CN112350568B - 低功耗高开关速率电荷泵电路 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种低功耗高开关速率电荷泵电路，利用了类似电流源的结构，使电荷泵的电流能够自给，不需要其他模块提供，再运用电容隔断其中一条支路，并其在没有静态电流的同时还能保持本身的功能。这样在锁相环锁定时，本发明的电荷泵电路除了放大器本身有一点功耗，其他部分都是没有功耗或者有极小的功耗。为了减小开关闭合时的泄露功耗，本发明通过改变衬底电压来改变开关管的阈值，在开关管闭合时将它的衬底接到与源极相反的电位，增大了开关管的导通阈值，减小了泄漏电流；另外，本发明电路能实现电流自给，并能通过调节MOS管的尺寸来调节电流大小。

Description

低功耗高开关速率电荷泵电路

技术领域

本发明涉及锁相环技术领域，具体涉及一种低功耗高开关速率电荷泵电路。

背景技术

电荷泵电路是连接数模混合锁相环内部数字电路部分和模拟电路部分，并将鉴频鉴相器输出的相差脉冲转换为对低筒滤波器充放电电流的一种电路模拟接口，在电能变换、电机驱动与存储电路的应用中有重要的地位。

现有技术提出的一些高开关速率的电荷泵电路，需要外给偏置电流，也就是需要不同的支路一直导通，但支路的作用只是提供一定工作点以及电荷泵的输出电流，这样就会使电路多了许多不必要的功耗，特别是当所需电流较大、锁相环未锁定时，电路的整体功耗为实际有用功耗的三倍，而当锁相环锁定时他也有恒定的支路需要消耗电流。

发明内容

本发明的目的是提供一种低功耗高开关速率电荷泵电路，用以在保证电路开关速率快的同时减小电路功耗，使其在锁相环锁定的时候具有极低的功耗。

为了实现上述任务，本发明采用以下技术方案：

一种低功耗高开关速率电荷泵电路，包括电荷泵电路的电压输入端UP、DN，电流输出端IOUT，电流偏置输入电压端BIAS，第一级放大器A1，第一电容C1，电流可调节MOS管M1、M2、M3和M4，衬底可调节MOS管M5、M6、M7和M8，开关MOS管M10、M11、M12和M13，第一反相器INV1和第二反相器INV2，其中：

电压输入端UP耦接于第一反相器INV1并在第一反相器INV1的输出得到另一电压输入端UPB，同时电压输入端UP耦接于开关MOS管M10的栅极和衬底可调节MOS管M8的栅极，电压输入端UPB耦接于另一开关MOS管M11的栅极和衬底可调节MOS管M8和M7的衬底；

电压输入端DN耦接于第二反相器INV2并在第一反相器INV1的输出得到另一电压输入端DNB；同时电压输入端DN耦接于开关MOS管M13的栅极和衬底可调节MOS管M6的栅极，电压输入端DNB耦接于另一开关MOS管M12的栅极和衬底可调节MOS管M5和M6的衬底；

电流偏置输入电压端BIAS耦接于电流可调节MOS管M1的栅极和M2的栅极，M2的漏极耦接于电荷泵电流输出端IOUT和电流可调节MOS管M4的漏极以及第一级放大器A1的输入负端；A1的输入正端耦接于第一电容C1的一端和电流可调节MOS管M1的漏极以及开关MOS管M10、M11、M12和M13的漏极，A1的输出端耦接于电流可调节MOS管M4的栅极和电流可调节MOS管M3的栅极；

电流可调节MOS管M4的源极耦接于开关MOS管M10的源极、M11的源极和衬底可调节MOS管M8的漏极；M8的源极耦接于电源电压和衬底可调节MOS管M7的源极，M7的漏极耦接于电流可调节MOS管M3的源极，M3的漏极耦接于第一电容C1的另一端，电流可调节MOS管M1的源极耦接于衬底可调节MOS管M5的漏极；

