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1、(10)申请公布号 CN 102790524 A (43)申请公布日 2012.11.21 C N 1 0 2 7 9 0 5 2 4 A *CN102790524A* (21)申请号 201210316477.1 (22)申请日 2012.08.31 H02M 3/07(2006.01) (71)申请人南京理工大学常熟研究院有限公司 地址 215513 江苏省苏州市常熟市经济技术 开发区科创园研究院路5号 (72)发明人张震 戚湧 (54) 发明名称 基于MEMS麦克风偏置电路的电荷泵装置 (57) 摘要 本发明公开了一种基于MEMS麦克风偏置电 路的电荷泵装置。包括由振荡器、参考电压源、时。
2、 钟幅度加倍电路、Dickson电荷泵和低通滤波器 等组成。振荡器提供占空比为50%的两相非重叠 时钟，它调节两相非重叠时钟信号幅度为参考电 压幅度的2倍。本发明增加了基准电压和时钟 幅度定义电路，它能实现稳定高压输出，采用时钟 幅度加倍技术，二极管电容升压单元的级数减 少了至少4级，电荷泵核心电路的面积至少缩小 21%，功耗至少降低40%，转换效率提高将近一倍。 (51)Int.Cl. 权利要求书1页 说明书4页 附图1页 (19)中华人民共和国国家知识产权局 (12)发明专利申请 权利要求书 1 页 说明书 4 页 附图 1 页 1/1页 2 1.一种基于MEMS麦克风偏置电路的电荷泵装置。
3、，其特征在于包括如下部分：由振荡 器、参考电压源、时钟幅度加倍电路、Dickson电荷泵和低通滤波器等组成，振荡器提供占空 比为50%的两相非重叠时钟。 2.根据权利要求1所述的基于MEMS麦克风偏置电路的电荷泵装置，特征在于：电荷泵 装置主要由PMOS管M0，M1，M4，M5，M6，M8；NMOS管M2，M3，M7，M9,以及电容C1和C2组成， 两相非重叠初始时钟ck1与 是时钟幅度加倍电路的输入部分, V ref 是参考电压源提供的参考电压，时钟幅度加倍电路 的输出是幅度为2V ref 的两相非重叠时钟ck与。 权 利 要 求 书CN 102790524 A 1/4页 3 基于 MEMS。
4、 麦克风偏置电路的电荷泵装置 技术领域 0001 本发明涉及集成电路技术，特别涉及麦克风偏置电路的电荷泵设计。 背景技术 0002 自1976年 J.F.Dickson 最早提出在芯片中集成电荷泵电路结构以来，Dickson 电荷泵逐渐成为DRAM、EEPROM和快闪存储设备中最为常用的DC-DC升压电路。由于电荷泵 中的MOS管阈值电压损失，Dickson电荷泵往往无法在低电源电压下达到理想的高输出电 压，电路开销极大，而且转换效率低下。针对这些问题，国内外提出了很多解决办法，如静态 电荷转移开关技术、PMOS替代NMOS开关以补偿体效应的技术等。在MEMS麦克风提供偏置 的电荷泵设计中，涉。
5、及到一些重要因素： (1)低功耗，MEMS麦克风应用于MP3/MP4、PDA、电话、助听器等消费类电子设备，尤其是 手持设备中，对功耗的要求很高，应尽可能提高转换效率； (2)电压增益，手持设备往往使用电池供电，因此在正常使用过程中，电源电压可能低 至1.3-1.5V，要得到介于10-12V之间的稳定输出电压作为麦克风的偏置，需要考虑使用稳 定的参考电压作为驱动以及电压增益等问题； (3)面积，手持设备的体积要求一般比较严格，希望电荷泵占用芯片面积最小化； (4)输出电压纹波，作为MEMS麦克风的偏置，减小电荷泵输出电压纹波可以减小对话 音质量的影响。 发明内容 0003 本发明所要解决的技术。
6、问题： 为了尽量削弱阈值电压的影响、提高电压增益，本发明在传统Dickson电荷泵结构的 基础上，从提高电荷泵时钟信号幅度的角度出发，提出一种适应低电压低功耗应用需要、高 电压增益的改进型电荷泵结构。 0004 本发明所采用的技术方案： 如图1所示。与传统的Dickson电荷泵结构相比，它增加了时钟幅度加倍电路， 由振荡器、参考电压源、时钟幅度加倍电路、Dickson电荷泵和低通滤波器等组成。其 中，振荡器提供占空比为50%的两相非重叠时钟；时钟幅度加倍电路是改进型电荷泵 结构的两个核心部分之一，它调节两相非重叠时钟信号幅度为参考电压幅度的2倍； 参考电压源可以在电源电压变化的情况下给时钟幅度。
7、加倍电路和Dickson电荷泵提 供稳定的参考电压作为驱动；Dickson电荷泵是另一个核心部分；低通滤波器滤消除 输出电压的高频分量。本发明具体电路实现包括由PMOS管M0，M1，M4，M5，M6，M8； NMOS管M2，M3，M7，M9,以及电容C1和C2组成。其中所述两相非重叠初始时钟ck1与 是时钟幅度加倍电路的输入部分, V ref 是参考电压源提供的参考电压，时钟幅度加倍 电路的输出是幅度为2V ref 的两相非重叠时钟ck与。该发明电路的具体工作原理如下： 说 明 书CN 102790524 A 2/4页 4 当ck1V DD 时，N型MOS管M 2 和M 3 导通，此时电容C 。
