CN106130339A - 一种无片外电容的电荷泵电路 - Google Patents

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段杰斌
皮常明
何学红
杨海玲
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Abstract

本发明公开了一种无片外电容的电荷泵电路，包括一带隙基准电压源、一运算放大器、一电荷泵模块、一输出电压检测及反馈网络、一频率补偿网络，通过带隙基准电压源为整体电路提供一个稳定的参考电压，运算放大器与输出电压检测及反馈网络构成一个负反馈系统，用于检测并调整最终电荷泵的输出电压，电荷泵模块用于产生两倍输入电压的输出，频率补偿网络用于保证整个环路的频率稳定性。本发明可用于SoC芯片内部产生高电压，而且不需要外接片外电容，电路架构简单、稳定，易于广泛推广使用。

Description

一种无片外电容的电荷泵电路
技术领域
本发明涉及集成电路领域，更具体地，涉及一种无片外电容的电荷泵电路。
背景技术
在现代集成电路技术中，芯片内有时需要产生一个比电源电压高的电压。电荷泵电路由于其具有结构简单、纹波较小、不需要电感的优势，从而在需要高压的应用场合获得了广泛使用。
随着集成电路工艺的不断发展，芯片集成度越来越高。对于SoC芯片，高集成度必然导致芯片上的PAD越来越多，而封装形式决定了PAD是有限的，因此，对于电源管理电路外接PAD的数量是电路设计者必须考虑的。传统的电荷泵电路一般都需要芯片外接一个大电容用于频率补偿及滤波，这样额外需要一个PAD，从而增加了芯片成本。
因此，设计一个结构简单、性能优良、无片外电容的电荷泵是业界所需要的。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术存在的上述缺陷，提供一种无片外电容的电荷泵电路。
为实现上述目的，本发明的技术方案如下：
一种无片外电容的电荷泵电路，包括：
耦接的一带隙基准电压源、一运算放大器、一电荷泵模块、一输出电压检测及反馈网络以及一频率补偿网络；
其中，所述带隙基准电压源用于为整体电路提供一个与温度、电源电压无关的稳定参考电压，所述运算放大器与输出电压检测及反馈网络构成一个负反馈系统，用于检测并调整最终电荷泵模块的输出电压，所述电荷泵模块用于产生两倍输入电压的输出，所述频率补偿网络用于保证整体电路的频率稳定性。
优选地，所述带隙基准电压源的输出端与运算放大器的负向输入端相连。
优选地，所述电荷泵模块包括一晶体管、第一-第四开关以及一第一电容，所述晶体管的栅极与运算放大器的输出端相连，漏极与第一、第二开关的一端相连，源极接电源正极，所述第一开关的另一端与第一电容的一端以及第三开关的一端相连接，所述第二开关的另一端与第一电容的另一端以及第四开关的一端相连接，所述第三开关的另一端与电荷泵模块的输出端相连，所述第四开关的另一端接电源负极。
优选地，所述晶体管为PMOS管。
优选地，所述输出电压检测及反馈网络包括一第一电阻及一第二电阻，所述第一电阻的一端与电荷泵模块的输出端相连，另一端与运算放大器的正向输入端以及第二电阻的一端相连，所述第二电阻的另一端与电源负极相连。
优选地，所述频率补偿网络包括一第三电阻和第二-第四电容，所述第三电阻的一端与所述晶体管的栅极相连，另一端与所述第二电容的一端相连，所述第二电容的另一端与电荷泵模块的输出端相连接，所述第三电容的一端与电荷泵模块的输出相连，另一端与所述运算放大器的正向输入端相连，所述第四电容的一端与电荷泵模块的输出端相连，另一端与电源负极相连。
优选地，所述第三电阻与第二电容构成一密勒补偿电路。
优选地，所述第三电容与第一、第二电阻构成一相位超前补偿电路。
优选地，所述第四电容用于减小电荷泵模块的输出纹波。
从上述技术方案可以看出，本发明以一带隙基准电压源、一运算放大器、一电荷泵模块、一输出电压检测及反馈网络、一频率补偿网络组成无片外电容的电荷泵电路，通过带隙基准电压源为整体电路提供一个稳定的参考电压，运算放大器与输出电压检测及反馈网络构成一个负反馈系统，用于检测并调整最终电荷泵的输出电压，电荷泵模块用于产生两倍输入电压的输出，频率补偿网络用于保证整个环路的频率稳定性。本发明可用于SoC芯片内部产生高电压，而且不需要外接片外电容，电路架构简单、稳定，易于广泛推广使用。
附图说明
图1是本发明一较佳实施例的一种无片外电容的电荷泵电路的结构原理图。
具体实施方式
下面结合附图，对本发明的具体实施方式作进一步的详细说明。