衬底可调节MOS管M5的栅极耦接于电源电压，其源极耦接于地和衬底可调节MOS管M6的源极；M6的漏极耦接于电流可调节MOS管M2的源极以及开关MOS管M12和M13的源极。

进一步地，所述第一级放大器A1包括差分输入正电压V+，差分输入负电压V-，放大器输出端OUT，其中：

差分输入正电压V+耦接于第一级放大器差分输入MOS管M14的栅极，第一级放大器差分输入MOS管M14的漏极耦接于电流镜像MOS管M16的栅极和漏极以及电流镜像MOS管M17、M19的栅极，差分输入MOS管M14的源极耦接于差分输入MOS管M15的源极和放大器尾电流MOS管的M20的漏极；

差分输入负电压V-耦接于第一级放大器差分输入MOS管M15的栅极，M15的漏极耦接于第二级放大器输入MOS管M18的栅极和电流镜像MOS管M17的漏极，M15的源极耦接于放大器尾电流MOS管M20的漏极和差分输入MOS管M14的源极；

放大器尾电流MOS管M20的源极耦接于地和放大器尾电流镜像MOS管M21的源极，其栅极耦接于M21的栅极和漏极以及第一电阻R1的一端，R1的另一端耦接于电源；

放大器输出端OUT耦接于第二级放大器输入MOS管M18的漏极和电流镜像MOS管M19的漏极，第二级放大器输入MOS管M18的源极耦接于地，电流镜像MOS管M19的源极耦接于电源。

进一步地，衬底可调节MOS管M8和M6起到了开关的作用，当电压输入端UP信号为低时，衬底可调节MOS管M8开启，电流输出端IOUT往外输出电流；当电压输入端DN信号为高时，衬底可调节MOS管M6开启，电流输出端IOUT往内吸取电流。

进一步地，开关MOS管M10、M11组成一个由电压输入端UP和电压输入端UPB的电压信号控制的CMOS传输门，开关MOS管M12、M13组成一个由电压输入端DN和电压输入端DNB的电压信号控制的CMOS传输门；

当电压输入端UP信号为高，电压输入端UPB信号为低，电压输入端DN信号为低，电压输入端DNB信号为高时，开关MOS管M10、M11、M12、M13组成的两个CMOS传输门导通，使得电流可调节MOS管M4的源极，电流可调节MOS管M2的源极和电流可调节MOS管M1的漏极连接在一起，其电压就与电流输出端的电压相等，这样就使得衬底可调节MOS管M8和M6导通时其漏极电容的充放电时间减少，从而提高开关速度。

一种电荷泵，该电荷泵采用所述低功耗高开关速率电荷泵电路。

与现有技术相比，本发明具有以下技术特点：

本发明利用了类似电流源的结构，使电荷泵的电流能够自给，不需要其他模块提供，再运用电容隔断其中一条支路，并其在没有静态电流的同时还能保持本身的功能。这样在锁相环锁定时，本发明的电荷泵电路除了放大器本身有一点功耗，其他部分都是没有功耗或者有极小的功耗。为了减小开关闭合时的泄露功耗，本发明通过改变衬底电压来改变开关管的阈值，在开关管闭合时将它的衬底接到与源极相反的电位，增大了开关管的导通阈值，减小了泄漏电流；另外，本发明电路能实现电流自给，并能通过调节MOS管的尺寸来调节电流大小。

