專利名稱：一種僅采用低壓mos管實(shí)現(xiàn)的負(fù)電壓電荷泵電源電路的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型涉及一種僅采用低壓MOS管實(shí)現(xiàn)的負(fù)電壓電荷泵電源電路。
背景技術(shù)：
負(fù)電壓電荷泵電源在模擬芯片中有著廣泛的應(yīng)用，它可以使芯片輸出擺幅增大一 倍，提高動(dòng)態(tài)范圍，也可以實(shí)現(xiàn)基于地電位的信號(hào)輸出等特殊功能，一般來說對(duì)負(fù)電壓電荷 泵模塊的要求包括轉(zhuǎn)換效率高，版圖面積小等，一項(xiàng)美國專利(專利號(hào)6，803，807)提出了 一種負(fù)電壓電荷泵電路，如圖1所示，信號(hào)Sl控制開關(guān)管EPl和DPl，而信號(hào)S2控制開關(guān)管 ENl和DP2。當(dāng)開關(guān)EP1，DP1導(dǎo)通時(shí)，Cl被充電至Vin，而當(dāng)Em，DP2開關(guān)導(dǎo)通時(shí)，C1，C2電 荷重分配，經(jīng)過若干周期后，輸出OUT將達(dá)到-Vin。這種結(jié)構(gòu)能夠?qū)⒄斎腚妷篤in轉(zhuǎn)換成 其對(duì)應(yīng)的負(fù)輸出電壓OUT，但這種結(jié)構(gòu)也存在一些缺點(diǎn)，以Vin = 5V為例1.專利中DPl和DP2需要額外考慮可靠性問題。當(dāng)DPl或DP2關(guān)斷時(shí)，其柵極 和襯底電壓為5V，其漏極電位約為-5V，因此需要使用耐壓能力更強(qiáng)的高壓PMOS來承受這 柵-漏，襯底-漏的IOV電壓差，高壓器件的使用一方面限制了工藝的選擇，另一方面，由于 高壓器件柵氧單位電容和閾值電壓的影響，使得要達(dá)到相同電荷泵驅(qū)動(dòng)能力，DPl，DP2必須 使用更大的版圖面積。2.專利中DPl和DP2的襯底電位都連接到最正電位，Vin，這使得這兩個(gè)PMOS存 在嚴(yán)重的襯底偏置效應(yīng)，降低其電流驅(qū)動(dòng)能力，因此要想保證相同的電荷泵性能，必須加大 DPLDP2的版圖面積。3.專利中為了傳遞OV和-5V(B點(diǎn)電位)，DPl和DP2選擇了耗盡型的PMOS，雖然 這可以有效的實(shí)現(xiàn)低電壓傳輸，但特殊器件的使用也限制了工藝的選擇。

實(shí)用新型內(nèi)容由于現(xiàn)有技術(shù)存在的上述問題，本實(shí)用新型的目的是提出一種僅采用低壓MOS管 實(shí)現(xiàn)的負(fù)電壓電荷泵電源電路，其可有效解決現(xiàn)有技術(shù)存在的問題。為實(shí)現(xiàn)上述目的，本實(shí)用新型提出的一種僅采用低壓MOS管實(shí)現(xiàn)的負(fù)電壓電荷泵 電源電路，包括一 P型場(chǎng)效應(yīng)晶體管、四個(gè)N型場(chǎng)效應(yīng)晶體管和兩個(gè)電容，其中各晶體管的 柵極連有一電平移位模塊；P型場(chǎng)效應(yīng)晶體管的源極與襯底相連后連接于電源輸入端，且 其漏極與第一 N型場(chǎng)效應(yīng)晶體管的漏極相連；第一 N型場(chǎng)效應(yīng)晶體管的源極與其襯底相連 后連接到地電位；第二、第三N型場(chǎng)效應(yīng)晶體管的漏極都連接到地電位，且其源極與其各自 的襯底相連后連于第四N型場(chǎng)效應(yīng)晶體管的漏極；第四N型場(chǎng)效應(yīng)晶體管的源極與其襯底 相連后連接到電壓輸出端；第一電容的兩端分別連接于P型場(chǎng)效應(yīng)晶體管的漏極和第二 N 型場(chǎng)效應(yīng)晶體管的源極；第二電容的兩端分別連接到第四N型場(chǎng)效應(yīng)晶體管的源極和地電 位。作為本實(shí)用新型的進(jìn)一步特征，各晶體管為低壓管。由于采用了以上技術(shù)方案，本實(shí)用新型僅采用普通的低壓晶體管器件就能實(shí)現(xiàn)負(fù)電壓電源，減小了電荷泵的版圖面積，并豐富了工藝的選擇，可有效解決現(xiàn)有技術(shù)存在的問題。

