Confrontation entre CWCP et DLCP

Pour un système nécessitant une élévation de la tension d'alimentation, les concepteurs de circuits intégrés ont le choix entre plusieurs topologies de pompes de charge. Nous venons de présenter en détail le fonctionnement et la modélisation d'une CWCP. Il est maintenant im-portant de déterminer l'intérêt de l'utilisation d'une CWCP par rapport aux autres pompes de charge. Pour ce faire, grâce aux logiciels de modélisation des pompes de charge que nous avons développé, nous allons opposer les CWCP aux DLCP. Confronter deux pompes de charges né-cessite de comparer, pour un même cahier des charges, la surface occupée sur silicium ou encore le rendement. Dans un premier temps, nous regardons, pour des spécications identiques, la surface occupée par une capacité de cellule d'une CWCP et celle occupée par une capacité de cellule de DLCP. En eet, la surface totale d'une pompe de charge dépend de surfaces in-compressibles comme celle des transistors haute-tensions ou encore des buers d'horloge, mais surtout des surfaces de toutes les capacités de cellule. Confronter les surfaces des capacités de cellule d'une CWCP et d'une DLCP nous donne une bonne estimation du gain en surface to-tale obtenue entre ces deux pompes de charge. En eet, les CWCP et DLCP utilisent le même nombre de transistors de commutation qui correspondra à une surface xe égale aux deux struc-tures. Les CWCP n'utilisent que deux buers d'horloge comparés aux 2N buers dans le cas d'une DLCP. Ainsi une CWCP ayant la même surface de capacité de cellule qu'une DLCP sera toujours plus petite. De ce fait, en comparant les seules surfaces des capacités de cellule d'une CWCP et d'une DLCP, l'information extraite nous permettra d'estimer le gain en surface d'une pompe de charge (par exemple d'une CWCP) par rapport à une autre (par exemple une DLCP). Nous comparons sur les gures 5.15 des CWCP et des DLCP possédant deux étages (gure 5.15(a) et (b)) ou trois étages (gure 5.15(c) et (d)). Ces pompes de charge délivrent en sortie un courant Iout de 100 µA pour les pompes de charge à deux étages, et de 10 µA pour les pompes de charge à trois étages. La fréquence d'horloge est de 10 MHz. Nous basons notre étude sur les paramètres technologiques de la technologie CMOS 0,35 µm HV d'AMS. Ainsi, pour cette étude, les coecients des capacités parasites Cbot et Ctop des CWCP valent respectivement

(a) N = 2 et Iout= 100 µA (b) N = 2 et Iout = 100 µA

(c) N = 3 et Iout = 10 µA (d) N = 3 et Iout= 10 µA

Figure 5.15  Estimation de la surface d'une capacité de cellule d'une CWCP et d'une DLCP en fonction de la tension de sortie et du nombre d'étages des pompes de charge (a) N = 2 et (c) N = 3. Gain en surface de la capacité de cellule d'une CWCP par rapport à la capacité de cellule d'une DLCP en fonction de la tension de sortie et du nombre d'étages des pompes de charge (b) N = 2 et (d) N = 3. Pour les deux pompes de charge, nous imposons VDD = 3, 3V, fClk = 10MHz et αtop = 1%. Pour la CWCP, αbot= 14%. Pour les pompes de charge à 2 et 3 étages, les courants demandés en sortie sont respectivement de 100 µA (a) et 10 µA (c).

qu'une CWCP débitant un courant relativement important, ore un gain en surface par rap-port à une DLCP pour un nombre d'étages limité, au maximum deux étages. Dans ce cas de gure (illustré gure 5.15(a)), le gain en surface est positif jusqu'à environ deux fois la tension d'alimentation. Au delà d'un nombre d'étages de deux, pour des courants Ioutélevés, une DLCP sera préférée à la CWCP.

(a) N = 2 et Iout= 100 µA (b) N = 2 et Iout = 100 µA

(c) N = 3 et Iout = 10 µA (d) N = 3 et Iout= 10 µA

Figure 5.16  Estimation du rendement d'une CWCP et d'une DLCP en fonction de la tension de sortie et du nombre d'étages des pompes de charge (a) N = 2, Iout = 100 µA et (c) N = 3, Iout = 10 µA. Gain en rendement d'une CWCP par rapport à celui d'une DLCP en fonction de la tension de sortie et du nombre d'étages des pompes de charge (b) N = 2, Iout = 100 µA et (d) N = 3, Iout= 10 µA. Pour les deux pompes de charge, nous imposons VDD = 3, 3 V, fClk = 10 MHz et αtop = 1 %. Pour la CWCP, αbot= 14 %.

