CN108282083B - 一种混合结构电荷泵电路 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种混合结构电荷泵电路，由多级电路结构构成，第一级电路有输入电源，电容，NMOS开关管，PMOS控制管及NMOS管，时钟信号CLK；电容一端接CLK，另一端接第一级电路的输出端；NMOS控制管的源极接电源，漏极接NMOS开关管的栅极，栅极接第一级电路的输出端；PMOS控制管的源极接第二级电路的输出端，漏极接NMOS开关管的栅极，栅极接第一级电路的输出端；NMOS开关管的源级接电源，漏极接第一级电路输出端。其他级电路除了主开关使用PMOS管，其他结构类似。本发明由于第一级开关使用NMOS器件，导通能力增强，对传统的电荷泵电路进行了优化，同时还提高了电荷泵输出的驱动能力。

Description

一种混合结构电荷泵电路
技术领域
本发明属于半导体电路技术领域。
背景技术
如附图1所示传统电荷泵电路中，每一级电路结构类似。以第4级电路为例，电路中包括：电容C4，用于保存电荷；PMOS管MPS4，作为开关，用于将电荷从前一级电容的电荷转移到当前级电容，以及当前级电容的电荷需要转移到后一级电容时，断开当前级电容和前一级电容的连接；NMOS管MN4及PMOS管MP4，用于控制MPS4栅极电压，从而使MPS4处于导通或者断开状态。
第一级电路结构和其他级的电路结构类似，包括电容C1、PMOS管 MPS1、NMOS管MN1及PMOS管MP1，差别为：
作为开关的MPS1一端接电源VDD，另一端接下一级电路的输入；控制管MN1和MP1的栅极接CLKB；MN1的一端接GND。
第一级电路的工作过程为：CLK电压从电源电压VDD变低为0V时，节点N1同时被拉低；同时CLKB电压从0V变为VDD电压，MN1导通，而MP1关断，MPS1栅极电压通过MN1接到GND（0V），其漏极接VDD，栅极到漏极电压差为-VDD，从而MPS1导通，VDD通过MPS1给C1电容充电，在充电时间足够的情况下，C1的电压最终达到VDD电压。
由于电荷泵是在一定频率下工作（即CLK、CLKB的频率），给C1的充电的时间有限，如果在一定时间内C1的充电电压比VDD偏低很多，最终会影响电荷泵的输出驱动能力。
当电源VDD电压较低时，MPS1导通时的栅极到漏极电压差（-VDD）也会较小，从而MPS1的导通能力较差，C1的充电速度变慢，从而引起电荷泵输出驱动能力较低。
传统电路的工作电压波形如附图3所示。
发明内容
本发明提供一种混合结构电荷泵电路，对传统的电荷泵电路进行了优化，提高了电荷泵输出的驱动能力。
为了达到上述目的，本发明的一个技术方案是优化了电荷泵第一级电路结构，
第一级电路包含：第一级电容，NMOS开关管，第一级PMOS控制管及第一级NMOS控制管；
所述第一级电容一端接时钟信号CLK，另一端接第一级电路的输出端；
所述第一级NMOS控制管的栅极接第一级电路的输出端，源极接电源，漏极接NMOS开关管的栅极；
所述第一级PMOS控制管的栅极接第一级电路的输出端，源极接第二级电路的输出端，漏极接第一级NMOS开关管的栅极；
所述NMOS开关管的源级接电源，漏极接第一级电路的输出端。
优选地，第二级电路包含：第二级电容，第二级PMOS开关管，第二级PMOS控制管及第二级NMOS控制管；
所述第二级电容一端接时钟信号CLKB，另一端接第二级电路的输出端；
所述第二级NMOS控制管的栅极接前一级电路的输出端，源极接时钟信号CLKB，漏极接第二级PMOS开关管的栅极；
所述第二级PMOS控制管的栅极接前一级电路的输出端，源极接第二级电路的输出端，漏极接第二级PMOS开关管的栅极；
所述第二级PMOS开关管的源级接第二级电路的输出端，漏极接前一级电路的输出端；
时钟信号CLKB是CLK的反相时钟信号。
优选地，第i级电路是除第一级电路以外的任意一个奇数级电路，包括：第i级电容，第i级PMOS开关管，第i级PMOS控制管及第i级NMOS管；
所述第i级电容一端接时钟信号CLK，另一端接当前级电路的输出端；
所述第i级NMOS控制管的栅极接前一级电路的输出端，源极接前一级电路的输入端，漏极接当前级PMOS开关管的栅极；
所述第i级PMOS控制管的栅极接前一级电路的输出端，源极接当前级电路的输出端，漏极接当前级PMOS开关管的栅极；
所述第i级PMOS开关管的源级接当前级电路的输出端，漏极接前一级电路的输出端。
