CN108075654A - 新型电荷泵结构的电源电压放大器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种新型电荷泵电源电压放大器，包括变频之前的时钟电路、分频后的不重叠时钟信号发生器、交叉耦合电压倍增器。变频之前的时钟电路作用是产生特别精确的时钟信号并通过改进结构创新性的消除死区电压。分频后的不重叠时钟产生器能够产生两个重叠性幅度相反的时钟信号，最后通过交叉耦合电压倍增器将信号进一步放大以实现电荷泵的作用，将较小的电压信号转变为较大的电压信号。本发明利用一个新型的电荷泵的结构，能够将电源电压放大将近两倍，可以实现高端功率管的快速开启和关闭。同时提出了一种非常精确的时钟信号结构，并对死区电压做出了重要改进，能够基本消除噪声的干扰，电荷泵的性能和功率得到了非常大的提高，能够在EEPROMS和FLASH存储器上使用。改进后的电荷泵更加适合实际的运用。
Description
技术领域
本发明属于通信电路系统的设备，具体是一种新型电荷泵结构电源电压放大器。
背景技术
近年来，大规模集成电路的设计已经在纳米级别，为了实现更低功率操作，延长电池寿命，电路电压需要操作在2V以下甚至更低。然而，絮叨的器件结构如EEPROMS、FLASH存储器以及图像传感电路等需要比系统电压更高的电压下才能正常工作。J.Dickson最早提了在集成电路工作的电荷泵结构，但是最初的未调整单输出电路。输出功率和效率不是太高。特别在现实情况下电路中的负载不可能是纯电容，必然会导致噪声的存在。传统的高压管不能有效的减少电路中芯片的面积，传统的简单的电压倍增器如图一所示。
发明内容
本发明的目的是提供一种时钟信号精确、对死区电压时间有重大改进、能够有效消除噪声的新型电荷泵电源电压放大器，其新型结构提供相对于传统更高的电压输出结果，减少了之后芯片的使用面积，更加适用实际的电路运用当中。
本发明的技术方案如下：
一种新型电荷泵结构的电源电压放大器，包括有精确时钟信号的产生和消除死区电压、不相重叠的时钟信号产生器、交叉耦合高压管结构。
本发明提供精确时钟信号和消除死区电压(减少电路误差)
其中精确的时钟信号的特征在于创新性的采用了两个NMOS管作为差之匹配，R3和C1构成震荡电路，为电路产生提供精确的基准电流。其阈值基准电路如图2所示。要工作原理如下，W1和W2两端通过偏置电路产生相位相反的信号源，当W1为高电平时，W2为低电平，PMOS管P1将关闭，其余的MOS管都将开启。P5和P4作为镜像电流对产生一个相等的电压I1，N3和N4因为有相同的栅源电压也将产生一个相等的电压I2，通过R3和N4的栅源电压相等，描述其过程的方程为：
(其中VT为N3的阈值电压)解出的电流I1为：
为了消除死区电压，减少电路的误差，又提出了一个新的结构，如图3所示，其中S为施密特反相器，W2和EN1相位相同，同时W1和W2信号相反，当W1为低电平W2为高电平时，ST1为高电平，P6、N9、N10处于开启状态，P7、P8、P10、P11以及P12都处于关闭状态，由于N10和N9的长宽比不一样，Cgs不一样，使得上升时间并不相同。同时通过P6、P7、P8、P9和N6、N7以及几个逻辑门构成的电路模块的作用，死区电压能够消除，减小了电路误差，增加了电路响应速率。
本发明消除时钟信号响应时间短，频率高的问题(增压充分、提高效率)
不相重叠的时钟信号产生器，其特征在于通过利用与非门以及四个非门的延时作用能够将互相重叠的时钟信号变为不相重叠的时钟信号。让接下来的高压管增压更加充分，提高效率。通过利用与非门以及四个非门的延时作用能够将互相重叠的时钟信号变为不相重叠的时钟信号。给了充电缓冲时间让接下来的高压管增压更加充分，提高效率。
