CN111181386B - 一种增益可变的交叉耦合型电荷泵 - Google Patents

一种增益可变的交叉耦合型电荷泵 Download PDF

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Abstract

一种增益可变的交叉耦合型电荷泵，包括第一升压模块、第二升压模块、第三升压模块、第四升压模块和增益选择模块；第一升压模块能够实现二倍输入电压的提升，第二升压模块在第一升压模块的基础上能够实现三倍或四倍输入电压的提升，第三升压模块在第一升压模块、第二升压模块的基础上能够实现六倍或八倍输入电压的提升，第四升压模块在第一升压模块、第二升压模块、第三升压模块的基础上能够实现四倍、五倍、七倍和九倍输入电压的提升，通过对升压模块的叠加使用并结合增益选择模块的选择作用，使得本发明提出的电荷泵能够实现对增益的灵活调节；另外时钟产生模块使用非交叠时钟信号控制电荷泵的开关管，避免了反向导通损耗，提高了电荷泵的效率。

Description

一种增益可变的交叉耦合型电荷泵
技术领域
本发明属于电源管理电路技术领域，具体涉及一种增益可调节的交叉耦合型电荷泵。
背景技术
在电源管理电路领域，升压电路经常被用于电源芯片以产生高于电源电压的电压，是常用的一种电压控制技术。由于开关电源芯片趋向于高效率、低功耗，所以对开关电源芯片中的升压电路提出的要求也越来越高。
升压电路一般有两种技术，Boost转换器和电荷泵技术，其中Boost的效率高，但需要电感，占用面积大，不易于集成；而电荷泵采用电容方式则在体积上比Boost有优势，但其效率仅在输出电压为输入电压整数倍的时候达到最大。电荷泵一般由开关管和电容构成的，非常适合小体积应用领域，因而电荷泵已成为目前便携式设备的主流电源方案。
现有的电荷泵的设计有两种方案，第一种为单分支电荷泵，这种电荷泵虽然结构简单，但该结构存在阈值电压损失和体效应的影响，且可能存在电荷逆流现象，并且其驱动能力较弱，输出纹波较大；第二种为由两路分支组成的交叉耦合电荷泵，在一个周期内两路分支轮流给负载电容供电，输出电压的纹波较小，但交叉耦合电荷泵结构增益往往是固定的。
发明内容
针对传统升压电路存在的增益不可调节且电荷泵充电效率低的问题，本发明提出了一种增益可变的交叉耦合型电荷泵，不仅提高了电荷泵的充电效率且能够实现增益可调节。
本发明的技术方案是：
一种增益可变的交叉耦合型电荷泵，包括第一升压模块、第二升压模块、第三升压模块、第四升压模块和增益选择模块；
所述第一升压模块包括第一NMOS管、第二NMOS管、第三NMOS管、第四NMOS管、第五NMOS管、第六NMOS管、第一电容、第二电容、第一传输门和第二传输门，
第一NMOS管的源极连接第二NMOS管的源极、第五NMOS管和第六NMOS管的漏极以及输入信号，其漏极连接第二NMOS管的栅极、第一电容的一端并通过第一传输门后作为所述第一升压模块的第一输出端，其栅极连接第二NMOS管的漏极、第二电容的一端并通过第二传输门后作为所述第一升压模块的第二输出端；
第三NMOS管的漏极连接第五NMOS管的源极和第一电容的另一端，其源极连接第四NMOS管的源极并接地；
第四NMOS管的漏极连接第六NMOS管的源极和第二电容的另一端；
第三NMOS管、第四NMOS管、第五NMOS管、第六NMOS管由所述第一升压模块的时钟信号控制；
第一传输门和第二传输门由所述第一升压模块的传输门控制信号控制；
在所述第一升压模块的时钟信号和所述第一升压模块的传输门控制信号的控制下，所述第一升压模块将所述输入信号的电平抬升两倍后输出；
所述第二升压模块包括第七NMOS管、第八NMOS管、第九NMOS管、第十NMOS管、第十一NMOS管、第十二NMOS管、第三电容、第四电容、第三传输门、第四传输门、第五传输门、第六传输门、第七传输门和第八传输门，
第八NMOS管的源极连接所述第一升压模块的第一输出端，其栅极连接第七NMOS管的漏极和第三电容的一端并通过第三传输门后作为所述第二升压模块的第一输出端，其漏极连接第七NMOS管的栅极和第四电容的一端并通过第四传输门后作为第二升压模块的第二输出端；
第七NMOS管的源极连接所述第一升压模块的第二输出端；
第九NMOS管的源极连接第十一NMOS管的漏极和第三电容的另一端，其漏极一方面通过第五传输门后连接所述输入信号，另一方面通过第六传输门后连接所述第一升压模块的第一输出端；
第十NMOS管的源极连接第十二NMOS管的漏极和第四电容的另一端，其漏极一方面通过第七传输门后连接所述输入信号，另一方面通过第八传输门后连接所述第一升压模块的第二输出端；
第十一NMOS管和第十二NMOS管的源极接地；
第九NMOS管、第十NMOS管、第十一NMOS管、第十二NMOS管由所述第二升压模块的时钟信号控制；
第三传输门、第四传输门由所述第二升压模块的传输门控制信号控制；
第五传输门和第七传输门由第一增益控制信号控制，第六传输门和第八传输门由第二增益控制信号控制；