圖1為美國專利6，803，807中提出的負(fù)電壓電荷泵電路示意圖；圖2為本實(shí)用新型的負(fù)電壓電荷泵電源電路示意圖；圖3為本實(shí)用新型中隔離的N型場(chǎng)效應(yīng)晶體管(匪2A，匪2B，匪3)示意圖；圖中N+:N 型注入P+:P 型注入NWELL :N 型阱區(qū)I3SUb=P 型襯底NBL :N型埋層區(qū)域D，S，G，B :N型場(chǎng)效應(yīng)晶體管的漏端，源端，柵端和襯底端VCC:電源電壓圖4為本實(shí)用新型中Vc的產(chǎn)生電路示意圖；圖5為本實(shí)用新型中電平移位電路示意圖。
具體實(shí)施方式
下面根據(jù)附圖和具體實(shí)施例對(duì)本實(shí)用新型作進(jìn)一步說明如圖2所示，本實(shí)用新型提出的一種僅采用低壓MOS管實(shí)現(xiàn)的負(fù)電壓電荷泵電源 電路，包括一 P型場(chǎng)效應(yīng)晶體管PMl、四個(gè)N型場(chǎng)效應(yīng)晶體管匪1、匪2、匪3、NM4和兩個(gè)電容 Cl、C2，其中各晶體管的柵極連有一電平移位模塊(Level Shift Block) ；P型場(chǎng)效應(yīng)晶體 管PMl的源極與襯底相連后連接于電源輸入端Vin，且其漏極與第一 N型場(chǎng)效應(yīng)晶體管匪1 的漏極相連；第一 N型場(chǎng)效應(yīng)晶體管匪1的源極與其襯底相連后連接到地電位；第二、第三 N型場(chǎng)效應(yīng)晶體管匪2、匪3的漏極都連接到地電位，且其源極與其各自的襯底相連后連于 第四N型場(chǎng)效應(yīng)晶體管NM4的漏極；第四N型場(chǎng)效應(yīng)晶體管NM4的源極與其襯底相連后連 接到電壓輸出端Vout ；第一電容Cl的兩端分別連接于P型場(chǎng)效應(yīng)晶體管PMl的漏極和第 二、三N型場(chǎng)效應(yīng)晶體管匪2的源極；第二電容C2的兩端分別連接到第四N型場(chǎng)效應(yīng)晶體 管NM4的源極和地電位。在本實(shí)施例中，P型場(chǎng)效應(yīng)晶體管PMl和第一 N型場(chǎng)效應(yīng)晶體管匪1柵極電壓為 OV至電源電壓Vcc，所加入的電平移位模塊(level shift block)僅為延遲模塊，為了能在 時(shí)序上與其它開關(guān)保持一致；第二 N型場(chǎng)效應(yīng)晶體管匪2的柵極控制信號(hào)為VN VP，當(dāng)該 開關(guān)導(dǎo)通時(shí)，其柵極電壓為VP，以VCC = 5V為例，VP = 5V，此時(shí)第二 N型場(chǎng)效應(yīng)晶體管匪2 傳輸OV到N點(diǎn)；當(dāng)該開關(guān)關(guān)斷時(shí)，第二 N型場(chǎng)效應(yīng)晶體管匪2的柵極電壓為VN，而此時(shí)第一 N型場(chǎng)效應(yīng)晶體管匪1，第四N型場(chǎng)效應(yīng)晶體管NM4導(dǎo)通，VN點(diǎn)電壓為-5V，因此第二 N型場(chǎng) 效應(yīng)晶體管匪2有效的隔斷了其漏端的OV與其源端的-5V ；第四N型場(chǎng)效應(yīng)晶體管NM4的 柵極控制電壓選擇Vout Vout+Vc，Vc需要根據(jù)所采用器件的可靠性要求來選擇，在本實(shí) 用新型中，Vc = 5V。