CN106992674B - 一种驱动力可配置的电荷泵电路 - Google Patents

一种驱动力可配置的电荷泵电路 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种驱动力可配置的电荷泵电路，包括：传输二极管模块，包括m级串联的第一传输二极管和一个第二传输二极管，第一级第一传输二极管的输入端接输入信号，最后一级第一传输二极管的输出端接该第二传输二极管的阳极，该第二传输二极管的阴极为该电荷泵电路的输出；耦合电容模块，连接该传输二极管模块，其包括m组耦合电容阵，通过多级开关控制耦合电容，以实现可配置的耦合电容；时钟驱动模块，连接所述耦合电容模块，其包括2组时钟驱动电路，每组时钟驱动电路由N+1个时钟驱动器和N个时钟开关组成，通过多级时钟开关控制驱动模块工作与否以实现可配置的时钟驱动模块,通过本发明，实现了一种驱动力可配置的电荷泵电路。

Description

一种驱动力可配置的电荷泵电路
技术领域
本发明涉及一种电荷泵电路，特别是涉及一种驱动力可配置的电荷泵电路。
背景技术
图1为现有技术一种电荷泵电路的电路结构示意图。以Dickson电荷泵为例，如图1所示(n＝2k)，其中的M0、M1、…、M2k-2、M2k-1、Mx为N型MOS管，各NMOS管的栅极与其漏极相连组成二极管结构，然后各二极管结构的NMOS管首尾相连，即NMOS管M0的栅极和漏极为输入并连接输入信号Vin，NMOS管M0的源极为第一级输出连接至NMOS管M1的栅极和漏极，NMOS管M1的源极为第二级输出连接至NMOS管M2的栅极和漏极，……，NMOS管M2k-2的源极为第2k-1级输出连接至NMOS管M2k-1的栅极和漏极，NMOS管M2k-1的源极为第2k级输出连接至NMOS管Mx的栅极和漏极，NMOS管Mx的源极为电荷泵电路的输出Vout连接至负载R；Ca0、Cb0、……、Ca(k-1)、Cb(k-1)为耦合电容，耦合电容Ca0、Ca1、……、Ca(k-1)的下端连接至时钟驱动模块Ba的输出端，耦合电容Ca0的上端连接至NMOS管M0的源极，耦合电容Ca1的上端连接至NMOS管M2的源极，……，耦合电容Ca(k-1)的上端连接至NMOS管M2k-2的源极，耦合电容Cb0、Cb1、……、Cb(k-1)的下端连接至时钟驱动模块Bb的输出端，耦合电容Cb0的上端连接至NMOS管M1的源极，耦合电容Cb1的上端连接至NMOS管M3的源极，……，耦合电容Cb(k-1)的上端连接至NMOS管M2k-1的源极，通常它们的电容值一样；Ba、Bb为时钟驱动模块，时钟驱动模块Ba的输出连接至耦合电容Ca0、Ca1、……、Ca(k-1)的下端，时钟驱动模块Bb的输出连接至耦合电容Cb0、Cb1、……、Cb(k-1)的下端,；CKa、CKb为时钟信号，时钟信号CKa连接至时钟驱动模块Ba的输入端，时钟信号CKb连接至时钟驱动模块Bb的输入端，通常它们的频率一样，幅值一样，但逻辑高电平不交叠；R为输出负载；Vin为电荷泵输入电压；V2k-1和V2k分别为M2k-1的输入和输出电压；Vout为电荷泵输出电压；Iout为输出电流，也即该电荷泵的电流输出驱动力，简称驱动力。
若电荷泵级数为n＝2k+1级即奇数级时，在第2k级和NMOS管Mx间增加一个Cak和NMOS管M2k即可，即NMOS管M2k-1的源极为第2k级输出连接至NMOS管M2k的栅极和漏极，NMOS管M2k的源极为第2k+1级输出连接至NMOS管Mx的栅极和漏极，NMOS管Mx的源极为电荷泵电路的输出Vout连接至负载R；耦合电容Cak的下端连接至时钟驱动模块Ba的输出端，耦合电容Cak的上端连接至NMOS管M2k的源极。
