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1 Principio di Funzionamento Funzionamento e Tensione dUscita a Regime Dimensionamento ed Ottimizzazioni Calcolo delle Tensioni ai Capi degli Switches.

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1 1 Principio di Funzionamento Funzionamento e Tensione dUscita a Regime Dimensionamento ed Ottimizzazioni Calcolo delle Tensioni ai Capi degli Switches Le Principali Topologie CHARGE PUMP

2 2 V dd Principio di Funzionamento V dd Q 0 V

3 3 Principio di Funzionamento V dd 2V dd

4 4 V dd 2V dd Principio di Funzionamento V dd 2V dd 0 V

5 5 Q Principio di Funzionamento 2V dd 0 V V dd 0 V 2V dd V dd 0 V V dd

6 6 Principio di Funzionamento Charge Pump ad 1 Stadio V Ck

7 7 CHARGE PUMP Principio di Funzionamento Funzionamento e Tensione dUscita a Regime Dimensionamento ed Ottimizzazioni Calcolo delle Tensioni ai Capi degli Switches Le Principali Topologie

8 8 CHARGE PUMP Principio di Funzionamento Funzionamento e Tensione dUscita a Regime Modellizzazione del Carico

9 9

10 10 CHARGE PUMP Principio di Funzionamento Funzionamento e Tensione dUscita a Regime Modellizzazione del Carico 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 11 C d h VCVC RECIPIENTECONDENSATORE AcquaCarica LivelloTensione DiametroCapacità h d=+ VCVC Charge Pump ad 1 Stadio (Carico Capacitivo) Equivalenti Idraulici di Condensatore e Generatore di Tensione

12 12 0 V V dd 0V V Ck = 0V 0V Q Charge Pump ad 1 Stadio (Carico Capacitivo) V dd 1° Periodo di Clock (Fase di Carica ) Principio di Funzionamento

13 13 0 V V dd V dd V Ck = 0V 0 V Q Charge Pump ad 1 Stadio (Carico Capacitivo) V dd 1° Periodo di Clock (Fase di Carica ) Principio di Funzionamento

14 14 V dd V Ck = 0V 0 V Charge Pump ad 1 Stadio (Carico Capacitivo) V dd 2V dd 1° Periodo di Clock Principio di Funzionamento

15 15 V dd V Ck = 0V 0 V Charge Pump ad 1 Stadio (Carico Capacitivo) V dd V Ck = V dd Q V dd 0V V dd 2V dd 1° Periodo di Clock (Fase di Scarica ) Principio di Funzionamento

16 16 0V V dd 0V V Ck = V dd V dd Charge Pump ad 1 Stadio (Carico Capacitivo) V dd Q 0 V V dd 1° Periodo di Clock (Fase di Scarica ) Principio di Funzionamento

17 17 0V Charge Pump ad 1 Stadio (Carico Capacitivo) V dd V Ck = V dd 0V V dd 1° Periodo di Clock Principio di Funzionamento

18 18 V Ck = V dd 0V 0 V V dd 0 V V Ck = 0V Q Charge Pump ad 1 Stadio (Carico Capacitivo) V dd 2° Periodo di Clock (Fase di Carica ) Principio di Funzionamento

19 19 0 V V dd V dd V Ck = 0V Q Charge Pump ad 1 Stadio (Carico Capacitivo) V dd 2° Periodo di Clock (Fase di Carica ) Principio di Funzionamento

20 20 V dd V Ck = 0V Charge Pump ad 1 Stadio (Carico Capacitivo) V dd 2V dd 2° Periodo di Clock Principio di Funzionamento

21 21 V Ck = 0V V dd Charge Pump ad 1 Stadio (Carico Capacitivo) V dd V Ck = V dd Q V dd 1/2V dd V dd 3/2V dd 2° Periodo di Clock (Fase di Scarica ) 2V dd V dd +1/2V dd = 3/2V dd V dd Principio di Funzionamento