附图说明

图1为本发明实施例提供的一种低功耗高开关速率电荷泵电路示意图；

图2为图1中的第一级放大器A1的电路结构示意图。

图中标记说明：

UP、UPB、DN、DNB 电荷泵电路电压输入端

BIAS 电流偏置输入电压端

IOUT 电荷泵电路电流输出端口

A1 第一级放大器

C1 第一电容

M1、M2、M3、M4 电流可调节MOS管

M5、M6、M7、M8 衬底可调节MOS管

M10、M11、M12、M13 开关MOS管

INV1 第一反相器

INV2 第二反相器

M14、M15 第一级放大器差分输入MOS管

M20 放大器尾电流MOS管

M21 放大器尾电流镜像MOS管

M16、M17、M19 电流镜像MOS管

M18 第二级放大器输入MOS管

R1 第一电阻

V+V- 差分输入正、负电压

OUT 放大器输出

具体实施方式

参见图1，本发明提供了一种低功耗高开关速率电荷泵电路，包括电压输入端UP和DN，电流输出端IOUT，电流偏置输入电压端BIAS，第一级放大器A1，第一电容C1，电流可调节MOS管M1、M2、M3和M4，衬底可调节MOS管M5、M6、M7和M8，开关MOS管M10、M11、M12和M13，第一反相器INV1和第二反相器INV2，其中：

电荷泵电路的电压输入端UP耦接于第一反相器INV1并在第一反相器INV1的输出得到另一电压输入端UPB。同时电压输入端UP耦接于开关MOS管M10的栅极和衬底可调节MOS管M8的栅极，电压输入端UPB耦接于另一开关MOS管M11的栅极和衬底可调节MOS管M8和M7的衬底。

电压输入端DN耦接于第二反相器INV2并在第一反相器INV1的输出得到另一电压输入端DNB。同时电压输入端DN耦接于开关MOS管M13的栅极和衬底可调节MOS管M6的栅极，电压输入端DNB耦接于另一开关MOS管M12的栅极和衬底可调节MOS管M5和M6的衬底。

电流偏置输入电压端BIAS耦接于电流可调节MOS管M1的栅极和M2的栅极。电流可调节MOS管M2的漏极耦接于电荷泵电流输出端IOUT和电流可调节MOS管M4的漏极以及第一级放大器的输入负端。第一级放大器A1的输入正端耦接于第一电容C1的一端和电流可调节MOS管M1的漏极以及开关MOS管M10、M11、M12和M13的漏极。第一级放大器A1的输出端耦接于电流可调节MOS管M4的栅极和电流可调节MOS管M3的栅极。

电流可调节MOS管M4的源极耦接于开关MOS管M10的源极、M11的源极和衬底可调节MOS管M8的漏极。衬底可调节MOS管M8的源极耦接于电源电压和衬底可调节MOS管M7的源极。衬底可调节MOS管M7的漏极耦接于电流可调节MOS管M3的源极。电流可调节MOS管M3的漏极耦接于第一电容的另一端。电流可调节MOS管M1的源极耦接于衬底可调节MOS管M5的漏极。

衬底可调节MOS管M5的栅极耦接于电源电压以及其源极耦接于地和衬底可调节MOS管M6的源极。衬底可调节MOS管M6的漏极耦接于电流可调节MOS管M2的源极以及开关MOS管M12和M13的源极。

图2为图1中的A1放大器电路的示意图。该部分包括差分输入正电压V+(对应于图1第一级放大器A1的正输入端)，差分输入负电压V-(对应于图1第一级放大器A1的负输入端)，放大器输出端OUT(对应于图1第一级放大器A1的输出)。

差分输入正电压V+耦接于第一级放大器差分输入MOS管M14的栅极，第一级放大器差分输入MOS管M14的漏极耦接于电流镜像MOS管M16的栅极和漏极以及电流镜像MOS管M17、M19的栅极。差分输入MOS管M14的源极耦接于差分输入MOS管M15的源极和放大器尾电流MOS管的M20的漏极。

差分输入负电压V-耦接于第一级放大器差分输入MOS管M15的栅极，第一级放大器差分输入MOS管M15的漏极耦接于第二级放大器输入MOS管M18的栅极和电流镜像MOS管M17的漏极。差分输入MOS管M15的源极耦接于放大器尾电流MOS管M20的漏极和差分输入MOS管M14的源极。