在以下本发明的具体实施方式中，请参阅图1，图1是本发明一较佳实施例的一种无片外电容的电荷泵电路的结构原理图。如图1所示，本发明的一种无片外电容的电荷泵电路，包括耦接的一带隙基准电压源2、一运算放大器(OPA)3、一电荷泵模块1、一输出电压检测及反馈网络5以及一频率补偿网络4。其中，图示电路的电源正极为VDD，电源负极为VSS。
请参阅图1。所述带隙基准电压源2的输出端VREF与运算放大器OPA的负向输入端相连，用于为整体电路提供一个与温度、电源电压无关的稳定参考电压。所述电荷泵模块1可由一晶体管M1，一第一开关S1，一第二开关S2，一第三开关S3，一第四开关S4，以及一第一电容C1构成。其中，所述晶体管M1为PMOS管，其栅极与所述运算放大器OPA的输出端相连接于节点N2，所述晶体管M1的源极接电源正极VDD，漏极与所述第一开关S1的一端以及所述第二开关S2的一端相连接于节点N3。所述第一开关S1的另一端与所述第一电容C1的一端以及第三开关S3的一端相连接于节点N4。所述第二开关S2的另一端与所述第一电容C1的另一端及所述第四开关S4的一端相连接于节点N5。所述第三开关S3的另一端与电荷泵模块的电压输出端VOUT相连。所述第四开关的另一端接电源负极VSS。所述电荷泵模块用于产生两倍输入电压的输出。
请参阅图1。所述输出电压检测及反馈网络5可由一第一电阻R1及一第二电阻R2构成。所述第一电阻R1的一端与电荷泵模块的输出端VOUT相连，另一端与运算放大器OPA的正向输入端以及所述第二电阻R2的一端相连接于节点N1。所述第二电阻R2的另一端与电源负极VSS相连。所述运算放大器3与输出电压检测及反馈网络5构成一个负反馈系统，用于检测并调整最终电荷泵模块1的输出电压。
请参阅图1。所述频率补偿网络4可由一第三电阻R3、一第二电容C2、一第三电容C3以及一第四电容C4构成。所述第三电阻R3的一端与所述晶体管M1的栅极相连，另一端与所述第二电容C2的一端相连，所述第二电容C2的另一端与电荷泵模块的输出端VOUT相连接。所述第三电容C3的一端与所述电荷泵模块的输出端VOUT相连，另一端与所述运算放大器的正向输入端相连。所述第四电容C4的一端与电荷泵模块的输出端VOUT相连，另一端与电源负极VSS相连。所述频率补偿网络用于保证整体电路的频率稳定性。
现对上述本发明无片外电容的电荷泵电路的工作原理说明如下：
如图1所示，以图中带隙基准电压源的输出电压为VREF，则本发明无片外电容的电荷泵电路的输出电压VOUT为：
V O U T = V R E F · ( 1 + R 2 R 1 )
其中，R1为所述第一电阻，R2为所述第二电阻。
图1中虚线框1中代表所述电荷泵模块。其中，第一开关S1和第四开关S4由时钟CLK1控制，第二开关S2和第三开关S3由时钟CLK2控制。时钟CLK1与CLK2为一对两相非交叠时钟，高电平为VDD，低电平为VSS。设晶体管M1的漏极电压为VX，则当时钟CLK1为VDD、时钟CLK2为VSS时，节点N4电压上升为VX，节点N5电压为VSS。之后，当时钟CLK1为VSS、时钟CLK2为VDD时，节点N5电压变为VX，无片外电容的电荷泵电路的输出电压VOUT即上升为2VX。
上述电路中，输出电压检测和调整模块的功能是保证：
V O U T = V R E F · ( 1 + R 2 R 1 ) = 2 V X
当检测到输出电压VOUT上升时，运算放大器输出端的电压即上升，使得晶体管M1的漏极电压VX下降，导致输出电压VOUT下降；相反的，当输出电压VOUT下降时，会导致晶体管M1的漏极电压VX上升，使输出电压VOUT相应上升，由此保证了电荷泵输出电压VOUT的稳定。
图1中，由电阻R3和电容C2构成密勒补偿电路，以实行密勒电容补偿；由电阻R1、R2、电容C3构成相位超前补偿电路，以实行相位超前补偿，从而共同保证了环路的稳定性。而将电容C4接在电荷泵的输出端，可用于减小电荷泵模块的输出纹波。
综上所述，本发明以一带隙基准电压源、一运算放大器、一电荷泵模块、一输出电压检测及反馈网络、一频率补偿网络组成无片外电容的电荷泵电路，通过带隙基准电压源为整体电路提供一个稳定的参考电压，运算放大器与输出电压检测及反馈网络构成一个负反馈系统，用于检测并调整最终电荷泵的输出电压，电荷泵模块用于产生两倍输入电压的输出，频率补偿网络用于保证整个环路的频率稳定性。本发明可用于SoC芯片内部产生高电压，而且不需要外接片外电容，电路架构简单、稳定，易于广泛推广使用。
以上所述的仅为本发明的优选实施例，所述实施例并非用以限制本发明的专利保护范围，因此凡是运用本发明的说明书及附图内容所作的等同结构变化，同理均应包含在本发明的保护范围内。