22 22 1/2V dd V dd 1/2V dd V Ck = V dd 3/2V dd Charge Pump ad 1 Stadio (Carico Capacitivo) V dd Q 2° Periodo di Clock (Fase di Scarica ) V dd +1/2V dd = 3/2V dd V dd 3/2V dd Principio di Funzionamento

23 23 1/2V dd Charge Pump ad 1 Stadio (Carico Capacitivo) V dd V Ck = V dd 0V 3/2V dd 2° Periodo di Clock V dd +1/2V dd = 3/2V dd Principio di Funzionamento

24 24 V Ck = V dd 0V 1/2V V dd 1/2V dd V Ck = 0V Q Charge Pump ad 1 Stadio (Carico Capacitivo) V dd 3/2V dd 3° Periodo di Clock (Fase di Carica ) V dd +1/2V dd = 3/2V dd Principio di Funzionamento

25 25 1/2V V dd V dd V Ck = 0V Q Charge Pump ad 1 Stadio (Carico Capacitivo) V dd 3° Periodo di Clock (Fase di Carica ) V dd +1/2V dd = 3/2V dd 3/2V dd Principio di Funzionamento

26 26 V dd V Ck = 0V Charge Pump ad 1 Stadio (Carico Capacitivo) V dd 2V dd 3° Periodo di Clock V dd +1/2V dd = 3/2V dd 3/2V dd Principio di Funzionamento

27 27 V Ck = 0V 3/2V dd Charge Pump ad 1 Stadio (Carico Capacitivo) V dd V Ck = V dd Q V dd 3/4V dd V dd 7/4V dd 3° Periodo di Clock (Fase di Scarica ) 2V dd V dd +1/2V dd = 3/2V dd V dd 3/2V dd +1/4V dd =7 /4V dd Principio di Funzionamento

28 28 3/4V dd V dd 3/4V dd V Ck = V dd 7/4V dd Charge Pump ad 1 Stadio (Carico Capacitivo) V dd Q 2V dd 3° Periodo di Clock (Fase di Scarica ) V dd +1/2V dd = 3/2V dd 3/2V dd +1/4V dd =7 /4V dd 3/2V dd 7/4V dd Principio di Funzionamento

29 29 V dd V Ck = V dd 2V dd Charge Pump ad 1 Stadio (Carico Capacitivo) V dd 2V dd A Regime V dd +1/2V dd = 3/2V dd 3/2V dd +1/4V dd =7 /4V dd 2V dd Principio di Funzionamento

30 30 CHARGE PUMP Principio di Funzionamento Funzionamento e Tensione dUscita a Regime Modellizzazione del Carico 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

31 31 Charge Pump ad N Stadi (Carico Capacitivo) V Ck 1° Stadio 2° Stadio3° Stadio Stadio dUscita4° Stadio Descrizione del Circuito

32 32 QQQ Charge Pump ad N Stadi (Carico Capacitivo) V Ck = 0VV Ck = V dd V Ck = 0VV Ck = V dd 1° Semiperiodo Clock Basso Principio di Funzionamento

33 33 Q Q Q Charge Pump ad N Stadi (Carico Capacitivo) V Ck = 0VV Ck = V dd V Ck = 0VV Ck = V dd V Ck = 0V V Ck = V dd V Ck = 0V Principio di Funzionamento 1° Semiperiodo Clock Basso 2° Semiperiodo Clock Alto

34 34 Q Q Charge Pump ad N Stadi (Carico Capacitivo) V Ck = V dd V Ck = 0V V Ck = V dd V Ck = 0V Principio di Funzionamento 2° Semiperiodo Clock Alto

35 35 Charge Pump ad N Stadi (Carico Capacitivo) Q Q Q V Ck = 0VV Ck = V dd V Ck = 0VV Ck = V dd 1° Semiperiodo Clock Basso 2° Semiperiodo Clock Alto Q Q V Ck = V dd V Ck = 0V V Ck = V dd V Ck = 0V Principio di Funzionamento: Dettaglio sulla 3 a Capacità

