1 Principio di Funzionamento Funzionamento e Tensione dUscita a Regime Dimensionamento ed...

• Principio di Funzionamento

• Funzionamento e Tensione d’Uscita a Regime

• Dimensionamento ed Ottimizzazioni

• Calcolo delle Tensioni ai Capi degli Switches

• Le Principali Topologie

CHARGE PUMP

Principio di Funzionamento

0 V 0 V

Vdd2•Vdd

2•Vdd

0 VVdd 0 V2•VddVdd

0 V Vdd

Charge Pump ad 1 Stadio

VCkVCk

CHARGE PUMP

• Modellizzazione del Carico

Modellizzazione del Carico

CHARGE PUMP

• Charge Pump ad 1 Stadio con Carico Capacitivo

• Charge Pump ad N Stadi con Carico Capacitivo

• Charge Pump ad 1 Stadio con Carico in Corrente

• Charge Pump ad N Stadi con Carico in Corrente

RECIPIENTE CONDENSATORE

Acqua Carica

Livello Tensione

Diametro Capacità

d=+∞

Charge Pump ad 1 Stadio (Carico Capacitivo)

Equivalenti Idraulici di Condensatore e Generatore di Tensione

0 VVdd0V

VCk= 0V

0V∆Q

1° Periodo di Clock

(Fase di Carica )

0 VVddVdd

VCk= 0V

0 V∆Q

(Fase di Carica )

VCk= 0V

2•Vdd

VCk= 0V

VCk= Vdd

∆QVdd 0V

2•Vdd

(Fase di Scarica )

0VVdd 0V

VCk= Vdd

0 VVdd

(Fase di Scarica )

Vdd Vdd

VCk= Vdd 0V

0 VVdd0 V

VCk= 0V

Vdd Vdd

(Fase di Carica )

0 VVddVdd

VCk= 0V

Vdd Vdd

(Fase di Carica )

VCk= 0V

2•Vdd

VCk= 0V

VCk= Vdd

∆QVdd 1/2Vdd

3/2Vdd

(Fase di Scarica )

2•Vdd

Vdd+1/2Vdd=3/2Vdd

1/2VddVdd 1/2Vdd

VCk= Vdd

3/2Vdd

(Fase di Scarica )

Vdd+1/2Vdd=3/2Vdd

Vdd3/2Vdd

1/2Vdd

Vdd Vdd

VCk= Vdd 0V

3/2Vdd

Vdd+1/2Vdd=3/2Vdd

VCk= Vdd 0V

1/2VVdd1/2Vdd

VCk= 0V

Vdd Vdd

3/2Vdd

(Fase di Carica )

Vdd+1/2Vdd=3/2Vdd

1/2VVddVdd

VCk= 0V

Vdd Vdd

(Fase di Carica )

Vdd+1/2Vdd=3/2Vdd

3/2Vdd

VCk= 0V

Vdd Vdd

2•Vdd

Vdd+1/2Vdd=3/2Vdd

3/2Vdd

VCk= 0V

3/2Vdd

VCk= Vdd

∆QVdd 3/4Vdd

7/4Vdd

(Fase di Scarica )

2•Vdd

Vdd+1/2Vdd=3/2Vdd

3/2Vdd+1/4Vdd=7/4Vdd

3/4VddVdd 3/4Vdd

VCk= Vdd

7/4Vdd

2•Vdd

(Fase di Scarica )

Vdd+1/2Vdd=3/2Vdd

3/2Vdd7/4Vdd

VCk= Vdd

2•Vdd

Vdd Vdd

2•Vdd

A Regime

Vdd+1/2Vdd=3/2Vdd

2•Vdd

CHARGE PUMP

Charge Pump ad N Stadi (Carico Capacitivo)

