CN107070203A - 差动电荷泵单元电路 - Google Patents

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    • H02M3/02—Conversion of dc power input into dc power output without intermediate conversion into ac
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Abstract

本发明公开了一种差动电荷泵单元电路，包括输入电压端、第一场效应管、第二场效应管、与第一场效应管相连的第三场效应管、与第二场效应管相连的第四场效应管、连接于第一场效应管和第三场效应管之间的第一电容、与第一电容相连的第一时钟信号输入端、连接于第二场效应管和第四场效应管之间的第二电容、与第二电容相连的第二时钟信号输入端、与第三场效应管和第四场效应管相连的负载电容及输出电压端，第一时钟信号输入端和第二时钟信号输入端输入一对差动的时钟信号，输出电压端的输出电压在时钟信号的持续变化中上升，输出电压的最大值为输入电压端的输入电压的两倍。本发明可以实现输出电压的最大值达到输入电压的两倍。

Description

差动电荷泵单元电路
技术领域
本发明涉及集成电路领域，特别是涉及一种差动电荷泵单元电路。
背景技术
在目前的非易失性存储器中，对存储单元进行数据写入和擦出的过程中，都需要比较高的电压支持。因此，使用电荷泵单元电路来提供电压是一个比较好的选择。由于电荷泵单元电路具有小面积的优势，因此被广泛用于各种存储器中。
现有的电荷泵单元电路在一个时钟周期内只对输出电容充一次电，因此，电荷泵单元电路的输出电流能力有限，输出电压的大小也很难提高。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种差动电荷泵单元电路。
本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：一种差动电荷泵单元电路，包括输入电压端、与所述输入电压端相连的第一场效应管、与所述输入电压端相连的第二场效应管、与所述第一场效应管相连的第三场效应管、与所述第二场效应管相连的第四场效应管、连接于所述第一场效应管和所述第三场效应管之间的第一电容、与所述第一电容相连的第一时钟信号输入端、连接于所述第二场效应管和所述第四场效应管之间的第二电容、与所述第二电容相连的第二时钟信号输入端、与所述第三场效应管和所述第四场效应管相连的负载电容及输出电压端，所述第一时钟信号输入端和所述第二时钟信号输入端输入一对差动的时钟信号，所述输出电压端的输出电压在所述时钟信号的持续变化中上升，所述输出电压的最大值为所述输入电压端的输入电压的两倍。
所述第一场效应管的源极与所述第一电容的一端、所述第三场效应管的漏极、所述第二场效应管的栅极及所述第四场效应管的栅极相连。
所述第一场效应管的栅极与所述第三场效应管的栅极、所述第二场效应管的源极、所述第四场效应管的漏极及所述第二电容的一端相连。
所述第一场效应管的漏极和所述第二场效应管的漏极共同连接所述输入电压端。
所述第三场效应管的源极与所述第四场效应管的源极及所述负载电容的一端共同连接所述输出电压端。
所述第一电容的另一端与所述第一时钟信号输入端相连，所述第二电容的另一端与所述第二时钟信号输入端相连，所述第三电容的另一端接地。
所述第一场效应管与所述第二场效应管为N型场效应管，所述第三场效应管与所述第四场效应管为P型场效应管。
本发明的有益效果是：电路结构简单，且可以在一个时钟周期内对输出电容充电两次，从而实现输出电流能力加倍，输出电压的最大值可以达到输入电压的两倍。
附图说明
图1为本发明差动电荷泵单元电路的具体电路结构图；
图2为本发明差动电荷泵单元电路的时序关系示意图。
具体实施方式
下面结合附图进一步详细描述本发明的技术方案，但本发明的保护范围不局限于以下所述。
如图1所示，本发明差动电荷泵单元电路包括输入电压端VIN、与输入电压端VIN相连的第一场效应管M1、与输入电压端VIN相连的第二场效应管M2、与第一场效应管M1相连的第三场效应管M3、与第二场效应管M2相连的第四场效应管M4、连接于第一场效应管M1和第三场效应管M3之间的第一电容C1、与第一电容相连的第一时钟信号输入端CLK、连接于第二场效应管M2和第四场效应管M4之间的第二电容C2、与第二电容C2相连的第二时钟信号输入端CLKB、与第三场效应管M3和第四场效应管M4相连的负载电容C3及输出电压端VOUT。
