论文部分内容阅读
[摘 要]静电驱动MEMS开关牢靠工作需求较高的驱动电压，大多数射频前端体系很难直接供给，因而需求一种完成电压变换和操控的专用芯片，以满意 MEMS 开关的实用化需求。根据200V SOI CMOS技术规划的高升压倍数MEMS开关驱动电路，选用低击穿电压的Cockcroft-Walton电荷泵构造，联系特有的Trench技术使电路的性能大大进步。仿真效果显现驱动电路在5V电源电压、0.2pF电容和1GΩ电阻并联负载下，输出电压到达。
[关键词]MEMS；开关驱动；电路；规划
中图分类号：TN492 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2017）41-0108-01
导语
近幾年来，微机电体系（MEMS）研讨得到了迅猛的开展。作为MEMS的重要分支之一，RF MEMS研讨也取得了显着效果。RF MEMS开关的驱动一般包含热驱动、压电驱动、静电驱动等方式，静电驱动因具有功耗低、呼应速度快、易集成的特色，在实际使用中最具潜力。但静电驱动开关的驱动电压较高，现在文献记载开关牢靠工作的电压一般需求30V～90V]。这对向低功耗低工作电压方向开展的电路体系是个挑战，体系一般无法直接供给如此高的驱动电压，规划一种CMOS高压驱动电路无疑是处理该疑问的要害之一。现在根据电荷泵完成的CMOS驱动电路具有低功耗易集成的特色，但一般电荷泵完成的升压倍数只需几倍。关于请求低输入电压、高输出电压的MEMS开关驱动电路，升压倍数一般要到达十几倍，完成如此高升压倍数的电路鲜有文献报道。相对而言，低升压倍数的电荷泵对比简略完成，跟着升压倍数的进步，电荷泵的级数添加，电路寄生效应影响加重，持续添加电荷泵的级数终究无法完成升压倍数进步，反而会使其下降。因而必须改进电路，减小寄生效应影响，完成升压倍数持续进步。但升压倍数的添加，电路中各器材的电压击穿也变成疑问，这些都是高升压倍数电荷泵电路规划所面对的难点。
1 技术完成
电路选用SOI 200V CMOS技术完成，该技术的器材分低压和高压两种，其间5V低压器材包含PIP电容、电阻、PMOS管和NMOS管。200V高压器材包含PMOS管和NMOS管，该两种高压管又别离分为栅压5V和200V的高压管。技术的特色是选用SOI片为衬底，SOI片的载片电阻率>6000Ω·cm，别的特有的Trench技术，完成器材层中各MOS管衬底彻底彼此阻隔，其间Trench构造技术选用电感耦合等离子体（ICP）设备刻蚀器材层的硅至二氧化硅层，构成具有必定平面图形的浅槽，再选用以二氧化硅为主要成分的绝缘介质填充浅槽，平整化绝缘介质，终究构成该Trench构造。经过关闭的环状Trench构造与SOI片的二氧化硅层联系，使环内MOS管衬底被彻底包裹，与周围衬底电学阻隔，该MOS管衬底从而可以设置独立的偏置电压。与传统井阻隔技术比较，其寄生电容大大减小，衬底偏置电压设置规模也显着增大，只需低于阻隔介质的击穿电压即可。
2 电路拓扑构造
这篇文章的CMOS驱动电路工作原理，全部电路选用开环操控。振动器输出差分振动信号给缓冲器，缓冲器把信号转化成差分方波信号，输出给电荷泵，电荷泵在差分信号的效果下升压，发生的高压供给给输出操控器，输出操控器根据操控信号，输出MEMS开关的驱动电压，完成对MEMS开关的操控。
2.1 振动器
振动器的效果是发生差分振动信号，输出给缓冲器。振动器由两组三级级联的反相器构成，中心4个反相器起耦合效果，保证输出差分振动信号。该构造的振动器具有功耗低、构造简略长处。振动频率调理可经过调理反相器中MOS管尺度和反相器的级数完成，这篇文章规划的振动器频率约为3MHz。
2.2 缓冲器
缓冲器用于把来自振动器的差分振动信号变换成差分方波信号。缓冲器分红两个独立子单元，别离把差分振动信号经过三级反相器转化成差分方波信号，输出给电荷泵。由于输出方波直接驱动电荷泵，容性负载较大，所以缓冲器请求具有较大的驱动才能。
3 地图规划