VCk VCk VCk VCk

1° Stadio 2° Stadio 3° Stadio Stadio d’Uscita4° Stadio

Descrizione del Circuito

∆Q ∆Q ∆Q

VCk = 0V VCk = Vdd VCk = 0V VCk = Vdd

1° Semiperiodo Clock Basso

∆Q ∆Q ∆Q

VCk = 0V VCk = Vdd VCk = 0V VCk = VddVCk = Vdd VCk = 0V VCk = Vdd VCk = 0V

1° Semiperiodo Clock Basso 2° Semiperiodo Clock Alto

∆Q ∆Q

VCk = Vdd VCk = 0V VCk = Vdd VCk = 0V

2° Semiperiodo Clock Alto

∆Q ∆Q ∆Q

∆Q ∆Q

Principio di Funzionamento: Dettaglio sulla 3a Capacità

∆Q ∆Q ∆Q

∆Q ∆Q

Principio di Funzionamento: Propagazione della Carica

∆Q ∆Q ∆Q

∆Q ∆Q

∆Q ∆Q ∆Q

A regime VOut = Cost Nessuna carica viene ‘pompata’ verso COut ∆Q = 0

Calcolo della VOut a Regime

Calcolo della Tensione d’Uscita a Regime

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18

x 10-6

VCk VCk VCk VCk

∆Q=0 ∆Q ∆Q

∆Q=0 ∆Q

Vdd 2•Vdd

V1=2•Vdd

= 0V = 0V

∆Q=0 ∆Q=0

∆Q=0 ∆Q=0 ∆Q

∆Q=0 ∆Q=0

Vdd 2•Vdd

V2=3•Vdd

3•Vdd 4•Vdd

V3=4•Vdd

= 0V = 0V = 0V

∆Q=0 ∆Q=0 ∆Q=0

∆Q=0 ∆Q=0

Vdd 2•Vdd 3•Vdd 4•Vdd

V3=4•Vdd V4=5•Vdd

5•Vdd

A Regime: VOut = 2•Vdd (1 Stadio)

VOut = 5•Vdd (4 Stadi)VOut = (N+1)•Vdd

CHARGE PUMP

Charge Pump ad 1 Stadio (Carico in Corrente)

Principio di Funzionamento a Regime

∆Q=IOut•T ∆Q=IOut•T ∆Q=IOut•T

Charge Pump ad 1 Stadio (Carico in Corrente)

VddVddVdd-∆V

V2=2•Vdd

VOut=2•Vdd-∆V

QV Out

TIVV Out

V2=2•Vdd-∆V

TINVNV Out

CHARGE PUMP

• Riepilogo

Tensione d’Uscita a Regime di un Charge Pump

Tensione d’Uscita a Regime (Riepilogo)

TINVNV Out

CorrenteinCarico

TIVV Out

CapacitivoCarico

ddOut VNV 1

ddOut VV 2Stadio1

StadioN

TIVV Out

45ddOut VV 5Stadio4

CHARGE PUMP

Dimensionamento di un Charge Pump

CHARGE PUMP

• Charge Pump con Carico in Corrente

• Charge Pump con Carico Capacitivo

CHARGE PUMP

• Occupazione d’Area

• Efficienza

Occupazione d’Area

Occupazione d’Area di un Charge Pump con Carico in Corrente

CNCArea Tot

• Le Capacità di Pumping occupano la maggiorparte dell’Area riservata al Charge Pump

TINVNV Out

OutddOut

• Il valore delle Capacità di Pumping può essere ricavato dall’equazione di VOut

• Da cui:

NCNC Out

OutddTot

VCk VCk VCk VCk

Efficienza di un Charge Pump

Efficienza di un Charge Pump con Carico in Corrente

OutOut

• Efficienza di un Charge Pump

• La Tensione d’Alimentazione Vdd è fissata dalla tecnologia

• VOut e IOut sono invece fissati dalle richieste del carico

VCk VCk VCk VCk

• Infine il Consumo di Corrente Idd dipende dal Charge Pump e può essere calcolato