其中，第一时钟信号输入端CLK和第二时钟信号输入端CLKB输入一对差动的时钟信号，当输入的时钟信号每变化一次，都会对输出电压端VOUT充电一次，输出电压端VOUT的输出电压也会在时钟信号的持续变化中上升，使得输出电压的最大值可以达到输入电压端VIN输入电压的两倍。
本发明差动电荷泵单元电路的具体电路连接关系如下：第一场效应管M1的源极与第一电容C1的一端、第三场效应管M3的漏极、第二场效应管M2的栅极及第四场效应管M4的栅极相连，连接点为交点sw1，第一场效应管M1的栅极与第三场效应管M3的栅极、第二场效应管M2的源极、第四场效应管M4的漏极及第二电容C2的一端相连，连接点为交点sw2；第一场效应管M1的漏极和第二场效应管M2的漏极共同连接输入电压端VIN；第三场效应管M3的源极与第四场效应管M4的源极及负载电容C3的一端共同连接输出电压端VOUT；第一电容C1的另一端与第一时钟信号输入端CLK相连，第二电容C2的另一端与第二时钟信号输入端CLKB相连，第三电容C3的另一端接地。
其中，在本实施例中，第一场效应管M1与第二场效应管M2为N型场效应管，第三场效应管M3与第四场效应管M4为P型场效应管，在其他实施例中，上述场效应管可以为其他结构可以实现相同功能的元器件，并不限于此。
本发明差动电荷泵单元电路的工作原理如下：
在初始状态，第一时钟信号输入端CLK输入低电平时钟信号，第二时钟信号输入端CLKB输入高电平时钟信号，此时，输入电压端VIN、输出电压端VOUT、交点sw1与交点sw2处的电压相同，均为对地电压vinv。
当第一时钟信号输入端CLK的时钟信号电压上升时，第二时钟信号输入端CLKB的时钟信号的电压下降，由于第一电容C1的作用，使得交点sw1处的电压上升，由于第二电容C2的作用，使得交点sw2处的电压下降；此时，第一场效应管M1与第四场效应管M4断开，第二场效应管M2与第三场效应管M3导通，电荷从交点sw1经过第三场效应管M3流到负载电容C3上；输出电压端VOUT的输出电压会上升，交点sw1的电压会下降，最终输出电压会与交点sw1处的电压相等。与此同时，电荷从输入电压端VIN经过第二场效应管M2流向交点sw2，导致交点sw2处的电压回升到与输入电压端VIN的输入电压相同。
在下一个时钟变化沿，第一时钟信号输入端CLK的时钟信号电压下降，第二时钟信号输入端CLKB的时钟信号的电压上升，由于第一电容C1的作用，使得交点sw1处的电压下降，由于第二电容C2的作用，使得交点sw2处的电压上升；此时，第一场效应管M1与第四场效应管M4导通，第二场效应管M2与第三场效应管M3断开，电荷从交点sw2经过第四场效应管M4流到负载电容C3上；输出电压端VOUT的输出电压会上升，交点sw2的电压会下降，最终输出电压会与交点sw2处的电压相等。与此同时，电荷从输入电压端VIN经过第一场效应管M1流向交点sw1，导致交点sw1处的电压回升到与输入电压端VIN的输入电压相同。
上述工作完成，可以看出，仅在一个时钟周期内，对输出电容进行了两次充电，当在输出电压端VOUT上没有负载电流流过时，在第一时钟信号输入端CLK与第二时钟信号输入端CLKB的时钟信号的持续变换中，不断有电荷传输到负载电容C3上，从而导致输出电压端VOUT的输出电压持续上升，最终达到最高电压，即输入电压的两倍。
请同时参阅图2，图2为本发明差动电荷泵单元电路的时序关系示意图。其中，vinv是输入电压端VIN输入电压的电压值，在没有负载的情况下，输出电压端VOUT的输出最高电压为Vmax；在交点sw1和交点sw2上的寄生电容远远小于第一电容C1和第二电容C2时，Vmax＝2*vinv。
时钟信号(频率为f)变换一次会传输一次电荷，第一电容C1与第二电容C2的快速电容值为Ck，每次传输的电荷Q＝Ck*ΔV，(ΔV＝2*V(VIN)-V(VOUT))，由于一个时钟周期会传送两次电荷，则输出电流Iout＝2*f*Ck*[V(VIN)-(V(OUT)-V(VIN))]，其中，V(VIN)代表输入电压的电压值，V(VOUT)代表输出电压的电压值。因此可以看出本发明差动电荷泵单元电路的输出电流与输出电压有关系，输出电压越高，输出电流就越低。
本发明差动电荷泵单元电路可以在一个时钟周期内对输出电容充电两次，从而达到相同的时钟频率下，电荷泵单元电路的输出电流能力加倍；时钟信号每变化一次都会对输出电压充一次电，输出电压也会在时钟信号的持续变化中上升，输出电压的最大值可以达到两倍输入电压的电压值。
综上所述，本发明差动电荷泵单元电路结构简单，且可以在一个时钟周期内对输出电容充电两次，从而实现输出电流能力加倍，输出电压的最大值可以达到输入电压的两倍。