放大器尾电流MOS管M20的源极耦接于地和放大器尾电流镜像MOS管M21的源极，其栅极耦接于放大器尾电流镜像MOS管M21的栅极和漏极以及第一电阻R1的一端。第一电阻R1的另一端耦接于电源。

放大器的输出端IOUT耦接于第二级放大器输入MOS管M18的漏极和电流镜像MOS管M19的漏极。第二级放大器输入MOS管M18的源极耦接于地。电流镜像MOS管M19的源极耦接于电源。

为了方便理解电荷泵电路的工作情况，可先观察放大器A1的工作情况。

先看图2的放大器电路，当电路上电时，因为放大器尾电流镜像MOS管M21的栅极和漏极是连在一起的，此时放大器尾电流镜像MOS管M21的状态就像一个二极管，只要它的漏极的电压达到一定值就可导通。第一电阻R1的作用在于调节自身的阻值来使放大器尾电流镜像MOS管M21的漏极电压达到它的导通值，一旦放大器尾电流镜像MOS管M21导通，就会有电流流过第一电阻R1，这时第一电阻R1的阻值大小就可以控制他所在这条支路的电流大小，阻值越大电流越小，这样就可以通过调节第一电阻R1的阻值来得到我们想要的电流。由于放大器尾电流MOS管M20的栅极和放大器尾电流镜像MOS管M21的栅极是连接在一起的，所以放大器尾电流MOS管M20的栅极的电压等于放大器尾电流镜像MOS管M21的栅极。再加上放大器尾电流镜像MOS管M21的漏极和放大器尾电流MOS管M20的漏极都耦接于地，只要使放大器尾电流镜像MOS管M21和放大器尾电流MOS管M20的参数一致，就可将第一电阻R1所在支路的电流复制到放大器尾电流MOS管M20所在的支路。而同理，电流镜像MOS管M16、M17和M19的栅极都连接在一起，它们的源极也都耦接于电源电压，再把它们的参数设置为一样，这就能使得电流镜像MOS管M16、M17和M19所在支路的电流相等。当给定适当的V+和V-，也就是使第一级放大器差分输入MOS管M14和M15都工作在饱和区，这样第一级放大器的输出就会使得第二级放大器输入MOS管M18工作在饱和区。而电流镜像MOS管M16、M17和M19在起到镜相电流的同时也作为负载，因为它们都工作在饱和区所以等效的小信号电阻会很大，这就使得放大器的增益会变得很大。当放大器的增益很大时，就能使得在放大器接入环路时，它的两个输入处于虚短的状态。也就是放大器会利用环路来使它的差分输入V+和V-两端的电压相等。

现在再来看电荷泵电路，当电路上电，电流偏置电压输入BIAS接入合适的电压值时电流可调节MOS管M1和M2处于导通状态，由于衬底可调节MOS管M7的栅极耦接于地，衬底可调节MOS管M5的栅极耦接于电源，所以这两个MOS管也是处于导通状态。当没有第一电容C1时，衬底可调节MOS管M7、M5和电流可调节MOS管M1、M3所在的这条支路会处于长期导通的状态，再加上电流可调节MOS管M1和M2的参数一致，其栅极连接在一起，电流可调节MOS管M3和M4的参数一致，其栅极连接在一起。衬底可调节MOS管M7和M8的参数一致，其源极都耦接于电源。衬底可调节MOS管M5和M6的参数一致，其源极都耦接于地。因为衬底可调节MOS管M7的栅极耦接于地，衬底可调节MOS管M5的栅极耦接于电源，所以当电压输入端UP的信号电位为高即电源电压时，M7和M8相当于电流镜像MOS管的作用，当电压电压输入端DN的信号电位为低即地时，M5和M6相当于电流镜像MOS管的作用，这样衬底可调节MOS管M6、M8和电流可调节MOS管M2、M4所在的这条支路的电流会等于衬底可调节MOS管M7、M5和电流可调节MOS管M1、M3所在的这条支路的电流，从MOS管镜像的原理可以得到只要做到MOS管各端的电压相等且参数一致，处于饱和状态时，就能够实现电流复制。而要使MOS管处于饱和区也是通过电压来满足的，所以在电流可调节MOS管M1的漏极加入第一电容C1并加入第一级放大器A1且使用环路调节让A1的差分输入两端电压相等，这样就做到了既能让支路各端点的电压保持一致，又能切断支路电流，做到低功耗。在BIAS确定的同时可以通过调节电流可调节MOS管M1、M2、M3和M4的尺寸来调节支路的电流大小。

