專利名稱：基于mems麥克風(fēng)偏置電路的電荷泵裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及集成電路技術(shù)，特別涉及麥克風(fēng)偏置電路的電荷泵設(shè)計(jì)。
背景技術(shù)：
自1976年J.F· Dickson最早提出在芯片中集成電荷泵電路結(jié)構(gòu)以來，Dickson電荷泵逐漸成為DRAM、EEPR0M和快閃存儲(chǔ)設(shè)備中最為常用的DC-DC升壓電路。由于電荷泵中的MOS管閾值電壓損失，Dickson電荷泵往往無法在低電源電壓下達(dá)到理想的高輸出電壓，電路開銷極大，而且轉(zhuǎn)換效率低下。針對(duì)這些問題，國內(nèi)外提出了很多解決辦法，如靜態(tài)電荷轉(zhuǎn)移開關(guān)技術(shù)、PMOS替代NMOS開關(guān)以補(bǔ)償體效應(yīng)的技術(shù)等。在MEMS麥克風(fēng)提供偏置的電荷泵設(shè)計(jì)中，涉及到一些重要因素
(1)低功耗，MEMS麥克風(fēng)應(yīng)用于MP3/MP4、PDA、電話、助聽器等消費(fèi)類電子設(shè)備，尤其是 手持設(shè)備中，對(duì)功耗的要求很聞，應(yīng)盡可能提聞轉(zhuǎn)換效率；
(2)電壓增益，手持設(shè)備往往使用電池供電，因此在正常使用過程中，電源電壓可能低至I. 3-1. 5V，要得到介于10-12V之間的穩(wěn)定輸出電壓作為麥克風(fēng)的偏置，需要考慮使用穩(wěn)定的參考電壓作為驅(qū)動(dòng)以及電壓增益等問題；
(3)面積，手持設(shè)備的體積要求一般比較嚴(yán)格，希望電荷泵占用芯片面積最小化；
(4)輸出電壓紋波，作為MEMS麥克風(fēng)的偏置，減小電荷泵輸出電壓紋波可以減小對(duì)話音質(zhì)量的影響。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題
為了盡量削弱閾值電壓的影響、提高電壓增益，本發(fā)明在傳統(tǒng)Dickson電荷泵結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，從提高電荷泵時(shí)鐘信號(hào)幅度的角度出發(fā)，提出一種適應(yīng)低電壓低功耗應(yīng)用需要、高電壓增益的改進(jìn)型電荷泵結(jié)構(gòu)。本發(fā)明所采用的技術(shù)方案
如圖I所示。與傳統(tǒng)的Dickson電荷泵結(jié)構(gòu)相比，它增加了時(shí)鐘幅度加倍電路，由振蕩器、參考電壓源、時(shí)鐘幅度加倍電路、Dickson電荷泵和低通濾波器等組成。其中，振蕩器提供占空比為50%的兩相非重疊時(shí)鐘；時(shí)鐘幅度加倍電路是改進(jìn)型電荷泵結(jié)構(gòu)的兩個(gè)核心部分之一，它調(diào)節(jié)兩相非重疊時(shí)鐘信號(hào)幅度為參考電壓幅度的2倍；參考電壓源可以在電源電壓變化的情況下給時(shí)鐘幅度加倍電路和Dickson電荷泵提供穩(wěn)定的參考電壓作為驅(qū)動(dòng)；DickSon電荷泵是另一個(gè)核心部分；低通濾波器濾消除輸出電壓的高頻分量。本發(fā)明具體電路實(shí)現(xiàn)包括由PMOS管MO，Ml, M4，M5，M6，M8 ；NMOS管M2，M3，M7，M9，以及電容Cl和C2組成。其中所述兩相非重疊初始時(shí)鐘ckl與
M是時(shí)鐘幅度加倍電路的輸入部分，是參考電壓源提供的參考電壓，時(shí)鐘幅度加倍電路的輸出是幅度為2VMf的兩相非重疊時(shí)鐘ck與。該發(fā)明電路的具體工作原理如下當(dāng)ckl = Vdd時(shí)，N型MOS管MjPM3導(dǎo)通，此時(shí)電容C1T級(jí)板電位為零，且ck = 0，進(jìn)而P型MOS管Mtl導(dǎo)通，基準(zhǔn)電壓源通過P型MOS管Mtl給電容C1上極板充電到VMf。當(dāng)ckl = O時(shí)，P型MOS管M1和M4導(dǎo)通，電容C1下級(jí)板的電位為VMf，由于電容兩端的電壓不會(huì)突變，因此電容C1的上極板電位為2Vref。由以上分析可以看出ckl與ck是反相的時(shí)鐘信號(hào)，并
且ck的幅度為2VMf。同理，是反相的時(shí)鐘信號(hào)，并且幅度也為2VMf。本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，其顯著優(yōu)點(diǎn)是在輸出電壓滿足MEMS麥克風(fēng)偏置要求的情況下，與傳統(tǒng)Dickson電荷泵結(jié)構(gòu)相比， 改進(jìn)型電荷泵結(jié)構(gòu)基于SMIC O. 35um高壓雙阱CMOS工藝，采用時(shí)鐘幅度加倍技術(shù)，二極管一電容升壓單元的級(jí)數(shù)減少了至少4級(jí)，電荷泵核心電路的面積至少縮小21%，功耗至少降低40%，轉(zhuǎn)換效率提高將近一倍。在相同級(jí)數(shù)下，改進(jìn)型電荷泵結(jié)構(gòu)的輸出電壓明顯高于傳統(tǒng)Dickson電荷泵結(jié)構(gòu)，電壓增益顯著提高，完全滿足MEMS麥克風(fēng)偏置電路的需要以及消費(fèi)類電子產(chǎn)品低功耗、小體積的應(yīng)用需求。


