專利名稱：基于mems麥克風偏置電路的電荷泵裝置的制作方法
技術領域：
本發明涉及集成電路技術，特別涉及麥克風偏置電路的電荷泵設計。
背景技術：
自1976年J.F· Dickson最早提出在芯片中集成電荷泵電路結構以來，Dickson電荷泵逐漸成為DRAM、EEPR0M和快閃存儲設備中最為常用的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到理想的高輸出電壓，電路開銷極大，而且轉換效率低下。針對這些問題，國內外提出了很多解決辦法，如靜態電荷轉移開關技術、PMOS替代NMOS開關以補償體效應的技術等。在MEMS麥克風提供偏置的電荷泵設計中，涉及到一些重要因素
(1)低功耗，MEMS麥克風應用于MP3/MP4、PDA、電話、助聽器等消費類電子設備，尤其是 手持設備中，對功耗的要求很聞，應盡可能提聞轉換效率；
(2)電壓增益，手持設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之間的穩定輸出電壓作為麥克風的偏置，需要考慮使用穩定的參考電壓作為驅動以及電壓增益等問題；
(3)面積，手持設備的體積要求一般比較嚴格，希望電荷泵占用芯片面積最小化；
(4)輸出電壓紋波，作為MEMS麥克風的偏置，減小電荷泵輸出電壓紋波可以減小對話音質量的影響。

發明內容
本發明所要解決的技術問題
為了盡量削弱閾值電壓的影響、提高電壓增益，本發明在傳統Dickson電荷泵結構的基礎上，從提高電荷泵時鐘信號幅度的角度出發，提出一種適應低電壓低功耗應用需要、高電壓增益的改進型電荷泵結構。本發明所采用的技術方案
如圖I所示。與傳統的Dickson電荷泵結構相比，它增加了時鐘幅度加倍電路，由振蕩器、參考電壓源、時鐘幅度加倍電路、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%的兩相非重疊時鐘；時鐘幅度加倍電路是改進型電荷泵結構的兩個核心部分之一，它調節兩相非重疊時鐘信號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鐘幅度加倍電路和Dickson電荷泵提供穩定的參考電壓作為驅動；DickSon電荷泵是另一個核心部分；低通濾波器濾消除輸出電壓的高頻分量。本發明具體電路實現包括由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鐘ckl與
M是時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，時鐘幅度加倍電路的輸出是幅度為2VMf的兩相非重疊時鐘ck與。該發明電路的具體工作原理如下當ckl = Vdd時，N型MOS管MjPM3導通，此時電容C1T級板電位為零，且ck = 0，進而P型MOS管Mtl導通，基準電壓源通過P型MOS管Mtl給電容C1上極板充電到VMf。當ckl = O時，P型MOS管M1和M4導通，電容C1下級板的電位為VMf，由于電容兩端的電壓不會突變，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是反相的時鐘信號，并
且ck的幅度為2VMf。同理，是反相的時鐘信號，并且幅度也為2VMf。本發明與現有技術相比，其顯著優點是在輸出電壓滿足MEMS麥克風偏置要求的情況下，與傳統Dickson電荷泵結構相比， 改進型電荷泵結構基于SMIC O. 35um高壓雙阱CMOS工藝，采用時鐘幅度加倍技術，二極管一電容升壓單元的級數減少了至少4級，電荷泵核心電路的面積至少縮小21%，功耗至少降低40%，轉換效率提高將近一倍。在相同級數下，改進型電荷泵結構的輸出電壓明顯高于傳統Dickson電荷泵結構，電壓增益顯著提高，完全滿足MEMS麥克風偏置電路的需要以及消費類電子產品低功耗、小體積的應用需求。


圖I改進型Dickson電荷泵結構 圖2 Dickson電荷泵原理
圖3時鐘幅度加倍電路
具體實施例方式參考電壓源
在MEMS麥克風的應用中，允許電源電壓低至I. 3V-1. 5V。在這個電壓擺幅范圍內，利用參考電壓源，可以提供對電源電壓不敏感的I. IV參考電壓，以確保電荷泵輸出電壓穩定，并且在10-12V范圍內提高電荷泵輸出高壓的精確度。振蕩器
在MEMS麥克風偏置電路應用中，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的時鐘信號。振蕩器中的環形振蕩器提供頻率為500KHZ的方波信號，主從RS觸發器將此方波信號轉換成占空比為50%、頻率為250KHZ的兩相非重疊初始時
鐘信號ckl與Ζ 。這對初始時鐘信號將經過時鐘幅度加倍電路轉換成幅度為2VMf的時
鐘信號，以驅動電荷泵。Dickson 電荷泵
Dickson電荷泵原理如圖2所示，它是整個改進型電荷泵結構的兩個核心部分之一。由參考電壓源提供對電源電壓不敏感的I. IV參考電壓作為驅動，由時鐘幅度加倍電路提供頻率為250KHZ、幅度為2V,ef、占空比為50%的兩相非重疊信號作為時鐘。時鐘幅度加倍電路及時鐘幅度加倍技術
與傳統的Dickson電荷泵結構相比，改進型電荷泵結構最重要的改進是應用了時鐘幅度加倍技術，它通過如圖3所示的時鐘幅度加倍電路將振蕩器輸出的初始時鐘信號幅度調整為參考電壓幅值的2倍。兩相非重疊初始時鐘ckl與 是時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，時鐘幅度加倍電路的輸出是幅度為2VMf的兩相非重疊時鐘ck與cT。電路的具體工作原理如下當ckl = Vdd時，M2和M3導通，此時C1下級板電位為零，且Ck= O，進而Mtl導通，基準電壓源通過凡給(^上極板充電到VMf。當Ckl =O時，M1和M4導通，電容C1下級板的電位為VMf，由于電容兩端的電壓不會突變，因此C1的上極板電位為2VMf。由以上分析可以看出ckl與ck是反相的時鐘信號，并且ck的幅度為
2Vrefο同理
權利要求
1.一種基于MEMS麥克風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%的兩相非重疊時鐘。
2.根據權利要求I所述的基于MEMS麥克風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，] 1，]\14，]\15，]\16，]\18 ;NM0S管M2，M3，M7，M9,以及電容Cl和C2組成，兩相非重疊初始時鐘ckl與&是時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，時鐘幅度加倍電路的輸出是幅度為2VMf的兩相非重疊時鐘ck與。
全文摘要
本發明公開了一種基于MEMS麥克風偏置電路的電荷泵裝置。包括由振蕩器、參考電壓源、時鐘幅度加倍電路、Dickson電荷泵和低通濾波器等組成。振蕩器提供占空比為50%的兩相非重疊時鐘，它調節兩相非重疊時鐘信號幅度為參考電壓幅度的2倍。本發明增加了基準電壓和時鐘幅度定義電路，它能實現穩定高壓輸出，采用時鐘幅度加倍技術，二極管－電容升壓單元的級數減少了至少4級，電荷泵核心電路的面積至少縮小21%，功耗至少降低40%，轉換效率提高將近一倍。
文檔編號H02M3/07GK102790524SQ20121031647
公開日2012年11月21日 申請日期2012年8月31日 優先權日2012年8月31日
發明者張震, 戚湧 申請人:南京理工大學常熟研究院有限公司