根據正壓電荷泵的理論推導出負壓電荷泵的基本單元，得出了低電壓供電的2倍負壓泵和為提高其效率而采取的一些優化方法。最后在2倍負壓泵的基礎上給出一個1.5 V工作電壓高性能3倍負壓泵的設計實例。該3倍負壓泵的設計經流片證明是成功的，并且已經應用于量產產品中。
關 鍵 詞 電荷泵; 3倍負壓泵; 效率

1 電荷泵原理
電荷泵能夠產生高于電源電位或者低于地電位的直流電壓。電荷泵分為兩類：開關電容電荷泵和Dickson電荷泵[1~7]。因采用N襯底P阱工藝實現，故本文只討論負壓電荷泵。本節根據開關電容正壓電荷泵的理論得到相應的負壓電荷泵基本單元。本文所述的2倍和3倍電壓是將最高供電電壓作為參考電壓而言。
負壓泵核心電路如圖1所示[1]。P1, P2為PMOS管；C1, C2為電容；CLK1, CLK2為不重疊時鐘信號；VDD為供電電壓。C1和C2上極板交替產生負電壓。如果沒有產生穩定電壓的需要，該電路是比較理想的。因為P1和P2不存在像Dickson電荷泵中的閾值損耗問題；且襯底接VDD保證了P1和P2中PN結反相偏置。但我們需要產生的是穩定的負電壓，這就需要一組時序開關管把C1和C2上極板的負電壓交替輸出。設計一組高性能的開關管是整個電荷泵設計的關鍵。因為輸出負電壓，為了避免閾值損耗，開關管選用NMOS管。但隨著NMOS管的引入，問題也隨之而來：由于不能保證NMOS管P阱電位為最低電位，從而不能保證傳輸時NMOS管所有PN結都反相偏置。 圖1 負壓泵核心電路VDDVDDP1P2C1C2CLK1CLK2
一種解決方法可以根據參考文獻[2]提出的針對正壓泵的解決方法，本文得到相應的負壓泵的解決方法如圖2所示。Vin為供電電壓，Vout為負壓輸出。該方法通過使用兩個電荷泵解決了NMOS開關管N1中PN結正向偏壓問題，但NMOS開關管N2中PN結正向偏壓問題仍未解決。
另一種解決方法如圖3所示[2]，其通過NMOS管N3和N4選擇最低電位接入NMOS管N1和N2的襯底，這避免了N1和N2中PN結正向偏壓，但N3和N4中PN結正向偏壓問題仍未解決。
文獻[2, 3]中的方法都需要增加額外的電路，且無法完全避免PN結正向偏壓問題。本文從應用的角度出發，提出一種簡單實用的方法，最大限度減小NMOS開關管中PN結正向偏壓問題給負壓電荷泵正常工作帶來的影響。

2 2倍負壓泵的設計及優化
針對參考文獻[4]，將其中2倍正壓泵稍加改進得到的2倍負壓泵電路，如圖4所示。圖4中，PMOS管P1, P2和電容C1, C2構成一個電荷泵，作用是提供NMOS開關管N1和N2的開啟和截至動作的柵極電壓，所以C1和C2的值可以很小；PMOS管P3, P4和電容C3, C4構成另一個電荷泵。產生的負壓通過NMOS開關管N1, N2輸出，通過控制N1和N2開關動作順序就可以產生穩定的輸出負壓。電容Cout作用是平滑輸出電壓。下面就2倍負壓泵關鍵部分的設計和優化做詳細討論。
2.1 NMOS開關管
NMOS開關管的wafer剖面圖以及寄生電路圖如圖5所示[3]。要完全消除寄生晶體管M1、M2和M3，必須讓P阱B接最低電位。文獻[2, 3]為了消除寄生晶體管(即避免PN結正向偏壓)而提出了不同的解決方法，但是都沒有解決所有的開關管的寄生晶體管問題。

下面討論P阱B和漏極D相連的寄生電路情況，因為N襯底接最高電位，又由于漏極D和源極S分別接電容，所以NMOS開關管的寄生電路可以簡化為圖6所示。
觀察圖4和圖6，可以知道N1導通時，也是C3下極板放電且上極板產生負電壓的時候。如果這時N1中B點電位比S點電位高，寄生二極管D1導通，從而使C3的上極板產生不了理想的負壓，使電荷泵效率下降。要使C3的上極板產生較理想的負壓，就必須使C3下極板放電速度要遠遠大于N1中B點向S點放電的速度。實現這種功能，只要使驅動CLK的NMOS下拉管尺寸遠遠大于NMOS開關管尺寸就可以了。
2.2 時鐘信號
從圖4電荷泵的結構可知，不重疊的CLK1和CLK2對保證電荷泵正常工作是非常重要的，負壓電荷泵的不重疊時鐘信號可以由圖7所示的方法實現，CLK為電荷泵的工作時鐘。
由2.1節的分析可知，提高CLK1和CLK2的邊沿垂直度可以提高C3下極板放電速度。提高時鐘信號的邊沿垂直度在低電壓、集成電容非常小的設計中，對提高電荷泵工作性能是非常有利的。所以可以在圖7的基礎上增加一個施密特觸發器(圖中標識為SMIT)，如圖8所示。

2.3 電平轉換電路
圖4中，N1和N2 的柵極控制電壓邏輯擺幅是?1.5～0 V；N1和N2導通時其柵極電壓為0 V。如可以使N1和N2的柵極控制電壓邏輯擺幅為?1.5～1.5 V，即讓N1和N2導通時的柵極電壓為1.5 V，則可大大降低N1和N2的導通電阻，從而提高電荷泵的工作效率。負壓電荷泵的電平轉換電路[4]如圖9所示。圖中輸出電壓Vcon1用來控制圖4中N1的柵極，Vout為2倍負壓泵的輸出負壓。用CLK1作為電平轉換電路的輸入，這可以保證在C3上極板產生負壓時N1管才導通。控制N2的柵極的電平轉換電路和圖9基本一樣，只要把圖9中CLK1換成CLK2，N2的柵極控制電壓為Vcon2。