專利名稱：基于反饋的電荷泵電路的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種電荷泵電路，特別涉及一種基于反饋的電荷泵電路。它直接應(yīng)用 的領(lǐng)域是大于電源電壓的高電壓驅(qū)動的數(shù)字模擬混合電路。
背景技術(shù)：
在數(shù)字模擬混合電路中，隨著電源電壓的進(jìn)一步降低，一些模擬開關(guān)在正常的電 源電壓范圍內(nèi)不能充分導(dǎo)通，甚至不導(dǎo)通。因此，需要有能夠產(chǎn)生高電壓(大于電源電壓) 的電荷泵電路，用于驅(qū)動有高電壓需求的模擬開關(guān)。目前，傳統(tǒng)的電荷泵電路是基于Dickson提出的電荷泵電路，這類電荷泵電路的 增益為 電荷泵增益為每個電荷泵級增加的電壓值，式中，Δ V為電荷泵增益，Vdd為泵節(jié)點 的電壓變化(此時等于電源電壓)，cp_為泵電容，Cparasitic為寄生電容，Vtta為NMOS晶體管 的閾值電壓。電荷泵電路的輸出電壓為Vout = VDD+n · Δ V(2)式中，Vott為輸出電壓，η為電荷泵的級數(shù)。由⑴式可知，電荷泵增益是泵節(jié)點的電壓變化分壓減去NMOS管的閾值電壓的差 值，若采用的Vdd為3. 3V，Vthn為0. 8V, Cpimp遠(yuǎn)大于CpaMsiti。，則電荷泵增益僅為泵節(jié)點電壓變 化的75%左右，因此傳統(tǒng)的電荷泵電路的增壓效率不高；由(2)式可知，增大或減小VqutR 能增加或減小電荷泵的級數(shù)n，由于Vot只能增大或減小△ V的整數(shù)倍，導(dǎo)致傳統(tǒng)電荷泵電 路的輸出電壓不能連續(xù)調(diào)節(jié)；另外，傳統(tǒng)電荷泵電路是以單通道方式向負(fù)載充電，因此，充 電速度也較慢。

發(fā)明內(nèi)容
為克服傳統(tǒng)電荷泵電路的增壓效率不高、輸出電壓不能連續(xù)調(diào)節(jié)、充電速度慢的 問題，本發(fā)明提供一種能夠提供高電壓(大于電源電壓)的基于反饋的電荷泵電路。為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明解決上述技術(shù)問題所采取的技術(shù)方案在于一種基于反 饋的電荷泵電路，它含有一個高電壓產(chǎn)生單元，包括PMOS管P1 P5、匪OS管N1 N8、電容C1 C4,其中，P1的柵極接此高電壓產(chǎn)生單 元的輸入端VpP1的源極接電源Vdi^P1的漏極與P2的源極及襯底、P3的源極及襯底相接，并 與C1的上極板連接在一起，C1的下極板接地Vss，P2, N1的柵極接第一時鐘端CLK1, P3、N2的 柵極接第二時鐘端CLKyPpN1的漏極與C3的下極板相接，P3、N2的漏極與C2的下極板相接， N1, N2的源極接地Vss，N3的源極與N5的源極、N6的柵極、P4的柵極、P5的漏極、N8的漏極相接，并與C2的上極板連接在一起，N4的源極與N6的源極、N5的柵極、P5的柵極、P4的漏極、 N7的漏極相接，并與C3的上極板連接在一起，N3的柵極、N3的漏極、N4的柵極、N4的漏極、N5 的漏極、N6的漏極都接電源VDD，N7的柵極接第二時鐘端CLK2, N8的柵極接第一時鐘端CLK1, N7的源極與P4的源極、P4的襯底、P5的源極、P5的襯底、N8的源極相接，并與C4的上極板連 接在一起，其連接點為此高電壓產(chǎn)生單元的輸出端，即整個電荷泵電路的輸出端VOTT，C4的 下極板接地Vss ；和一個降壓單元，包括PMOS管P6 P7、匪OS管N9 N14、電容C5 C7,其中，N9的源極、P6的源極、P6的 襯底、P7的源極、P7的襯底、Nltl的源極都與此降壓單元的輸入端，即高壓產(chǎn)生單元的輸出端 Vout相接，N9的漏極與P6的漏極、N11的漏極、N12的漏極、P7的柵極、N13的柵極相接，并與C5 的上極板連接在一起，N10的漏極與P7的漏極、N13的漏極、N14的漏極、P6的柵極、N12的柵極 