采用自举升压电路的BiCMOS Totem结构的驱动电路

采用自举升压电路的BiCMOS Totem结构的驱动电路

自举升压电路

      自举升压电路的原理图如图1所示。所谓的自举升压原理就是，在输入端IN输入一个方波信号，利用电容Cboot将A点电压抬升至高于VDD的电平，这样就可以在B端输出一个与输入信号反相，且高电平高于VDD的方波信号。具体工作原理如下。

 
      当VIN为高电平时，NMOS管N1导通，PMOS管P1截止，C点电位为低电平。同时N2导通，P2的栅极电位为低电平，则P2导通。这就使得此时A点电位约为VDD，电容Cboot两端电压UC≈VDD。由于N3导通，P4截止，所以B点的电位为低电平。这段时间称为预充电周期。

      当VIN变为低电平时，NMOS管N1截止，PMOS管P1导通，C点电位为高电平，约为VDD。同时N2、N3截止，P3导通。这使得P2的栅极电位升高，P2截止。此时A点电位等于C点电位加上电容Cboot两端电压，约为2VDD。而且P4导通，因此B点输出高电平，且高于VDD。这段时间称为自举升压周期。

 
      实际上，B点电位与负载电容和电容Cboot的大小有关，可以根据设计需要调整。具体关系将在介绍电路具体设计时详细讨论。在图2中给出了输入端IN电位与A、B两点电位关系的示意图。

驱动电路结构

      图3中给出了驱动电路的电路图。驱动电路采用Totem输出结构设计，上拉驱动管为NMOS管N4、晶体管Q1和PMOS管P5。下拉驱动管为NMOS管N5。图中CL为负载电容，Cpar为B点的寄生电容。虚线框内的电路为自举升压电路。

 
      本驱动电路的设计思想是，利用自举升压结构将上拉驱动管N4的栅极（B点）电位抬升，使得UB>VDD+VTH ，则NMOS管N4工作在线性区，使得VDSN4 大大减小， 终可以实现驱动输出高电平达到VDD。而在输出低电平时，下拉驱动管本身就工作在线性区，可以保证输出低电平位GND。因此无需增加自举电路也能达到设计要求。

      考虑到此驱动电路应用于升压型DC－DC转换器的开关管驱动，负载电容CL很大，一般能达到几十皮法，还需要进一步增加输出电流能力，因此增加了晶体管Q1作为上拉驱动管。这样在输入端由高电平变为低电平时，Q1导通，由N4、Q1同时提供电流，OUT端电位迅速上升，当OUT端电位上升到VDD－VBE时，Q1截止，N4继续提供电流对负载电容充电，直到OUT端电压达到VDD。

      在OUT端为高电平期间，A点电位会由于电容Cboot 上的电荷泄漏等原因而下降。这会使得B点电位下降，N4的导通性下降。同时由于同样的原因，OUT端电位也会有所下降，使输出高电平不能保持在VDD。为了防止这种现象的出现，又增加了PMOS管P5作为上拉驱动管，用来补充OUT端CL的泄漏电荷，维持OUT端在整个导通周期内为高电平。
 
      驱动电路的传输特性瞬态响应在图4中给出。其中（a）为上升沿瞬态响应，（b）为下降沿瞬态响应。从图4中可以看出，驱动电路上升沿明显分为了三个部分，分别对应三个上拉驱动管起主导作用的时期。1阶段为Q1、N4共同作用，输出电压迅速抬升，2阶段为N4起主导作，使输出电平达到VDD，3阶段为P5起主导作用，维持输出高电平为VDD。而且还可以缩短上升时间，下降时间满足工作频率在兆赫兹级以上的要求。

需要注意的问题及仿真结果

电容Cboot的大小的确定

      Cboot的 小值可以按照以下方法确定。在预充电周期内，电容Cboot 上的电荷为VDDCboot 。在A点的寄生电容（计为CA）上的电荷为VDDCA。因此在预充电周期内，A点的总电荷为

