使用多級倍壓脈波產生器之新型電荷幫浦 半導體元件研究室 原理與分析 摘要

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1 使用多級倍壓脈波產生器之新型電荷幫浦 半導體元件研究室 原理與分析 摘要
在本篇文章，我們提出一個結合4級倍增脈波產生器的Dickson電荷幫浦電路，本電路是藉由倍增脈波產生器電路來提供Dickson電荷幫浦電路的時脈電壓，當倍增脈波產生器電路串接的級數增加時，提供給Dickson電荷幫浦電路的脈波也隨著增加，故大大提升輸出電壓。電路是用TSMC 0.35m CMOS 製程模擬(HSpice)時，結果顯示串接7級倍增脈波產生器電路且供應電壓為2V之條件下，輸出電壓可達到40.37V。 前言 攜帶式的個人電子產品通常須使用攜帶式電池，故電池的持久性，是消費者最重視的一點，這些的電子產品的驅動IC，皆以低電壓低耗損功率為趨勢。但IC電路上有些電路在目前為止無法以低電壓來驅動，例如：EEPROM，或Flash memory其寫入動作的電壓就須要以PPV =12V或PPV =12.5V來驅動[1]，而TFT-LCD Driver IC也是需要數倍於供應電壓的高壓，如高壓投影燈，它內部須以75V的穩態工作電壓才能驅動內部電路[2]。一般作為昇壓轉換的電路稱之為電荷幫浦(Charge Pump)或是倍壓電路(Voltage Doubler) 。 【圖七】串接10級倍增脈波產生器電路各級之最大輸出時脈振幅示意圖 【圖六】串接3級倍增脈波產生器電路模擬圖 (VDD=VCLK=1V，f=2.5MHz) 結合4級倍增脈波產生器的Dickson電荷幫浦電路實驗結果 研究目的 較為著名電荷幫浦的電路為Dickson Charge Pump電路[3]。此電路利用二極體串接的方式及兩個互補式(CLK、CLK )的脈波對電容做交替充放電而達到昇壓的效果，圖一為4級的Dickson Charge Pump電路圖[4]。 【圖八】一個結合4級倍增脈波產生器的Dickson電荷幫浦電路圖 【圖二】4級NCP-2電路 【圖一】4級Dickson Charge Pump電路 圖二為4級的NCP-2 (New Charge Pump-2)電路，在Dickson Charge Pump電路加上MSi，使電路不受到MOS的臨限電壓Vth的影響，因MSi無法完全導通，所以有逆向電流現象發生，故在MSi下方在加入MNi、MPi，才能使MSi完全導通。 原理與分析 圖三顯示一個改良型雙倍脈波產生器[5]，它是根據雙倍脈波產生器電路，分別在Vout1、Vout2個別加上CMOS反相器，可使Vout1、Vout2的輸出脈波電壓由VDD  2VDD之間振動變成0 2VDD之振幅的脈波。 【圖九】7級的MVDCP的每級輸出電壓模擬結果 【圖十】為4級MVDCP，供應電壓為2V，頻率分別為25MHz、50MHz 、100MHz、200MHz、500MHz時的輸出電壓。 MVDCP與Dickson、NCP-2 電荷幫浦比較比較 【圖三】改良型雙倍脈波產生器電路圖 【圖四】改良型雙倍脈波產生器電路之輸出波形(VDD=CLK=1V) 【圖十一】MVDCP與Dickson、NCP-2 Charge Pump輸出電壓比較 【圖十二】供應電壓為2V，MVDCP與Dickson、NCP-2級數為2時，輸出電壓與輸出電流比較 圖五為改良型雙倍脈波產生器電路，串接為4級，A、B節點輸出電壓脈波分別為2VDD~0、0~2VDD，C、D節點輸出電壓脈波分別為0~3VDD、3VDD~0，E、F節點輸出電壓脈波分別為4VDD~0、0~4VDD，G、H節點輸出電壓脈波分別為0~5VDD、5VDD~0。 結論 本篇論文所研究的7級倍增脈波產生器改良型的Dickson電荷幫浦電路是利用 TSMC 0.35μm CMOS製程，經過HSpice模擬下，輸出電壓可逹40.37V，當Dickson、 NCP-2 Charge Pump、MVDCP在級數為2時，而且MVDCP在相同輸出電流下，輸 出電壓明顯也比Dickson、NCP-2 Charge Pump高出許多，故本電路適合運用在需 要用於高壓電路的產品上。 參考文獻 [1]Kiyco Itoh, VLSI memory chip design, Springer -Verlag New York,Incorporated, April 2001. [2] J. F. Dickson, “On-chip high-voltage generation in MNOS integrated circuits using an improved voltage multiplier technique,” IEEE J. Solid-State Circuits, vol. 11, pp. 374–378, June 1976. [3] J. T. Wu and K.-L. Chang, “MOS charge pump for low-voltage operation,” IEEE J. Solid-State Circuits, vol. 33, pp. 592–597, Apr [4] T. B. Cho and P. R. Gray, “A 10 b, 20 Msample/s, 35 mW pipeline A/D converter,” IEEE J. Solid-State Circuits, vol. 30, pp. 166–172, Mar.1995. [5] Hoi Lee, Member, IEEE, and Philip K. T.Mok, Senior Member, IEEE, “Switching noise and shoot-through current reduction techniques for switched-capacitor voltage doubler” Solid-State Circuits, IEEE Journal of Volume 40, vol. 40,,pp , MAY 2005 【圖五】4級倍增脈波產生器電路