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

11

• 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

2

Vdd

Principio di Funzionamento

Vdd

∆Q

0 V 0 V

3


Vdd

Vdd2•Vdd

4

Vdd2•Vdd


Vdd2•Vdd

0 V

5

∆Q


2•Vdd

0 VVdd 0 V2•VddVdd

0 V Vdd

6


Charge Pump ad 1 Stadio

VCkVCk

77

CHARGE PUMP






88

CHARGE PUMP



• Modellizzazione del Carico

9

Modellizzazione del Carico

Modellizzazione del Carico

1010

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

11

C

d

h VC

RECIPIENTE CONDENSATORE

Acqua Carica

Livello Tensione

Diametro Capacità

h

d=+∞

VC

Charge Pump ad 1 Stadio (Carico Capacitivo)

Equivalenti Idraulici di Condensatore e Generatore di Tensione

12

0 VVdd0V

VCk= 0V

0V∆Q


Vdd

1° Periodo di Clock

(Fase di Carica )


dfffffffffffffffffffffffffffff

1° PumpingLa Capacità viene connessa a Vdd e si carica

13

0 VVddVdd

VCk= 0V

0 V∆Q


Vdd


(Fase di Carica )


1° PumpingLa capacità viene disconnessa da Vdd

14

Vdd

VCk= 0V

0 V


Vdd

Vdd

2•Vdd



1° PumpingLa capacità viene portata su

15

Vdd

VCk= 0V

0 V


Vdd

Vdd

VCk= Vdd

∆QVdd 0V

Vdd

Vdd

2•Vdd


(Fase di Scarica )


1° PumpingLa capacità viene connessa all'uscita dove si scarica

16

0VVdd 0V

VCk= Vdd

Vdd


Vdd

∆Q

Vdd

0 VVdd


(Fase di Scarica )


1° PumpingLa capacità viene disconnessa dall'uscita

17

0V


Vdd Vdd

VCk= Vdd 0V

Vdd



1° PumpingLa capacità viene portata giù

18

VCk= Vdd 0V

0 VVdd0 V

VCk= 0V

∆Q


Vdd Vdd

Vdd


(Fase di Carica )


2° PumpingLa capacità viene connessa a Vdd e si carica

19

0 VVddVdd

VCk= 0V

∆Q


Vdd Vdd

Vdd


(Fase di Carica )



20

Vdd

VCk= 0V


Vdd

Vdd

Vdd

Vdd

2•Vdd




21

VCk= 0V

Vdd


Vdd

Vdd

VCk= Vdd

∆QVdd 1/2Vdd

Vdd

3/2Vdd


(Fase di Scarica )

2•Vdd

Vdd+1/2Vdd=3/2Vdd

Vdd



22

1/2VddVdd 1/2Vdd

VCk= Vdd

3/2Vdd


Vdd

∆Q

Vdd


(Fase di Scarica )

Vdd+1/2Vdd=3/2Vdd

Vdd3/2Vdd



23

1/2Vdd


Vdd Vdd

VCk= Vdd 0V

3/2Vdd


Vdd+1/2Vdd=3/2Vdd


2° PumpingLa capacità viene portata giù

24

VCk= Vdd 0V

1/2VVdd1/2Vdd

VCk= 0V

∆Q


Vdd Vdd

3/2Vdd


(Fase di Carica )

Vdd+1/2Vdd=3/2Vdd


3° PumpingLa capacità viene connessa a Vdd e si carica

25

1/2VVddVdd

VCk= 0V

∆Q


Vdd Vdd


(Fase di Carica )

Vdd+1/2Vdd=3/2Vdd

3/2Vdd



26

Vdd

VCk= 0V


Vdd

Vdd Vdd

2•Vdd


Vdd+1/2Vdd=3/2Vdd

3/2Vdd



27

VCk= 0V

3/2Vdd


Vdd

Vdd

VCk= Vdd

∆QVdd 3/4Vdd

Vdd

7/4Vdd


(Fase di Scarica )

2•Vdd

Vdd+1/2Vdd=3/2Vdd

Vdd

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



28

3/4VddVdd 3/4Vdd

VCk= Vdd

7/4Vdd


Vdd

∆Q

Vdd

2•Vdd


(Fase di Scarica )