36 36 Q Q Q V Ck = 0VV Ck = V dd V Ck = 0VV Ck = V dd Q Q V Ck = 0V V Ck = V dd V Ck = 0V Charge Pump ad N Stadi (Carico Capacitivo) 1° Semiperiodo Clock Basso 2° Semiperiodo Clock Alto Principio di Funzionamento: Propagazione della Carica

37 37 Q Q Q V Ck = 0VV Ck = V dd V Ck = 0VV Ck = V dd Q Q V Ck = 0V V Ck = V dd V Ck = 0V Q Q V Ck = V dd V Ck = 0V V Ck = V dd V Ck = 0V 3° Semiperiodo Clock Basso 4° Semiperiodo Clock Alto Charge Pump ad N Stadi (Carico Capacitivo) Principio di Funzionamento: Propagazione della Carica

38 38 Q Q V Ck = V dd V Ck = 0V V Ck = V dd V Ck = 0V Q Q Q V Ck = V dd V Ck = 0VV Ck = V dd 5° Semiperiodo Clock Basso Charge Pump ad N Stadi (Carico Capacitivo) Principio di Funzionamento: Propagazione della Carica

39 39 Charge Pump ad N Stadi (Carico Capacitivo) A regime V Out = Cost Nessuna carica viene pompata verso C Out Q = 0 Calcolo della V Out a Regime Calcolo della Tensione dUscita a Regime V Out t V Ck

40 40 Q=0 Q Q V Ck = 0VV Ck = V dd V Ck = 0VV Ck = V dd Charge Pump ad N Stadi (Carico Capacitivo) 1° Semiperiodo Clock Basso 2° Semiperiodo Clock Alto Q=0 Q V Ck = V dd V Ck = 0V V Ck = V dd V Ck = 0V V dd 2V dd V 1 =2V dd Calcolo della Tensione dUscita a Regime = 0V

41 41 3° Semiperiodo Clock Basso 4° Semiperiodo Clock Alto Charge Pump ad N Stadi (Carico Capacitivo) Q=0 V Ck = V dd V Ck = 0V V Ck = V dd V Ck = 0V Q=0 Q V Ck = 0VV Ck = V dd V Ck = 0VV Ck = V dd Q=0 V Ck = V dd V Ck = 0V V Ck = V dd V Ck = 0V V dd 2V dd V 2 =3V dd 3V dd 4V dd V 3 =4V dd Calcolo della Tensione dUscita a Regime = 0V

42 42 Q=0 V Ck = 0VV Ck = V dd V Ck = 0VV Ck = V dd Q=0 V Ck = V dd V Ck = 0V V Ck = V dd V Ck = 0V 5° Semiperiodo Clock Basso Charge Pump ad N Stadi (Carico Capacitivo) V dd 2V dd 3V dd 4V dd V 3 =4V dd V 4 =5V dd 5V dd A Regime: V Out = 2V dd (1 Stadio) V Out = 5V dd (4 Stadi) V Out = (N+1)V dd Calcolo della Tensione dUscita a Regime

43 43 CHARGE PUMP Principio di Funzionamento Funzionamento e Tensione dUscita a Regime Modellizzazione del Carico 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

44 44 Charge Pump ad 1 Stadio (Carico in Corrente) Principio di Funzionamento a Regime Q=I Out T

45 45 Charge Pump ad 1 Stadio (Carico in Corrente) Calcolo della Tensione dUscita a Regime Q=I Out T V dd V dd V dd -V V 2 =2V dd V Out =2V dd -V V 2 =2V dd -V

46 46 CHARGE PUMP Principio di Funzionamento Funzionamento e Tensione dUscita a Regime Modellizzazione del Carico 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 Riepilogo

47 47 Tensione dUscita a Regime di un Charge Pump Tensione dUscita a Regime (Riepilogo)