电荷泵中一切MOS管选用Trench技术阻隔，保证每个管子衬底可以具有独立的偏置电压。一切电荷泵子单元中C1、Mp1和Mn1放置在一侧，C2、Mp2和Mn2对称放置在另一侧，别离选用大Trench环包围，使同相信号的器材放置在一样的大Trench环内。使用Trench技术的二氧化硅绝缘性和载片的高阻特性，显着减小电路中差分信号间的耦合，电路的功率大大进步。后仿效果显现，一样负载下电荷泵输出电压从原先40V以下，最终提升到80V以上。全部电路地图有6个焊盘，VDD为芯片电源端口，GND為芯片接地端口。具有ESD保护的CTR端口用于外界操控信号输入，操控V_out端口的输出电压。VT和EX_CP端口用于测验电荷泵发生的高电压。由于电路带负载才能较差，电压测验仪器无法直接从端口V_out取得电压值，需从内部规划的专用测验电路得到。全部芯片面积约2mm2，电容占有全体地图面积80%以上。
4 仿真效果
理论剖析和仿真发现电荷泵电路对寄生电容十分灵敏，SOI片的载片改成高阻并运用Trench技术和地图优化规划等技术显着降低了电路寄生电容。选用maxwell和calibre仿真东西获取电路寄生参数，在cadence软件下进行电路后仿，得到振动器起振过程。振动器在0.5μs内起振，振动频率约3MHz。在5V电源电压、0.2pF电容和1GΩ电阻并联负载、typical技术角下仿真得到的电路输出电压为82.7V，功耗0.65mW。V_out端输出电压的瞬态仿真效果。
5 结束语
这篇文章给出了一种MEMS开关驱动电路的规划，电路根据SOI200VCMOS技术完成，地图全体面积约2mm2。共同的Trench技术使每个MOS管衬底可以具有不一样的偏置电压，比较传统井阻隔技术，衬底偏置电压可设置规模显着增大，寄生电容减小。Trench技术、高阻载片及地图优化规划等办法使得电路的寄生参数大大降低，功率显着进步。仿真效果显现，在5V电源电压、0.2pF电容和1GΩ电阻并联负载下，输出电压到达82.7V，满意大部分MEMS开关的驱动需求。一起该电路还可使用于其他大电压小电流的静电驱动MEMS器材。经过扩展多个输出操控器，电路可操控由多个MEMS器材构成的模块，如MEMS移相器、MEMS滤波器、MEMS衰减器、MEMS开关阵列等，因而具有极好的使用远景。
参考文献
[1] 李德安，梅当民，范涛，袁国顺.一种高压自适应频率电荷泵[J].电子技术应用，2014（2）.
[2] 杨玉飞，李瑞，任志伟.一种高效率低功耗的电荷泵设计[J].微处理机.2013（06）.
[关键词]MEMS；开关驱动；电路；规划
中图分类号：TN492 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2017）41-0108-01
导语
近幾年来，微机电体系（MEMS）研讨得到了迅猛的开展。作为MEMS的重要分支之一，RF MEMS研讨也取得了显着效果。RF MEMS开关的驱动一般包含热驱动、压电驱动、静电驱动等方式，静电驱动因具有功耗低、呼应速度快、易集成的特色，在实际使用中最具潜力。但静电驱动开关的驱动电压较高，现在文献记载开关牢靠工作的电压一般需求30V～90V]。这对向低功耗低工作电压方向开展的电路体系是个挑战，体系一般无法直接供给如此高的驱动电压，规划一种CMOS高压驱动电路无疑是处理该疑问的要害之一。现在根据电荷泵完成的CMOS驱动电路具有低功耗易集成的特色，但一般电荷泵完成的升压倍数只需几倍。关于请求低输入电压、高输出电压的MEMS开关驱动电路，升压倍数一般要到达十几倍，完成如此高升压倍数的电路鲜有文献报道。相对而言，低升压倍数的电荷泵对比简略完成，跟着升压倍数的进步，电荷泵的级数添加，电路寄生效应影响加重，持续添加电荷泵的级数终究无法完成升压倍数进步，反而会使其下降。因而必须改进电路，减小寄生效应影响，完成升压倍数持续进步。但升压倍数的添加，电路中各器材的电压击穿也变成疑问，这些都是高升压倍数电荷泵电路规划所面对的难点。
1 技术完成