圖I改進(jìn)型Dickson電荷泵結(jié)構(gòu) 圖2 Dickson電荷泵原理
圖3時(shí)鐘幅度加倍電路
具體實(shí)施例方式參考電壓源
在MEMS麥克風(fēng)的應(yīng)用中，允許電源電壓低至I. 3V-1. 5V。在這個(gè)電壓擺幅范圍內(nèi)，利用參考電壓源，可以提供對(duì)電源電壓不敏感的I. IV參考電壓，以確保電荷泵輸出電壓穩(wěn)定，并且在10-12V范圍內(nèi)提高電荷泵輸出高壓的精確度。振蕩器
在MEMS麥克風(fēng)偏置電路應(yīng)用中，基于減小電磁干擾和提聞電源效率的考慮，選定振蕩器輸出頻率為250KHZ的時(shí)鐘信號(hào)。振蕩器中的環(huán)形振蕩器提供頻率為500KHZ的方波信號(hào)，主從RS觸發(fā)器將此方波信號(hào)轉(zhuǎn)換成占空比為50%、頻率為250KHZ的兩相非重疊初始時(shí)
鐘信號(hào)ckl與Ζ 。這對(duì)初始時(shí)鐘信號(hào)將經(jīng)過時(shí)鐘幅度加倍電路轉(zhuǎn)換成幅度為2VMf的時(shí)
鐘信號(hào)，以驅(qū)動(dòng)電荷泵。Dickson 電荷泵
Dickson電荷泵原理如圖2所示，它是整個(gè)改進(jìn)型電荷泵結(jié)構(gòu)的兩個(gè)核心部分之一。由參考電壓源提供對(duì)電源電壓不敏感的I. IV參考電壓作為驅(qū)動(dòng)，由時(shí)鐘幅度加倍電路提供頻率為250KHZ、幅度為2V,ef、占空比為50%的兩相非重疊信號(hào)作為時(shí)鐘。時(shí)鐘幅度加倍電路及時(shí)鐘幅度加倍技術(shù)
與傳統(tǒng)的Dickson電荷泵結(jié)構(gòu)相比，改進(jìn)型電荷泵結(jié)構(gòu)最重要的改進(jìn)是應(yīng)用了時(shí)鐘幅度加倍技術(shù)，它通過如圖3所示的時(shí)鐘幅度加倍電路將振蕩器輸出的初始時(shí)鐘信號(hào)幅度調(diào)整為參考電壓幅值的2倍。兩相非重疊初始時(shí)鐘ckl與 是時(shí)鐘幅度加倍電路的輸入部分，是參考電壓源提供的參考電壓，時(shí)鐘幅度加倍電路的輸出是幅度為2VMf的兩相非重疊時(shí)鐘ck與cT。電路的具體工作原理如下當(dāng)ckl = Vdd時(shí)，M2和M3導(dǎo)通，此時(shí)C1下級(jí)板電位為零，且Ck= O，進(jìn)而Mtl導(dǎo)通，基準(zhǔn)電壓源通過凡給(^上極板充電到VMf。當(dāng)Ckl =O時(shí)，M1和M4導(dǎo)通，電容C1下級(jí)板的電位為VMf，由于電容兩端的電壓不會(huì)突變，因此C1的上極板電位為2VMf。由以上分析可以看出ckl與ck是反相的時(shí)鐘信號(hào)，并且ck的幅度為
2Vrefο同理
權(quán)利要求
1.一種基于MEMS麥克風(fēng)偏置電路的電荷泵裝置，其特征在于包括如下部分由振蕩器、參考電壓源、時(shí)鐘幅度加倍電路、Dickson電荷泵和低通濾波器等組成，振蕩器提供占空比為50%的兩相非重疊時(shí)鐘。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的基于MEMS麥克風(fēng)偏置電路的電荷泵裝置，特征在于電荷泵裝置主要由卩皿05管勵(lì)，] 1，]\14，]\15，]\16，]\18 ;NM0S管M2，M3，M7，M9,以及電容Cl和C2組成，兩相非重疊初始時(shí)鐘ckl與&是時(shí)鐘幅度加倍電路的輸入部分，Vref是參考電壓源提供的參考電壓，時(shí)鐘幅度加倍電路的輸出是幅度為2VMf的兩相非重疊時(shí)鐘ck與。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種基于MEMS麥克風(fēng)偏置電路的電荷泵裝置。包括由振蕩器、參考電壓源、時(shí)鐘幅度加倍電路、Dickson電荷泵和低通濾波器等組成。振蕩器提供占空比為50%的兩相非重疊時(shí)鐘，它調(diào)節(jié)兩相非重疊時(shí)鐘信號(hào)幅度為參考電壓幅度的2倍。本發(fā)明增加了基準(zhǔn)電壓和時(shí)鐘幅度定義電路，它能實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定高壓輸出，采用時(shí)鐘幅度加倍技術(shù)，二極管－電容升壓單元的級(jí)數(shù)減少了至少4級(jí)，電荷泵核心電路的面積至少縮小21%，功耗至少降低40%，轉(zhuǎn)換效率提高將近一倍。
文檔編號(hào)H02M3/07GK102790524SQ20121031647
公開日2012年11月21日 申請(qǐng)日期2012年8月31日 優(yōu)先權(quán)日2012年8月31日
發(fā)明者張震, 戚湧 申請(qǐng)人:南京理工大學(xué)常熟研究院有限公司