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研究生: 李育禎
Lee, Yu-Chen
論文名稱: 具自動控制工作週期的迪克森電荷泵
A Dickson Charge Pump with Automatic Duty Cycle Control
指導教授: 徐永珍
Hsu, Yung-Jane
口試委員: 郭明清
Kuo, Ming-Ching
賴宇紳
Lai, Yu-Shen
學位類別: 碩士
Master
系所名稱: 電機資訊學院 - 電子工程研究所
Institute of Electronics Engineering
論文出版年: 2012
畢業學年度: 100
語文別: 中文
論文頁數: 89
中文關鍵詞: 電荷泵迪克森電荷泵
外文關鍵詞: Charge Pump, Dickson Charge Pump
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  • 本論文提出準確的迪克森電荷泵(Dickson Charge Pump)動態分析,了解迪克森電荷泵在不同工作週期(Duty Cycle)下對其輸出電壓以及漣波影響,並在電路設計上實現一個具自動控制工作週期的迪克森電荷泵,使輸出電壓值為最大以及達到漣波減小之效果。本設計相較於工作週期固定為50%的迪克森電荷泵,有更佳的輸出電壓。
    為使本研究晶片可廣泛使用,電路設計中包含可外調式電阻來控制驅動頻率,達到在輸入電壓1.8V、負載電容20pF及負載電流範圍為0A~50μA的條件下,輸出電壓為5V之規格。
    本論文之電路設計以TSMC 0.18μm CMOS製程實現,晶片總面積為1020×915μm2,量測結果使迪克森電荷泵達到最大輸出電壓以及減小漣波。


    This thesis presents an accurate dynamic analysis of Dickson Charge Pump that helps to realize how duty cycle affects the values of output voltage and voltage ripple. A Dickson Charge Pump with an automatic duty cycle control is also proposed. The designed circuit not only reaches the maximum output voltage under specific clock frequency but also decreases ripple by tuning the duty cycle. Therefore, its output voltage is more optimized than that of the conventional Dickson Charge Pump with 50% duty cycle.
    In order to meet a wide range of application conditions, an external variable resistor is used to grossly adjust the clock frequency before the tuning of duty cycle sets in. For the circuit demonstrated in this thesis, the input voltage is 1.8V and an output voltage of 5V is obtained when the loading capacitance is 20pF and the loading current ranges from 0A to 50μA
    The designed Dickson Charge Pump circuit was implemented in TSMC 0.18μm CMOS process, and its size is 1020×915μm2. The result of measurement shows that the dynamic control of duty cycle makes the circuit reach a maximum output voltage and the voltage ripple is smaller than that of-the fixed 50% duty cycle case.

    摘要 I Abstract II 致謝 III 目錄 IV 圖目錄 VII 表目錄 XII 第一章 緒論 1 1.1 前言 1 1.2 研究背景與動機 1 1.3 論文概述 2 第二章 充電式電荷泵原理與架構 3 2.1 簡介 3 2.2 電荷泵基本原理 3 2.3 Cockcroft-Walton 電荷泵 5 2.4 迪克森電荷泵 6 第三章 迪克森電荷泵動態分析 9 3.1 分析方法 9 3.1.1 微分方程式(Differential Equation) 9 3.1.2 時間離散法(Discrete-time Method) 11 3.2 迪克森電荷泵動態分析結果 16 第四章 電路設計與模擬 22 4.1 系統架構 22 4.2 系統操作原理 23 4.3 系統設計重點 25 4.4 子電路設計與模擬 28 4.4.1 迪克森電荷泵(Dickson Charge Pump) 28 4.4.2 直流或回授模式控制(Mode Control- DC/Feedback) 29 4.4.2 脈衝寬度調變控制(Pulse Width Modulation Control) 31 4.4.3 峰值取樣與放大(Peak Voltage Sample & Amplify) 36 4.5 電壓取樣與比較(Voltage Sample & Compare) 40 4.5.1 取樣用時脈訊號產生器 42 4.5.2 比較器(Comparator) 44 4.5.3 固定轉導偏壓(Constant-Gm Biasing) 46 4.5.4 帶差參考電路(Bandgap Reference) 48 第五章 迪克森電荷泵系統模擬結果 51 5.1 輕載模擬結果(I_L=0μA, C_L=20pF) 52 5.1.1 製程TT Corner模擬結果 52 5.1.2 製程FF Corner模擬結果 53 5.1.3 製程SS Corner模擬結果 54 5.1.4 供應電壓V_DD=1.98V模擬結果 55 5.1.5 供應電壓V_DD=1.62V模擬結果 56 5.1.6 高溫Temp=80度模擬結果 57 5.1.7 低溫Temp= -25度模擬結果 58 5.2 重載模擬結果(I_L=50μA, C_L=20pF) 59 5.2.1 製程TT Corner模擬結果 59 5.2.2 製程FF Corner模擬結果 60 5.2.3 製程SS Corner模擬結果 61 5.2.4 供應電壓V_DD=1.98V模擬結果 62 5.2.5 供應電壓V_DD=1.62V模擬結果 63 5.2.6 高溫Temp=80度模擬結果 64 5.2.7 低溫Temp= -25度模擬結果 65 5.3 模擬結果總整理與分析 66 第六章 晶片佈局與量測結果 74 6.1 晶片佈局考量 74 6.2量測設備 77 6.3量測環境架設 78 6.4 量測結果與討論 80 6.4.1 外部直流模式量測 80 6.4.2 回授模式量測 83 第七章 結論與後續建議 88 7.1 結論 88 7.2 後續研究改進之建議 88 參考文獻 89

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