优选地，第j级电路是除第二级电路以外的任意一个偶数级电路，包括：第j级电容，第j级PMOS开关管，第j级PMOS控制管及第j级NMOS管；
所述第j级电容一端接时钟信号CLKB，另一端接当前级电路的输出端；
所述第j级NMOS控制管的栅极接前一级电路的输出端，源极接前一级电路的输入端，漏极接当前级PMOS开关管的栅极，；
所述第j级PMOS控制管的栅极接前一级电路的输出端，源极接当前级电路的输出端，漏极接当前级PMOS开关管的栅极；
所述第j级PMOS开关管的源级接当前级电路的输出端，漏极接前一级电路的输出端。
优选地，当时钟信号CLK电压从电源电压变低为0V时，第一级电路通过第一级电容拉低第一级输出端的电压，第一级输出电压值小于电源电压；
第一级NMOS控制管的栅极为第一级输出电压，源级为电源电压，其栅极到源极的电压差为负值，使该第一级NMOS控制管关断；
同时时钟信号CLKB电压从0V变为电源电压，通过第二级电容抬高了第二级电路输出端的电压，第二级输出电压值大于电源电压；
第一级PMOS控制管的源极接第二级电路输出端；第一级PMOS控制管的栅极电压小于电源电压，其栅极到源极的电压差为负值，使该第一级PMOS控制管导通，第一级电路的NMOS开关管栅极电压通过第一级PMOS控制管接到第二级电路输出端；
第一级电路的NMOS开关管的源级为电源电压，其栅极到源极电压差为正值，使该NMOS开关管导通，电源通过该NMOS开关管给第一级电容充电。
本发明和传统电路对比，在电源电压较低时，驱动能力更强，并且保持电路的面积不变。
附图说明
图1是传统电荷泵电路；
图2是本发明在一个示例中的示意图；
图3 是传统电荷泵电路第一级电路电压波形；
图4 是本发明电荷泵电路第一级电路电压波形；
图5 是本发明和传统电路结构设计结果。
具体实施方式
如图2所示，本发明所述一种混合结构电荷泵电路的一个示例中，第一级电路结构包含：
电容C1，NMOS开关管MNS1，PMOS控制管MP1及NMOS管MN1；
所述电容C1一端接CLK，另一端接当前级电路的输出端N1；
所述控制管MN1的栅极接当前级电路的输出端N1，漏极接MNS1的栅极，源极接电源；
所述控制管MP1的栅极接当前级电路的输出端N1，漏极接MNS1的栅极，源极接第二级电路的输出端N2；
所述开关管MNS1的源级接电源，漏极接当前级电路输出端N1。
第二级电路结构包含：电容C2，PMOS开关管MPS2，PMOS控制管MP2及NMOS控制管MN2；
所述电容C2一端接时钟信号CLKB，另一端接第二级电路的输出端N2；
所述控制管MN2的栅极接前一级电路的输出端N1，源极接时钟信号CLKB，漏极接MPS2的栅极；
所述控制管MP2的栅极接前一级电路的输出端N1，源极接第二级电路的输出端N2，漏极接MPS2的栅极；
所述开关管MPS2的源级接第二级电路的输出端N2，漏极接前一级电路的输出端N1；
时钟信号CLKB是CLK的反相时钟信号。
除了第一级电路，对于其他奇数级电路结构都类似。以第三级电路为例，电路中包括：电容C3，PMOS开关管MPS3，PMOS控制管MP3及NMOS管MN3；
所述电容C3一端接CLK，另一端接当前级电路的输出端N3；
所述控制管MN3的栅极接前一级电路的输出端N2，漏极接MPS3的栅极，源极接前一级电路的输入端N1；
所述控制管MP3的栅极接前一级电路的输出端N2，漏极接MPS3的栅极，源极接当前级电路的输出端N3；
所述开关管MPS3的源级接当前级电路的输出端N3，漏极接前一级电路的输出端N2。
除了第二级电路，对于其他偶数级电路结构类似。以第4级电路为例，电路中包括：电容C4，PMOS开关管MPS4，PMOS控制管MP4及NMOS管MN4；
所述电容C4一端接CLKB，另一端接当前级电路的输出端N4；
所述控制管MN4的栅极接前一级电路的输出端N3，漏极接MPS4的栅极，源极接前一级电路的输入端N2；
所述控制管MP4的栅极接前一级电路的输出端N3，漏极接MPS4的栅极，源极接当前级电路的输出端N4；
开关管MPS4的源级接当前级电路的输出端N4，漏极接前一级电路的输出端N3。
