专利名称：一种仅采用低压mos管实现的负电压电荷泵电源电路的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及一种仅采用低压MOS管实现的负电压电荷泵电源电路。
背景技术：
负电压电荷泵电源在模拟芯片中有着广泛的应用，它可以使芯片输出摆幅增大一 倍，提高动态范围，也可以实现基于地电位的信号输出等特殊功能，一般来说对负电压电荷 泵模块的要求包括转换效率高，版图面积小等，一项美国专利(专利号6，803，807)提出了 一种负电压电荷泵电路，如图1所示，信号Sl控制开关管EPl和DPl，而信号S2控制开关管 ENl和DP2。当开关EP1，DP1导通时，Cl被充电至Vin，而当Em，DP2开关导通时，C1，C2电 荷重分配，经过若干周期后，输出OUT将达到-Vin。这种结构能够将正输入电压Vin转换成 其对应的负输出电压OUT，但这种结构也存在一些缺点，以Vin = 5V为例1.专利中DPl和DP2需要额外考虑可靠性问题。当DPl或DP2关断时，其栅极 和衬底电压为5V，其漏极电位约为-5V，因此需要使用耐压能力更强的高压PMOS来承受这 栅-漏，衬底-漏的IOV电压差，高压器件的使用一方面限制了工艺的选择，另一方面，由于 高压器件栅氧单位电容和阈值电压的影响，使得要达到相同电荷泵驱动能力，DPl，DP2必须 使用更大的版图面积。2.专利中DPl和DP2的衬底电位都连接到最正电位，Vin，这使得这两个PMOS存 在严重的衬底偏置效应，降低其电流驱动能力，因此要想保证相同的电荷泵性能，必须加大 DPLDP2的版图面积。3.专利中为了传递OV和-5V(B点电位)，DPl和DP2选择了耗尽型的PMOS，虽然 这可以有效的实现低电压传输，但特殊器件的使用也限制了工艺的选择。
实用新型内容由于现有技术存在的上述问题，本实用新型的目的是提出一种仅采用低压MOS管 实现的负电压电荷泵电源电路，其可有效解决现有技术存在的问题。为实现上述目的，本实用新型提出的一种仅采用低压MOS管实现的负电压电荷泵 电源电路，包括一 P型场效应晶体管、四个N型场效应晶体管和两个电容，其中各晶体管的 栅极连有一电平移位模块；P型场效应晶体管的源极与衬底相连后连接于电源输入端，且 其漏极与第一 N型场效应晶体管的漏极相连；第一 N型场效应晶体管的源极与其衬底相连 后连接到地电位；第二、第三N型场效应晶体管的漏极都连接到地电位，且其源极与其各自 的衬底相连后连于第四N型场效应晶体管的漏极；第四N型场效应晶体管的源极与其衬底 相连后连接到电压输出端；第一电容的两端分别连接于P型场效应晶体管的漏极和第二 N 型场效应晶体管的源极；第二电容的两端分别连接到第四N型场效应晶体管的源极和地电 位。作为本实用新型的进一步特征，各晶体管为低压管。由于采用了以上技术方案，本实用新型仅采用普通的低压晶体管器件就能实现负电压电源，减小了电荷泵的版图面积，并丰富了工艺的选择，可有效解决现有技术存在的问题。
图1为美国专利6，803，807中提出的负电压电荷泵电路示意图；图2为本实用新型的负电压电荷泵电源电路示意图；图3为本实用新型中隔离的N型场效应晶体管(匪2A，匪2B，匪3)示意图；图中N+:N 型注入P+:P 型注入NWELL :N 型阱区I3SUb=P 型衬底NBL :N型埋层区域D，S，G，B :N型场效应晶体管的漏端，源端，栅端和衬底端VCC:电源电压图4为本实用新型中Vc的产生电路示意图；图5为本实用新型中电平移位电路示意图。