Claims (7)

1.一种差动电荷泵单元电路，其特征在于：所述差动电荷泵单元电路包括输入电压端、与所述输入电压端相连的第一场效应管、与所述输入电压端相连的第二场效应管、与所述第一场效应管相连的第三场效应管、与所述第二场效应管相连的第四场效应管、连接于所述第一场效应管和所述第三场效应管之间的第一电容、与所述第一电容相连的第一时钟信号输入端、连接于所述第二场效应管和所述第四场效应管之间的第二电容、与所述第二电容相连的第二时钟信号输入端、与所述第三场效应管和所述第四场效应管相连的负载电容及输出电压端，所述第一时钟信号输入端和所述第二时钟信号输入端输入一对差动的时钟信号，所述输出电压端的输出电压在所述时钟信号的持续变化中上升，所述输出电压的最大值为所述输入电压端的输入电压的两倍。
2.根据权利要求1所述的差动电荷泵单元电路，其特征在于：所述第一场效应管的源极与所述第一电容的一端、所述第三场效应管的漏极、所述第二场效应管的栅极及所述第四场效应管的栅极相连。
3.根据权利要求2所述的差动电荷泵单元电路，其特征在于：所述第一场效应管的栅极与所述第三场效应管的栅极、所述第二场效应管的源极、所述第四场效应管的漏极及所述第二电容的一端相连。
4.根据权利要求3所述的差动电荷泵单元电路，其特征在于：所述第一场效应管的漏极和所述第二场效应管的漏极共同连接所述输入电压端。
5.根据权利要求4所述的差动电荷泵单元电路，其特征在于：所述第三场效应管的源极与所述第四场效应管的源极及所述负载电容的一端共同连接所述输出电压端。
6.根据权利要求5所述的差动电荷泵单元电路，其特征在于：所述第一电容的另一端与所述第一时钟信号输入端相连，所述第二电容的另一端与所述第二时钟信号输入端相连，所述第三电容的另一端接地。
7.根据权利要求1所述的差动电荷泵单元电路，其特征在于：所述第一场效应管与所述第二场效应管为N型场效应管，所述第三场效应管与所述第四场效应管为P型场效应管。
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