48 48 CHARGE PUMP Principio di Funzionamento Funzionamento e Tensione dUscita a Regime Dimensionamento ed Ottimizzazioni Calcolo delle Tensioni ai Capi degli Switches Le Principali Topologie

49 49 Dimensionamento di un Charge Pump

50 50 CHARGE PUMP Principio di Funzionamento Funzionamento e Tensione dUscita a Regime Dimensionamento ed Ottimizzazioni Charge Pump con Carico in Corrente Charge Pump con Carico Capacitivo

51 51 CHARGE PUMP Principio di Funzionamento Funzionamento e Tensione dUscita a Regime Dimensionamento ed Ottimizzazioni Charge Pump con Carico in Corrente Occupazione dArea Efficienza Dimensionamento ed Ottimizzazioni

52 52 Occupazione dArea Occupazione dArea di un Charge Pump con Carico in Corrente Le Capacità di Pumping occupano la maggiorparte dellArea riservata al Charge Pump Il valore delle Capacità di Pumping può essere ricavato dallequazione di V Out Da cui: V Ck

53 53 Efficienza di un Charge Pump Efficienza di un Charge Pump con Carico in Corrente Efficienza di un Charge Pump La Tensione dAlimentazione V dd è fissata dalla tecnologia V Out e I Out sono invece fissati dalle richieste del carico V Ck Infine il Consumo di Corrente I dd dipende dal Charge Pump e può essere calcolato

54 54 Consumo di Corrente Consumo di Corrente di un Charge Pump con Carico in Corrente Q=I Out T Q Q Q QPQP QPQP 1° Semiperiodo di Clock

55 55 Consumo di Corrente Condensatori Integrati e Capacità Parassite

56 56 Consumo di Corrente Consumo di Corrente di un Charge Pump con Carico in Corrente Q=I Out T Q Q Q QPQP QPQP 1° Semiperiodo di Clock

57 57 Consumo di Corrente Consumo di Corrente di un Charge Pump con Carico in Corrente Q=I Out T QQ QPQP QPQP 2° Semiperiodo di Clock

58 58 Consumo di Corrente Consumo di Corrente di un Charge Pump con Carico in Corrente Q=I Out T QQ Periodo di Clock Q=I Out T QQ QPQP QPQP QPQP QPQP Q Q

59 59 Consumo di Corrente Consumo di Corrente di un Charge Pump con Carico in Corrente

60 60 Dimensionamento ed Ottimizzazione Dimensionamento ed Ottimizzazione di un Charge Pump con Carico in Corrente Parametro V dd Dipende dalla tecnologia utilizzata I dd Non è noto a priori V Out Dipende dal carico I Out Dipende dal carico f=1/TDipende dalla tecnologia utilizzata C Tot Non è noto a priori N α=C P /CDipende dalla tecnologia utilizzata

61 61 CHARGE PUMP Principio di Funzionamento Funzionamento e Tensione dUscita a Regime Dimensionamento ed Ottimizzazioni Charge Pump con Carico in Corrente Charge Pump con Carico Capacitivo

62 62 Dimensionamento ed Ottimizzazione Dimensionamento ed Ottimizzazione di un Charge Pump con Carico Capacitivo Parametro V dd Dipende dalla tecnologia utilizzata Q Tot Non è noto a priori V Out (t r )Dipende dal carico trtr f=1/TDipende dalla tecnologia utilizzata C Tot Non è noto a priori N α=C P /CDipende dalla tecnologia utilizzata

63 63 CHARGE PUMP Principio di Funzionamento Funzionamento e Tensione dUscita a Regime Dimensionamento ed Ottimizzazioni Calcolo delle Tensioni ai Capi degli Switches Le Principali Topologie

64 64 Tensioni ai Nodi Calcolo delle Tensioni ai nodi IstanteFiFi Tensione sul Nodo i Inizio RipartizioneV dd (i+1)V dd + (-i+1)ΔV Fine RipartizioneV dd (i+1)V dd - iΔV Inizio Semiperiodo Successivo 0 ViVdd - iΔV Fine Semiperiodo Successivo 0 ViVdd + (-i+1)ΔV