具体实施方式
下面根据附图和具体实施例对本实用新型作进一步说明如图2所示，本实用新型提出的一种仅采用低压MOS管实现的负电压电荷泵电源 电路，包括一 P型场效应晶体管PMl、四个N型场效应晶体管匪1、匪2、匪3、NM4和两个电容 Cl、C2，其中各晶体管的栅极连有一电平移位模块(Level Shift Block) ；P型场效应晶体 管PMl的源极与衬底相连后连接于电源输入端Vin，且其漏极与第一 N型场效应晶体管匪1 的漏极相连；第一 N型场效应晶体管匪1的源极与其衬底相连后连接到地电位；第二、第三 N型场效应晶体管匪2、匪3的漏极都连接到地电位，且其源极与其各自的衬底相连后连于 第四N型场效应晶体管NM4的漏极；第四N型场效应晶体管NM4的源极与其衬底相连后连 接到电压输出端Vout ；第一电容Cl的两端分别连接于P型场效应晶体管PMl的漏极和第 二、三N型场效应晶体管匪2的源极；第二电容C2的两端分别连接到第四N型场效应晶体 管NM4的源极和地电位。在本实施例中，P型场效应晶体管PMl和第一 N型场效应晶体管匪1栅极电压为 OV至电源电压Vcc，所加入的电平移位模块(level shift block)仅为延迟模块，为了能在 时序上与其它开关保持一致；第二 N型场效应晶体管匪2的栅极控制信号为VN VP，当该 开关导通时，其栅极电压为VP，以VCC = 5V为例，VP = 5V，此时第二 N型场效应晶体管匪2 传输OV到N点；当该开关关断时，第二 N型场效应晶体管匪2的栅极电压为VN，而此时第一 N型场效应晶体管匪1，第四N型场效应晶体管NM4导通，VN点电压为-5V，因此第二 N型场 效应晶体管匪2有效的隔断了其漏端的OV与其源端的-5V ；第四N型场效应晶体管NM4的 栅极控制电压选择Vout Vout+Vc，Vc需要根据所采用器件的可靠性要求来选择，在本实 用新型中，Vc = 5V。当第四N型场效应晶体管NM4导通时，其源端和漏端电压基本相等，即Vout = VN = -5V，而此时其栅极电压为0V，因此可以有效传递-5V至Vout端；当第四N型 场效应晶体管NM4关断时，Vout = -5V，VN = 0V，此时其栅极电压为-5V，有效的隔断源漏 两端电压。第三N型场效应晶体管匪3的引入是为了改善启动时电荷泵的性能。在启动初 期，N点和P点电压均为0V，这使得在此阶段第二 N型场效应晶体管匪2栅极的控制信号变 化幅度为0V，因此无法正常开启，从而电荷泵无法正常启动，第三N型场效应晶体管NM3的 栅极电压变化范围为Vout Vout+Vc，启动阶段，即使Vout = 0V，但第三N型场效应晶体 管匪3的栅极高电压为Vout+Vc，即5V，这使得第三N型场效应晶体管匪3能有效的开启， 将OV传递到N点。而在正常工作阶段，当第一 P型场效应晶体管PMl，第二 N型场效应晶 体管匪2导通时，加在第三N型场效应晶体管匪3的栅极电位为Vout+Vc，即0V，N点电位 也为0V，因此第三N型场效应晶体管匪3为关断状态，主要由第二 N型场效应晶体管匪2将 OV传递到N点；当第一 P型场效应晶体管PMl，第二 N型场效应晶体管匪2关断时，加在第 三N型场效应晶体管匪3的栅极电位为Vout，即-5V，因此此时第三N型场效应晶体管匪3 仍然为关断状态。所以，第三N型场效应晶体管匪3仅在启动初期起作用，在正常状态下， 其一直保持关断状态。通过上述分析，所有开关管，在任意工作状态下，栅，源，漏和衬底之 间相互电位差都没有超过电源电压，VCC,因此也就不会出现可靠性问题。