计算其中某一级的电压增幅为：
该公式中C为Ca或Cb，Cs为该节点的寄生电容，n为电荷泵的级数，图1为2k级，Vck为CKa或CKb的电压幅值，f为CKa或CKb的频率，Vtn为MOS管Mn-1的阈值电压。通过多级电荷泵级联就能得到需要的输出电压Vout。当C>>Cs，或者Iout≈fC(ΔV-Vck+Vtn)，可见其它条件不变情况下，C越大，驱动力也越大，而C需要相应的时钟驱动电路Ba或者Bb。
现有技术的电荷泵以恒定驱动力工作，即C和Ba/Bb固定，然而在某些应用场合下对同一个电荷泵的驱动力存在不同需求，意味着以最大驱动力要求设计的C和Ba/Bb值在某些工作模式下是有富余的，因此，则需要一种驱动力可配置的电荷泵电路。
发明内容
为克服上述现有技术存在的不足，本发明之目的在于提供一种驱动力可配置的电荷泵电路，以实现一种驱动力可配置的电荷泵电路。
为达上述及其它目的，本发明提出一种驱动力可配置的电荷泵电路，包括：
传输二极管模块，包括m级串联的第一传输二极管和一个第二传输二极管，第一级第一传输二极管的输入端接输入信号，最后一级第一传输二极管的输出端接该第二传输二极管的阳极，该第二传输二极管的阴极为该电荷泵电路的输出；
耦合电容模块，连接该传输二极管模块，其包括m组耦合电容阵，通过多级开关控制耦合电容，以实现可配置的耦合电容；
时钟驱动模块，连接所述耦合电容模块，其包括2组时钟驱动电路，每组时钟驱动电路由N+1个时钟驱动器和N个时钟开关组成，通过多级时钟开关控制驱动模块工作与否以实现可配置的时钟驱动模块。
进一步地，所述m级串联的第一传输二极管包括NMOS管M0～Mm-1，所述第二传输二极管包括NMOS管Mx；每个所述NMOS管接成二极管，每个所述NMOS管的栅极和漏极短接作为该二极管的阳极，源极为该二极管的阴极。
进一步地，所述时钟驱动模块的每组时钟驱动电路包括N+1个时钟驱动器Baj/Bbj(j＝0,1,…,N)和N个时钟开关Sbaj/Sbbj(j＝1,2,…,N)。
进一步地，当电荷泵级数m为偶数m＝2k时，每组耦合电容阵包括N+1个耦合电容Caij(i＝0,1,…，k-1，j＝1,2,…,N)与Cbij(i＝0,1,…，k-1，j＝0,1,…,N)和N个电容开关Scaij(i＝0,1,…，k-1，j＝1,2,…,N)/Scbij(i＝0,1,…，k-1，j＝1,2,…,N)。
进一步地，耦合电容Cai0(i＝0,1,…，k-1)的上端连接至该NMOS管M2i(i＝0,1,…，k-1)的源极，耦合电容Caij(i＝0,1,…，k-1，j＝1,2,…,N)的上端连接至电容开关Scaij(i＝0,1,…，k-1，j＝1,2,…,N)的输入端，电容开关Scaij(i＝0,1,…，k-1，j＝1,2,…,N)的输出端连接至NMOS管M2i的源极，耦合电容Cbi0(i＝0,1,…，k-1)的上端连接至NMOS管M2i+1的源极，耦合电容Cbij(i＝0,1,…，k-1，j＝1,2,…,N)的上端连接至电容开关Scbij(i＝0,1,…，k-1，j＝1,2,…,N)的输入端，电容开关Scbij(i＝0,1,…，k-1，j＝1,2,…,N)的输出端连接至NMOS管M2i+1的源极，耦合电容Caij(i＝0,1,…，k-1，j＝0,1,…,N)的下端连接至所述时钟驱动模块的一组时钟驱动电路，耦合电容Cbij(i＝0,1,…，k-1，j＝0,1,…,N)的下端连接至所述时钟驱动模块的另一组时钟驱动电路。
进一步地，耦合电容Caij(i＝0,1,…，k-1，j＝0,1,…,N)的下端连接时钟驱动器Baj(j＝0,1,…,N)的输出端，耦合电容Cbij(i＝0,1,…，k-1，j＝0,1,…,N)的下端连接至时钟驱动器Bbj(j＝0,1,…,N)的输出端。
