一种大输出电流的电荷泵电路设计

李龙镇

（延边大学工学院，吉林延吉，133002）

0 引言

随着集成电路工艺技术的发展和芯片工艺技术的提高导致所需要的电源电压越来越低，但在DRAM 存储器、FLASH存储器、EEPROM 存储器以及其它一些芯片电路设计中，由于需要热电子、热空穴以及在读写控制电路中的隧道效应都需要较高电压，因此电荷泵电路成为必不可少的芯片电路组成部分[1-4]。

当对NOR 类型闪存进行编程时，流过位线(bit-line)的电流相当大，因此在这种情况下，电荷泵不仅要能够提供高电压，而且还需要一定的驱动能力，即有相当的输出电流。因此设计具备一定驱动能力的电荷泵电路显得非常重要，并且随着芯片工艺技术的发展，在很多应用场合都需要高电压和大输出电流的电荷泵，因此本文设计的电荷泵电路具备一定的应用需求。

本文提出了一种新型的电荷泵电路，采用了并联方式的常用电荷泵电路，并通过设计高电压互补开关传输门电路实现两个常用电荷泵电路的交互输出，即通过开关脉冲确保某一时段只有一个常用电荷泵电路在输出电流，而另外一个处于充电恢复状态，另外一个时段则相反。而对于常用电荷泵电路来说，当输出电流过大，电源电压和开关脉冲提供的电荷不能满足输出电流的需求时，则输出电压将开始出现大幅下降，如果为了提供大输出电流，需要串联更多的常用电荷泵单元电路，将导致输出电压过高，容易造成MOS 三极管的击穿。而本文提出的大输出电流电荷泵电路在不提高输出电压的条件下，由于采用了分工输出，使电荷泵有充电恢复状态时间，所以可以提供较大的电流，最后通过HSPICE 仿真程序验证了设计思路，得出了采用并联方式的电荷泵电路确实能够提高电荷泵驱动能力的结论。

1 大输出电流的电荷泵电路

电荷泵电路源自于采用PN 结二级管连接的Dickson 电荷泵电路，发展到了在标准CMOS 工艺中采用二级管连接方式的MOS 三极管电荷泵电路[5-7]。由于二级管的导通电压和MOS管的阀值电压的影响，这种电荷泵电路的效率受到了影响，最终由文献[8-9]提出的电荷泵电路，消除了阀值电压以及电荷损耗的问题，成为常用的电荷泵电路。

常用的电荷泵单元电路如图1 所示，电荷泵单元电路工作原理是利用相互反向、幅度值为电源电压VDD 的矩形波开关脉冲，使交叉耦合的MOS 三极管MN1、MN2 分别导通，给C1和C2 充电到VDD，并且使交叉耦合的MOS 三极管MP1 和MP2分别导通，输出端得到Vin+VDD 输出电压。具体情况如下，当开关脉冲为CLK 高电平CLKB 为低电平时，MN2 导通，C2 充电，MP1 导通，使C1 上充电的电荷释放到输出端，反之当开关脉冲CLK 为低电平CLKB 为高电平时，MN1 导通，C1 充电，MP2 导通，使C2 上充电的电荷释放到输出端，通过这种交互型充放电方式得到Vin+VDD 输出电压。图1 中虚线框部分是考虑到体效应(body effect)而确保MN1 三极管的衬底连接到低电压的附加电路，使MN1 的衬底保持接到Vin 和N2 点的较低电压端。其余的MN2、MP1 和MP2 都采用相同的原理，保证NMOS 三极管衬底接在低电压端，PMOS 三极管的衬底接在高电压端[10]。这是电荷泵电路中的一个基本单元，其每个单元提升电压的幅度达不到开关脉冲的电压幅度VDD，提升的幅度由泵电容与分布电容的比值、开关脉冲的频率大小以及输出电流的大小来决定，但不是开关脉冲的频率越高越好，因为开关脉冲频率越高，分布电容所起的作用越大，泵电容越大，充满和释放电荷所需要的时间越长，则导致所需要的开关脉冲频率变小，再考虑各个元件所占的芯片面积，所以需要综合考虑，反复试验来决定各个因子的大小。虽然输出电流越小电压提升的幅度越大，但本设计的目的就是提高输出电流，所以只能串联电荷泵基本单元。把这样的电荷泵基本单元串联起来就得到如图2 所示的电路，根据所需要的高电压值，可串联多个电荷泵单元电路得到所需要的高电压。由于受到单位时间内VDD 和CLK 以及CLKB 所提供的电荷量的限制，该电荷泵电路的电流驱动能力受限于一定范围内，因此，本文为了满足实际应用的需求，提出了大输出电流的电荷泵电路。

图1 常用电荷泵单元电路

图2 常用电荷泵电路

本文提出的大输出电流电荷泵电路如图3 所示，把图2所示的电荷泵电路并联起来并在终端利用高电压互补开关电路连接到负载。由于图2 所示的电荷泵电路当负载索取较大电流时，电源电压VDD 和开关脉冲CLK 以及CLKB 无法提供更多的电荷，所以导致输出端的电压大幅下降。为了解决这个问题，图3 采用了高电压互补开关电路，通过两个反向脉冲，任意时刻只有一个高电压互补开关导通，通过两个高电压互补开关电路交叉导通，使电荷泵电路得到电荷充电的时间，因此可以输出较大的电流。