在第一增益控制信号有效时，所述第二升压模块在所述第二升压模块的时钟信号和所述第二升压模块的传输门控制信号的控制下将所述输入信号的电平抬升三倍后输出；
在第二增益控制信号有效时，所述第二升压模块在所述第二升压模块的时钟信号和所述第二升压模块的传输门控制信号的控制下将所述输入信号的电平抬升四倍后输出；
所述第三升压模块包括第十三NMOS管、第十四NMOS管、第十五NMOS管、第十六NMOS管、第五电容、第六电容、第一PMOS管、第二PMOS管、第九传输门、第十传输门、第十一传输门和第十二传输门，
第十四NMOS管的源极连接所述第二升压模块的第一输出端，其栅极连接第十三NMOS管的漏极、第五电容的一端和第一PMOS管的漏极，其漏极连接第十三NMOS管的栅极、第六电容的一端和第二PMOS管的漏极
第十三NMOS管的源极连接所述第二升压模块的第二输出端；
第一PMOS管的源极作为所述第三升压模块的第一输出端，第二PMOS管的源极作为所述第三升压模块的第二输出端；
第十五NMOS管的漏极连接第五电容的另一端并依次通过第九传输门和第十传输门后连接所述第二升压模块的第一输出端，其源极连接第十六NMOS管的源极并接地；
第十六NMOS管的漏极连接第六电容的另一端并依次通过第十一传输门和第十二传输门后连接所述第二升压模块的第二输出端；
第十五NMOS管、第十六NMOS管、第九传输门和第十一传输门由所述第三升压模块的时钟信号控制；
第一PMOS管和第二PMOS管由所述第三升压模块的传输门控制信号控制；
第十传输门和第十二传输门由第三增益控制信号控制；
在所述第三增益控制信号、第三升压模块的时钟信号和第三升压模块的传输门控制信号的控制下，所述第三升压模块将所述输入信号的电平抬升六倍或八倍后输出；
所述第四升压模块第十七NMOS管、第十八NMOS管、第七电容、第八电容、第十三传输门、第十四传输门、第十五传输门、第十六传输门、第十七传输门、第十八传输门、第十九传输门、第二十传输门、第二十一传输门和第二十二传输门，
第十三传输门的一端连接所述输入信号，另一端连接第七电容的一端并通过第十四传输门后作为所述第四升压模块的第一输出端；
第十五传输门的一端连接所述输入信号，另一端连接第八电容的一端并通过第十六传输门后作为所述第四升压模块的第二输出端；
第十七传输门的一端连接第十七NMOS管的漏极和第七电容的另一端，第十七传输门的另一端一方面通过第十八传输门后连接所述第二升压模块的第一输出端，另一方面通过第十九传输门后连接所述第三升压模块的第一输出端；
第二十传输门的一端连接第十八NMOS管的漏极和第八电容的另一端，第二十传输门的另一端一方面通过第二十一传输门后连接所述第二升压模块的第二输出端，另一方面通过第二十二传输门后连接所述第三升压模块的第二输出端；
第十七NMOS管和第十八NMOS管的源极接地；
第十三传输门、第十五传输门、第十七传输门、第二十传输门、第十七NMOS管和第十八NMOS管由所述第四升压模块的时钟信号控制；
第十四传输门和第十六传输门由所述第四升压模块的传输门控制信号控制；
第十八传输门和第二十一传输门由第十增益控制信号控制；
第十九传输门和第二十二传输门由第四增益控制信号控制；
在第四增益控制信号有效时，所述第四升压模块在所述第四升压模块的时钟信号和传输门控制信号的控制下将所述输入信号的电平抬升七倍或九倍后输出；
在第十增益控制信号有效时，所述第四升压模块在所述第四升压模块的时钟信号和传输门控制信号的控制下将所述输入信号的电平抬升四倍或五倍后输出；
所述增益选择模块包括第二十三传输门、第二十四传输门、第二十五传输门、第二十六传输门、第二十七传输门、第二十八传输门、第二十九传输门、第三十传输门和第三十一传输门，
第二十三传输门的一端连接所述输入信号，其另一端连接所述交叉耦合型电荷泵的输出端，由第五增益控制信号控制；
第二十四传输门、第二十五传输门、第二十六传输门、第二十七传输门的一端分别连接第一升压模块的第一输出端、第二升压模块的第一输出端、第三升压模块的第一输出端、第四升压模块的第一输出端，另一端均连接所述交叉耦合型电荷泵的输出端；
第二十八传输门、第二十九传输门、第三十传输门和第三十一传输门的一端分别连接第一升压模块的第二输出端、第二升压模块的第二输出端、第三升压模块的第二输出端、第四升压模块的第二输出端，另一端均连接所述交叉耦合型电荷泵的输出端；
第二十四传输门和第二十八传输门由第六增益控制信号控制；
第二十五传输门和第二十九传输门由第七增益控制信号控制；
第二十六传输门和第三十传输门由第八增益控制信号控制；
第二十七传输门和第三十一传输门由第九增益控制信号控制；
所述增益选择模块在第五增益控制信号至第九增益控制信号的控制下，选择将所述输入信号的电平被抬升一倍至九倍中任意倍数后的信号作为所述交叉耦合型电荷泵的输出信号。
具体的，所述交叉耦合型电荷泵还包括时钟产生模块，所述时钟产生模块用于产生非交叠的时钟信号作为所述第一升压模块、第二升压模块、第三升压模块和第四升压模块的时钟信号和传输门控制信号。