进一步地，时钟信号Cka连接至时钟驱动器Ba0的输入端和时钟开关Sbaj(j＝1,2,…,N)的输入端，时钟开关Sbaj(j＝1,2,…,N)的输出端连接至时钟驱动器Baj(j＝1,2,…,N)的输入端，互补时钟信号Ckb连接至时钟驱动器Bb0的输入端和时钟开关Sbbj(j＝1,2,…,N)的输入端，时钟开关Sbbj(j＝1,2,…,N)的输出端连接至时钟驱动器Bbj(j＝1,2,…,N)的输入端。
进一步地，第j控制信号Ctrlj(j＝1,2,…,N)分别连接至电容开关Scaij(i＝0,1,…，k-1，j＝1,2,…,N)/Scbij(i＝0,1,…，k-1，j＝1,2,…,N)和时钟开关Sbaj/Sbbj(j＝1,2,…,N)的控制端
进一步地，当电荷泵级数m为奇数m＝2k+1时，每组耦合电容阵由N+1个耦合电容Caij(i＝0,1,…，k，j＝0,1,…,N)/Cbij(i＝0,1,…，k-1，j＝0,1,…,N)和N个电容开关Scaij(i＝0,1,…，k，j＝1,2,…,N)/Scbij组成(i＝0,1,…，k-1，j＝1,2,…,N)
进一步地，NMOS管M2k-1的源极为第2k级输出连接至NMOS管M2k的栅极和漏极，NMOS管M2k的源极为第2k+1级输出连接至该第二传输二极管的阳极，该第二传输二极管的阴极为该电荷泵电路的输出；耦合电容Cak0的上端连接至NMOS管M2k+1的源极，耦合电容Cakj(j＝1,2,…,N)的上端连接至开关Scakj(j＝1,2,…,N)的输入端，开关Scakj(j＝1,2,…,N)的输出端连接至NMOS管M2k+1的源极，耦合电容Cakj(j＝0,1,…,N)的下端连接至时钟驱动器Baj(j＝0,1,…,N)的输出端；第j控制信号Ctrlj(j＝1,2,…,N)分别连接至电容开关Scaij(i＝0,1,…，k，j＝1,2,…,N)/Scbij(i＝0,1,…，k-1，j＝1,2,…,N)和时钟开关Sbaj/Sbbj(j＝1,2,…,N)的控制端。
与现有技术相比，本发明一种驱动力可配置的电荷泵电路通过利用可配置的时钟驱动模块，通过多级开关控制驱动模块工作与否，并通过多级开关控制可配置的耦合电容工作与否，实现了一种驱动力可配置的电荷泵电路。
附图说明
图1为现有技术一种电荷泵电路的电路结构示意图；
图2为本发明一种驱动力可配置的电荷泵电路的电路结构图。
具体实施方式
以下通过特定的具体实例并结合附图说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭示的内容轻易地了解本发明的其它优点与功效。本发明亦可通过其它不同的具体实例加以施行或应用，本说明书中的各项细节亦可基于不同观点与应用，在不背离本发明的精神下进行各种修饰与变更。
图2为本发明一种驱动力可配置的电荷泵电路的电路结构图。如图2所示，本发明一种驱动力可配置的电荷泵电路，包括：传输二极管模块10、时钟驱动模块20、耦合电容模块30以及负载R。
