CN102769379A - 一种绝缘硅工艺上的正负压产生电路 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种在绝缘硅(SOI)工艺上的新型正负压产生电路。通过两个开关管、四个电容和几个二极管即可同时产生高于电源电压的正电压和低于地电压的负电压。该电路仅使用单相时钟。与现有的正电压和负电压的电路相比，本发明的电路结构简单，不需要双相非重叠时钟，有效节省芯片面积。

Description

一种绝缘硅工艺上的正负压产生电路
技术领域
本发明涉及一种绝缘硅(SOI)工艺上的正负压产生电路。
技术背景
在射频和微波领域、绝缘硅工艺由于良好的线性度、低的损耗和良好的集成性，被用于实现开关、功率放大器、低噪声放大器、衰减器和相移器等。在这些应用中，超过电源电压的正压产生器(PVG)和低于地电压的负压产生器(NVG)被广泛采用，以提高处理功率的动态范围、实现有直流偏置条件下的有效开关和降低关断状态下的静态电流。
现有的正负电压产生电路主要采用电荷泵来完成升压和产生负压。在基本的电荷泵电路中需要多个开关来控制电容的充放电方向，为了降低纹波和开关损耗，控制电容充放电的开关管尺寸必须足够大以减小导通电阻。因此现有的正负电压产生电路会占用较大的芯片面积。如图1所示的正电压产生电路，包括4个晶体管开关M1～M4，传输电容C1和输出电容C2。晶体管开关M1～M4由图3所示的两相非重叠控制信号S1和S2控制。当S1为高电平时，晶体管开关M1和M4导通，晶体管开关M2和M3关闭。忽略开关管的导通压降，传输电容C1充电结束后的电压等于电源电压Vdd。当控制信号S2变为高电平时，开关管M1和M4关闭，开关管M2和M3导通。由于此时V2连接Vdd，电容C1上的电荷将V1点的电压抬高到2Vdd。并通过开关管M2为输出电容C2补充电荷。在开关信号控制下，输出电容C2上的电压约等于2Vdd。
同理在图2所示的负电压产生电路中，当控制信号S1为高电平时，开关管M1和M3导通，电容C1上的电压等于Vdd。当控制信号S2为高电平时，开关管M2和M4导通，由于M2导通使得电压V1等于零。电容C1将V2点的电压拉低到-Vdd，开关管M4导通使得输出负电压VN等于电压V2也等于-Vdd。
从图中可以看到，现有的正电压和负电压产生电路分别需要4个较大尺寸的晶体管开关，总共8个晶体管开关，而且其控制信号为两相非重叠时钟信号，每个开关的控制信号的高低电平的选择需要保证开关管的栅源电压和栅漏电压不超过栅氧化层的击穿电压，还需要额外的控制信号产生电路来产生如图3所示的非重叠时钟信号。因此当前的电路在芯片上产生正负电压的占用较大的芯片面积。
为防止过压问题，尤其是开关通路有直流偏置的情况下，一般还需要额外电压偏移电路使正输出电压需要比2Vdd低，负压需要比-Vdd高，
发明内容
本发明可以有效减小在绝缘硅工艺中产生开关驱动的正负电压产生电路所占芯片面积。电路仅需要两个晶体管开关和单相时钟信号，电路采用反相器连接的两个NMOS管和PMOS管，利用绝缘硅工艺中MOS管源端到衬底之间的寄生二极管，传输电容、输出电容和二极管来构成正负电压产生电路。由NMOS和PMOS构成的反相器的输出电压在单相时钟的控制下周期性的在高低电平之间切换。当反相器输出为低电平时，与PMOS并联的传输电容通过PMOS衬底和源端的寄生二极管被充电。由于传输电容上的电压不能突变，因此当反相器的输出由低电平翻转到高电平时，传输电容在PMOS的衬底端将产生一个接近两倍电源电压的电平，该电平将使传输电容与输出电容之间的二极管导通，并由传输电容向输出电容充电。最终产生正电压的输出电容上的最高电压接近两倍的电源电压减去充电路径上的所有二极管的压降。当反相器输出为高电平时，与NMOS并联的传输电容通过NMOS衬底和源端的寄生二极管被充电。由于传输电容上的电压不能突变，当反相器的输出由高电平翻转到低电平时，传输电容在NMOS的衬底端将产生一个接近负电源电压的电平，该电平将使传输电容与输出电容之间的二极管导通，并由输出电容向传输电容放电。最终产生负电压的输出电容上的最低电压接近电源电压减去放电路径上的所有二极管的压降。
本发明的有益效果是：采用两个晶体管同时实现了正电压产生电路和负电压产生电路，只需要单相时钟控制，同时电路中的二极管起到了保护开关管的作用。与现有的正负电压产生电路相比结构简单，占用的芯片面积较小。
附图说明
下面结合附图和实施例对本发明做进一步的详细的说明：
图1为现有正电压产生电路。
图2为现有的负电压产生电路。
图3为现有的正电压和负电压产生电路所需的两相非重叠时钟波形。
图4为本发明的正负电压产生电路。
图5为本发明的正负电压产生电路的工作波形。
具体实施方式
图4显示了本发明的正负电压产生电路的结构。该电路包括NMOS晶体管MN，PMOS晶体管MP，两个传输电容C1和C2，两个输出电容C3和C4，传输电容和输出电容之间的二极管D11～D1n，D21～D2n.图中二极管Dp是晶体管MP源端和衬底之间的寄生二极管，二极管Dp的正极是晶体管MP的源端，二极管Dp的负极是晶体管MP的衬底。二极管Dn是晶体管MN的源端和衬底之间的寄生二极管，二极管Dn的正极是晶体管MN的衬底，二极管Dn的负极是晶体管MP的源端。图中两个晶体管构成反相器连接，晶体管MN和晶体管MP的栅极接在一起连通控制时钟Vgate，晶体管MN和晶体管MP的漏端接在一起作为反相器的输出vd。晶体管MN和晶体管MP的源端分别接地电平GND和电源电压Vdd。传输电容C1连接在晶体管MP的衬底vbp和漏端vd之间。传输电容C2连接在晶体管MN的衬底vbn和漏端vd之间。输出电容C3和C4的一端接地，C3的另一端作为正电压输出端VP，C4的另一端作为负电压输出端VN。晶体管MP的衬底vbp和正输出电压VP之间连接有一个或多个二极管D11～D1n，二极管的正极连接晶体管MP的衬底vbp，二极管的负端连接正电压输出VP。晶体管MN的衬底vbn和正输出电压VN之间业连接有一个或多个二极管D21～D2n，二极管的正极连接负电压输出VN，二极管的负端连接晶体管MN的衬底vbn。上述连接在传输电容和输出电容之间的二极管的个数可以根据所需的输出电压大小来调整。
该电路的工作原理如下：当反相器输入Vgate为高电平时，反相器输出vd等于低电平GND。此时如果电容C1上没有电压，则vbp等于vd也等于低电平，寄生二极管Dp两端的压降为Vdd大于正向导通压降Vbe，因此二极管Dp将导通，电容C1充电，直到vbp等于Vdd-Vbe时充电结束，因此当反相器的输出为低电平时，电容C1上的电压等于Vdd-Vbe。此时若电容C3上电压较低，二极管D11～D1n将导通，假设这些二极管的导通电压也等于Vbe，C3被充电至Vdd-(n+1)Vbe。当反相器的输入变为低电平时，反相器的输出为高电平Vdd，由于电容C1上的电压不能突变，因此vbp等于vd加上电容上的电压即2Vdd-Vbe。该电压使得二极管D11～D1n再次导通并对C3充电。经过多次充电过程C3上的最高电压为：VP＝2Vdd-(n+1)Vbe(1)
当vd为低电平，vbp降低到Vdd-Vbe时，vbp的电压低于VP，但由于二极管D11～D1n的反向阻断作用，电容C3上的电荷并不会反向流动到电容C1。当反相器的翻转频率足够高使得电容C3上的电荷能够及时补充时，可以认为C3上的电压VP为恒定电压2Vdd-(n+1)Vbe。通过调整二极管D11～D1n的个数可以控制该电压的大小。
产生负电压部分的工作原理与正电压类似，当反相器输出vd等于高电平Vdd时，寄生二极管Dn导通，电容C2上的电压为Vdd-Vbe，当反相器的输出Vd变为低电平时，电容C2的电压不能突变，Vbn的电压将降低至0-(Vdd-Vbe)＝-Vdd+Vbe。此时二极管D21～D2n的正极电压VN比负极电压Vbn高，二极管D21～D2n导通，电流由VN流向vbn，电容C4被放电，经过多个周期的放大后，输出负电压为：
VN＝-Vdd+(n+1)Vbe                        (2)
通过调整二极管D21～D2n的个数可以控制该负电压VN的大小，可以根据实际应用情况和过压保护需求来设定
图5显示了基于本发明的正负电压产生电路的工作电压波形。所用的电源电压为2.5V，在传输电容和输出电容之间仅连接一个二极管，晶体管的寄生二极管和外加的二极管的总导通压降约为1V，电路从10us开始工作。正输出电压VP逐渐增加至4V左右，而负输出电压VN逐渐降低至-1.5V。这与公式(1)、(2)的计算结果是一致的。
综上所述，本发明提出了一种在绝缘硅工艺上实现同时产生正电压和负电压的电路。该电路利用晶体管自身的寄生二二极管以及绝缘硅工艺中晶体管的衬底电位可以变化的特性，采用较少的器件实现了同时产生正电压和负电压，与现有的电路结相比结构简单，占用芯片面积小。