相接，并與C6的上極板連接在一起，N9的柵極與C5的下極板、N14的柵極與第二時鐘端CLK2 相接，N10的柵極、C6的下極板、N11的柵極與第一時鐘端CLK1相接，N11的源極與N12的源極、 N13的源極、N14的源極相接，并與C7的上極板連接在一起，其連接點為此降壓單元的輸出端 Vfb，C7的下極板接地Vss ；和一個反饋控制單元，包括PMOS管P8 P9、NMOS管N15 N18，其中，P8的源極、P9的源極接電源Vdd，P8的柵極 及漏極、P9的柵極與N5的漏極相接，P9的漏極與N16的漏極相接，其接點為此反饋控制單元 的輸出端、，即高壓產(chǎn)生單元的輸入端Vj，N15的柵極接此反饋控制單元的輸入端，即降壓單 元的輸出端Vfb，N16的柵極接此反饋控制單元的輸入Vkef，N15的源極、N16的源極與N17的漏 極相接，N17的柵極、N18的柵極、N18的漏極都與此反饋控制單元的輸入端Ibias相接，N17的源 極、N18的源極均接地Vss。所述電荷泵電路能夠產(chǎn)生連續(xù)變化的輸出電壓值，且輸出電壓大于電源電壓。所述電荷泵電路能夠利用反饋功能來調(diào)節(jié)電荷泵的輸出電壓，使輸出電壓隨輸入 電壓的變化而變化。所述電荷泵電路的電荷泵增益與MOS管的閾值電壓無關(guān)。 所述電荷泵電路包含兩個充電通路，在時鐘的控制下，交替向負(fù)載充電。有益效果本發(fā)明的基于反饋的電荷泵電路包括一個高電壓產(chǎn)生單元、一個降壓單元和一個 反饋控制單元，與傳統(tǒng)電荷泵電路相比，它具有以下特點1.傳統(tǒng)電荷泵電路只包含一個高壓產(chǎn)生單元，而本發(fā)明的電荷泵電路在傳統(tǒng)電荷 泵電路基礎(chǔ)上增加了一個降壓單元和一個反饋控制單元，充分利用反饋的功能來調(diào)節(jié)電荷 泵的輸出電壓。2.傳統(tǒng)電荷泵電路的電荷泵增益受閾值電壓影響，導(dǎo)致其增壓效率低，而本發(fā)明 的電荷泵電路，其電荷泵增益與MOS管的閾值電壓無關(guān)，能使增壓效率提高20%以上。3.傳統(tǒng)電荷泵電路僅有一個充電通路，在時鐘控制下，泵電容需要半個時鐘周期 預(yù)充電，再用半個時鐘周期向負(fù)載充電，因此充電速度較慢，而本發(fā)明的電荷泵電路采用兩 個充電通路，交替向負(fù)載充電方式，使泵電容在整個時鐘周期內(nèi)都在向負(fù)載充電，再加上增 壓效率的提高，因此充電速度提高到兩倍以上。
4.傳統(tǒng)電荷泵電路中，改變輸出電壓值通過改變電荷泵的級數(shù)實現(xiàn)，每級電荷泵 增益固定，只能得到一些離散的電壓值，因此其輸出電壓值不連續(xù)，而本發(fā)明的電荷泵電 路，通過連續(xù)改變反饋控制單元的輸入電壓即可實現(xiàn)電荷泵輸出電壓的連續(xù)調(diào)節(jié)，因此可 以得到一定范圍內(nèi)的任意輸出電壓值。綜上所述，本發(fā)明的基于反饋的電荷泵電路同時具增壓效率高、充電速度快、輸出 電壓值連續(xù)的優(yōu)點，有效克服了傳統(tǒng)電荷泵電路的增壓效率低、輸出電壓值離散、充電速度 慢的缺點。


圖1是本發(fā)明的基于反饋的電荷泵電路的總體電路框圖；圖2是本發(fā)明圖1中的高電壓產(chǎn)生單元的電路圖；圖3是本發(fā)明圖1中的降壓單元的電路圖；圖4是本發(fā)明圖1中的反饋控制單元的電路圖。
具體實施例方式本發(fā)明的具體實施方式
不僅限于下面的描述，現(xiàn)結(jié)合附圖加以進(jìn)一步說明。本發(fā)明具體實施的一種基于反饋的電荷泵電路總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。它由一個高 壓產(chǎn)生單元、一個降壓單元和一個反饋控制單元組成。其中，高壓產(chǎn)生單元的電路圖如圖2 所示，包括=PMOS管P1 P5、匪OS管N1 N8、電容C1 C4,高壓產(chǎn)生單元用于產(chǎn)生大于電源 電壓的高電壓。降壓單元的電路圖如圖3所示，包括PM0S管P6 P7、匪OS管N9 N14、電 容C5 C7，降壓單元將高電壓降低到電源電壓范圍內(nèi)，以便于反饋控制單元進(jìn)行比較反饋。 