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

Principio di Funzionamento 0 V ∆Q 0 V Vdd Vdd

Principio di Funzionamento Vdd Vdd 2•Vdd

Principio di Funzionamento Vdd 2•Vdd 0 V Vdd 2•Vdd

Principio di Funzionamento ∆Q 0 V Vdd  0 V 0 V  Vdd 2•VddVdd 2•Vdd

Principio di Funzionamento VCk Charge Pump ad 1 Stadio

CHARGE PUMP 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 Funzionamento e Tensione d’Uscita a Regime Modellizzazione del Carico

Modellizzazione del Carico

CHARGE PUMP Principio di Funzionamento Funzionamento e Tensione d’Uscita 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

Charge Pump ad 1 Stadio (Carico Capacitivo) RECIPIENTE CONDENSATORE Acqua Carica Livello Tensione Diametro Capacità h VC C d h VC d=+∞ Equivalenti Idraulici di Condensatore e Generatore di Tensione

Charge Pump ad 1 Stadio (Carico Capacitivo) 1° Periodo di Clock (Fase di Carica ) 0 VVdd 0V 0V ∆Q VCk= 0V Vdd Principio di Funzionamento

Charge Pump ad 1 Stadio (Carico Capacitivo) 1° Periodo di Clock (Fase di Carica ) 0 VVdd Vdd 0 V ∆Q VCk= 0V Vdd Principio di Funzionamento

Charge Pump ad 1 Stadio (Carico Capacitivo) 1° Periodo di Clock Vdd 0 V VCk= 0V Vdd 2•Vdd Vdd Principio di Funzionamento

Charge Pump ad 1 Stadio (Carico Capacitivo) 1° Periodo di Clock (Fase di Scarica ) Vdd 0V Vdd 0 V Vdd ∆Q VCk= Vdd VCk= 0V Vdd 2•Vdd Vdd Vdd Principio di Funzionamento

Charge Pump ad 1 Stadio (Carico Capacitivo) 1° Periodo di Clock (Fase di Scarica ) Vdd 0V 0V 0 VVdd Vdd ∆Q VCk= Vdd Vdd Vdd Principio di Funzionamento

Charge Pump ad 1 Stadio (Carico Capacitivo) 1° Periodo di Clock 0V Vdd VCk= Vdd  0V Vdd Vdd Principio di Funzionamento

Charge Pump ad 1 Stadio (Carico Capacitivo) 2° Periodo di Clock (Fase di Carica ) 0 VVdd 0 V Vdd ∆Q VCk= 0V VCk= Vdd 0V Vdd Vdd Principio di Funzionamento

Charge Pump ad 1 Stadio (Carico Capacitivo) 2° Periodo di Clock (Fase di Carica ) 0 VVdd Vdd Vdd ∆Q VCk= 0V Vdd Vdd Principio di Funzionamento

Charge Pump ad 1 Stadio (Carico Capacitivo) 2° Periodo di Clock Vdd Vdd VCk= 0V Vdd 2•Vdd Vdd Vdd Principio di Funzionamento

Charge Pump ad 1 Stadio (Carico Capacitivo) 2° Periodo di Clock (Fase di Scarica ) Vdd 1/2Vdd Vdd Vdd 3/2Vdd ∆Q VCk= Vdd VCk= 0V Vdd 2•Vdd Vdd+1/2Vdd=3/2Vdd Vdd Vdd Principio di Funzionamento

Charge Pump ad 1 Stadio (Carico Capacitivo) 2° Periodo di Clock (Fase di Scarica ) Vdd 1/2Vdd 1/2Vdd 3/2Vdd Vdd3/2Vdd ∆Q VCk= Vdd Vdd+1/2Vdd=3/2Vdd Vdd Vdd Principio di Funzionamento

Charge Pump ad 1 Stadio (Carico Capacitivo) 2° Periodo di Clock 1/2Vdd 3/2Vdd VCk= Vdd  0V Vdd+1/2Vdd=3/2Vdd Vdd Vdd Principio di Funzionamento

Charge Pump ad 1 Stadio (Carico Capacitivo) 3° Periodo di Clock (Fase di Carica ) 1/2VVdd 1/2Vdd 3/2Vdd ∆Q VCk= 0V VCk= Vdd 0V Vdd+1/2Vdd=3/2Vdd Vdd Vdd Principio di Funzionamento

Charge Pump ad 1 Stadio (Carico Capacitivo) 3° Periodo di Clock (Fase di Carica ) 1/2VVdd Vdd 3/2Vdd ∆Q VCk= 0V Vdd+1/2Vdd=3/2Vdd Vdd Vdd Principio di Funzionamento