本发明运用交叉耦合高压管结构(将小电压变为较高电压实现电荷泵增大电压作用)。
具体实施方式
首先我们通过一个较为简单的增压管来阐述它的原理，再给出我们改进之后的高压管。如图4所示，当给它从V0和V0b传入不相重叠的信号时，它的两个输出电压经过了放大变成了2VDD-VT。达到了电压倍增的效果。具体的工作过程如下，当V0从低电平变成了高电平的时候，电路左边的两个NMOS管导通，PMOS管关闭，使得Xib节点的电压变为VDD-VT，在下一个时钟阶段，当V0变为低电平，V0b变为高电平时通过电容C1b作用，Xib的节点电压将会增加到2VDD-VT，此时，左边的PMOS管导通，将电压传递到OUTb。同理，相同的一段也将产生相同的结果。如果还需要倍增电压的话，可以再级联一个相同的电路。但是电压VT将会一直存在，使得电压倍增不完全。改进后的高压管如图5所示，当两个时钟信号都为低电平的时候，只有P11和P10开启，其他的MOS管都不工作，假设在某一时刻，C6的下端时钟信号变为了高电平V1(V1为状态，因为N11和Vin连接，所以C11的上端电压变为Vin，从而N10也将开启，由不相重叠的时钟信号产生器产生的时钟信号)，充满电后，其上端也变
成了高电平V1，使得NMOS管N11处于开启的状态，P11处于关闭。因为电容C6的作用，根据式(1)和(2)C6变为高电平后，使得C11上端的电压也变为了V1+Vin，从而在一段时间里维持上端的电压变为了V1+Vin，通过P11变为了输出电压同时将此时电压锁定，当再次经过一次时钟周期后，在原来的基础上电压将会再次增加，最终趋于一个稳定值。同理，在C6下端时钟信号变为低电平，C11下端的电压变为输出电压维持在V1+Vin水平，使得在每一个时钟周期内Vin都将增加，在经过一个电压倍增的过程后趋于稳定值，从而实现了电压倍增的效果。
相对于传统的高压管，改进后的高压管能够实现更高的电压传输，在制作版图的时候也能有效的减少芯片的使用面积，为进一步商业化的使用提供了可能
我们运用cadence ADE仿真软件对提出的电荷泵进行了仿真实验。从图6的仿真结果可以看到，电荷泵输出电压和时钟信号电压的关系。在每一个时钟周期电荷泵输出电压都在原来的基础上增加，最终趋于一个极限值。当为电路施加最高电压为5V，周期为4u的时钟信号后，输出电荷在每一个时钟周期内从原来的5V电压在25us后最终增加到9.93022V，电压放大了1.96倍，实现了电荷泵倍增电压的功能。对于输入的时钟信号，输出电压不受外界环境的影响，稳定在9.93V，当时钟信号开始变化时，输出电压也瞬间跟随着变化，死区电压的干扰不复存在。
Claims (3)
1.一种新型电荷泵电源电压放大器，包括变频之前的时钟电路、分频后的不重叠时钟信号发生器、交叉耦合电压倍增器。变频之前的时钟电路作用是产生特别精确的时钟信号并通过改进结构创新性的消除死区电压。分频后的不重叠时钟产生器能够产生两个重叠性幅度相反的时钟信号，最后通过交叉耦合电压倍增器将信号进一步放大以实现电荷泵的作用，将较小的电压信号转变为较大的电压信号。
2.根据权利要求1所述的新型电荷泵结构的电源电压放大器，其特性在于提供精确时钟信号和消除死区电压(减少电路误差)。
3.根据权利要求1所述的新型电荷泵结构的电源电压放大器，其特性在于用交叉耦合高压管结构(将小电压变为较高电压实现电荷泵增大电压作用)。
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2016
- 2016-11-15 CN CN201611002340.3A patent/CN108075654A/zh active Pending
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