反饋控制單元的電路圖如圖4所示，包括PMOS管P8 P9、NMOS管N15 N18，反饋控制單元 將輸出電壓經(jīng)降壓后的值與輸入電壓進(jìn)行比較，比較的結(jié)果用于控制高壓產(chǎn)生電路，實現(xiàn) 對電荷泵電路輸出高電壓的反饋控制。圖2中的具體連接關(guān)系與本說明書的發(fā)明內(nèi)容部分相同，此處不再重復(fù)。它的工 作原理如下時鐘CLK1和CLK2為兩相非交疊時鐘，當(dāng)CLK1為高電平、CLK2為低電平時，N1導(dǎo)通， C3底極板接地，N4或N6為C3充電(初態(tài)時N4為C3充電，穩(wěn)態(tài)時，N6為C3充電)，穩(wěn)態(tài)時C3 上極板充電到Vdd當(dāng)CLK1為低電平、CLK2為高電平時，P2導(dǎo)通，C3底極板與C1上極板相連 (C1上極板電壓穩(wěn)態(tài)時為V1)，因此由C3上極板節(jié)點電荷守恒，可得穩(wěn)態(tài)時C3上極板電壓被 舉高到
(3)式中，Cp3SC3上極板節(jié)點的寄生電容。同理，當(dāng)CLK1為低電平、CLK2為高電平時，穩(wěn)態(tài)時C2上極板充電到Vdd ；當(dāng)CLK1為 高電平、CLK2為低電平時，穩(wěn)態(tài)時C2上極板電壓被舉高到 式中，Cp2為C2上極板節(jié)點的寄生電容。
由于電路采用對稱設(shè)計，因此C2 = C3 = C2,3(5)Cp2 = Cp3 = Cp2,3(6)有(3) (6)式可得V3 = V2 = Vdd+ Δ V1(7)其中 若AV1 > |Vthp(9)式中，Vthp為PMOS晶體管的閾值電壓。當(dāng)CLK1為高電平、CLK2為低電平時，初態(tài)時，P4、P5、N7截止，N8導(dǎo)通，C2向C4充電； 穩(wěn)態(tài)時，由于C2上極板電壓被舉高至IJ (Vdi^AV1)，C3上極板電壓為VDD，由(9)式可知，P4、N7、 N8截止，P5導(dǎo)通，CdfC4上極板充電到(Vi^AV1)15當(dāng)CLK1為低電平、CLK2為高電平時，初態(tài) 時，P4、P5、N8截止，N7導(dǎo)通，C3向C4充電；穩(wěn)態(tài)時，由于C3上極板電壓被舉高到(Vd^AV1)jC2 上極板電壓為VDD，由(9)式可知，P5、N7、N8截止，P4導(dǎo)通，CdfC4上極板充電到(Vdd+Δ V1)。 可見，在時鐘CLK1和CLK2的控制下，C2和C3交替的向C4充電，最終使C4上極板電壓，即輸 出電壓達(dá)到以下穩(wěn)定值Vout = Vd^AV1(10)圖3中的具體連接關(guān)系與本說明書的發(fā)明內(nèi)容部分相同，此處不再重復(fù)。它的工 作原理如下當(dāng)CLK1為高電平、CLK2為低電平時，初態(tài)時，P6> P7> N9截止，Nltl導(dǎo)通，Vqut向C6充 電，N12> N13、N14截止，N11導(dǎo)通，C5向C7充電；穩(wěn)態(tài)時，P6, N9, N10截止，P7導(dǎo)通，Nn、N13、N14截 止，N12導(dǎo)通。此時，C6上極板電壓為Vott，由C5上極板節(jié)點電荷守恒，可得C5上極板電壓為 式中，Cp5為C5上極板節(jié)點的寄生電容，此時，C5將C7上極板充電到V5。當(dāng)CLK1為低電平、CLK2為高電平時，初態(tài)時，P6> P7> N10截止，N9導(dǎo)通，Vqut向C5充 電，Nn、N12, N13截止，N14導(dǎo)通，C6向C7充電；穩(wěn)態(tài)時，P7, N9, N10截止，P6導(dǎo)通，Nn、N12、N14截 止，N13導(dǎo)通。此時，C5上極板電壓為Vott，由C6上極板節(jié)點電荷守恒，可得C6上極板電壓為 式中，Cp6為C6上極板節(jié)點的寄生電容，此時，C6將C7上極板充電到\。