其中，传输二极管模块10由m个串联的第一传输二极管和一个第二传输二极管Mx组成，图示为NMOS管接成的二极管：NMOS管Mh的栅极和漏极短接作为二极管的阳极、源极为二极管的阴极(h＝0,1,…，m-1,x)；时钟驱动模块20由2组时钟驱动电路组成，每组时钟驱动电路由N+1个时钟驱动器Baj/Bbj(j＝0,1,…,N)和N个时钟开关Sbaj/Sbbj(j＝1,2,…,N)组成；耦合电容模块30由m组耦合电容阵组成，当电荷泵级数m为偶数m＝2k时，每组耦合电容阵由N+1个耦合电容Caij(i＝0,1,…，k-1，j＝1,2,…,N)/Cbij(i＝0,1,…，k-1，j＝0,1,…,N)和N个电容开关Scaij(i＝0,1,…，k-1，j＝1,2,…,N)/Scbij组成(i＝0,1,…，k-1，j＝1,2,…,N),当电荷泵级数m为奇数m＝2k+1时，每组耦合电容阵由N+1个耦合电容Caij(i＝0,1,…，k，j＝0,1,…,N)/Cbij(i＝0,1,…，k-1，j＝0,1,…,N)和N个电容开关Scaij(i＝0,1,…，k，j＝1,2,…,N)/Scbij组成(i＝0,1,…，k-1，j＝1,2,…,N)。
当电荷泵级数m为偶数m＝2k时，各NMOS管的栅极与其漏极相连组成二极管结构，然后各二极管结构的NMOS管首尾相连，即NMOS管M0的栅极和漏极为输入并连接输入信号Vin，NMOS管M0的源极为第一级输出连接至NMOS管M1的栅极和漏极，NMOS管M1的源极为第二级输出连接至NMOS管M2的栅极和漏极，……，NMOS管M2k-2的源极为第2k-1级输出连接至NMOS管M2k-1的栅极和漏极，NMOS管M2k-1的源极为第2k级输出连接至NMOS管Mx的栅极和漏极，NMOS管Mx的源极为电荷泵电路的输出Vout连接至负载R；耦合电容Cai0(i＝0,1,…，k-1)的上端连接至NMOS管M2i的源极，耦合电容Caij(i＝0,1,…，k-1，j＝1,2,…,N)的上端连接至电容开关Scaij(i＝0,1,…，k-1，j＝1,2,…,N)的下端(输入端)，电容开关Scaij(i＝0,1,…，k-1，j＝1,2,…,N)的上端(输出端)连接至NMOS管M2i(i＝0,1,…，k-1)的源极，耦合电容Cbi0(i＝0,1,…，k-1)的上端连接至NMOS管M2i+1的源极，耦合电容Cbij(i＝0,1,…，k-1，j＝1,2,…,N)的上端连接至电容开关Scbij(i＝0,1,…，k-1，j＝1,2,…,N)的下端(输入端)，电容开关Scbij(i＝0,1,…，k-1，j＝1,2,…,N)的上端(输出端)连接至NMOS管M2i+1的源极，耦合电容Caij(i＝0,1,…，k-1，j＝0,1,…,N)的下端连接至时钟驱动器Baj(j＝0,1,…,N)的输出端，耦合电容Cbij(i＝0,1,…，k-1，j＝0,1,…,N)的下端连接至时钟驱动器Bbj(j＝0,1,…,N)的输出端；时钟信号Cka连接至时钟驱动器Ba0的输入端和时钟开关Sbaj(j＝1,2,…,N)的输入端(左端)，时钟开关Sbaj(j＝1,2,…,N)的输出端(右端)连接至时钟驱动器Baj(j＝1,2,…,N)的输入端，互补时钟信号Ckb连接至时钟驱动器Bb0的输入端和时钟开关Sbbj(j＝1,2,…,N)的输入端(左端)，时钟开关Sbbj(j＝1,2,…,N)的输出端(右端)连接至时钟驱动器Bbj(j＝1,2,…,N)的输入端；第j控制信号Ctrlj(j＝1,2,…,N)分别连接至电容开关Scaij(i＝0,1,…，k-1，j＝1,2,…,N)/Scbij(i＝0,1,…，k-1，j＝1,2,…,N)和时钟开关Sbaj/Sbbj(j＝1,2,…,N)的控制端。