Charge Pump ad 1 Stadio (Carico Capacitivo) 3° Periodo di Clock Vdd 3/2Vdd VCk= 0V Vdd 2•Vdd Vdd+1/2Vdd=3/2Vdd Vdd Vdd Principio di Funzionamento

Charge Pump ad 1 Stadio (Carico Capacitivo) 3° Periodo di Clock (Fase di Scarica ) Vdd 3/4Vdd Vdd 3/2Vdd 7/4Vdd ∆Q VCk= Vdd VCk= 0V Vdd 2•Vdd 3/2Vdd+1/4Vdd=7/4Vdd Vdd+1/2Vdd=3/2Vdd Vdd Vdd Principio di Funzionamento

Charge Pump ad 1 Stadio (Carico Capacitivo) 3° Periodo di Clock (Fase di Scarica ) Vdd 3/4Vdd 3/4Vdd 3/2Vdd7/4Vdd 7/4Vdd ∆Q VCk= Vdd 2•Vdd 3/2Vdd+1/4Vdd=7/4Vdd Vdd+1/2Vdd=3/2Vdd Vdd Vdd Principio di Funzionamento

Charge Pump ad 1 Stadio (Carico Capacitivo) A Regime Vdd 2•Vdd VCk= Vdd 2•Vdd 2•Vdd 3/2Vdd+1/4Vdd=7/4Vdd Vdd+1/2Vdd=3/2Vdd Vdd Vdd Principio di Funzionamento

CHARGE PUMP Principio di Funzionamento Funzionamento e Tensione d’Uscita 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

Charge Pump ad N Stadi (Carico Capacitivo) 1° Stadio 2° Stadio 3° Stadio Stadio d’Uscita 4° Stadio VCk VCk VCk VCk Descrizione del Circuito

Charge Pump ad N Stadi (Carico Capacitivo) 1° Semiperiodo  Clock Basso ∆Q ∆Q ∆Q VCk = 0V VCk = Vdd VCk = 0V VCk = Vdd Principio di Funzionamento

Charge Pump ad N Stadi (Carico Capacitivo) 1° Semiperiodo  Clock Basso 2° Semiperiodo  Clock Alto ∆Q VCk = Vdd VCk = 0V VCk = 0V VCk = Vdd Principio di Funzionamento

Charge Pump ad N Stadi (Carico Capacitivo) 2° Semiperiodo  Clock Alto ∆Q VCk = Vdd VCk = 0V Principio di Funzionamento

Charge Pump ad N Stadi (Carico Capacitivo) 2° Semiperiodo  Clock Alto 1° Semiperiodo  Clock Basso ∆Q VCk = 0V VCk = Vdd ∆Q VCk = Vdd VCk = 0V Principio di Funzionamento: Dettaglio sulla 3a Capacità

Charge Pump ad N Stadi (Carico Capacitivo) 2° Semiperiodo  Clock Alto 1° Semiperiodo  Clock Basso ∆Q VCk = 0V VCk = Vdd ∆Q VCk = Vdd VCk = 0V Principio di Funzionamento: Propagazione della Carica

Charge Pump ad N Stadi (Carico Capacitivo) 4° Semiperiodo  Clock Alto 3° Semiperiodo  Clock Basso ∆Q VCk = 0V VCk = Vdd ∆Q VCk = Vdd VCk = 0V ∆Q VCk = Vdd VCk = 0V Principio di Funzionamento: Propagazione della Carica

Charge Pump ad N Stadi (Carico Capacitivo) 5° Semiperiodo  Clock Basso ∆Q VCk = 0V VCk = Vdd ∆Q VCk = Vdd VCk = 0V Principio di Funzionamento: Propagazione della Carica

Charge Pump ad N Stadi (Carico Capacitivo) Calcolo della VOut a Regime VOut t VCk A regime VOut = Cost Nessuna carica viene ‘pompata’ verso COut ∆Q = 0 Calcolo della Tensione d’Uscita a Regime

Charge Pump ad N Stadi (Carico Capacitivo) 2° Semiperiodo  Clock Alto 1° Semiperiodo  Clock Basso ∆Q=0 ∆Q VCk = 0V VCk = Vdd ∆Q=0 ∆Q VCk = Vdd VCk = 0V V1=2•Vdd Vdd 2•Vdd = 0V = 0V Calcolo della Tensione d’Uscita a Regime