由于電路采用對稱設(shè)計，因此有C5 = C6 = C5,6(13)Cp5 = Cp6 = Cp5,6(14)由(11) (14)式，可得V5 = V6 = Vout- Δ V2(15)_5]式中 可見，C5與C6在時鐘控制下，交替的被Vott充電，并向C7充電，得到Vott經(jīng)降壓后 的值Vfb = V5 = V6 = Vout-AV2(17)圖4中的具體連接關(guān)系與本說明書的發(fā)明內(nèi)容部分相同，此處不再重復(fù)。它的工 作原理如下Ibias為偏置電流輸入端，通過N18向N17的鏡像，為運放提供偏置，Vkef為輸入電壓。 當(dāng)Vfb小于Vkef時，Vt減小，使圖2中V1升高，由(8)和(10)式可知，穩(wěn)態(tài)時，Vott將升高；當(dāng) Vfb大于Vkef時，Vt增大，使圖2中V1降低，由(8)和式(10)式可知，穩(wěn)態(tài)時Vott將降低；直 到Vfb等于Veef時，Vout達(dá)到穩(wěn)態(tài)平衡，由(16)和(17)式可知，此時，
C56Vom ^ AV2+ Vfb = Vdd X--+ Vref(18)
^5,6 + ^pS,6綜上所述，首先，對比(1)式和⑶式可知，電荷泵增益AV1與NMOS管的閾值電 壓無關(guān)，且當(dāng)泵節(jié)點的電壓變化V1 =Vdd時，本發(fā)明電路的電荷泵增益AV1較之傳統(tǒng)電荷 泵電路的電荷泵增益Δ V，增大了一個閾值電壓值Vthn，若C2,3遠(yuǎn)大于Cp2,3，則電荷泵增益約 為泵節(jié)點電壓變化的100% ；其次，由式(18)可知，由于引入了反饋，使得連續(xù)改變Vkef可 使Vott隨之連續(xù)改變，因此，本發(fā)明電路的電路結(jié)構(gòu)避免了傳統(tǒng)電荷泵電路的輸出電壓不能 連續(xù)調(diào)節(jié)的問題；同時，本發(fā)明電路采用了雙通路交替的方式，滿時鐘周期連續(xù)地向負(fù)載充 電，再加上電荷泵增益的提高，充電速度提高到傳統(tǒng)電荷泵電路的2倍以上。另外，為了進(jìn)一步提高工作速度，本發(fā)明的充放電通路上的MOS管，即P2 P7，Ni N14都采用最小的柵長。為實現(xiàn)對輸出電壓Vot的連續(xù)充電和連續(xù)采樣反饋，使C2、C3對C4 的交替充電，C5, C6對Vtm的交替采樣和降壓，本發(fā)明電路采用對稱設(shè)計，即P2、P3幾何尺寸 完全相同，N1、N2幾何尺寸完全相同，C2、C3幾何尺寸完全相同，N3、N4幾何尺寸完全相同，N5、 N6幾何尺寸完全相同，N7, N8幾何尺寸完全相同，P4、P5幾何尺寸完全相同，N9, N10幾何尺寸 完全相同，p6、P7幾何尺寸完全相同，N11、N14幾何尺寸完全相同，N12、N13幾何尺寸完全相同， P8、P9幾何尺寸完全相同，N15、N16幾何尺寸完全相同，N17和N18溝道長度相同，寬度成比例。本發(fā)明的制造工藝為通用的硅柵N阱CMOS工藝。本發(fā)明電路中的PMOS、NMOS管的基本參數(shù)為匪OS管的閾值電壓Vthn:0. 6 0. 8V;PMOS 管的閾值電壓 Vthp -0. 6 -0. 8V ；輸入電壓Vkef > IV。
權(quán)利要求
一種基于反饋的電荷泵電路，其特征在于，它含有一個高電壓產(chǎn)生單元，包括PMOS管P1～P5、NMOS管N1～N8、電容C1～C4，其中，P1的柵極接此高電壓產(chǎn)生單元的輸入端VJ，P1的源極接電源VDD，P1的漏極與P2的源極及襯底、P3的源極及襯底相接，并與C1的上極板連接在一起，C1的下極板接地VSS，P2、N1的柵極接第一時鐘端CLK1，P3、N2的柵極接第二時鐘端CLK2，P2、N1的漏極與C3的下極板相接，P3、N2的漏極與C2的下極板相接，N1、N2的源極接地VSS，N3的源極與N5的源極、N6的柵極、P4的柵極、P5的漏極、N8的漏極相接，并與C2的上極板連接在一起，N4的源極與N6的源極、N5的柵極、P5的柵極、P4的漏極、N7的漏極相接，并與C3的上極板連接在一起，N3的柵極、N3的漏極、N4的柵極、N4的漏極、N5的漏極、N6的漏