当电荷泵级数m为奇数即m＝2k+1时，对比m＝2k，结构上增加一个二极管结构NMOS管M2k和一组耦合电容组，增加的耦合电容组由Cakj(i＝0,1,…,N)和电容开关Scakj(j＝1,2,…,N)组成。NMOS管M2k-1的源极为第2k级输出连接至NMOS管M2k的栅极和漏极，NMOS管M2k的源极为第2k+1级输出连接至NMOS管Mx的栅极和漏极，NMOS管Mx的源极为电荷泵电路的输出Vout连接至负载R；耦合电容Cak0的上端连接至NMOS管M2k+1的源极，耦合电容Cakj(j＝1,2,…,N)的上端连接至开关Scakj(j＝1,2,…,N)的下端(输入端)，开关Scakj(j＝1,2,…,N)的上端(输出端)连接至NMOS管M2k+1的源极，耦合电容Cakj(j＝0,1,…,N)的下端连接至时钟驱动器Baj(j＝0,1,…,N)的输出端；第j控制信号Ctrlj(j＝1,2,…,N)分别连接至电容开关Scaij(i＝0,1,…，k，j＝1,2,…,N)/Scbij(i＝0,1,…，k-1，j＝1,2,…,N)和时钟开关Sbaj/Sbbj(j＝1,2,…,N)的控制端。
假设N＝3,且每一级时钟驱动器和电容都相同，即：
Ba0＝Ba1＝Ba2＝Ba3
Bb0＝Bb1＝Bb2＝Bb3
Ca0＝Ca1＝Ca2＝Ca3
Cb0＝Cb1＝Cb2＝Cb3
如果每一级的电荷泵驱动力为I0，那么可以得到总的电荷泵驱动力为：
I＝I0*(1+Ctrl1+Ctrl2+Ctrl3)
如果每一级的功耗为P0，那么可以得到总的电荷泵功耗为：
P＝P0*(1+Ctrl1+Ctrl2+Ctrl3)。
综上所述，本发明一种驱动力可配置的电荷泵电路通过利用可配置的时钟驱动模块，通过多级开关控制驱动模块工作与否，并通过多级开关控制可配置的耦合电容工作与否，实现了一种驱动力可配置的电荷泵电路。
上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何本领域技术人员均可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰与改变。因此，本发明的权利保护范围，应如权利要求书所列。

Claims (9)

1.一种驱动力可配置的电荷泵电路，包括：
传输二极管模块，包括m级串联的第一传输二极管，和一个第二传输二极管，第一级第一传输二极管的输入端接输入信号，最后一级第一传输二极管的输出端接该第二传输二极管的阳极，该第二传输二极管的阴极为该电荷泵电路的输出；
耦合电容模块，连接该传输二极管模块，其包括m组耦合电容阵，通过多级开关控制耦合电容，以实现可配置的耦合电容；
时钟驱动模块，连接所述耦合电容模块，其包括2组时钟驱动电路，每组时钟驱动电路由N+1个时钟驱动器和N个时钟开关组成，通过多级时钟开关控制驱动模块工作与否以实现可配置的时钟驱动模块；所述时钟驱动模块的每组时钟驱动电路包括N+1个时钟驱动器Baj/Bbj(j＝0,1,…,N)和N个时钟开关Sbaj/Sbbj(j＝1,2,…,N)。
2.如权利要求1所述的一种驱动力可配置的电荷泵电路，其特征在于：所述m级串联的第一传输二极管包括NMOS管M0～Mm-1，所述第二传输二极管包括NMOS管Mx；
每个所述NMOS管接成二极管，每个所述NMOS管的栅极和漏极短接作为该二极管的阳极，源极为该二极管的阴极。
3.如权利要求2所述的一种驱动力可配置的电荷泵电路，其特征在于：当电荷泵级数m为偶数m＝2k时，每组耦合电容阵包括N+1个耦合电容Caij(i＝0,1,…，k-1，j＝1,2,…,N)与Cbij(i＝0,1,…，k-1，j＝0,1,…,N)和N个电容开关Scaij(i＝0,1,…，k-1，j＝1,2,…,N)/Scbij(i＝0,1,…，k-1，j＝1,2,…,N)。