衬底可调节MOS管M8和M6起到了开关的作用，当UP信号为低时，衬底可调节MOS管M8开启，电流输出端IOUT往外输出电流。当DN信号为高时，衬底可调节MOS管M6开启，电流输出端IOUT往内吸取电流。由于MOS管的开关速度与它的阈值有关，而MOS管的阈值又可由其衬底电压来调节。所以使用了衬底电压可调节的MOS管，当需要MOS管开启时，衬底可调节MOS管M8和M6的衬底接到与其源极电压相等的电压上，加快其开启速度。在不需要衬底可调节MOS管M8和M6开启时，将它们的衬底电压接到与其源极电压相反的电压上，如可调节MOS管M8的衬底接地，可调节MOS管M6的衬底接电源电压，这样就提高了衬底可调节MOS管M8和M6的导通阈值，减小了它们的泄漏电流，即降低了功耗。

开关MOS管M10、M11组成一个由UP和UPB信号控制的CMOS传输门，开关MOS管M12、M13组成一个由DN和DNB信号控制的CMOS传输门，当UP信号为高，UPB信号为低，DN信号为低，DNB信号为高时，开关MOS管M10、M11、M12、M13组成的两个CMOS传输门导通，使得电流可调节MOS管M4的源极，电流可调节MOS管M2的源极和电流可调节MOS管M1的漏极连接在一起，其电压就与电流输出端的电压相等，这样就使得衬底可调节MOS管M8和M6导通时其漏极电容的充放电时间减少，从而提高开关速度。

综上所述，本发明的实施例所提供的电荷泵电路在保证基本电荷泵电路功能的同时，可以利用UP、UPB、DN和DNB四个信号来控制开关MOS管M10、M11、M12、M13组成的两个CMOS传输门，衬底可调节MOS管M8和M6的衬底电压以及他们的栅极电压来实现高速率的开关，还有利用第一电容C1和第一级放大器A1来实现低功耗的和自调电流目的。

以上实施例仅用以说明本申请的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本申请进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本申请各实施例技术方案的精神和范围，均应包含在本申请的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种低功耗高开关速率电荷泵电路，其特征在于，包括电荷泵电路的电压输入端UP、DN，电流输出端IOUT，电流偏置输入电压端BIAS，第一级放大器A1，第一电容C1，电流可调节MOS管M1、M2、M3和M4，衬底可调节MOS管M5、M6、M7和M8，开关MOS管M10、M11、M12和M13，第一反相器INV1和第二反相器INV2，其中：

电压输入端UP耦接于第一反相器INV1并在第一反相器INV1的输出得到另一电压输入端UPB，同时电压输入端UP耦接于开关MOS管M10的栅极和衬底可调节MOS管M8的栅极，电压输入端UPB耦接于另一开关MOS管M11的栅极和衬底可调节MOS管M8和M7的衬底；

电压输入端DN耦接于第二反相器INV2并在第二 反相器INV2 的输出得到另一电压输入端DNB；同时电压输入端DN耦接于开关MOS管M13的栅极和衬底可调节MOS管M6的栅极，电压输入端DNB耦接于另一开关MOS管M12的栅极和衬底可调节MOS管M5和M6的衬底；

