltage and low power circuits designs.Keywords:charge pump circuit voltage gain initial state settling time conversion efficiency作者简介：朱翔，男，1983年生，硕士研究生。