      Q_{A1}=V_{DD}C_{boot}+V_{DD}C_{A} （1）

      B点电位为GND，因此在B点的寄生电容Cpar上的电荷为0。

      在自举升压周期，为了使OUT端电压达到VDD，B点电位 低为VB＝VDD+Vthn。因此在B点的寄生电容Cpar上的电荷为

      Q_{B}=(V_{DD}+V_{thn})Cpar （2）

      忽略MOS管P4源漏两端压降，此时Cboot上的电荷为VthnCboot ，A点寄生电容CA的电荷为（VDD+Vthn）CA。A点的总电荷为

      QA2=V_{thn}C_{BOOT}+(V_{DD}+V_{thn})C_{A} （3）

      同时根据电荷守恒又有

      Q_{B}=Q_{A}-Q_{A2} （4）

      综合式（1）～（4）可得

      C_{boot}=\frac{V_{DD}+V_{thn}}{v_{DD}-v_{thn}}Cpar+\frac{v_{thn}}{v_{DD}-v_{thn}}C_{A}=\frac{V_{B}}{v_{DD}-v_{thn}}Cpar+\frac{V_{thn}}{v_{DD}-v_{thn}}C_{A} （5）

      从式（5）中可以看出，Cboot随输入电压变小而变大，并且随B点电压VB变大而变大。而B点电压直接影响N4的导通电阻，也就影响驱动电路的上升时间。因此在实际设计时，Cboot的取值要大于式（5）的计算结果，这样可以提高B点电压，降低N4导通电阻，减小驱动电路的上升时间。

P2、P4的尺寸问题

      将公式（5）重新整理后得：

      V_{B}=({V_{DD}-V_{thn})\frac{C_{boot}}{Cpar}-V_{thn}\frac{C_{A}}{Cpar} （6）

      从式（6）中可以看出在自举升压周期内， A、B两点的寄生电容使得B点电位降低。在实际设计时为了得到合适的B点电位，除了增加Cboot大小外，要尽量减小A、B两点的寄生电容。 在设计时，预充电PMOS管P2的尺寸尽可能的取小，以减小寄生电容CA。而对于B点的寄生电容Cpar来说，主要是上拉驱动管N4的栅极寄生电容，MOS管P4、N3的源漏极寄生电容只占一小部分。我们在前面的分析中忽略了P4的源漏电压，因此设计时就要尽量的加大P4的宽长比，使其在自举升压周期内的源漏电压很小可以忽略。但是P4的尺寸以不能太大，要保证P4的源极寄生电容远远小于上拉驱动管N4的栅极寄生电容。

阱电位问题

      如图3所示，PMOS器件P2、P3、P4的N-well连接到了自举升压节点A上。这样做的目的是，在自举升压周期内，防止他们的源/漏--阱结导通。而且这还可以防止在源/漏--阱正偏时产生由寄生SRC引起的闩锁现象。

      上拉驱动管N4的阱偏置电位要接到它的源极， 好不要直接接地。这样做的目的是消除衬底偏置效应对N4的影响。

Hspice仿真验证结果

      驱动电路基于Samsung AHP615 BiCMOS工艺设计并经过Hspice仿真验证。在表1中给出了电路在不同工作电压、不同负载条件下的上升时间tr和下降时间tf 的仿真结果。在图5中给了电路工作在输入电压1.5V、工作频率为5MHz、负载电容60pF条件下的输出波形。 

 
      结合表1和图5可以看出，此驱动电路能够在工作电压为1.5V，工作频率为5MHz，并且负载电容高达60pF的条件下正常工作。它可以应用于低电压、高工作频率的DC－DC转换器中作为开关管的驱动电路。 
 

 
结论

      本文采用自举升压电路，设计了一种BiCMOS Totem结构的驱动电路。该电路基于Samsung AHP615 BiCMOS工艺设计，可在1.5V电压供电条件下正常工作，而且在负载电容为60pF的条件下，工作频率可达5MHz以上。

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