4.如权利要求3所述的一种驱动力可配置的电荷泵电路，其特征在于：耦合电容Cai0(i＝0,1,…，k-1)的上端连接至所述NMOS管M2i(i＝0,1,…，k-1)的源极，耦合电容Caij(i＝0,1,…，k-1，j＝1,2,…,N)的上端连接至电容开关Scaij(i＝0,1,…，k-1，j＝1,2,…,N)的输入端，电容开关Scaij(i＝0,1,…，k-1，j＝1,2,…,N)的输出端连接至NMOS管M2i的源极，耦合电容Cbi0(i＝0,1,…，k-1)的上端连接至NMOS管M2i+1的源极，耦合电容Cbij(i＝0,1,…，k-1，j＝1,2,…,N)的上端连接至电容开关Scbij(i＝0,1,…，k-1，j＝1,2,…,N)的输入端，电容开关Scbij(i＝0,1,…，k-1，j＝1,2,…,N)的输出端连接至NMOS管M2i+1的源极，耦合电容Caij(i＝0,1,…，k-1，j＝0,1,…,N)的下端连接至所述时钟驱动模块的一组时钟驱动电路，耦合电容Cbij(i＝0,1,…，k-1，j＝0,1,…,N)的下端连接至所述时钟驱动模块的另一组时钟驱动电路。
5.如权利要求4所述的一种驱动力可配置的电荷泵电路，其特征在于：耦合电容Caij(i＝0,1,…，k-1，j＝0,1,…,N)的下端连接时钟驱动器Baj(j＝0,1,…,N)的输出端，耦合电容Cbij(i＝0,1,…，k-1，j＝0,1,…,N)的下端连接至时钟驱动器Bbj(j＝0,1,…,N)的输出端。
6.如权利要求5所述的一种驱动力可配置的电荷泵电路，其特征在于：时钟信号Cka连接至时钟驱动器Ba0的输入端和时钟开关Sbaj(j＝1,2,…,N)的输入端，时钟开关Sbaj(j＝1,2,…,N)的输出端连接至时钟驱动器Baj(j＝1,2,…,N)的输入端，互补时钟信号Ckb连接至时钟驱动器Bb0的输入端和时钟开关Sbbj(j＝1,2,…,N)的输入端，时钟开关Sbbj(j＝1,2,…,N)的输出端连接至时钟驱动器Bbj(j＝1,2,…,N)的输入端。
7.如权利要求6所述的一种驱动力可配置的电荷泵电路，其特征在于：第j控制信号Ctrlj(j＝1,2,…,N)分别连接至电容开关Scaij(i＝0,1,…，k-1，j＝1,2,…,N)/Scbij(i＝0,1,…，k-1，j＝1,2,…,N)和时钟开关Sbaj/Sbbj(j＝1,2,…,N的控制端。
8.如权利要求7所述的一种驱动力可配置的电荷泵电路，其特征在于：当电荷泵级数m为奇数m＝2k+1时，每组耦合电容阵由N+1个耦合电容Caij(i＝0,1,…，k，j＝0,1,…,N)/Cbij(i＝0,1,…，k-1，j＝0,1,…,N)和N个电容开关Scaij(i＝0,1,…，k，j＝1,2,…,N)/Scbij组成(i＝0,1,…，k-1，j＝1,2,…,N)。
9.如权利要求8所述的一种驱动力可配置的电荷泵电路，其特征在于：NMOS管M2k-1的源极为第2k级输出连接至NMOS管M2k的栅极和漏极，NMOS管M2k的源极为第2k+1级输出连接至该第二传输二极管的阳极，该第二传输二极管的阴极为该电荷泵电路的输出；耦合电容Cak0的上端连接至NMOS管M2k+1的源极，耦合电容Cakj(j＝1,2,…,N)的上端连接至开关Scakj(j＝1,2,…,N)的输入端，开关Scakj(j＝1,2,…,N)的输出端连接至NMOS管M2k+1的源极，耦合电容Cakj(j＝0,1,…,N)的下端连接至时钟驱动器Baj(j＝0,1,…,N)的输出端；第j控制信号Ctrlj(j＝1,2,…,N)分别连接至电容开关Scaij(i＝0,1,…，k，j＝1,2,…,N)/Scbij(i＝0,1,…，k-1，j＝1,2,…,N)和时钟开关Sbaj/Sbbj(j＝1,2,…,N)的控制端。
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