65 65 Tensioni ai Capi degli Switches Calcolo delle Tensioni ai capi degli Switches IstanteTensione ai Capi degli Switches Inizio Ripartizione Fine Ripartizione Inizio Semiperiodo Successivo Fine Semiperiodo Successivo

66 66 Tensioni ai Capi degli Switches Calcolo delle Tensioni ai capi degli Switches IstanteTensione ai Capi degli Switches Inizio Ripartizione Fine Ripartizione Inizio Semiperiodo Successivo Fine Semiperiodo Successivo QQ

67 67 Tensioni ai Capi degli Switches Calcolo delle Tensioni ai capi degli Switches IstanteTensione ai Capi degli Switches Inizio Ripartizione Fine Ripartizione Inizio Semiperiodo Successivo Fine Semiperiodo Successivo QQ

68 68 V S = 0 V Tensioni ai Capi degli Switches Calcolo delle Tensioni ai capi degli Switches IstanteTensione ai Capi degli Switches Inizio Ripartizione Fine Ripartizione Inizio Semiperiodo Successivo Fine Semiperiodo Successivo Q IstanteTensione ai Capi degli Switches Inizio Ripartizione Fine Ripartizione0 V Inizio Semiperiodo Successivo Fine Semiperiodo Successivo

69 69 V S = 0 V V S = -2V dd Tensioni ai Capi degli Switches Calcolo delle Tensioni ai capi degli Switches IstanteTensione ai Capi degli Switches Inizio Ripartizione Fine Ripartizione0 V Inizio Semiperiodo Successivo -2V dd Fine Semiperiodo Successivo IstanteTensione ai Capi degli Switches Inizio Ripartizione Fine Ripartizione0 V Inizio Semiperiodo Successivo Fine Semiperiodo Successivo

70 70 Tensioni ai Capi degli Switches Calcolo delle Tensioni ai capi degli Switches IstanteTensione ai Capi degli Switches Inizio Ripartizione Fine Ripartizione0 V Inizio Semiperiodo Successivo -2V dd Fine Semiperiodo Successivo QQ V S = -2V dd

71 71 Tensioni ai Capi degli Switches Calcolo delle Tensioni ai capi degli Switches IstanteTensione ai Capi degli Switches Inizio Ripartizione Fine Ripartizione0 V Inizio Semiperiodo Successivo -2V dd Fine Semiperiodo Successivo QQ V S = -2V dd V S = -2V dd + 2V IstanteTensione ai Capi degli Switches Inizio Ripartizione Fine Ripartizione0 V Inizio Semiperiodo Successivo -2V dd Fine Semiperiodo Successivo -2V dd + 2V IstanteTensione ai Capi degli Switches Inizio Ripartizione2V2V Fine Ripartizione0 V Inizio Semiperiodo Successivo -2V dd Fine Semiperiodo Successivo -2V dd + 2V V S = 2V

72 72 CHARGE PUMP Principio di Funzionamento Funzionamento e Tensione dUscita a Regime Dimensionamento ed Ottimizzazioni Calcolo delle Tensioni ai Capi degli Switches Le Principali Topologie Dickson Charge Pump Bootstrap Charge Pump Altre Topologie

73 73 Dickson Charge Pump

74 74 Dickson Charge Pump IstanteTensione ai Capi degli Switches Inizio Ripartizione2V2V Fine Ripartizione0 V Inizio Semiperiodo Successivo -2V dd Fine Semiperiodo Successivo -2V dd + 2V VSVS

75 75 Dickson Charge Pump IstanteTensione ai Capi degli Switches Inizio Ripartizione2V2V Fine Ripartizione0 V Inizio Semiperiodo Successivo -2V dd Fine Semiperiodo Successivo -2V dd + 2V QQ V S = -2V dd