具体的，所述交叉耦合型电荷泵中包括多个第一升压模块、第二升压模块、第三升压模块和第四升压模块，将每个所述第一升压模块、第二升压模块、第三升压模块和第四升压模块的输出信号通过所述增益选择模块进行叠加。
本发明的有益效果是：本发明提出的电荷泵能够实现增益可变，由于电荷泵充电效率仅在输出电压等于输入电压的增益倍时达到最大，则通过增益可变的电荷泵对充电电容逐步充电的方法可以极大的增大效率；另外，时钟产生模块产生的非交叠时钟信号控制电荷泵的开关管，避免了反向导通损耗，提高了电荷泵的效率。
附图说明
图1是本发明提出的一种增益可变的交叉耦合型电荷泵的完整电路图。
图2是本发明提出的一种增益可变的交叉耦合型电荷泵中的电荷泵控制位与增益对应表。
图3是本发明提出的一种增益可变的交叉耦合型电荷泵中时钟产生模块在是实施例中的一种电路实现结构图。
图4是实施例中时钟产生模块的主要节点波形图。
注：名字以NM开头的晶体管为NMOS(N-Metal-Oxide-Semiconductor)管；以名字为-gateij的传输门控制信号作栅端信号的晶体管为PMOS(P-Metal-Oxide-Semiconductor)管；以名字为gateij的传输门控制信号作栅端信号的晶体管为NMOS(N-Metal-Oxide-Semiconductor)管；以名字为-clkij的时钟信号作栅端信号的晶体管为PMOS(P-Metal-Oxide-Semiconductor)管；以名字为clkij的时钟信号作栅端信号的晶体管为NMOS(N-Metal-Oxide-Semiconductor)管。
具体实施方式
下面结合附图和具体的实施例对本发明作进一步的阐述。
本发明提出一种增益可变的交叉耦合型电荷泵，包括增益选择模块和四个升压模块，每个升压模块中，都先利用一组交叉耦合结构的NMOS的体二极管对电容进行预充电，再通过非交叠时钟信号的控制抬升电容上的电压，从而实现输出电压的不同倍数的提升。
如图1(a)所示是第一升压模块，包括第一NMOS管NM1、第二NMOS管NM2、第三NMOS管NM3、第四NMOS管NM4、第五NMOS管NM5、第六NMOS管NM6、第一电容C11、第二电容C12、第一传输门和第二传输门，第一NMOS管NM1的源极连接第二NMOS管NM2的源极、第五NMOS管NM5和第六NMOS管NM6的漏极以及输入信号VIN，其漏极连接第二NMOS管NM2的栅极、第一电容C11的一端并通过第一传输门后作为第一升压模块的第一输出端，其栅极连接第二NMOS管NM2的漏极、第二电容C12的一端并通过第二传输门后作为第一升压模块的第二输出端；第三NMOS管NM3的漏极连接第五NMOS管NM5的源极和第一电容C11的另一端，其源极连接第四NMOS管NM4的源极并接地；第四NMOS管NM4的漏极连接第六NMOS管NM6的源极和第二电容C12的另一端。
其中第三NMOS管NM3、第四NMOS管NM4、第五NMOS管NM5、第六NMOS管NM6由第一升压模块的时钟信号clk01、clk02、clk11、clk12控制，如图1(a)所示，时钟信号clk01连接第四NMOS管NM4的栅极，时钟信号clk02连接第三NMOS管NM3的栅极，时钟信号clk11连接第五NMOS管NM5的栅极，时钟信号clk12连接第六NMOS管NM6的栅极。
第一传输门和第二传输门由第一升压模块的传输门控制信号gate11、-gate11和gate12、-gate12控制；传输门由一个NMOS管和一个PMOS管构成，传输门控制信号gate11连接第一传输门中NMOS管的栅极，传输门控制信号-gate11连接第一传输门中PMOS管的栅极，传输门控制信号gate12连接第二传输门中NMOS管的栅极，传输门控制信号-gate12连接第二传输门中PMOS管的栅极。
在第一升压模块的时钟信号和第一升压模块的传输门控制信号的控制下，第一升压模块将输入信号VIN的电平抬升两倍后输出。
如图1(b)所示是第二升压模块，包括第七NMOS管NM7、第八NMOS管NM8、第九NMOS管NM9、第十NMOS管NM10、第十一NMOS管NM11、第十二NMOS管NM12、第三电容C21、第四电容C22、第三传输门、第四传输门、第五传输门、第六传输门、第七传输门和第八传输门，第八NMOS管NM8的源极连接第一升压模块的第一输出端，其栅极连接第七NMOS管NM7的漏极和第三电容C21的一端并通过第三传输门后作为第二升压模块的第一输出端，其漏极连接第七NMOS管NM7的栅极和第四电容C22的一端并通过第四传输门后作为第二升压模块的第二输出端；第七NMOS管NM7的源极连接第一升压模块的第二输出端；第九NMOS管NM9的源极连接第十一NMOS管NM11的漏极和第三电容C21的另一端，其漏极一方面通过第五传输门后连接输入信号VIN，另一方面通过第六传输门后连接第一升压模块的第一输出端；第十NMOS管NM10的源极连接第十二NMOS管NM12的漏极和第四电容C22的另一端，其漏极一方面通过第七传输门后连接输入信号VIN，另一方面通过第八传输门后连接第一升压模块的第二输出端；第十一NMOS管NM11和第十二NMOS管NM12的源极接地。