極都接電源VDD，N7的柵極接第二時鐘端CLK2，N8的柵極接第一時鐘端CLK1，N7的源極與P4的源極、P4的襯底、P5的源極、P5的襯底、N8的源極相接，并與C4的上極板連接在一起，其連接點為此高電壓產(chǎn)生單元的輸出端，即整個電荷泵電路的輸出端VOUT，C4的下極板接地VSS；和一個降壓單元，包括PMOS管P6～P7、NMOS管N9～N14、電容C5～C7，其中，N9的源極、P6的源極、P6的襯底、P7的源極、P7的襯底、N10的源極都與此降壓單元的輸入端，即高壓產(chǎn)生單元的輸出端VOUT相接，N9的漏極與P6的漏極、N11的漏極、N12的漏極、P7的柵極、N13的柵極相接，并與C5的上極板連接在一起，N10的漏極與P7的漏極、N13的漏極、N14的漏極、P6的柵極、N12的柵極相接，并與C6的上極板連接在一起，N9的柵極與C5的下極板、N14的柵極與第二時鐘端CLK2相接，N10的柵極、C6的下極板、N11的柵極與第一時鐘端CLK1相接，N11的源極與N12的源極、N13的源極、N14的源極相接，并與C7的上極板連接在一起，其連接點為此降壓單元的輸出端VFB，C7的下極板接地VSS；和一個反饋控制單元，包括PMOS管P8～P9、NMOS管N15～N18，其中，P8的源極、P9的源極接電源VDD，P8的柵極及漏極、P9的柵極與N5的漏極相接，P9的漏極與N16的漏極相接，其接點為此反饋控制單元的輸出端VJ，即高壓產(chǎn)生單元的輸入端VJ，N15的柵極接此反饋控制單元的輸入端，即降壓單元的輸出端VFB，N16的柵極接此反饋控制單元的輸入VREF，N15的源極、N16的源極與N17的漏極相接，N17的柵極、N18的柵極、N18的漏極都與此反饋控制單元的輸入端IBIAS相接，N17的源極、N18的源極均接地VSS。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于反饋的電荷泵電路，其特征在于所述電荷泵電路 能夠產(chǎn)生連續(xù)變化的輸出電壓值，且輸出電壓大于電源電壓。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于反饋的電荷泵電路，其特征在于所述電荷泵電路 能夠利用反饋功能來調(diào)節(jié)電荷泵的輸出電壓，使輸出電壓隨輸入電壓的變化而變化。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于反饋的電荷泵電路，其特征在于所述電荷泵電路 的電荷泵增益與MOS管的閾值電壓無關(guān)。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于反饋的電荷泵電路，其特征在于所述電荷泵電路 包含兩個充電通路，在時鐘的控制下，交替向負(fù)載充電。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種電荷泵電路，它包括一個高壓產(chǎn)生單元、一個降壓單元和一個反饋控制單元。本發(fā)明在傳統(tǒng)電荷泵電路基礎(chǔ)上增加了一個降壓單元和一個反饋控制單元，高壓產(chǎn)生單元的電荷泵增益與MOS管閾值電壓無關(guān)，使增壓效率提高了20％以上；電荷泵采用兩個充電通路交替向負(fù)載充電的方式，使電荷泵充電速度提高到2倍以上，電荷泵采用反饋方式得到一定范圍內(nèi)的連續(xù)輸出電壓值，且輸出電壓值大于電源電壓。本發(fā)明兼具增壓效率高、充電速度快、輸出電壓值連續(xù)的優(yōu)點，有效地克服了傳統(tǒng)電荷泵電路增壓效率低、充電速度慢、輸出電壓值離散的缺點。本發(fā)明可廣泛應(yīng)用于數(shù)?；旌想娐奉I(lǐng)域。
文檔編號H02M3/07GK101888181SQ201010242318
公開日2010年11月17日 申請日期2010年8月2日 優(yōu)先權(quán)日2010年8月2日
發(fā)明者劉濤, 張俊安, 徐鳴遠(yuǎn), 朱璨, 李儒章, 李婷, 王育新, 陳光炳 申請人:中國電子科技集團公司第二十四研究所