8、1 下级板电位为零，且ck0，进而P 型MOS管M 0 导通，基准电压源通过P型MOS管M 0 给电容C 1 上极板充电到V ref 。当ck10 时，P型MOS管M 1 和M 4 导通，电容C 1 下级板的电位为V ref ，由于电容两端的电压不会突变， 因此电容C 1 的上极板电位为2V ref 。由以上分析可以看出：ck1与ck是反相的时钟信号，并 且ck的幅度为2V ref 。同理，与是反相的时钟信号，并且幅度也为2V ref 。 0005 本发明与现有技术相比，其显著优点是：在输出电压满足MEMS麦克风偏置要求的 情况下，与传统Dickson电荷泵结构相比，改进型电荷泵结构基于SMI。
9、C 0.35um高压双阱 CMOS工艺，采用时钟幅度加倍技术，二极管电容升压单元的级数减少了至少4级，电荷泵 核心电路的面积至少缩小21%，功耗至少降低40%，转换效率提高将近一倍。在相同级数下， 改进型电荷泵结构的输出电压明显高于传统Dickson电荷泵结构，电压增益显著提高，完 全满足MEMS麦克风偏置电路的需要以及消费类电子产品低功耗、小体积的应用需求。 附图说明 0006 图1 改进型Dickson电荷泵结构 图2 Dickson电荷泵原理 图3 时钟幅度加倍电路 具体实施方式 0007 参考电压源 在MEMS麦克风的应用中，允许电源电压低至1.3V-1.5V。在这个电压摆幅范围内，利。
10、用 参考电压源，可以提供对电源电压不敏感的1.1V参考电压，以确保电荷泵输出电压稳定， 并且在10-12V范围内提高电荷泵输出高压的精确度。 0008 振荡器 在MEMS麦克风偏置电路应用中，基于减小电磁干扰和提高电源效率的考虑，选定振荡 器输出频率为250KHZ的时钟信号。振荡器中的环形振荡器提供频率为500KHZ的方波信 号，主从RS触发器将此方波信号转换成占空比为50%、频率为250KHZ的两相非重叠初始时 钟信号ck1与。这对初始时钟信号将经过时钟幅度加倍电路转换成幅度为2V ref 的时 钟信号，以驱动电荷泵。 0009 Dickson电荷泵 Dickson电荷泵原理如图2所示，它是。
11、整个改进型电荷泵结构的两个核心部分之一。由 参考电压源提供对电源电压不敏感的1.1V参考电压作为驱动，由时钟幅度加倍电路提供 频率为250KHZ、幅度为2V ref 、占空比为50%的两相非重叠信号作为时钟。 0010 时钟幅度加倍电路及时钟幅度加倍技术 与传统的Dickson电荷泵结构相比，改进型电荷泵结构最重要的改进是应用了时钟幅 度加倍技术，它通过如图3所示的时钟幅度加倍电路将振荡器输出的初始时钟信号幅度调 整为参考电压幅值的2倍。两相非重叠初始时钟ck1与是时钟幅度加倍电路的输入部 分, V ref 是参考电压源提供的参考电压，时钟幅度加倍电路的输出是幅度为2V ref 的两相非 重叠。
12、时钟ck与。电路的具体工作原理如下：当ck1V DD 时，M 2 和M 3 导通，此时C 1 下级 说 明 书CN 102790524 A 3/4页 5 板电位为零，且ck0，进而M 0 导通，基准电压源通过M 0 给C 1 上极板充电到V ref 。当ck1 0时，M 1 和M 4 导通，电容C 1 下级板的电位为V ref ，由于电容两端的电压不会突变，因此C 1 的 上极板电位为2V ref 。由以上分析可以看出：ck1与ck是反相的时钟信号，并且ck的幅度为 2V ref 。同理，与是反相的时钟信号，并且幅度也为2V ref 。 0011 应用时钟幅度加倍技术的改进型电荷泵结构的输出电。
13、压为： （1） 由(1)式可以看出，应用时钟幅度加倍技术后，只要，改进型电荷泵 结构的电压增益就大于传统的Dickson升压电路。改进型电荷泵结构转换效率的近似表达 式为： （2） 由传统Dickson电荷泵结构的转换效率的近似表达式： 说 明 书CN 102790524 A 4/4页 6 （3） 比较(2)式与(3)式可以发现，在其余各项一样的情况下，(2)式第二项大于(3)式第 二项，因此改进型电荷泵结构的转换效率比传统Dickson电荷泵结构更高。 0012 低通滤波器 低通滤波器用来滤除电荷泵电路输出电压的高频分量，减小输出电压纹波，将输出电 压稳定在MEMS麦克风正常工作所要求的范围内。 说 明 书CN 102790524 A 1/1页 7 图1 图2 图3 说 明 书 附 图CN 102790524 A 。