當(dāng)?shù)谒腘型場(chǎng)效應(yīng)晶體管NM4導(dǎo)通時(shí)，其源端和漏端電壓基本相等，即Vout = VN = -5V，而此時(shí)其柵極電壓為0V，因此可以有效傳遞-5V至Vout端；當(dāng)?shù)谒腘型 場(chǎng)效應(yīng)晶體管NM4關(guān)斷時(shí)，Vout = -5V，VN = 0V，此時(shí)其柵極電壓為-5V，有效的隔斷源漏 兩端電壓。第三N型場(chǎng)效應(yīng)晶體管匪3的引入是為了改善啟動(dòng)時(shí)電荷泵的性能。在啟動(dòng)初 期，N點(diǎn)和P點(diǎn)電壓均為0V，這使得在此階段第二 N型場(chǎng)效應(yīng)晶體管匪2柵極的控制信號(hào)變 化幅度為0V，因此無法正常開啟，從而電荷泵無法正常啟動(dòng)，第三N型場(chǎng)效應(yīng)晶體管NM3的 柵極電壓變化范圍為Vout Vout+Vc，啟動(dòng)階段，即使Vout = 0V，但第三N型場(chǎng)效應(yīng)晶體 管匪3的柵極高電壓為Vout+Vc，即5V，這使得第三N型場(chǎng)效應(yīng)晶體管匪3能有效的開啟， 將OV傳遞到N點(diǎn)。而在正常工作階段，當(dāng)?shù)谝?P型場(chǎng)效應(yīng)晶體管PMl，第二 N型場(chǎng)效應(yīng)晶 體管匪2導(dǎo)通時(shí)，加在第三N型場(chǎng)效應(yīng)晶體管匪3的柵極電位為Vout+Vc，即0V，N點(diǎn)電位 也為0V，因此第三N型場(chǎng)效應(yīng)晶體管匪3為關(guān)斷狀態(tài)，主要由第二 N型場(chǎng)效應(yīng)晶體管匪2將 OV傳遞到N點(diǎn)；當(dāng)?shù)谝?P型場(chǎng)效應(yīng)晶體管PMl，第二 N型場(chǎng)效應(yīng)晶體管匪2關(guān)斷時(shí)，加在第 三N型場(chǎng)效應(yīng)晶體管匪3的柵極電位為Vout，即-5V，因此此時(shí)第三N型場(chǎng)效應(yīng)晶體管匪3 仍然為關(guān)斷狀態(tài)。所以，第三N型場(chǎng)效應(yīng)晶體管匪3僅在啟動(dòng)初期起作用，在正常狀態(tài)下， 其一直保持關(guān)斷狀態(tài)。通過上述分析，所有開關(guān)管，在任意工作狀態(tài)下，柵，源，漏和襯底之 間相互電位差都沒有超過電源電壓，VCC,因此也就不會(huì)出現(xiàn)可靠性問題。本實(shí)施例中，各晶體管為低壓管(如圖3所示)，這樣有效的保證了該電路具有最 小的版圖面積。由于采用了低壓晶體管開關(guān)，因此必須根據(jù)不同的工作狀態(tài)設(shè)計(jì)不同的柵 極控制電壓，以保證負(fù)電壓的正常傳輸并避免可靠性問題的出現(xiàn)；使用NBL層將第二、第三 和第四N型場(chǎng)效應(yīng)晶體管匪2、匪3、NM4設(shè)計(jì)成隔離的N型場(chǎng)效應(yīng)晶體管；讓各晶體管的襯 底電位獨(dú)立，并與各自源極相連，可避免襯底偏置效應(yīng)，減小開關(guān)管的寬長尺寸。在本實(shí)施例中，如圖2所示，開關(guān)PMl、匪1、匪2、匪3、匪4寬長尺寸要根據(jù)電荷泵 的負(fù)載大小，開關(guān)控制時(shí)鐘頻率，電容Cl，C2的容值來折中選擇，由于匪3僅在啟動(dòng)初期起 作用而在正常工作狀態(tài)下處于關(guān)斷狀態(tài)，因此其寬長比可以選取稍小些以節(jié)省面積。