第九NMOS管NM9、第十NMOS管NM10、第十一NMOS管NM11、第十二NMOS管NM12由第二升压模块的时钟信号clk11、clk12、clk21、clk22控制，如图1(b)所示，时钟信号clk21连接第九NMOS管NM9的栅极，时钟信号clk22连接第十NMOS管NM10的栅极，时钟信号clk11连接第十二NMOS管NM12的栅极，时钟信号clk12连接第十一NMOS管NM11的栅极。
第三传输门、第四传输门由第二升压模块的传输门控制信号gate21、-gate21和gate22、-gate22控制；传输门控制信号gate21连接第三传输门中NMOS管的栅极，传输门控制信号-gate21连接第三传输门中PMOS管的栅极，传输门控制信号gate22连接第四传输门中NMOS管的栅极，传输门控制信号-gate22连接第四传输门中PMOS管的栅极。
第五传输门和第七传输门由第一增益控制信号ctl1、-ctl1控制，第六传输门和第八传输门由第二增益控制信号ctl2、-ctl2控制；第一增益控制信号ctl1连接第五传输门和第七传输门中NMOS管的栅极，第一增益控制信号-ctl1连接第五传输门和第七传输门中PMOS管的栅极，第二增益控制信号ctl2连接第六传输门和第八传输门中NMOS管的栅极，第二增益控制信号-ctl2连接第六传输门和第八传输门中PMOS管的栅极。
在第一增益控制信号有效时，将第五传输门和第七传输门打开接入输入信号VIN，第二升压模块在第二升压模块的时钟信号和第二升压模块的传输门控制信号的控制下将第一升压模块的输出信号抬升一个输入信号VIN的电平后输出，即将输入信号VIN抬升三倍。
在第二增益控制信号有效时，将第六传输门和第八传输门打开接入第一升压模块的输出信号，第二升压模块在第二升压模块的时钟信号和第二升压模块的传输门控制信号的控制下将第一升压模块的输出信号再抬升一个第一升压模块输出信号的电平后输出，即将输入信号VIN的电平抬升四倍后输出。
如图1(c)所示是第三升压模块，包括第十三MOS管NM13、第十四MOS管NM14、第十五NMOS管NM15、第十六NMOS管NM16、第五电容C31、第六电容C32、第一PMOS管PM1、第二PMOS管PM2、第九传输门、第十传输门、第十一传输门和第十二传输门，第十四MOS管NM14的源极连接第二升压模块的第一输出端，其栅极连接第十三MOS管NM13的漏极、第五电容C31的一端和第一PMOS管PM1的漏极，其漏极连接第十三MOS管NM13的栅极、第六电容C32的一端和第二PMOS管PM2的漏极第十三MOS管NM13的源极连接第二升压模块的第二输出端；第一PMOS管PM1的源极作为第三升压模块的第一输出端，第二PMOS管PM2的源极作为第三升压模块的第二输出端；第十五NMOS管NM15的漏极连接第五电容C31的另一端并依次通过第九传输门和第十传输门后连接第二升压模块的第一输出端，其源极连接第十六NMOS管NM16的源极并接地；第十六NMOS管NM16的漏极连接第六电容C32的另一端并依次通过第十一传输门和第十二传输门后连接第二升压模块的第二输出端。
第十五NMOS管NM15、第十六NMOS管NM16由第三升压模块的时钟信号clk11、clk12控制，第九传输门和第十一传输门由第三升压模块的时钟信号clk31、clk32、-clk31、-clk32控制，第一PMOS管PM1和第二PMOS管PM2由第三升压模块的传输门控制信号-gate31、-gate32控制，第十传输门和第十二传输门由第三增益控制信号ctl3、-ctl3控制，连接方式与第一升压模块和第二升压模块同理，这里不再赘述。
在第三增益控制信号、第三升压模块的时钟信号和第三升压模块的传输门控制信号的控制下，第三升压模块将第二升压模块的输出信号再抬升一个第二升压模块输出电压的电平后输出，由于第二升压模块能够将输入信号VIN抬升三倍或四倍，因此第三升压模块能够将输入信号VIN的电平抬升六倍或八倍。
如图1(d)所示是第四升压模块，包括第十七NMOS管NM17、第十八NMOS管NM18、第七电容C41、第八电容C42、第十三传输门、第十四传输门、第十五传输门、第十六传输门、第十七传输门、第十八传输门、第十九传输门、第二十传输门、第二十一传输门和第二十二传输门，第十三传输门的一端连接输入信号VIN，另一端连接第七电容C41的一端并通过第十四传输门后作为第四升压模块的第一输出端；第十五传输门的一端连接输入信号VIN，另一端连接第八电容C42的一端并通过第十六传输门后作为第四升压模块的第二输出端；第十七传输门的一端连接第十七NMOS管NM17的漏极和第七电容C41的另一端，第十七传输门的另一端一方面通过第十八传输门后连接第二升压模块的第一输出端，另一方面通过第十九传输门后连接第三升压模块的第一输出端；第二十传输门的一端连接第十八NMOS管NM18的漏极和第八电容C42的另一端，第二十传输门的另一端一方面通过第二十一传输门后连接第二升压模块的第二输出端，另一方面通过第二十二传输门后连接第三升压模块的第二输出端；第十七NMOS管NM17和第十八NMOS管NM18的源极接地。
