CN106936310B - 一种低电压电流自匹配栅极开关电荷泵 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种低电压电流自匹配栅极开关电荷泵，包括充电电路和放电电路，所述充电电路由第一电源和第二电源、第一误差放大器、第一至第三PMOS管、一对NMOS管组成，所述充电电路通过负反馈将输入参考电流源的漏极箝位至第二电源，使得充电支路中的第三PMOS管与参考支路中串联第二PMOS管的各端口电压均相等，确保输出电压变化时充电电流等于输入参考电流；所述放电电路由低电压轨到轨误差放大器及四个NMOS管构成的反馈环路，用于追踪输出节点的电压变化，并实时调整放电电路中NMOS管的栅极电压，使放电电流在不同输出电压下始终等于输入参考电流。本发明实现了在不同输出电压下充放电电流保持相等，并且提升了输入参考电流源的输出阻抗，使之更加恒定。

Description

一种低电压电流自匹配栅极开关电荷泵

技术领域

本发明涉及一种低电压电流自匹配栅极开关电荷泵，属于电荷泵的技术领域。

背景技术

随着工艺尺寸的不断缩小以及对低功耗的诉求，射频和模拟集成电路的电源电压不断朝着更低的方向演变。设计者开始尝试将射频收发电路工作在0.7V或更低电源电压下。然而受到漏电流问题的制约，晶体管的阈值电压没有随着特征尺寸持续降低而是稳定在350mV~450mV的量级，这给传统电路设计带来了巨大挑战。在频率综合器的设计中，电源电压的降低对电荷泵影响最为严重。受电压裕度和充放电电流源输出阻抗的限制，传统的漏极开关电荷泵无法提供足够的性能。而基于栅极开关的电荷泵结构成为了更加有效的替代方案。栅极开关电荷泵通常使用NMOS和PMOS电流镜提供充放电电流，通过接通/断开栅极开关的方式实现充放电控制。考虑到低电压条件下电荷泵的输出电压经常处于输出电流源的线性区，充放电电流既无法保持恒定，也很难保证充放电电流彼此相等。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于克服现有技术的不足，提供一种低电压电流自匹配栅极开关电荷泵，解决现有的电荷泵低电压条件下电荷泵的输出电压经常处于输出电流源的线性区，充放电电流既无法保持恒定，也很难保证充放电电流彼此相等的问题，该电荷泵利用低电压放大器构成反馈环路，追踪输出节点的电压变化并实时调整充放电电流源的栅极电压，实现电荷泵的充放电电流始终与参考电流相等。

本发明具体采用以下技术方案解决上述技术问题：

一种低电压电流自匹配栅极开关电荷泵，包括充电电路和放电电路，所述充电电路由第一电源和第二电源、第一误差放大器、第一至第三PMOS管、一对NMOS管组成，所述充电电路通过负反馈将输入参考电流源的漏极箝位至第二电源，使得充电支路中的第三PMOS管与参考支路中串联第二PMOS管的各端口电压均相等，确保输出电压变化时充电电流始终等于输入参考电流；所述放电电路由低电压轨到轨误差放大器及四个NMOS管构成的反馈环路，用于追踪输出节点的电压变化，并实时调整放电电路中NMOS管的栅极电压，使放电电流在不同输出电压下始终等于输入参考电流。本发明实现了在不同输出电压下充放电电流保持相等，并且提升了输入参考电流源的输出阻抗，使之更加恒定。

进一步地，作为本发明的一种优选技术方案：所述充电电路还包括在第一误差放大器的输出端并联第二滤波电容。

进一步地，作为本发明的一种优选技术方案：所述放电电路还包括在低电压轨到轨误差放大器的输出端并联第一滤波电容。

本发明采用上述技术方案，能产生如下技术效果：

本发明提出一种低电压电流自匹配栅极开关电荷泵。该电荷泵利用低电压放大器构成反馈环路，追踪输出节点的电压变化并实时调整充放电电流源的栅极电压，实现电荷泵的充放电电流始终与参考电流相等。此外本发明的电流匹配电路利用负反馈将参考电流输入节点箝位到电源电压，保证了参考电流的恒定。基于以上结构特点，本发明的低电压电流自匹配电荷泵最低可工作在0.6V电源电压下，并且在几乎整个输出电压范围内实现了充放电电流恒定。