电流偏置输入电压端BIAS耦接于电流可调节MOS管M1的栅极和M2的栅极，M2的漏极耦接于电荷泵电流输出端IOUT和电流可调节MOS管M4的漏极以及第一级放大器A1的输入负端；A1的输入正端耦接于第一电容C1的一端和电流可调节MOS管M1的漏极以及开关MOS管M10、M11、M12和M13的漏极，A1的输出端耦接于电流可调节MOS管M4的栅极和电流可调节MOS管M3的栅极；

电流可调节MOS管M4的源极耦接于开关MOS管M10的源极、M11的源极和衬底可调节MOS管M8的漏极；M8的源极耦接于电源电压和衬底可调节MOS管M7的源极，M7的漏极耦接于电流可调节MOS管M3的源极，M3的漏极耦接于第一电容C1的另一端，电流可调节MOS管M1的源极耦接于衬底可调节MOS管M5的漏极；

衬底可调节MOS管M5的栅极耦接于电源电压，其源极耦接于地和衬底可调节MOS管M6的源极；M6的漏极耦接于电流可调节MOS管M2的源极以及开关MOS管M12和M13的源极。

2.根据权利要求1所述的低功耗高开关速率电荷泵电路，其特征在于，所述第一级放大器A1包括差分输入正电压V+，差分输入负电压V-，放大器输出端OUT，其中：

差分输入正电压V+耦接于第一级放大器差分输入MOS管M14的栅极，第一级放大器差分输入MOS管M14的漏极耦接于电流镜像MOS管M16的栅极和漏极以及电流镜像MOS管M17、M19的栅极，差分输入MOS管M14的源极耦接于差分输入MOS管M15的源极和放大器尾电流MOS管M20的漏极；

差分输入负电压V-耦接于第一级放大器差分输入MOS管M15的栅极，M15的漏极耦接于第二级放大器输入MOS管M18的栅极和电流镜像MOS管M17的漏极，M15的源极耦接于放大器尾电流MOS管M20的漏极和差分输入MOS管M14的源极；

放大器尾电流MOS管M20的源极耦接于地和放大器尾电流镜像MOS管M21的源极，其栅极耦接于M21的栅极和漏极以及第一电阻R1的一端，R1的另一端耦接于电源；

放大器输出端OUT耦接于第二级放大器输入MOS管M18的漏极和电流镜像MOS管M19的漏极，第二级放大器输入MOS管M18的源极耦接于地，电流镜像MOS管M19的源极耦接于电源。

3.根据权利要求1所述的低功耗高开关速率电荷泵电路，其特征在于，衬底可调节MOS管M8和M6起到了开关的作用，当电压输入端UP信号为低时，衬底可调节MOS管M8开启，电流输出端IOUT往外输出电流；当电压输入端DN信号为高时，衬底可调节MOS管M6开启，电流输出端IOUT往内吸取电流。

4.根据权利要求1所述的低功耗高开关速率电荷泵电路，其特征在于，开关MOS管M10、M11组成一个由电压输入端UP和电压输入端UPB的电压信号控制的CMOS传输门，开关MOS管M12、M13组成一个由电压输入端DN和电压输入端DNB的电压信号控制的CMOS传输门；

当电压输入端UP信号为高，电压输入端UPB信号为低，电压输入端DN信号为低，电压输入端DNB信号为高时，开关MOS管M10、M11、M12、M13组成的两个CMOS传输门导通，使得电流可调节MOS管M4的源极，电流可调节MOS管M2的源极和电流可调节MOS管M1的漏极连接在一起，其电压就与电流输出端的电压相等，这样就使得衬底可调节MOS管M8和M6导通时其漏极电容的充放电时间减少，从而提高开关速度。

5.一种电荷泵，其特征在于，该电荷泵采用根据权利要求1至4中任一权利要求所述的低功耗高开关速率电荷泵电路。

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