Vdd+1/2Vdd=3/2Vdd


3/2Vdd7/4Vdd



29

Vdd

VCk= Vdd

2•Vdd


Vdd Vdd

2•Vdd

A Regime

Vdd+1/2Vdd=3/2Vdd


2•Vdd


Charge Pump a Regime

3030

CHARGE PUMP








31

Charge Pump ad N Stadi (Carico Capacitivo)

VCk VCk VCk VCk

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

Descrizione del Circuito

32

∆Q ∆Q ∆Q


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

1° Semiperiodo Clock Basso


33

∆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

34

∆Q ∆Q


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


2° Semiperiodo Clock Alto

35


∆Q ∆Q ∆Q



∆Q ∆Q


Principio di Funzionamento: Dettaglio sulla 3a Capacità

36

∆Q ∆Q ∆Q


∆Q ∆Q




Principio di Funzionamento: Propagazione della Carica

37

∆Q ∆Q ∆Q


∆Q ∆Q


∆Q ∆Q





38

∆Q ∆Q


∆Q ∆Q ∆Q





39


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

0

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

VOut

t

VCk VCk VCk VCk

40

∆Q=0 ∆Q ∆Q




∆Q=0 ∆Q


Vdd 2•Vdd

V1=2•Vdd


= 0V = 0V

41



∆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

42

∆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


4343

CHARGE PUMP








44

Charge Pump ad 1 Stadio (Carico in Corrente)

Principio di Funzionamento a Regime

∆Q=IOut•T ∆Q=IOut•T ∆Q=IOut•T

45

Charge Pump ad 1 Stadio (Carico in Corrente)



VddVddVdd-∆V

V2=2•Vdd

VOut=2•Vdd-∆V

C

TI

C

QV Out

C

TIVV Out

ddOut

2

V2=2•Vdd-∆V

C

TINVNV Out

ddOut

1

4646

CHARGE PUMP








• Riepilogo

47

Tensione d’Uscita a Regime di un Charge Pump

Tensione d’Uscita a Regime (Riepilogo)

C

TINVNV Out

ddOut

1

CorrenteinCarico

C

TIVV Out

ddOut

2

CapacitivoCarico

ddOut VNV 1

ddOut VV 2Stadio1

StadioN

C

TIVV Out

ddOut

45ddOut VV 5Stadio4

4848

CHARGE PUMP






49

Dimensionamento di un Charge Pump

Dimensionamento di un Charge Pump

5050

CHARGE PUMP




• Charge Pump con Carico in Corrente

• Charge Pump con Carico Capacitivo

5151

CHARGE PUMP





• Occupazione d’Area

• Efficienza


52

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

TIVVN

NC

C

TINVNV Out

Outdd

OutddOut

11

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

• Da cui:

TIVVN

NCNC Out

OutddTot

1

2

VCk VCk VCk VCk

53

Efficienza di un Charge Pump

Efficienza di un Charge Pump con Carico in Corrente

dddd

OutOut

In

Out

IV

IV

P

P

• 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

54

Consumo di Corrente

Consumo di Corrente di un Charge Pump con Carico in Corrente


∆Q ∆Q

∆Q

∆QP ∆QP

ddddPP VCVCQ

1° Semiperiodo di Clock

TIQ Out

55

Consumo di Corrente

Condensatori Integrati e Capacità Parassite

56

Consumo di Corrente



∆Q ∆Q

∆Q

∆QP ∆QP

ddddPP VCVCQ


TIQ Out

57

Consumo di Corrente


∆Q=IOut•T ∆Q=IOut•T

∆Q ∆Q∆QP ∆QP


ddddPP VCVCQ TIQ Out

58

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

NVNI

1

12

PTot QQQ 45

59

Consumo di Corrente


ddddPP VCVCQ

TIQ Out

PTot QNQNQ 1

ddOutTot VCNTINQ 1

fQT

QI Tot

Totdd

fVCNINI ddOutdd 1

TIVVN

NC Out

Outdd

1

OutOutdd

dddd IVVN

NVNI

1

12

60

Dimensionamento ed Ottimizzazione

Dimensionamento ed Ottimizzazione di un Charge Pump con Carico in Corrente

OutOutdd

dddd IVVN

NVNI

1

12

TIVVN

NCNC Out

OutddTot

1

2

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

11

1dd

OutOtt V

VN

12

dd

OutOtt V

VN

6161

CHARGE PUMP





• Charge Pump con Carico Capacitivo

62

Dimensionamento ed Ottimizzazione

Dimensionamento ed Ottimizzazione di un Charge Pump con Carico Capacitivo

dd

rOutdd

rOutTot

V

tVN

NN

V

tVNQ

1ln11 2

rOutdd

dd

Tot

TotOut

r tVVN

VNT

C

CCNt

1ln3

12

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

131

41

dd

rOutOtt V

tVN

1

3

4

dd

rOutOtt V

tVN

6363

CHARGE PUMP






64

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

65

Tensioni ai Capi degli Switches

Calcolo delle Tensioni ai capi degli Switches

Istante Tensione ai Capi degli Switches

Inizio Ripartizione

Fine Ripartizione



66




Inizio Ripartizione

Fine Ripartizione



∆Q∆Q

67




Inizio Ripartizione

Fine Ripartizione



∆Q∆Q

68

VS = 0 V




Inizio Ripartizione

Fine Ripartizione



∆Q


Inizio Ripartizione

Fine Ripartizione 0 V



69

VS = 0 VVS = -2Vdd




Inizio Ripartizione



-2Vdd



Inizio Ripartizione




70




Inizio Ripartizione



-2Vdd


∆Q∆Q

VS = -2Vdd

71




Inizio Ripartizione



-2Vdd


∆Q∆Q

VS = -2VddVS = -2Vdd + 2∆V


Inizio Ripartizione



-2Vdd


-2Vdd + 2∆V


Inizio Ripartizione 2∆V



-2Vdd


-2Vdd + 2∆V

VS = 2∆V

7272

CHARGE PUMP





• Le Principali Topologie• Dickson Charge Pump

• Bootstrap Charge Pump

• Altre Topologie

73

Dickson Charge Pump

Dickson Charge Pump

74

Dickson Charge Pump

Dickson Charge Pump





-2Vdd


-2Vdd + 2∆V

VS

75

Dickson Charge Pump

Dickson Charge Pump





-2Vdd


-2Vdd + 2∆V

∆Q∆Q

VS = -2Vdd

76

Dickson Charge Pump

Dickson Charge Pump





-2Vdd


-2Vdd + 2∆V

∆Q∆Q

VS = -2VddVS = -2Vdd + 2∆VVS = 2∆V

77

VS = 0 V

Dickson Charge Pump

Dickson Charge Pump

∆Q





-2Vdd


-2Vdd + 2∆V

VS = 2∆V

78

VS = 0 VVS = -2Vdd

Dickson Charge Pump

Dickson Charge Pump





-2Vdd


-2Vdd + 2∆V

79

Dickson Charge Pump

Dickson Charge Pump

• Caso Ideale (Vγ = 0):

C

TINVNV Out

ddOut

1

• Caso Reale (Vγ ≈ 0.7 V):

C

TINVVNV Out

ddOut

)(1

8080






CHARGE PUMP

• Dickson Charge Pump


• Altre Topologie

81

VS

Bootstrap Charge Pump






-2Vdd


-2Vdd + 2∆V

82

VS







-2Vdd


-2Vdd + 2∆V

83

VS = -2VddVS







-2Vdd


-2Vdd + 2∆V

0 V

84

VS = -2Vdd







-2Vdd


-2Vdd + 2∆V

0 V0 V Vdd

VS = ∆V

85

VS







-2Vdd


-2Vdd + 2∆V

86

VS = -2VddVS







-2Vdd


-2Vdd + 2∆V

0 V≥ 2Vdd

ddGS VVVBMB

232

87







-2Vdd


-2Vdd + 2∆V

0 V0 V Vdd

VS = -2VddVS = 2 ∆V

VVVMBGS 232

88



8989






CHARGE PUMP

• Dickson Charge Pump


• Altre Topologie

90

Charge Pump Doppio

Charge Pump Doppio

91

Charge Pump Riconfigurabile

Charge Pump Riconfigurabile

92

Latch Charge Pump

Latch Charge Pump

93

Charge Pump Serie-Parallelo


94



95



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