Charge Pump ad N Stadi (Carico Capacitivo) 4° Semiperiodo  Clock Alto 3° Semiperiodo  Clock Basso ∆Q=0 ∆Q VCk = 0V VCk = Vdd ∆Q=0 VCk = Vdd VCk = 0V ∆Q=0 VCk = Vdd VCk = 0V V2=3•Vdd V3=4•Vdd Vdd 2•Vdd 3•Vdd 4•Vdd = 0V = 0V = 0V Calcolo della Tensione d’Uscita a Regime

Charge Pump ad N Stadi (Carico Capacitivo) 5° Semiperiodo  Clock Basso ∆Q=0 VCk = Vdd VCk = 0V V3=4•Vdd V4=5•Vdd ∆Q=0 VCk = 0V VCk = Vdd Vdd 2•Vdd 3•Vdd 4•Vdd 5•Vdd A Regime: VOut = 2•Vdd (1 Stadio) VOut = 5•Vdd (4 Stadi) VOut = (N+1)•Vdd Calcolo della Tensione d’Uscita a Regime

CHARGE PUMP Principio di Funzionamento Funzionamento e Tensione d’Uscita 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

Charge Pump ad 1 Stadio (Carico in Corrente) ∆Q=IOut•T ∆Q=IOut•T ∆Q=IOut•T Principio di Funzionamento a Regime

Charge Pump ad 1 Stadio (Carico in Corrente) V2=2•Vdd V2=2•Vdd-∆V ∆Q=IOut•T ∆Q=IOut•T ∆Q=IOut•T VddVdd-∆V Vdd VOut=2•Vdd-∆V Calcolo della Tensione d’Uscita a Regime

CHARGE PUMP Principio di Funzionamento Funzionamento e Tensione d’Uscita 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

Tensione d’Uscita a Regime di un Charge Pump Tensione d’Uscita a Regime (Riepilogo)

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

Dimensionamento di un Charge Pump

CHARGE PUMP Principio di Funzionamento Funzionamento e Tensione d’Uscita a Regime Dimensionamento ed Ottimizzazioni Charge Pump con Carico in Corrente Charge Pump con Carico Capacitivo

CHARGE PUMP Principio di Funzionamento Funzionamento e Tensione d’Uscita a Regime Dimensionamento ed Ottimizzazioni Charge Pump con Carico in Corrente Occupazione d’Area Efficienza Dimensionamento ed Ottimizzazioni

Occupazione d’Area VCk Le Capacità di Pumping occupano la maggiorparte dell’Area riservata al Charge Pump Il valore delle Capacità di Pumping può essere ricavato dall’equazione di VOut Da cui: Occupazione d’Area di un Charge Pump con Carico in Corrente

Efficienza di un Charge Pump VCk Efficienza di un Charge Pump La Tensione d’Alimentazione Vdd è fissata dalla tecnologia VOut e IOut sono invece fissati dalle richieste del carico Infine il Consumo di Corrente Idd dipende dal Charge Pump e può essere calcolato Efficienza di un Charge Pump con Carico in Corrente

Consumo di Corrente 1° Semiperiodo di Clock ∆QP ∆Q ∆Q=IOut•T ∆Q ∆QP Consumo di Corrente di un Charge Pump con Carico in Corrente

Consumo di Corrente Condensatori Integrati e Capacità Parassite

Consumo di Corrente 1° Semiperiodo di Clock ∆QP ∆Q ∆Q=IOut•T ∆Q ∆QP Consumo di Corrente di un Charge Pump con Carico in Corrente

Consumo di Corrente 2° Semiperiodo di Clock ∆QP ∆Q ∆Q=IOut•T ∆Q ∆QP Consumo di Corrente di un Charge Pump con Carico in Corrente

Consumo di Corrente Periodo di Clock ∆Q ∆Q ∆Q ∆Q ∆Q ∆Q ∆QP ∆Q=IOut•T ∆Q=IOut•T ∆Q=IOut•T ∆Q=IOut•T ∆Q=IOut•T ∆Q=IOut•T ∆Q ∆Q ∆Q ∆Q ∆Q ∆Q ∆QP Consumo di Corrente di un Charge Pump con Carico in Corrente

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

Dimensionamento ed Ottimizzazione Parametro Vdd Dipende dalla tecnologia utilizzata Idd Non è noto a priori VOut Dipende dal carico IOut f=1/T CTot N α=CP/C Dimensionamento ed Ottimizzazione di un Charge Pump con Carico in Corrente