本实施例中，各晶体管为低压管(如图3所示)，这样有效的保证了该电路具有最 小的版图面积。由于采用了低压晶体管开关，因此必须根据不同的工作状态设计不同的栅 极控制电压，以保证负电压的正常传输并避免可靠性问题的出现；使用NBL层将第二、第三 和第四N型场效应晶体管匪2、匪3、NM4设计成隔离的N型场效应晶体管；让各晶体管的衬 底电位独立，并与各自源极相连，可避免衬底偏置效应，减小开关管的宽长尺寸。在本实施例中，如图2所示，开关PMl、匪1、匪2、匪3、匪4宽长尺寸要根据电荷泵 的负载大小，开关控制时钟频率，电容Cl，C2的容值来折中选择，由于匪3仅在启动初期起 作用而在正常工作状态下处于关断状态，因此其宽长比可以选取稍小些以节省面积。电容 Cl，C2 一般为片外电容，其容值根据芯片应用选取，这里都选择IuF. Vout+Vc是由图4所示 的电路产生的，通过合理选择偏置电流rtias和电阻R1，可以很容易的得到Vc = 5V。控制 所有开关栅极电压的电平移位电路的输出电平各不相同，但电平移位电路本身结构相同， 如图5所示，该移位电路采用两级移位方案，首先将输入电平范围GND VCC调整到VL VCC,再将VL VCC调整到VL VH，并作为最终输出电平，因此只需要合理选择VH，VL即 可得到不同的栅极控制电压。但是，上述的具体实施方式
只是示例性的，是为了更好的使本领域技术人员能够 理解本专利，不能理解为是对本专利包括范围的限制；只要是根据本专利所揭示精神的所 作的任何等同变更或修饰，均落入本专利包括的范围。
权利要求1.一种仅采用低压MOS管实现的负电压电荷泵电源电路，其特征在于包括一 P型场 效应晶体管、四个N型场效应晶体管和两个电容，其中各所述晶体管的栅极连有一电平移 位模块；所述的P型场效应晶体管的源极与其自己的衬底相连后连接于电源输入端，且其 漏极与第一 N型场效应晶体管的漏极相连；所述第一 N型场效应晶体管的源极与其衬底相 连后连接地电位；所述第二、第三N型场效应晶体管的漏极都连接到地电位，且其源极与其 各自的衬底相连后连于所述第四N型场效应晶体管的漏极；所述第四N型场效应晶体管的 源极与其衬底相连后连接到电压输出端；所述第一电容的两端分别连接于P型场效应晶体 管的漏极和所述第二、三N型场效应晶体管的源极；所述第二电容的两端分别连接到所述 第四N型场效应晶体管的源极和地电位。
2.根据权利要求1所述的仅采用低压MOS管实现的负电压电荷泵电源电路，其特征在 于所述的各场效应晶体管为低压管。
专利摘要本实用新型公开一种仅采用低压MOS管实现的负电压电荷泵电源电路，包括一P型场效应晶体管、四个N型场效应晶体管和两个电容，各晶体管栅极连有电平移位模块；P型场效应晶体管源极与衬底相连后连于电源输入端，且漏极与第一N型场效应晶体管漏极相连；第一N型场效应晶体管源极与衬底短接到地电位；第二、三N型场效应晶体管漏极连到地电位，且源极与各自的衬底相连后连于第四N型场效应晶体管漏极；第四N型场效应晶体管衬底与源极短接，并连到电压输出端；第一电容连接于P型场效应晶体管漏极和第二N型场效应晶体管源极；第二电容连到第四N型场效应晶体管源极和地电位。本实用新型实现负电压电源，减小了电荷泵版图面积，并丰富了工艺的选择。
文档编号H02M3/07GK201887656SQ20102062373
公开日2011年6月29日 申请日期2010年11月25日 优先权日2010年11月25日
发明者刘楠, 鞠建宏 申请人:帝奥微电子有限公司