本发明相比现有技术，具有以下效果：

1.该电荷泵实现了在不同输出电压下，即使输出电流源位于深线性区，充电电流和放电电流也能保持相等。

2.该电荷泵实现了充放电电流在不同输出电压下始终等于输入参考电流，并且提升了输入参考电流源的输出阻抗，使之更加恒定。

附图说明

图1 为本发明一种低电压电流自匹配栅极开关电荷泵的实施例的电路图；

图2 为本发明在不同输出电压下的静态充放电电流值。

具体实施方式

下面结合说明书附图对本发明的实施方式进行描述。

如图1所示，本发明提供一种低电压电流自匹配栅极开关电荷泵，该电荷泵包括充电电路和放电电路，其中所述充电电路由第一电源VDD1、第二电源VDD2、第一误差放大器、第一至第三PMOS管、一对NMOS管组成，所述充电电路用于连接第一电源后，通过负反馈将参考电流的漏极箝位至第二电源，使得充电PMOS管P3与参考支路中串联晶体管P2的各端口电压均相等，即当输出电压变化时保持流过第二PMOS管的电流等于输入参考电流，及使得第二和第三PMOS管的栅源电压相同，并通过输出节点输出电流。

所述放电电路由低电压轨到轨误差放大器A2及四个NMOS管、滤波电容构成的反馈环路，用于追踪充电电路输出节点的电压变化，并实时调整充放电电流源的栅极电压，即实时调整放电电路中第二NMOS管N2的栅极电压，确保充放电电流在不同输出电压下始终等于输入参考电流。

本发明的实施例给出具体电路结构，如图1所示，所述充电电路具体包括：第一电源VDD1、第二电源VDD2、第一误差放大器A1、第一PMOS管P1、第二PMOS管P2、第三PMOS管P3、第五NMOS管N5、第六NMOS管N6；所述放电电路具体包括：低电压轨到轨放大器A2、第一NMOS管N1、第二NMOS管N2、第三NMOS管N3、第四NMOS管N4、第三滤波电容C3；及优选还分别包括第一滤波电容C1、第二滤波电容C2。该电路中的具体连接为：

第一PMOS管P1的源极接第一电源VDD1；第一PMOS管P1的栅极接第一偏置电压Vb1；第一PMOS管P1的漏极接第二PMOS管P2的源极；第二PMOS管P2的栅极接第一误差放大器A1的输出；第二PMOS管P2的漏极接第一NMOS管N1的漏极；第一误差放大器A1的输入负端接第二PMOS管P2的源极；第一误差放大器A1的输入正端接第二电源电压VDD2；第一NMOS管N1的栅极接低电压轨到轨放大器A2的输出端；第一NMOS管N1的源极接地；低电压轨到轨放大器A2的输入正端接第一NMOS管N1的漏极；低电压轨到轨放大器A2的输入负端接电荷泵输出端VOUT；第一电容C1的正极接第一NMOS管N1的栅极，第一滤波电容C1的负极接地；第四NMOS管N4的源极接N1的栅极，第四NMOS管N4的栅极接放电开关信号VCN，第四NMOS管N4的漏极接第二NMOS管N2的栅极；第三NMOS管N3的漏极接第二NMOS管N2的栅极，第三NMOS管N3的栅极接放电开关反相信号VCNN，第三NMOS管N3的源极接地；第二NMOS管N2的漏极接电荷泵输出端VOUT，第二NMOS管N2的源极接地；第二电容C2的正极接第二PMOS管P2的栅极，第二PMOS管P2的负极接第二电源VDD2；第六NMOS管N6的源极接第二PMOS管P2的栅极，第六NMOS管N6的栅极接充电开关信号VCP；第六NMOS管N6的漏极接第三PMOS管P3的栅极；第五NMOS管N5的漏极接第二电源VDD2，第五NMOS管N5的栅极接充电开关反相信号VCPN，第五NMOS管N5的源极接第三PMOS管P3的栅极；第三PMOS管P3的源极接第二电源VDD2，第三PMOS管P3的漏极接电荷泵输出端VOUT；第三滤波电容C3的正极接电荷泵输出端VOUT，第三滤波电容C3的负极接地。

上述电路的原理为：输入参考电流源的供电电压作为第一电源，高于电荷泵的工作电压的第二电源。第一误差放大器A1通过负反馈将参考电流的漏极箝位至第二电源，当输出电压变化时始终保持流过第二PMOS管P2的电流等于输入参考电流，并且保证了第二PMOS管P2和第三PMOS管P3具有同样的栅源电压。低电压轨到轨误差放大器A2则保证了第二PMOS管P2的漏极电压始终等于第三PMOS管P3的漏极电压。如此第二PMOS管P2和第三PMOS管P3的各个端口电压均相等，保证了第三PMOS管P3的充电电流始终等于第二PMOS管P2电流也就是输入参考电流。由于流过PMOS管P1、P2和第一NMOS管N1的电流始终相等，而第一NMOS管N1和第二NMOS管N2的各端口电压也相等，因此流过第二NMOS管N2的放电电流始终等于第一NMOS管N1电流也就同时等于输入参考电流。