電容 Cl，C2 一般為片外電容，其容值根據(jù)芯片應(yīng)用選取，這里都選擇IuF. Vout+Vc是由圖4所示 的電路產(chǎn)生的，通過合理選擇偏置電流rtias和電阻R1，可以很容易的得到Vc = 5V?？刂?所有開關(guān)柵極電壓的電平移位電路的輸出電平各不相同，但電平移位電路本身結(jié)構(gòu)相同， 如圖5所示，該移位電路采用兩級(jí)移位方案，首先將輸入電平范圍GND VCC調(diào)整到VL VCC,再將VL VCC調(diào)整到VL VH，并作為最終輸出電平，因此只需要合理選擇VH，VL即 可得到不同的柵極控制電壓。但是，上述的具體實(shí)施方式
只是示例性的，是為了更好的使本領(lǐng)域技術(shù)人員能夠 理解本專利，不能理解為是對(duì)本專利包括范圍的限制；只要是根據(jù)本專利所揭示精神的所 作的任何等同變更或修飾，均落入本專利包括的范圍。
權(quán)利要求1.一種僅采用低壓MOS管實(shí)現(xiàn)的負(fù)電壓電荷泵電源電路，其特征在于包括一 P型場(chǎng) 效應(yīng)晶體管、四個(gè)N型場(chǎng)效應(yīng)晶體管和兩個(gè)電容，其中各所述晶體管的柵極連有一電平移 位模塊；所述的P型場(chǎng)效應(yīng)晶體管的源極與其自己的襯底相連后連接于電源輸入端，且其 漏極與第一 N型場(chǎng)效應(yīng)晶體管的漏極相連；所述第一 N型場(chǎng)效應(yīng)晶體管的源極與其襯底相 連后連接地電位；所述第二、第三N型場(chǎng)效應(yīng)晶體管的漏極都連接到地電位，且其源極與其 各自的襯底相連后連于所述第四N型場(chǎng)效應(yīng)晶體管的漏極；所述第四N型場(chǎng)效應(yīng)晶體管的 源極與其襯底相連后連接到電壓輸出端；所述第一電容的兩端分別連接于P型場(chǎng)效應(yīng)晶體 管的漏極和所述第二、三N型場(chǎng)效應(yīng)晶體管的源極；所述第二電容的兩端分別連接到所述 第四N型場(chǎng)效應(yīng)晶體管的源極和地電位。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的僅采用低壓MOS管實(shí)現(xiàn)的負(fù)電壓電荷泵電源電路，其特征在 于所述的各場(chǎng)效應(yīng)晶體管為低壓管。
專利摘要本實(shí)用新型公開一種僅采用低壓MOS管實(shí)現(xiàn)的負(fù)電壓電荷泵電源電路，包括一P型場(chǎng)效應(yīng)晶體管、四個(gè)N型場(chǎng)效應(yīng)晶體管和兩個(gè)電容，各晶體管柵極連有電平移位模塊；P型場(chǎng)效應(yīng)晶體管源極與襯底相連后連于電源輸入端，且漏極與第一N型場(chǎng)效應(yīng)晶體管漏極相連；第一N型場(chǎng)效應(yīng)晶體管源極與襯底短接到地電位；第二、三N型場(chǎng)效應(yīng)晶體管漏極連到地電位，且源極與各自的襯底相連后連于第四N型場(chǎng)效應(yīng)晶體管漏極；第四N型場(chǎng)效應(yīng)晶體管襯底與源極短接，并連到電壓輸出端；第一電容連接于P型場(chǎng)效應(yīng)晶體管漏極和第二N型場(chǎng)效應(yīng)晶體管源極；第二電容連到第四N型場(chǎng)效應(yīng)晶體管源極和地電位。本實(shí)用新型實(shí)現(xiàn)負(fù)電壓電源，減小了電荷泵版圖面積，并豐富了工藝的選擇。
文檔編號(hào)H02M3/07GK201887656SQ20102062373
公開日2011年6月29日 申請(qǐng)日期2010年11月25日 優(yōu)先權(quán)日2010年11月25日
發(fā)明者劉楠, 鞠建宏 申請(qǐng)人:帝奧微電子有限公司