CHARGE PUMP Principio di Funzionamento Funzionamento e Tensione d’Uscita a Regime Dimensionamento ed Ottimizzazioni Charge Pump con Carico in Corrente Charge Pump con Carico Capacitivo

Dimensionamento ed Ottimizzazione Parametro Vdd Dipende dalla tecnologia utilizzata QTot Non è noto a priori VOut(tr) Dipende dal carico tr f=1/T CTot N α=CP/C Dimensionamento ed Ottimizzazione di un Charge Pump con Carico Capacitivo

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

Tensioni ai Nodi Istante Fi Tensione sul Nodo ‘i’ Inizio Ripartizione Vdd (i+1)•Vdd + (-i+1)•ΔV Fine Ripartizione (i+1)•Vdd - i•ΔV Inizio Semiperiodo Successivo 0 V i•Vdd - i•ΔV Fine Semiperiodo Successivo i•Vdd + (-i+1)•ΔV Calcolo delle Tensioni ai nodi

Tensione ai Capi degli Switches Tensioni ai Capi degli Switches Istante Tensione ai Capi degli Switches Inizio Ripartizione Fine Ripartizione Inizio Semiperiodo Successivo Fine Semiperiodo Successivo Calcolo delle Tensioni ai capi degli Switches

Tensione ai Capi degli Switches Tensioni ai Capi degli Switches ∆Q ∆Q Istante Tensione ai Capi degli Switches Inizio Ripartizione Fine Ripartizione Inizio Semiperiodo Successivo Fine Semiperiodo Successivo Calcolo delle Tensioni ai capi degli Switches

Tensione ai Capi degli Switches Tensioni ai Capi degli Switches ∆Q ∆Q Istante Tensione ai Capi degli Switches Inizio Ripartizione Fine Ripartizione Inizio Semiperiodo Successivo Fine Semiperiodo Successivo Calcolo delle Tensioni ai capi degli Switches

Tensione ai Capi degli Switches Tensione ai Capi degli Switches Tensioni ai Capi degli Switches VS = 0 V ∆Q Istante Tensione ai Capi degli Switches Inizio Ripartizione Fine Ripartizione Inizio Semiperiodo Successivo Fine Semiperiodo Successivo Istante Tensione ai Capi degli Switches Inizio Ripartizione Fine Ripartizione 0 V Inizio Semiperiodo Successivo Fine Semiperiodo Successivo Calcolo delle Tensioni ai capi degli Switches

Tensione ai Capi degli Switches Tensione ai Capi degli Switches Tensioni ai Capi degli Switches VS = -2Vdd VS = 0 V Istante Tensione ai Capi degli Switches Inizio Ripartizione Fine Ripartizione 0 V Inizio Semiperiodo Successivo -2Vdd Fine Semiperiodo Successivo Istante Tensione ai Capi degli Switches Inizio Ripartizione Fine Ripartizione 0 V Inizio Semiperiodo Successivo Fine Semiperiodo Successivo Calcolo delle Tensioni ai capi degli Switches

Tensione ai Capi degli Switches Tensioni ai Capi degli Switches VS = -2Vdd ∆Q ∆Q Istante Tensione ai Capi degli Switches Inizio Ripartizione Fine Ripartizione 0 V Inizio Semiperiodo Successivo -2Vdd Fine Semiperiodo Successivo Calcolo delle Tensioni ai capi degli Switches

Tensioni ai Capi degli Switches VS = -2Vdd + 2∆V VS = -2Vdd VS = 2∆V ∆Q ∆Q Istante Tensione ai Capi degli Switches Inizio Ripartizione 2∆V Fine Ripartizione 0 V Inizio Semiperiodo Successivo -2Vdd Fine Semiperiodo Successivo -2Vdd + 2∆V Istante Tensione ai Capi degli Switches Inizio Ripartizione Fine Ripartizione 0 V Inizio Semiperiodo Successivo -2Vdd Fine Semiperiodo Successivo -2Vdd + 2∆V Istante Tensione ai Capi degli Switches Inizio Ripartizione Fine Ripartizione 0 V Inizio Semiperiodo Successivo -2Vdd Fine Semiperiodo Successivo Calcolo delle Tensioni ai capi degli Switches

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

Dickson Charge Pump Dickson Charge Pump

Tensione ai Capi degli Switches Dickson Charge Pump VS Istante Tensione ai Capi degli Switches Inizio Ripartizione 2∆V Fine Ripartizione 0 V Inizio Semiperiodo Successivo -2Vdd Fine Semiperiodo Successivo -2Vdd + 2∆V Dickson Charge Pump