由于第一误差放大器A1对输入参考电压的箝位作用，参考电流源的输出阻抗被显著提升，参考电流更加恒定。充放电电流开关均采用一对NMOS管实现，当开关打开时，栅极串联开关接通，栅极并联开关断开；当开关关断时，栅极串联开关断开，栅极并联开关导通；为了避免开关导通和关断过程对栅极电压的波动，本发明在第一误差放大器A1和低电压轨到轨误差A2的输出端分别并联滤波电容C2和C1，以减少电压纹波从而提高充放电电流的稳定性。

如图2所示为本发明的低电压电流自匹配栅极开关电荷泵在不同输出电压条件下的静态充放电电流值。其中给电荷泵供电的第二电源电压为0.7V，从图中可以看出，当输出电压位于20mV到680mV的电压范围内，充放电电流均恒定。

综上，本发明的电荷泵实现了在不同输出电压下，即使输出电流源位于深线性区，充电电流和放电电流也能保持相等；该电荷泵实现了充放电电流在不同输出电压下始终等于输入参考电流，并且提升了输入参考电流源的输出阻抗，使之更加恒定。

上面结合附图对本发明的实施方式作了详细说明，但是本发明并不限于上述实施方式，在本领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下做出各种变化。

Claims (3)

1.一种低电压电流自匹配栅极开关电荷泵，包括充电电路和放电电路，其特征在于：所述充电电路由第一电源和第二电源、第一误差放大器、第一至第三PMOS管、一对NMOS管组成，所述充电电路通过负反馈将第一PMOS管的漏极箝位至第二电源，使得充电支路中的第三PMOS管与第二PMOS管的栅极、源极以及漏极电压均相等，确保输出电压变化时充电电流始终等于输入参考电流；所述放电电路由低电压误差放大器及第一至第四NMOS管构成反馈环路，用于追踪输出节点的电压变化，并实时调整放电电路中第二NMOS管的栅极电压，使放电电流在不同输出电压下始终等于输入参考电流；

其中，所述充电电路具体包括：第一电源VDD1、第二电源VDD2、第一误差放大器A1、第一PMOS管P1、第二PMOS管P2、第三PMOS管P3、第五NMOS管N5、第六NMOS管N6，其中第一PMOS管P1的源极接第一电源VDD1，及第一PMOS管P1的栅极接第一偏置电压Vb1和第一PMOS管P1的漏极接第二PMOS管P2的源极；第二PMOS管P2的栅极接第一误差放大器A1的输出端，且第二PMOS管P2的漏极接放电电路；所述第一误差放大器A1的输入负端接第二PMOS管P2的源极，且第一误差放大器A1的输入正端接第二电源VDD2；第六NMOS管N6的源极接第二PMOS管P2的栅极，且第六NMOS管N6的栅极接充电开关信号VCP及第六NMOS管N6的漏极接第三PMOS管P3的栅极；第五NMOS管N5的漏极接第二电源VDD2，且第五NMOS管N5的栅极接充电开关反相信号VCPN，及第五NMOS管N5的源极接第三PMOS管P3的栅极；所述第三PMOS管P3的源极接第二电源VDD2，且第三PMOS管P3的漏极接电荷泵输出端VOUT；

其中，所述放电电路具体包括：低电压误差放大器A2、第一NMOS管N1、第二NMOS管N2、第三NMOS管N3、第四NMOS管N4、第三滤波电容C3，其中所述第一NMOS管N1的漏极连接第二PMOS管P2的漏极，且第一NMOS管N1的源极接地且其栅极接低电压误差放大器A2的输出端；所述低电压误差放大器A2的输入正端接第一NMOS管N1的漏极，且其输入负端接电荷泵输出端VOUT；第二NMOS管N2的漏极接电荷泵输出端VOUT，且第二NMOS管N2的源极接地，及第二NMOS管N2的栅极连接第四NMOS管N4的漏极；所述第四NMOS管N4的源极接第一NMOS管N1的栅极，且第四NMOS管N4的栅极接放电开关信号VCN；所述第三NMOS管N3的漏极接第二NMOS管N2的栅极，且第三NMOS管N3的栅极接放电开关反相信号VCNN，及第三NMOS管N3的源极接地；所述第三滤波电容C3的正极接电荷泵输出端VOUT且其负极接地。

2.根据权利要求1所述低电压电流自匹配栅极开关电荷泵，其特征在于：所述充电电路还包括第二滤波电容C2，所述第一误差放大器A1的输出端连接第二滤波电容C2的正极，及第二滤波电容C2的负极接第二电源VDD2。

3.根据权利要求1所述低电压电流自匹配栅极开关电荷泵，其特征在于：所述放电电路还包括第一滤波电容C1，所述低电压误差放大器A2的输出端连接第一滤波电容C1的正极，及第一滤波电容C1的负极接地。