电路选用SOI 200V CMOS技术完成，该技术的器材分低压和高压两种，其间5V低压器材包含PIP电容、电阻、PMOS管和NMOS管。200V高压器材包含PMOS管和NMOS管，该两种高压管又别离分为栅压5V和200V的高压管。技术的特色是选用SOI片为衬底，SOI片的载片电阻率>6000Ω·cm，别的特有的Trench技术，完成器材层中各MOS管衬底彻底彼此阻隔，其间Trench构造技术选用电感耦合等离子体（ICP）设备刻蚀器材层的硅至二氧化硅层，构成具有必定平面图形的浅槽，再选用以二氧化硅为主要成分的绝缘介质填充浅槽，平整化绝缘介质，终究构成该Trench构造。经过关闭的环状Trench构造与SOI片的二氧化硅层联系，使环内MOS管衬底被彻底包裹，与周围衬底电学阻隔，该MOS管衬底从而可以设置独立的偏置电压。与传统井阻隔技术比较，其寄生电容大大减小，衬底偏置电压设置规模也显着增大，只需低于阻隔介质的击穿电压即可。
2 电路拓扑构造
这篇文章的CMOS驱动电路工作原理，全部电路选用开环操控。振动器输出差分振动信号给缓冲器，缓冲器把信号转化成差分方波信号，输出给电荷泵，电荷泵在差分信号的效果下升压，发生的高压供给给输出操控器，输出操控器根据操控信号，输出MEMS开关的驱动电压，完成对MEMS开关的操控。
2.1 振动器
振动器的效果是发生差分振动信号，输出给缓冲器。振动器由两组三级级联的反相器构成，中心4个反相器起耦合效果，保证输出差分振动信号。该构造的振动器具有功耗低、构造简略长处。振动频率调理可经过调理反相器中MOS管尺度和反相器的级数完成，这篇文章规划的振动器频率约为3MHz。
2.2 缓冲器
缓冲器用于把来自振动器的差分振动信号变换成差分方波信号。缓冲器分红两个独立子单元，别离把差分振动信号经过三级反相器转化成差分方波信号，输出给电荷泵。由于输出方波直接驱动电荷泵，容性负载较大，所以缓冲器请求具有较大的驱动才能。
3 地图规划
电荷泵中一切MOS管选用Trench技术阻隔，保证每个管子衬底可以具有独立的偏置电压。一切电荷泵子单元中C1、Mp1和Mn1放置在一侧，C2、Mp2和Mn2对称放置在另一侧，别离选用大Trench环包围，使同相信号的器材放置在一样的大Trench环内。使用Trench技术的二氧化硅绝缘性和载片的高阻特性，显着减小电路中差分信号间的耦合，电路的功率大大进步。后仿效果显现，一样负载下电荷泵输出电压从原先40V以下，最终提升到80V以上。全部电路地图有6个焊盘，VDD为芯片电源端口，GND為芯片接地端口。具有ESD保护的CTR端口用于外界操控信号输入，操控V_out端口的输出电压。VT和EX_CP端口用于测验电荷泵发生的高电压。由于电路带负载才能较差，电压测验仪器无法直接从端口V_out取得电压值，需从内部规划的专用测验电路得到。全部芯片面积约2mm2，电容占有全体地图面积80%以上。
4 仿真效果
理论剖析和仿真发现电荷泵电路对寄生电容十分灵敏，SOI片的载片改成高阻并运用Trench技术和地图优化规划等技术显着降低了电路寄生电容。选用maxwell和calibre仿真东西获取电路寄生参数，在cadence软件下进行电路后仿，得到振动器起振过程。振动器在0.5μs内起振，振动频率约3MHz。在5V电源电压、0.2pF电容和1GΩ电阻并联负载、typical技术角下仿真得到的电路输出电压为82.7V，功耗0.65mW。V_out端输出电压的瞬态仿真效果。
5 结束语
这篇文章给出了一种MEMS开关驱动电路的规划，电路根据SOI200VCMOS技术完成，地图全体面积约2mm2。共同的Trench技术使每个MOS管衬底可以具有不一样的偏置电压，比较传统井阻隔技术，衬底偏置电压可设置规模显着增大，寄生电容减小。Trench技术、高阻载片及地图优化规划等办法使得电路的寄生参数大大降低，功率显着进步。仿真效果显现，在5V电源电压、0.2pF电容和1GΩ电阻并联负载下，输出电压到达82.7V，满意大部分MEMS开关的驱动需求。一起该电路还可使用于其他大电压小电流的静电驱动MEMS器材。经过扩展多个输出操控器，电路可操控由多个MEMS器材构成的模块，如MEMS移相器、MEMS滤波器、MEMS衰减器、MEMS开关阵列等，因而具有极好的使用远景。
参考文献
[1] 李德安，梅当民，范涛，袁国顺.一种高压自适应频率电荷泵[J].电子技术应用，2014（2）.
[2] 杨玉飞，李瑞，任志伟.一种高效率低功耗的电荷泵设计[J].微处理机.2013（06）.