[發明專利]一種CMOS片上直流負電壓產生電路

有效

• 申請號: 201510011967.4
• 申請日: 2015-01-09
• 公開（公告）號: CN104714589B
• 公開（公告）日: 2017-08-25
• 發明（設計）人: 胡蓉彬;王永祿;胡剛毅;陳光炳;王育新;付東兵;張正平;朱璨
• 申請（專利權）人: 中國電子科技集團公司第二十四研究所
• 主分類號: H02M3/07
• 分類號: H02M3/07
• 代理公司: 北京一格知識產權代理事務所(普通合伙)11316
• 代理人: 劉佳

技術領域

本發明屬于模擬/混合信號集成電路領域，具體涉及一種CMOS片上直流負電壓產生電路。

背景技術

當今集成電路制造工藝—互補金屬氧化物半導體(Complementary Metal Oxide Semiconductor，簡稱CMOS)工藝，其襯底為P型半導體。為了實現器件間的有效隔離，CMOS集成電路芯片襯底接最低電位—地電位，采用正電源電壓供電。

隨著CMOS工藝特征尺寸向著深亞微米(90nm以下)方面發展，芯片供電電壓越來越低，甚至低于1V。在如此低的電源電壓下，傳統的模擬電路結構(如運放、電流源等)將不能正常工作。因此，為了使傳統的模擬電路結構在深亞微米CMOS芯片極低電源電壓下也能正常工作，必須在芯片內部對電源電壓進行擴展，產生高于電源電壓或者低于地電位的電壓—負電壓。

圖1為現有技術中用于CMOS芯片內部擴展電源電壓的電路，該電路由一對交叉耦合的NMOS晶體管N1和N2、一對電容C1和C2、一對用于產生反相時鐘的反相器INV1和INV2構成。其中晶體管N1的柵極連接晶體管N2的源極，晶體管N2的柵極連接晶體管N1的源極，晶體管N1和N2的漏極均連接至正電源電壓VCC，晶體管N1和N2的襯底端接地；電容C1的上極板連接晶體管N1的源極，電容C2的上極板連接晶體管N2的源極，電容C1的下極板連接反相器INV1的輸出端，電容C2的下極板連接反相器INV2的輸出端；反相器INV1的輸出端連接反相器INV2的輸入端，輸入時鐘CLK經過反相器INV1和INV2后，在反相器INV1和INV2的輸出端產生一對反相的時鐘。反相器INV1和INV2的供電電壓也為VCC，所以反相器INV1和INV2輸出的反相時鐘高電平為VCC，低電平為地電位。

圖1所示電路在輸入時鐘信號CLK驅動下工作。在不損失一般性的前提下，假設在初始態，電容C1和C2的上極板處于正電源電壓電位VCC。當輸入時鐘CLK由高電平變為低電平時，反相器INV1的輸出由低電平變為高電平，由于電容器的電荷保持功能，電容C1上極板將被泵到2倍于正電源電壓的電位；與此同時，反相器INV2的輸出由高電平變為低電平，電容C2的上極板被拉到地電位。此時，由于NMOS晶體管N1的柵電位低于其源漏電位，將處于截止態；這樣，電容C1的上極板將保持在2倍于正電源電壓電位，直到下一次時鐘變換來臨。同時，NMOS晶體管N2的柵電位高于其源漏電位，并達到了NMOS晶體管的閾值電壓，晶體管N2將導通，并對電容C2充電，直到電容C2的上極板電位達到正電源電壓VCC。

經過半個時鐘周期后，外部輸入時鐘信號CLK發生翻轉，由低電平變為高電平，反相器INV1的輸出由高電平變為低電平，電容C1上極板電位重新被拉回正電源電壓VCC；與此同時，反相器INV2的輸出由低電平變為高電平，電容C2的上極板電位被泵到2倍于正電源電壓電位。此時，由于NMOS晶體管N2的柵電位低于其源漏電位，將處于截止態；這樣，電容C2的上極板將保持在2倍于正電源電壓電位，直到下一次時鐘變換來臨。同時，NMOS晶體管N1的柵電位高于其源漏電位，并達到了NMOS晶體管的閾值電壓，晶體管N1將導通，并對電容C1充電，補充在工作過程中損失的電荷，使電容C1的上極板電位總是達到正電源電壓VCC。這樣，在時鐘CLK的驅動下，NMOS晶體管N1和N2的源極電位交替地被泵到2倍于正電源電壓的電位。

本發明的發明人經過研究發現，圖1所示的電路雖然能實現芯片內部電壓范圍的擴展，但是它只能產生高于電源電壓的正電壓，并且只能產生脈沖電壓；而模擬電路單元通常需要直流電壓，且在某些情況下需要直流負電壓，可是現有電路卻不能提供。

發明內容

針對現有技術存在的技術問題，本發明提供一種CMOS片上直流負電壓產生電路，該電路能夠解決現有CMOS模擬/混合集成電路內部不能提供直流負電壓的問題。

為了實現上述目的，本發明采用如下技術方案：

一種CMOS片上直流負電壓產生電路，包括充電單元、時鐘單元、電荷泵單元、輸出單元和電荷存儲單元；其中，

所述充電單元，用于向所述電荷泵單元充電；

所述時鐘單元，用于向所述電荷泵單元提供所需時鐘信號；

所述電荷泵單元，用于產生幅度大小等于正電源電壓的負脈沖電壓；

所述輸出單元，用于把所述電荷泵單元產生的負脈沖電壓轉換成直流負電壓，該直流負電壓的大小等于正電源電壓；