Claims (9)

1.一种无片外电容的电荷泵电路，其特征在于，包括：
耦接的一带隙基准电压源、一运算放大器、一电荷泵模块、一输出电压检测及反馈网络以及一频率补偿网络；
其中，所述带隙基准电压源用于为整体电路提供一个与温度、电源电压无关的稳定参考电压，所述运算放大器与输出电压检测及反馈网络构成一个负反馈系统，用于检测并调整最终电荷泵模块的输出电压，所述电荷泵模块用于产生两倍输入电压的输出，所述频率补偿网络用于保证整体电路的频率稳定性。
2.根据权利要求1所述的无片外电容的电荷泵电路，其特征在于，所述带隙基准电压源的输出端与运算放大器的负向输入端相连。
3.根据权利要求1所述的无片外电容的电荷泵电路，其特征在于，所述电荷泵模块包括一晶体管、第一-第四开关以及一第一电容，所述晶体管的栅极与运算放大器的输出端相连，漏极与第一、第二开关的一端相连，源极接电源正极，所述第一开关的另一端与第一电容的一端以及第三开关的一端相连接，所述第二开关的另一端与第一电容的另一端以及第四开关的一端相连接，所述第三开关的另一端与电荷泵模块的输出端相连，所述第四开关的另一端接电源负极。
4.根据权利要求3所述的无片外电容的电荷泵电路，其特征在于，所述晶体管为PMOS管。
5.根据权利要求1所述的无片外电容的电荷泵电路，其特征在于，所述输出电压检测及反馈网络包括一第一电阻及一第二电阻，所述第一电阻的一端与电荷泵模块的输出端相连，另一端与运算放大器的正向输入端以及第二电阻的一端相连，所述第二电阻的另一端与电源负极相连。
6.根据权利要求1所述的无片外电容的电荷泵电路，其特征在于，所述频率补偿网络包括一第三电阻和第二-第四电容，所述第三电阻的一端与所述晶体管的栅极相连，另一端与所述第二电容的一端相连，所述第二电容的另一端与电荷泵模块的输出端相连接，所述第三电容的一端与电荷泵模块的输出相连，另一端与所述运算放大器的正向输入端相连，所述第四电容的一端与电荷泵模块的输出端相连，另一端与电源负极相连。
7.根据权利要求6所述的无片外电容的电荷泵电路，其特征在于，所述第三电阻与第二电容构成一密勒补偿电路。
8.根据权利要求6所述的无片外电容的电荷泵电路，其特征在于，所述第三电容与第一、第二电阻构成一相位超前补偿电路。
9.根据权利要求6所述的无片外电容的电荷泵电路，其特征在于，所述第四电容用于减小电荷泵模块的输出纹波。
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