Tensione ai Capi degli Switches Dickson Charge Pump VS = -2Vdd ∆Q ∆Q Istante Tensione ai Capi degli Switches Inizio Ripartizione 2∆V Fine Ripartizione 0 V Inizio Semiperiodo Successivo -2Vdd Fine Semiperiodo Successivo -2Vdd + 2∆V Dickson Charge Pump

Tensione ai Capi degli Switches Dickson Charge Pump VS = -2Vdd + 2∆V VS = -2Vdd VS = 2∆V ∆Q ∆Q Istante Tensione ai Capi degli Switches Inizio Ripartizione 2∆V Fine Ripartizione 0 V Inizio Semiperiodo Successivo -2Vdd Fine Semiperiodo Successivo -2Vdd + 2∆V Dickson Charge Pump

Tensione ai Capi degli Switches Dickson Charge Pump VS = 0 V VS = 2∆V ∆Q Istante Tensione ai Capi degli Switches Inizio Ripartizione 2∆V Fine Ripartizione 0 V Inizio Semiperiodo Successivo -2Vdd Fine Semiperiodo Successivo -2Vdd + 2∆V Dickson Charge Pump

Tensione ai Capi degli Switches Dickson Charge Pump VS = -2Vdd VS = 0 V Istante Tensione ai Capi degli Switches Inizio Ripartizione 2∆V Fine Ripartizione 0 V Inizio Semiperiodo Successivo -2Vdd Fine Semiperiodo Successivo -2Vdd + 2∆V Dickson Charge Pump

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

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

Tensione ai Capi degli Switches Bootstrap Charge Pump VS Istante Tensione ai Capi degli Switches Inizio Ripartizione 2∆V Fine Ripartizione 0 V Inizio Semiperiodo Successivo -2Vdd Fine Semiperiodo Successivo -2Vdd + 2∆V Bootstrap Charge Pump

Tensione ai Capi degli Switches Bootstrap Charge Pump VS Istante Tensione ai Capi degli Switches Inizio Ripartizione 2∆V Fine Ripartizione 0 V Inizio Semiperiodo Successivo -2Vdd Fine Semiperiodo Successivo -2Vdd + 2∆V Bootstrap Charge Pump

Tensione ai Capi degli Switches Bootstrap Charge Pump VS = -2Vdd VS 0 V Istante Tensione ai Capi degli Switches Inizio Ripartizione 2∆V Fine Ripartizione 0 V Inizio Semiperiodo Successivo -2Vdd Fine Semiperiodo Successivo -2Vdd + 2∆V Bootstrap Charge Pump

Tensione ai Capi degli Switches Bootstrap Charge Pump VS = -2Vdd VS = ∆V 0 V  Vdd 0 V Istante Tensione ai Capi degli Switches Inizio Ripartizione 2∆V Fine Ripartizione 0 V Inizio Semiperiodo Successivo -2Vdd Fine Semiperiodo Successivo -2Vdd + 2∆V Bootstrap Charge Pump

Tensione ai Capi degli Switches Bootstrap Charge Pump VS Istante Tensione ai Capi degli Switches Inizio Ripartizione 2∆V Fine Ripartizione 0 V Inizio Semiperiodo Successivo -2Vdd Fine Semiperiodo Successivo -2Vdd + 2∆V Bootstrap Charge Pump

Tensione ai Capi degli Switches Bootstrap Charge Pump VS = -2Vdd VS  0 V ≥ 2Vdd Istante Tensione ai Capi degli Switches Inizio Ripartizione 2∆V Fine Ripartizione 0 V Inizio Semiperiodo Successivo -2Vdd Fine Semiperiodo Successivo -2Vdd + 2∆V Bootstrap Charge Pump

Tensione ai Capi degli Switches Bootstrap Charge Pump VS = -2Vdd VS = 2 ∆V 0 V  Vdd 0 V Istante Tensione ai Capi degli Switches Inizio Ripartizione 2∆V Fine Ripartizione 0 V Inizio Semiperiodo Successivo -2Vdd Fine Semiperiodo Successivo -2Vdd + 2∆V Bootstrap Charge Pump

Bootstrap Charge Pump Bootstrap Charge Pump

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

Charge Pump Doppio Charge Pump Doppio

Charge Pump Riconfigurabile

Latch Charge Pump Latch Charge Pump

Charge Pump Serie-Parallelo

Charge Pump Serie-Parallelo

Charge Pump Serie-Parallelo