Consumo di Corrente

Consumo di Corrente di un Charge Pump con Carico in Corrente

∆Q ∆Q

∆QP ∆QP

ddddPP VCVCQ

1° Semiperiodo di Clock

TIQ Out

Consumo di Corrente

Condensatori Integrati e Capacità Parassite

Consumo di Corrente

∆Q ∆Q

∆QP ∆QP

ddddPP VCVCQ

TIQ Out

Consumo di Corrente

∆Q=IOut•T ∆Q=IOut•T

∆Q ∆Q∆QP ∆QP

ddddPP VCVCQ TIQ Out

Consumo di Corrente

∆Q=IOut•T ∆Q=IOut•T

∆Q∆Q

Periodo di Clock

∆Q=IOut•T ∆Q=IOut•T ∆Q=IOut•T ∆Q=IOut•T

∆Q ∆Q

∆QP ∆QP∆QP ∆QP

∆Q ∆Q

PTot QNQNQ 1 OutOutdd

dddd IVVN

PTot QQQ 45

Consumo di Corrente

ddddPP VCVCQ

TIQ Out

PTot QNQNQ 1

ddOutTot VCNTINQ 1

QI Tot

fVCNINI ddOutdd 1

NC Out

OutOutdd

dddd IVVN

Dimensionamento ed Ottimizzazione

Dimensionamento ed Ottimizzazione di un Charge Pump con Carico in Corrente

OutOutdd

dddd IVVN

NCNC Out

OutddTot

Parametro

Vdd Dipende dalla tecnologia utilizzata

Idd Non è noto a priori

VOut Dipende dal carico

IOut Dipende dal carico

f=1/T Dipende dalla tecnologia utilizzata

CTot Non è noto a priori

N Non è noto a priori

α=CP/C Dipende dalla tecnologia utilizzata

OutOtt V

CHARGE PUMP

• Charge Pump con Carico Capacitivo

Dimensionamento ed Ottimizzazione

Dimensionamento ed Ottimizzazione di un Charge Pump con Carico Capacitivo

rOutdd

rOutTot

1ln11 2

rOutdd

TotOut

r tVVN

Parametro

Vdd Dipende dalla tecnologia utilizzata

QTot Non è noto a priori

VOut(tr) Dipende dal carico

tr Dipende dal carico

f=1/T Dipende dalla tecnologia utilizzata

CTot Non è noto a priori

N Non è noto a priori

α=CP/C Dipende dalla tecnologia utilizzata

rOutOtt V

CHARGE PUMP

Tensioni ai Nodi

Calcolo delle Tensioni ai nodi

Istante Fi Tensione sul Nodo ‘i’

Inizio Ripartizione Vdd (i+1)•Vdd + (-i+1)•ΔV

Fine Ripartizione Vdd (i+1)•Vdd - i•ΔV

Inizio Semiperiodo Successivo

0 V i•Vdd - i•ΔV

Fine Semiperiodo Successivo

0 V i•Vdd + (-i+1)•ΔV

Tensioni ai Capi degli Switches

Calcolo delle Tensioni ai capi degli Switches

Istante Tensione ai Capi degli Switches

Inizio Ripartizione

Fine Ripartizione

Inizio Ripartizione

Fine Ripartizione

∆Q∆Q

Inizio Ripartizione

Fine Ripartizione

∆Q∆Q

VS = 0 V

Inizio Ripartizione

Fine Ripartizione

Inizio Ripartizione

Fine Ripartizione 0 V

VS = 0 VVS = -2Vdd

Inizio Ripartizione

∆Q∆Q

VS = -2Vdd

Inizio Ripartizione

∆Q∆Q

VS = -2VddVS = -2Vdd + 2∆V

Inizio Ripartizione

-2Vdd + 2∆V

Inizio Ripartizione 2∆V

-2Vdd + 2∆V

VS = 2∆V

CHARGE PUMP

• Le Principali Topologie• Dickson Charge Pump

• Bootstrap Charge Pump

• Altre Topologie

Dickson Charge Pump

-2Vdd + 2∆V

Dickson Charge Pump

-2Vdd + 2∆V

∆Q∆Q

VS = -2Vdd

Dickson Charge Pump

-2Vdd + 2∆V

∆Q∆Q

VS = -2VddVS = -2Vdd + 2∆VVS = 2∆V

VS = 0 V

Dickson Charge Pump

-2Vdd + 2∆V

VS = 2∆V

VS = 0 VVS = -2Vdd

Dickson Charge Pump

-2Vdd + 2∆V

Dickson Charge Pump

• Caso Ideale (Vγ = 0):

TINVNV Out

• Caso Reale (Vγ ≈ 0.7 V):

TINVVNV Out

CHARGE PUMP

• Dickson Charge Pump

• Altre Topologie

Bootstrap Charge Pump

-2Vdd + 2∆V

VS = -2VddVS

-2Vdd + 2∆V

VS = -2Vdd

-2Vdd + 2∆V

0 V0 V Vdd

VS = ∆V

-2Vdd + 2∆V

VS = -2VddVS

-2Vdd + 2∆V

0 V≥ 2Vdd

ddGS VVVBMB

-2Vdd + 2∆V

0 V0 V Vdd

VS = -2VddVS = 2 ∆V

VVVMBGS 232

CHARGE PUMP

• Dickson Charge Pump

• Altre Topologie

Charge Pump Doppio

Charge Pump Riconfigurabile

Latch Charge Pump

Charge Pump Serie-Parallelo

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