第十三传输门、第十五传输门、第十七传输门、第二十传输门由第四升压模块的时钟信号clk41、-clk41、clk42、-clk42控制，第十七NMOS管NM17和第十八NMOS管NM18由第四升压模块的时钟信号clk11、clk12控制；第十四传输门和第十六传输门由第四升压模块的传输门控制信号gate41、-gate41、gate42、-gate42控制；第十八传输门和第二十一传输门由第十增益控制信号ctl10、-ctl10控制；第十九传输门和第二十二传输门由第四增益控制信号ctl4、-ctl4控制。
在第四增益控制信号有效时，将第十九传输门和第二十二传输门打开接入第三升压模块的输出信号，第四升压模块在第四升压模块的时钟信号和传输门控制信号的控制下将输入信号VIN抬升一个第三升压模块输出信号的电平后输出，即将输入信号VIN的电平抬升七倍或九倍后输出。
在第十增益控制信号有效时，将第十八传输门和第二十一传输门打开接入第二升压模块的输出信号，第四升压模块在第四升压模块的时钟信号和传输门控制信号的控制下将输入信号VIN抬升一个第二升压模块输出信号的电平后输出，即将输入信号VIN的电平抬升四倍或五倍后输出。
如图1(e)所示是增益选择模块，包括第二十三传输门、第二十四传输门、第二十五传输门、第二十六传输门、第二十七传输门、第二十八传输门、第二十九传输门、第三十传输门和第三十一传输门，第二十三传输门的一端连接输入信号VIN，其另一端连接交叉耦合型电荷泵的输出端，由第五增益控制信号ctl5、-ctl5控制；第二十四传输门、第二十五传输门、第二十六传输门、第二十七传输门的一端分别连接第一升压模块的第一输出端、第二升压模块的第一输出端、第三升压模块的第一输出端、第四升压模块的第一输出端，另一端均连接交叉耦合型电荷泵的输出端；第二十八传输门、第二十九传输门、第三十传输门和第三十一传输门的一端分别连接第一升压模块的第二输出端、第二升压模块的第二输出端、第三升压模块的第二输出端、第四升压模块的第二输出端，另一端均连接交叉耦合型电荷泵的输出端；第二十四传输门和第二十八传输门由第六增益控制信号ctl6、-ctl6控制；第二十五传输门和第二十九传输门由第七增益控制信号ctl7、-ctl7控制；第二十六传输门和第三十传输门由第八增益控制信号ctl8、-ctl8控制；第二十七传输门和第三十一传输门由第九增益控制信号ctl9、-ctl9控制；通过选择第五增益控制信号至第九增益控制信号，增益选择模块将输入信号VIN的电平被抬升一倍至九倍中任意倍数后的信号作为交叉耦合型电荷泵的输出信号。
根据以上分析可知，图1(a)提出的第一升压模块可实现二倍增益电压提升，图1(b)提出的第二升压模块在图1(a)提出的第一升压模块的基础上实现三倍或四倍增益的电压提升，图1(c)提出的第三升压模块在第一升压模块(图1(a))、第二升压模块(图1(b))的基础上实现六倍或八倍增益的电压提升，图1(d)提出的第四升压模块在第一升压模块(图1(a))、第二升压模块(图1(b))、第三升压模块(图1(c))的基础上可实现四倍、五倍、七倍和九倍增益的电压提升。下面分析每个升压模块的具体工作原理。
第一阶段图1(a)提出的第一升压模块工作，起初时钟信号clk01和clk02为高，输入电压VIN通过第一NMOS管NM1和第二NMOS管NM2的体二极管将第一电容C11和第二电容C22充电至输入电压VIN，由于电容上电压不能突变则当时钟信号clk11和clk12由低变高时电容上极板的电压将被抬升到输入电压的两倍，此时传输门控制信号gate11和gate12控制的第一传输门和第二传输门将打开，从而将2VIN传送至第一升压模块的输出电压VO11(VO12)。
第二阶段图1(b)提出的第二升压模块工作，第一升压模块的输出VO11和VO12作为第二升压模块的输入，工作原理与第一阶段的第一升压模块类似，第一增益控制信号ctl1有效时，第一增益控制信号ctl1控制的第五传输门和第七传输门传输输入信号VIN电压从而将第二升压模块的输出VO21(VO22)提升到三倍的VIN。第二增益控制信号ctl2有效时，第二增益控制信号ctl2控制的第六传输门和第八传输门传输第一升压模块的输出VO11(VO12)电压从而将第二升压模块的输出VO21(VO22)提升到四倍的VIN，则第二升压模块的输出电压VO21(VO22)可选择为3VIN或4VIN。
第三阶段图1(c)提出的第三升压模块工作，工作原理同上，第三增益控制信号ctl3控制的第十传输门和第十二传输门传输第二升压模块的输出VO21(VO22)使得第三升压模块VO31(VO32)提升到6VIN或8VIN。