76 76 Dickson Charge Pump IstanteTensione ai Capi degli Switches Inizio Ripartizione2V2V Fine Ripartizione0 V Inizio Semiperiodo Successivo -2V dd Fine Semiperiodo Successivo -2V dd + 2V QQ V S = -2V dd V S = -2V dd + 2V V S = 2V

77 77 V S = 0 V Dickson Charge Pump Q IstanteTensione ai Capi degli Switches Inizio Ripartizione2V2V Fine Ripartizione0 V Inizio Semiperiodo Successivo -2V dd Fine Semiperiodo Successivo -2V dd + 2V V S = 2V

78 78 V S = 0 V V S = -2V dd Dickson Charge Pump IstanteTensione ai Capi degli Switches Inizio Ripartizione2V2V Fine Ripartizione0 V Inizio Semiperiodo Successivo -2V dd Fine Semiperiodo Successivo -2V dd + 2V

79 79 Dickson Charge Pump Caso Ideale (Vγ = 0): Caso Reale (Vγ 0.7 V):

80 80 Principio di Funzionamento Funzionamento e Tensione dUscita a Regime Dimensionamento ed Ottimizzazioni Calcolo delle Tensioni ai Capi degli Switches Le Principali Topologie CHARGE PUMP Dickson Charge Pump Bootstrap Charge Pump Altre Topologie

81 81 VSVS Bootstrap Charge Pump IstanteTensione ai Capi degli Switches Inizio Ripartizione2V2V Fine Ripartizione0 V Inizio Semiperiodo Successivo -2V dd Fine Semiperiodo Successivo -2V dd + 2V

82 82 VSVS Bootstrap Charge Pump IstanteTensione ai Capi degli Switches Inizio Ripartizione2V2V Fine Ripartizione0 V Inizio Semiperiodo Successivo -2V dd Fine Semiperiodo Successivo -2V dd + 2V

83 83 V S = -2V dd VSVS Bootstrap Charge Pump IstanteTensione ai Capi degli Switches Inizio Ripartizione2V2V Fine Ripartizione0 V Inizio Semiperiodo Successivo -2V dd Fine Semiperiodo Successivo -2V dd + 2V 0 V

84 84 V S = -2V dd Bootstrap Charge Pump IstanteTensione ai Capi degli Switches Inizio Ripartizione2V2V Fine Ripartizione0 V Inizio Semiperiodo Successivo -2V dd Fine Semiperiodo Successivo -2V dd + 2V 0 V 0 V V dd V S = V

85 85 VSVS Bootstrap Charge Pump IstanteTensione ai Capi degli Switches Inizio Ripartizione2V2V Fine Ripartizione0 V Inizio Semiperiodo Successivo -2V dd Fine Semiperiodo Successivo -2V dd + 2V

86 86 V S = -2V dd VSVS Bootstrap Charge Pump IstanteTensione ai Capi degli Switches Inizio Ripartizione2V2V Fine Ripartizione0 V Inizio Semiperiodo Successivo -2V dd Fine Semiperiodo Successivo -2V dd + 2V 0 V 2V dd

87 87 Bootstrap Charge Pump IstanteTensione ai Capi degli Switches Inizio Ripartizione2V2V Fine Ripartizione0 V Inizio Semiperiodo Successivo -2V dd Fine Semiperiodo Successivo -2V dd + 2V 0 V 0 V V dd V S = -2V dd V S = 2 V

88 88 Bootstrap Charge Pump

89 89 Principio di Funzionamento Funzionamento e Tensione dUscita a Regime Dimensionamento ed Ottimizzazioni Calcolo delle Tensioni ai Capi degli Switches Le Principali Topologie CHARGE PUMP Dickson Charge Pump Bootstrap Charge Pump Altre Topologie

90 90 Charge Pump Doppio

91 91 Charge Pump Riconfigurabile

92 92 Latch Charge Pump

93 93 Charge Pump Serie-Parallelo

94 94 Charge Pump Serie-Parallelo

95 95 Charge Pump Serie-Parallelo


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