理想电荷泵模型

最早的理想电荷泵模型是J．Dickson在1976年提出的，其基本思想就是通过电容对电荷的积累效应而产生高电压，从而使电流由低电动势流向高电动势，当时的这种电路是为了提供可擦写EPROM所需要的电压而设计出来的。后来J．Witters、ToruTranzawa等人对J．Dickson的电荷泵模型进行了改进，提出了比较精确的理论模型，并通过实验加以证实，还提出了一些理论公式。随着集成电路的不断发展，基于低功耗、低成本的考虑，电荷泵在集成电路中的应用越来越广泛了。四阶Dickson电荷泵的原理图如图1所示。

图1 四阶Dickson电荷泵的原理图如图2所示电路的工作原理是：当F为低电平时，MD1管导通，UIN对与结点1相连的电容进行充电，直到结点1的电压为UIN－UIN；当F为高电平时，结点1的电压变为UF＋UIN－UIN，此时MD2导通，对与结点2相连的电容进行充电，直至结点2的电压变为UF＋UIN－2UIN；F再度变为低电平时，结点2上的电压为2UF＋UIN－2UIN；如此循环，直到完成四级电容的充、放电，可以获得的输出电压为

由此可以得到对于N级倍压电荷泵的电压增益为

但在实际电路中由于UF受到开关管寄生电容Cs的影响，其真实值应为

将式（1－22）代人式（1－21）可得

当考虑负载后，由于负载会从电路中抽取电流IOUT，负载上具有NIOUT／［（C＋Cs）fosc］大小的压降，代入式（1－23）得到输出电压

对于Dickson型电荷泵，单级电压增益为

Dickson倍压电荷泵需要满足一个很重要的条件，就是

由于该式与N无关，故从理论上来说，电压可以通过倍压泵放大，从而可得到理想的电压值。