第四阶段图1(d)提出的第四升压模块工作，第四增益控制信号ctl4有效时，第四增益控制信号ctl4控制的第十九传输门和第二十二传输门传输第三升压模块的输出VO31(VO32)电压从而将第四升压模块的输出VO41(VO42)提升到7VIN或9VIN。第十增益控制信号ctl10有效时，第十增益控制信号ctl10控制的第十八传输门和第二十一传输门传输第二升压模块的输出VO21(VO22)电压从而将第四升压模块的输出VO41(VO42)提升到4VIN或5VIN，则第四升压模块的输出电压VO41(VO42)可选择为5VIN或7VIN。
综上可得，本发明提出的升压模块主要包括开关管和充电电容，两个交叉耦合的NMOS管连接到电容的上极板且利用体二极管对电容进行预充电，可以实现1～9倍的输入电压提升。再结合由增益控制信号控制传输门的增益选择模块，用户能够根据需求选择合适的增益去提升电压，下面详细说明如何根据增益控制信号进行选择。
第一增益控制信号ctl1至第十增益控制信号ctl10用于控制电荷泵的增益，各个信号与输出增益的对应关系如图2。
当选择一倍增益时，第五增益控制信号ctl5为高从而将输入信号VIN传输到电荷泵的输出OUTPUT，如图1(e)所示。
当选择两倍增益时，第六增益控制信号ctl6为高从而将第一升压模块的输出VO11(VO12)传输到电荷泵的输出OUTPUT，此时第一升压模块的输出VO11(VO12)选择为2VIN。
当选择三倍增益时，第一增益控制信号ctl1和第七增益控制信号ctl7为高，第七增益控制信号ctl7为高将第二升压模块的输出VO21(VO22)传输到电荷泵的输出OUTPUT，其中第二升压模块的输出VO21(VO22)通过第一增益控制信号ctl1选择为3VIN。
当选择四倍增益时，第二增益控制信号ctl2和第七增益控制信号ctl7为高，第七增益控制信号ctl7为高将第二升压模块的输出VO21(VO22)传输到电荷泵的输出OUTPUT，其中第二升压模块的输出VO21(VO22)通过第二增益控制信号ctl2选择为4VIN。
当选择五倍增益时，第二增益控制信号ctl2、第九增益控制信号ctl9和第十增益控制信号ctl10为高，第九增益控制信号ctl9为高将第四升压模块的输出VO41(VO42)传输到电荷泵的输出OUTPUT，其中第四升压模块的输出VO41(VO42)通过第十增益控制信号ctl10选择为VO21+VIN(VO22+VIN)，而VO21(VO22)通过第二增益控制信号ctl2选择为4VIN，则电荷泵的输出OUTPUT的电压为5VIN。
当选择六倍增益时，第一增益控制信号ctl1、第三增益控制信号ctl3和第八增益控制信号ctl8为高，第八增益控制信号ctl8为高将第三升压模块的输出VO31(VO32)传输到电荷泵的输出OUTPUT，其中第三升压模块的输出VO31(VO32)通过第三增益控制信号ctl3选择为2VO21(2VO22)，而VO21(VO22)通过第一增益控制信号ctl1选择为3VIN，则电荷泵的输出OUTPUT的电压为6VIN。
当选择七倍增益时，第一增益控制信号ctl1、第三增益控制信号ctl3、第四增益控制信号ctl4和第九增益控制信号ctl9为高，第九增益控制信号ctl9为高将第四升压模块的输出VO41(VO42)传输到电荷泵的输出OUTPUT，其中第四升压模块的输出VO41(VO42)通过第四增益控制信号ctl4选择为VO31+VIN(VO32+VIN)，而VO31(VO32)通过第三增益控制信号ctl3选择为2VO21(2VO22)，VO21(VO22)通过第一增益控制信号ctl1选择为3VIN，则电荷泵的输出OUTPUT的电压为7VIN。
当选择八倍增益时，第二增益控制信号ctl2、第三增益控制信号ctl3和第八增益控制信号ctl8为高，第八增益控制信号ctl8为高将第三升压模块的输出VO31(VO32)传输到电荷泵的输出OUTPUT，第三升压模块的输出VO31(VO32)通过第三增益控制信号ctl3选择为2VO21(2VO22)，而VO21(VO22)通过第二增益控制信号ctl2选择为4VIN，则电荷泵的输出OUTPUT的电压为8VIN。
当选择九倍增益时，第二增益控制信号ctl2、第三增益控制信号ctl3、第四增益控制信号ctl4和第九增益控制信号ctl9为高，第九增益控制信号ctl9为高将第四升压模块的输出VO41(VO42)传输到电荷泵的输出OUTPUT，其中第四升压模块的输出VO41(VO42)通过第四增益控制信号ctl4选择为VO31+VIN(VO32+VIN)，而VO31(VO32)通过第三增益控制信号ctl3选择为2VO21(2VO22)即8VIN，VO21(VO22)通过第二增益控制信号ctl2选择为2VO11(2VO12)即4VIN，则电荷泵的输出OUTPUT的电压为9VIN。
某些增益级数，如5、6、7，可以通过不同的电压叠加方式得到，图2只列出了其中的一种可能的实现方式。
另外，还可以通过叠加多个第一升压模块、第二升压模块、第三升压模块和第四升压模块的方式获得大于9倍的电压提升，比如现在设置一组由第一升压模块、第二升压模块、第三升压模块和第四升压模块组成的升压结构，再设置另一组同样由第一升压模块、第二升压模块、第三升压模块和第四升压模块组成(也可以仅包括第一升压模块，或仅由第一升压模块、第二升压模块组成，或仅由第一升压模块、第二升压模块、第三升压模块组成)的升压结构，将每个升压结构利用增益选择模块进行叠加，即可实现更高倍数的电压提升。