D'une manière générale, en s'aranchissant de la technologie, il est possible de déterminer précisément jusqu'à quel nombre d'étages une CWCP est préférée à une DLCP dans l'optique d'un gain en surface. En eet, si nous considérons une CWCP sans capacité parasite (cas

idéal), l'expression de la tension de sortie Vout s'exprime par la relation (5.42). Nous avons vu dans le chapitre précédent que la tension de sortie d'une DLCP idéale s'exprime par : V_out = (N + 1)V_DD− N ∆V. Ainsi, pour respecter un même cahier des charges, la capacité de cellule d'une CWCP devra être de ^2N

2+ 3N + 1 6

!

fois plus grande que la capacité d'une DLCP, ce qui donne respectivement pour les cinq premiers termes : 1, 2.5, 4.67, 7.5, 11. En conséquence, le rapport de capacité surfacique entre capacité haute tension et capacité basse tension détermine le nombre d'étages maximal pour qu'une CWCP soit préférée à une DLCP. En eet, si le rapport surfacique vaut comme dans notre technologie 3.4 (valeur brute, qui tient compte uniquement du rapport capacité par unité de surface), nous voyons que nous sommes gagnant en surface pour un nombre d'étages inférieur à trois. Cette valeur limite est indépen-dante des capacités parasites et du courant demandé. Les capacités parasites dégradent les performances des pompes de charge et ont tendance à faire chuter le nombre d'étages limite, d'où la limite de deux étages trouvés gure 5.15.

Après cette confrontation en surface, nous pouvons nous intéresser aux rendements proposés par ces deux pompes de charge. Nous illustrons la confrontation sur les gures 5.16. Nous pou-vons constater que la CWCP propose un meilleur rendement que la DLCP uniquement pour un nombre d'étages de deux et une plage réduite de tensions de sortie : jusqu'à 6,6 V. Dans ce cas de gure, le gain en rendement est relativement faible, quelques pourcents. Pour des CWCP à trois étages, même pour des courants faibles, 10 µA, le rendement est meilleur pour une DLCP que pour une CWCP.

L'étude en surface et en rendement semble montrer les limites des CWCP. Une dernière confrontation nous permet de trancher quant aux domaines d'utilisation de l'une ou de l'autre pompe de charge : la confrontation des gures de mérite. Nous rappelons que la gure de mérite (ou facteur de mérite) correspond au rapport entre le rendement et la surface d'une pompe de charge. Nous présentons gures 5.17 les résultats des confrontations en gure de mérite. Les résultats traduisent le fait que le facteur de mérite d'une CWCP sera meilleur que celui d'une DLCP, respectant le même cahier des charges, uniquement dans peu de cas : une pompe de charge à deux étages pour des gammes de tensions allant jusqu'au doublement de la tension d'alimentation. En dehors de ces cas, les DLCP seront préférées sur le plan du facteur de mérite. De manière générale, avec les technologies usuelles actuelles, une CWCP classique sera donc utilisée pour doubler voir tripler la tension d'alimentation. Notons qu'une diminution des capa-cités parasites rendrait plus performantes les CWCP. Dans tous les cas, les pompes de charge de type CWCP semblent limitées face aux performances des DLCP. Nous proposons, dans la sec-tion suivante, d'améliorer les CWCP classiques en utilisant à bon escient les capacités parasites.

(a) N = 2 et Iout= 100 µA (b) N = 2 et Iout = 100 µA

(c) N = 3 et Iout = 10 µA (d) N = 3 et Iout= 10 µA

Figure 5.17  Confrontation des facteurs de mérite d'une CWCP et d'une DLCP en fonction de la tension de sortie et du nombre d'étages des pompes de charge (a) N = 2, Iout = 100 µA et (c) N = 3, Iout= 10 µA. Gain en facteur de mérite d'une CWCP par rapport celui d'une DLCP en fonction de la tension de sortie et du nombre d'étages des pompes de charge (b) N = 2, Iout = 100 µA et (d) N = 3, Iout= 10 µA. Pour les deux pompes de charge, nous imposons VDD = 3, 3 V, fClk = 10 MHz et αtop = 1 %. Pour la CWCP, αbot= 14 %.

5.3 Nouvelle proposition de circuit : amélioration de la