从图2可以看出，CLK电压从电源电压VDD变低为0V时，通过电容C1拉低节点N1的电压，其电压值小于电源电压VDD；MN1栅极为N1，其源极为VDD，其栅极到源极的电压差为负值，因此MN1关断；同时CLKB电压从0V变为VDD电压，通过电容C2抬高了第二级电路输出节点N2的电压，其电压值大于VDD；MP1的源极接N2，由于此时MP1的栅极电压小于电源VDD电压，MP1栅极到源极的电压差为负值，因此MP1导通，MNS1栅极电压通过MP1接到N2；MNS1的源极为VDD，MNS1栅极到源极电压差为正值，从而MNS1导通，VDD通过MNS1给C1电容充电。
本发明的工作电压波形如附图4所示。其中MNS1可以使用低阈值NMOS器件，以增强导通能力。
本发明对比传统电荷泵电路结构的电荷泵输出驱动能力结果比较图如附图5所示。
尽管本发明的内容已经通过上述优选实施例作了详细介绍，但应当认识到上述的描述不应被认为是对本发明的限制。在本领域技术人员阅读了上述内容后，对于本发明的多种修改和替代都将是显而易见的。因此，本发明的保护范围应由所附的权利要求来限定。

Claims (4)

1.一种混合结构电荷泵电路，其特征在于，
包含多级电路结构；
第一级电路包含：第一级电容，NMOS开关管，第一级PMOS控制管及第一级NMOS控制管；
所述第一级电容一端接时钟信号CLK，另一端接第一级电路的输出端；
所述第一级NMOS控制管的栅极接第一级电路的输出端，源极接电源，漏极接NMOS开关管的栅极；
所述第一级PMOS控制管的栅极接第一级电路的输出端，源极接第二级电路的输出端，漏极接NMOS开关管的栅极；
所述NMOS开关管的源级接电源，漏极接第一级电路的输出端；
第二级电路包含：第二级电容，第二级PMOS开关管，第二级PMOS控制管及第二级NMOS控制管；
所述第二级电容一端接时钟信号CLKB，另一端接第二级电路的输出端；
所述第二级NMOS控制管的栅极接前一级电路的输出端，源极接时钟信号CLKB，漏极接第二级PMOS开关管的栅极；
所述第二级PMOS控制管的栅极接前一级电路的输出端，源极接第二级电路的输出端，漏极接第二级PMOS开关管的栅极；
所述第二级PMOS开关管的源级接第二级电路的输出端，漏极接前一级电路的输出端；
时钟信号CLKB是CLK的反相时钟信号。
2.如权利要求1所述的一种混合结构电荷泵电路，其特征在于，
第i级电路是除第一级电路以外的任意一个奇数级电路，包括：第i级电容，第i级PMOS开关管，第i级PMOS控制管及第i级NMOS控制管；
所述第i级电容一端接时钟信号CLK，另一端接当前级电路的输出端；
所述第i级NMOS控制管的栅极接前一级电路的输出端，源极接前一级电路的输入端，漏极接当前级PMOS开关管的栅极；
所述第i级PMOS控制管的栅极接前一级电路的输出端，源极接当前级电路的输出端，漏极接当前级PMOS开关管的栅极；
所述第i级PMOS开关管的源级接当前级电路的输出端，漏极接前一级电路的输出端。
3.如权利要求1所述的一种混合结构电荷泵电路，其特征在于，
第j级电路是除第二级电路以外的任意一个偶数级电路，包括：第j级电容，第j级PMOS开关管，第j级PMOS控制管及第j级NMOS控制管；
所述第j级电容一端接时钟信号CLKB，另一端接当前级电路的输出端；
所述第j级NMOS控制管的栅极接前一级电路的输出端，源极接前一级电路的输入端，漏极接当前级PMOS开关管的栅极；
所述第j级PMOS控制管的栅极接前一级电路的输出端，源极接当前级电路的输出端，漏极接当前级PMOS开关管的栅极；
所述第j级PMOS开关管的源级接当前级电路的输出端，漏极接前一级电路的输出端。
4.如权利要求1所述的一种混合结构电荷泵电路，其特征在于，
当时钟信号CLK电压从电源电压变低为0V时，第一级电路通过第一级电容拉低第一级输出端的电压，第一级输出电压值小于电源电压；
第一级NMOS控制管的栅极为第一级输出电压，源级为电源电压，其栅极到源极的电压差为负值，使该第一级NMOS控制管关断；
同时时钟信号CLKB电压从0V变为电源电压，通过第二级电容抬高了第二级电路输出端的电压，第二级输出电压值大于电源电压；
第一级PMOS控制管的源极接第二级电路输出端；第一级PMOS控制管的栅极电压小于电源电压，其栅极到源极的电压差为负值，使该第一级PMOS控制管导通，第一级电路的NMOS开关管栅极电压通过第一级PMOS控制管接到第二级电路输出端；
第一级电路的NMOS开关管的源级为电源电压，其栅极到源极电压差为正值，使该NMOS开关管导通，电源通过该NMOS开关管给第一级电容充电。
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