电荷泵中时钟信号和传输门控制信号可以由时钟产生模块产生，如图3所示给出了时钟产生模块的一种实现形式，电路由延迟块和逻辑门构成，以此产生不同的非交叠的时钟信号去控制电荷泵电路中的开关管。本实施例中整个时钟发生器实现的方式是通过延迟链得到一系列有时间差的时钟信号，再利用与非门、或非门和反相器处理这些信号，得到可正确驱动可重构电荷泵的另一组时钟信号。
图4是本实施例中时钟产生模块最后生成的波形，可以看到，最后的波形是呈嵌套状的。最后一级的时钟gate_41、gate_42以及clk_41、clk_42是开启时间最短的时钟。也就是说，当倒数第二级，也就是gate_31、gate_32以及clk_31、clk_32控制的信号先开始工作后，最后一级才开始工作；同样的，关闭过程也是最后一级先于倒数第二级关闭。剩下两级与前级的关系类似于最后两级，虽然在图中没有给出，但也是嵌套开启。由于第二下标分别为1和2的两种时钟没有同时为高的状态，所以不存在级间电容向输入端的反向充电；gate信号后于clk信号开启，先于clk信号关闭，则也不存在由输出端到输入端的反向充电；又因为前后级信号是嵌套的，所以也不存在从输出端到级间电容的反向充电损耗。所以该时钟发生器避免了反向充电损耗。
综上可知，本发明提出的电荷泵能够实现增益的可调控，通过增益选择信号控制实现了1～9倍的输出电压的增加，且将升压模块进行叠加使用还可以实现大于9倍输出电压的增加；另外本发明使用的时钟产生模块发生器可避免反向充电所带来的损耗，提高了电路驱动能力和充电效率。
本领域的普通技术人员可以根据本发明公开的这些技术启示做出各种不脱离本发明实质的其它各种具体变形和组合，这些变形和组合仍然在本发明的保护范围内。

Claims (3)

1.一种增益可变的交叉耦合型电荷泵，其特征在于，包括第一升压模块、第二升压模块、第三升压模块、第四升压模块和增益选择模块；
所述第一升压模块包括第一NMOS管、第二NMOS管、第三NMOS管、第四NMOS管、第五NMOS管、第六NMOS管、第一电容、第二电容、第一传输门和第二传输门，
第一NMOS管的源极连接第二NMOS管的源极、第五NMOS管和第六NMOS管的漏极以及输入信号，其漏极连接第二NMOS管的栅极、第一电容的一端并通过第一传输门后作为所述第一升压模块的第一输出端，其栅极连接第二NMOS管的漏极、第二电容的一端并通过第二传输门后作为所述第一升压模块的第二输出端；
第三NMOS管的漏极连接第五NMOS管的源极和第一电容的另一端，其源极连接第四NMOS管的源极并接地；
第四NMOS管的漏极连接第六NMOS管的源极和第二电容的另一端；
第三NMOS管、第四NMOS管、第五NMOS管、第六NMOS管由所述第一升压模块的时钟信号控制；
第一传输门和第二传输门由所述第一升压模块的传输门控制信号控制；
在所述第一升压模块的时钟信号和所述第一升压模块的传输门控制信号的控制下，所述第一升压模块将所述输入信号的电平抬升两倍后输出；
所述第二升压模块包括第七NMOS管、第八NMOS管、第九NMOS管、第十NMOS管、第十一NMOS管、第十二NMOS管、第三电容、第四电容、第三传输门、第四传输门、第五传输门、第六传输门、第七传输门和第八传输门，
第八NMOS管的源极连接所述第一升压模块的第一输出端，其栅极连接第七NMOS管的漏极和第三电容的一端并通过第三传输门后作为所述第二升压模块的第一输出端，其漏极连接第七NMOS管的栅极和第四电容的一端并通过第四传输门后作为第二升压模块的第二输出端；
第七NMOS管的源极连接所述第一升压模块的第二输出端；
第九NMOS管的源极连接第十一NMOS管的漏极和第三电容的另一端，其漏极一方面通过第五传输门后连接所述输入信号，另一方面通过第六传输门后连接所述第一升压模块的第一输出端；
第十NMOS管的源极连接第十二NMOS管的漏极和第四电容的另一端，其漏极一方面通过第七传输门后连接所述输入信号，另一方面通过第八传输门后连接所述第一升压模块的第二输出端；
第十一NMOS管和第十二NMOS管的源极接地；
第九NMOS管、第十NMOS管、第十一NMOS管、第十二NMOS管由所述第二升压模块的时钟信号控制；
第三传输门、第四传输门由所述第二升压模块的传输门控制信号控制；
第五传输门和第七传输门由第一增益控制信号控制，第六传输门和第八传输门由第二增益控制信号控制；
在第一增益控制信号有效时，所述第二升压模块在所述第二升压模块的时钟信号和所述第二升压模块的传输门控制信号的控制下将所述输入信号的电平抬升三倍后输出；
在第二增益控制信号有效时，所述第二升压模块在所述第二升压模块的时钟信号和所述第二升压模块的传输门控制信号的控制下将所述输入信号的电平抬升四倍后输出；
所述第三升压模块包括第十三NMOS管、第十四NMOS管、第十五NMOS管、第十六NMOS管、第五电容、第六电容、第一PMOS管、第二PMOS管、第九传输门、第十传输门、第十一传输门和第十二传输门，