图3 大输出电流电荷泵电路

常用的互补开关电路的输入端电压不超过开关脉冲的电压，但由于本设计中互补开关电路接在电荷泵电路的输出端，即传输的电压为高电压，而CLK 和CLKB 是幅度仅为VDD的低电压开关脉冲，因此需要设计出适合于高电压的互补开关电路，即把电容和开关脉冲串联起来，通过输入端对电容的充电所产生的电压及开关脉冲的自身电压之和，可驱动互补开关三极管，使整个系统正常工作。

图4 所示的高电压互补开关电路的工作原理如下，当CLK 为高电平CLKB 为低电平时，由于C1 两端电压不能突变，所以N1 点的电压也上跳VDD 电压值，而N2 点的电压为低电压，导致MN1 和MP1 导通，使VIN 通过MN1、MP1 组成的互补传输门传输到输出端VOUT，即高电压互补传输门电路处于导通状态，当CLKB 为高电平CLK 为低电平时，由于C2 两端电压不能突变，所以N2 点的电压上跳VDD 电压值，N1 点为低电平，导致MN1 和MP1 截止，MN2 和MP2 导通，VIN 给C1 和C2充电，这样在下个周期内N1 点和N2 点的高电平为Vin+VDD，低电平为Vin，可以使MN1 和MP1 在下个周期内完全导通和截止。通过这种交互工作方式，高电压传输门在半个周期内导通，传送电荷到输出端，在另外半个周期内截止，使电荷泵电路可以利用这半个周期储存电荷，等待下半个周期内传送电荷。由于Vin 电压和N1 点电压随时在发生变化，考虑到体效应(body effect)，由M1 和M2 三极管组成的电路确保MN2的衬底连接到Vin 和N1 的较低电压端，即当Vin 电压高于N1 点，三极管M2 导通，使MN2 的衬底连接到N1 点，当N1 点电压高于Vin 端，三极管M1 导通，使MN2 的衬底连接到Vin端，这样就保证MN2 的衬底连接到较低电压端，减免了电荷损失。采用相同的原理，当Vin 电压高于N2 点，三极管M3 导通，使MP2 的衬底连接到Vin 点，当N2 点电压高于Vin 端，三极管M4 导通，使MP2 的衬底连接到N2 点，这样就保证MP2 的衬底连接到较高电压端，减免了电荷损失。由于图3 电路的上下两个高电压传输门开关电路的脉冲连接方式反向，所以任何时候总是只有一个高电压互补传输门处于导通状态，并传输电荷到输出端，而截止状态的高电压互补传输门使电荷泵电路储存电荷等待传送，保证了输出端输出大电流。从以上分析中可以看出，因为需要在电容上充电得到相应的电压，所以本设计中的高电压互补传输门适应于电压逐步上升的输入端，且每次上升的幅度小于脉冲电压幅度VDD，而本设计中的常用电荷泵恰好满足这个需求，所以能够正常运行，至于对突变的输入端电压的效果等待以后进一步研究。

图4 高电压互补开关电路

2 仿真结果分析

为了验证电路设计的正确性，采用了0.18 微米工艺，通过环形反相器正反馈振荡器生成开关脉冲，脉冲周期为0.1微秒，泵电容选择为2 皮法,输出端电容选择为10 皮法，使用了1.8 伏电源电压对图2 所示的常用电荷泵电路和图3 所示的大电流电荷泵电路用HSPICE 仿真软件进行了仿真分析，输出电压仿真结果如图5 所示，可以看出由于大电流电荷泵采用了高电压互补开关电路，由于其MOS 开关管源极与漏极之间的电压降，所以其输出电压稍微低于图2 所示的常用电荷泵电路的输出电压。在两个电荷泵电路的输出端连接不同阻值的电阻来测定输出电流，结果如表1 所示。

图5 常用的电荷泵输出电压与大电流电荷泵输出电压比较图

表1 输出电流比较表

根据表1 的数据得到输出电流结果比较图如图6 所示，可以看出当输出电流接近于35 微安时，由于电源和脉冲所提供的电荷不能满足输出电流的需求，常用电荷泵电路的输出电压出现急剧下降。而大电流电荷泵则在输出电流接近于70微安时，输出电压才出现大幅度的下降，比较符合理论分析的结果。从图6 中可以看出，当所需的输出电流小于30 微安时，可以选用常用的电荷泵电路，而当所需的输出电流大于30 微安时，本文所提出的大电流电荷泵就非常适合，至于输出电流大于70 微安的电荷泵电路，有待于今后进一步研究。

图6 常用电荷泵输出电流与大输出电流电荷泵输出电流比较图

3 结束语

本文基于标准CMOS 工艺设计了具有较大输出电流的新型电荷泵电路，其核心思想是采用并联方式的两个常用电荷泵电路，通过高电压互补开关电路使两个常用电荷泵电路交互驱动负载，即一个常用电荷泵电路输出电流，另一个则处于充电恢复状态。这样设计出的新型电荷泵电路比常用电荷泵电路大约具备两倍的输出电流能力，可应用于任何需要大输出电流的电荷泵设计当中。在本设计中，MOS 三极管的门极和源极以及门级与漏极之间的电压差不超过VDD 电源电压，所以不必考虑门级二氧化硅氧化层承受过高电压的问题。在集成电路设计中，电荷泵电路得到广泛的应用，这方面得到很多文献的阐述，但对于如何设计提供大输出电流的电荷泵电路，即提高电荷泵电路的驱动能力却少有阐述。本文通过采用并联方式的电荷泵电路，并设计出新颖的高电压互补开关电路，实现了输出大电流的电荷泵电路，其驱动能力是常用的电荷泵电路的两倍，至于电路的具体效果待流片后加以验证。