Claims (7)

1.一种绝缘硅(SOI)工艺上的正负电压产生电路。该电路由NMOS和PMOS构成的反相器，两个传输电容、两个输出电容，以及二极管构成。由单相时钟控制反相器周期性的翻转，通过寄生二极管对传输电容充电。在产生正电压的部分电路中，电流由传输电容单向流到输出电容；在产生负电压的部分电路中，电流由输出电容单向流动到传输电容。该电路以较少的器件同时产生高于电源电压的正电压和低于地电平的负电压。
2.根据权利要求1所述的正负电压产生电路，其特征在于采用绝缘硅工艺，由NMOS管和PMOS管构成反相器连接。
3.根据权利要求1所述的正负电压产生电路，其特征在于PMOS和NMOS各自的衬底和漏端之间有并联的传输电容。
4.根据权利要求1所述的正负电压产生电路，其特征在于传输电容和输出电容之间由二极管隔离，在正电压产生部分电流只能从传输电容单向的流到输出电容，在负电压产生部分电流只能从输出电容流向传输电容。
5.根据权利要求1所述的正负电压产生电路，其特征在于由PMOS和NMOs构成的反相器的输入端连接振荡器的输出时钟信号。
6.根据权利要求1所述的正负电压产生电路，其特征在于该电路产生的正输出电压高于电源电压，该电路产生的负电源电压低于地电平。
7.根据权利要求1所述的正负电压产生电路采用的绝缘硅工艺，可以是高阻硅、低阻硅或全绝缘衬底，如SOS。
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