第十四NMOS管的源极连接所述第二升压模块的第一输出端，其栅极连接第十三NMOS管的漏极、第五电容的一端和第一PMOS管的漏极，其漏极连接第十三NMOS管的栅极、第六电容的一端和第二PMOS管的漏极
第十三NMOS管的源极连接所述第二升压模块的第二输出端；
第一PMOS管的源极作为所述第三升压模块的第一输出端，第二PMOS管的源极作为所述第三升压模块的第二输出端；
第十五NMOS管的漏极连接第五电容的另一端并依次通过第九传输门和第十传输门后连接所述第二升压模块的第一输出端，其源极连接第十六NMOS管的源极并接地；
第十六NMOS管的漏极连接第六电容的另一端并依次通过第十一传输门和第十二传输门后连接所述第二升压模块的第二输出端；
第十五NMOS管、第十六NMOS管、第九传输门和第十一传输门由所述第三升压模块的时钟信号控制；
第一PMOS管和第二PMOS管由所述第三升压模块的传输门控制信号控制；
第十传输门和第十二传输门由第三增益控制信号控制；
在所述第三增益控制信号、第三升压模块的时钟信号和第三升压模块的传输门控制信号的控制下，所述第三升压模块将所述输入信号的电平抬升六倍或八倍后输出；
所述第四升压模块包括第十七NMOS管、第十八NMOS管、第七电容、第八电容、第十三传输门、第十四传输门、第十五传输门、第十六传输门、第十七传输门、第十八传输门、第十九传输门、第二十传输门、第二十一传输门和第二十二传输门，
第十三传输门的一端连接所述输入信号，另一端连接第七电容的一端并通过第十四传输门后作为所述第四升压模块的第一输出端；
第十五传输门的一端连接所述输入信号，另一端连接第八电容的一端并通过第十六传输门后作为所述第四升压模块的第二输出端；
第十七传输门的一端连接第十七NMOS管的漏极和第七电容的另一端，第十七传输门的另一端一方面通过第十八传输门后连接所述第二升压模块的第一输出端，另一方面通过第十九传输门后连接所述第三升压模块的第一输出端；
第二十传输门的一端连接第十八NMOS管的漏极和第八电容的另一端，第二十传输门的另一端一方面通过第二十一传输门后连接所述第二升压模块的第二输出端，另一方面通过第二十二传输门后连接所述第三升压模块的第二输出端；
第十七NMOS管和第十八NMOS管的源极接地；
第十三传输门、第十五传输门、第十七传输门、第二十传输门、第十七NMOS管和第十八NMOS管由所述第四升压模块的时钟信号控制；
第十四传输门和第十六传输门由所述第四升压模块的传输门控制信号控制；
第十八传输门和第二十一传输门由第十增益控制信号控制；
第十九传输门和第二十二传输门由第四增益控制信号控制；
在第四增益控制信号有效时，所述第四升压模块在所述第四升压模块的时钟信号和传输门控制信号的控制下将所述输入信号的电平抬升七倍或九倍后输出；
在第十增益控制信号有效时，所述第四升压模块在所述第四升压模块的时钟信号和传输门控制信号的控制下将所述输入信号的电平抬升四倍或五倍后输出；
所述增益选择模块包括第二十三传输门、第二十四传输门、第二十五传输门、第二十六传输门、第二十七传输门、第二十八传输门、第二十九传输门、第三十传输门和第三十一传输门，
第二十三传输门的一端连接所述输入信号，其另一端连接所述交叉耦合型电荷泵的输出端，由第五增益控制信号控制；
第二十四传输门、第二十五传输门、第二十六传输门、第二十七传输门的一端分别连接第一升压模块的第一输出端、第二升压模块的第一输出端、第三升压模块的第一输出端、第四升压模块的第一输出端，另一端均连接所述交叉耦合型电荷泵的输出端；
第二十八传输门、第二十九传输门、第三十传输门和第三十一传输门的一端分别连接第一升压模块的第二输出端、第二升压模块的第二输出端、第三升压模块的第二输出端、第四升压模块的第二输出端，另一端均连接所述交叉耦合型电荷泵的输出端；
第二十四传输门和第二十八传输门由第六增益控制信号控制；
第二十五传输门和第二十九传输门由第七增益控制信号控制；
第二十六传输门和第三十传输门由第八增益控制信号控制；
第二十七传输门和第三十一传输门由第九增益控制信号控制；
所述增益选择模块在第五增益控制信号至第九增益控制信号的控制下，选择将所述输入信号的电平被抬升一倍至九倍中任意倍数后的信号作为所述交叉耦合型电荷泵的输出信号。
2.根据权利要求1所述的增益可变的交叉耦合型电荷泵，其特征在于，所述交叉耦合型电荷泵还包括时钟产生模块，所述时钟产生模块用于产生非交叠的时钟信号作为所述第一升压模块、第二升压模块、第三升压模块和第四升压模块的时钟信号和传输门控制信号。
3.根据权利要求1或2所述的增益可变的交叉耦合型电荷泵，其特征在于，所述交叉耦合型电荷泵中包括多个第一升压模块、第二升压模块、第三升压模块和第四升压模块，将每个所述第一升压模块、第二升压模块、第三升压模块和第四升压模块的输出信号通过所述增益选择模块进行叠加。
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