CN113824316B - 一种基于数字反相器的可综合电荷泵电路 - Google Patents
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Abstract
本发明属于集成电路设计的技术领域，公开了一种基于数字反相器的可综合电荷泵电路，其特征在于：包括依次串联在一起的多个电荷泵单元，其第一个电荷泵单元作为可综合电荷泵电路结构的输入端，最后一个电荷泵单元作为可综合电荷泵电路结构的输出端，后一个电荷泵单元以前一个电荷泵单元的输出电压为基础进行增压输出，每个电荷泵单元均包括多个储能电容和反相器，并且还连接相位相反的两个时序信号。本发明的电路可完全由硬件描述语言进行描述，并可使用EDA软件进行电路版图的自动生成，有利于降低电路的设计时间、增加电路的可移植性。
Description
技术领域
本发明涉及集成电路设计的技术领域，尤其涉及一种基于数字反相器的可综合电荷泵电路。
背景技术
电荷泵电路是一种将较低电压升压后输出稳定高电压的电路装置。在低功耗系统中，由于压电型能量收集器、热电转换器等能量采集装置仅能输出较低的电源电压，无法直接为电池充电或驱动其他电路，因此电荷泵电路是非常重要的一个模块，在各类低功耗可穿戴设备以及其他物联网系统中应用广泛。电荷泵电路将较低的电源电压转换成稳定的高电平，为电池充电或者为电路其他部分直接供能，使低功耗电路系统能正常工作。
目前的电荷泵电路均采用模拟电路的方式来设计。在集成电路工艺发展迅速且特征尺寸越来越小的情况下，这种设计方式有如下缺陷：1.噪声和串扰问题严重，电路难以在先进工艺下实现；2.每次设计仅适用于单一工艺，更改工艺之后需要重新设计电路；3.版图需要全手工设计；这些因素显著地增加了设计的精力与时间开销。
发明内容
为了解决上述问题，本发明提出一种基于数字反相器的可综合电荷泵电路，将电路结构完全用数字电路的模块进行设计，弥补了现有模拟电路的缺陷，可以使用硬件描述语言(Hardware Description Language,HDL)电路进行描述，并能够使用商用的电子设计自动化(Electronic Design Automation,EDA)软件生成电路版图，从而降低设计的时间和精力成本，并增加电路的可移植性。
本发明可通过以下技术方案实现：
一种基于数字反相器的可综合电荷泵电路，包括依次串联在一起的多个电荷泵单元，其第一个电荷泵单元作为可综合电荷泵电路结构的输入端，最后一个电荷泵单元作为可综合电荷泵电路结构的输出端，后一个电荷泵单元以前一个电荷泵单元的输出电压为基础进行增压输出，每个电荷泵单元均包括多个储能电容和反相器，并且还连接相位相反的两个时序信号。
进一步，每个所述电荷泵单元的电路结构均相同，并且均连接相同的相位相反的两个时序信号，其个数N满足Vout＝N*VCLK+Vin，其中，Vout表示可综合电荷泵电路结构的输出电压，VCLK表示时序信号的电压。
进一步，所述时序信号的幅值等于可综合电荷泵电路结构的输入电压Vin。
进一步，所述电荷泵单元包括第一储能电容C1、第二储能电容C2、第一反相器、第二反相器、第三反相器和第四反相器，
所述第一储能电容C1的第一端连接第一反相器的输入端、第二反相器的输出端，第二端作为电荷泵单元的第一时钟端口与外部连接；
所述的第二电容C2的第一端连接第一反相器的输出端、第二反相器的输入端、第三反相器的输入端、第四反相器的输出端，第二端作为电荷泵单元的第二时钟端口与外部连接；
所述第一反相器的电源端连接第二反相器的电源端、第三反相器的接地端、第四反相器的接地端，所述第一反相器的接地端连接第二反相器的接地端，并作为电荷泵单元的输入端；
所述第三反相器的电源端连接第四反相器的电源端，所述第三反相器的接地端连接第一反相器的电源端、第二反相器的电源端、第四反相器的接地端，所述第三反相器的输出端连接第四反相器的输入端，并作为电荷泵单元的输出端；
所述第一时钟端口和第二时钟端口连接相位相反的时序信号。
本发明有益的技术效果在于：
首次提出了完全由数字反相器和电容构成的可综合电荷泵电路，该电路可完全由硬件描述语言进行描述，并可使用EDA软件进行电路版图的自动生成，有利于降低电路的设计时间、增加电路的可移植性。
附图说明
图1为本发明的可综合电荷泵电路的总体结构框图；
图2为本发明实施例可综合电荷泵电路的系统框图；
图3为本发明实施例可综合电荷泵单元的原理图；
图4为本发明实施例基于Verilog的硬件描述语言代码；
其中，101-第一级电荷泵单元，102-第二级电荷泵单元，103-第三级电荷泵单元，201-第一反相器，202-第二反相器，203-第三反相器，204-第四反相器，301-可综合电荷泵电路主体代码，302-可综合电荷泵单元模块的定义代码。
具体实施方式
下面结合附图及较佳实施例详细说明本发明的具体实施方式。
如图1所示，本发明提供了一种基于数字反相器的可综合电荷泵电路，包括依次串联在一起的多个电荷泵单元，其第一个电荷泵单元作为可综合电荷泵电路结构的输入端，最后一个电荷泵单元作为可综合电荷泵电路结构的输出端，后一个电荷泵单元以前一个电荷泵单元的输出电压为基础进行增压输出，每个电荷泵单元均包括多个储能电容和反相器，并且还连接相位相反的两个时序信号。根据实际应用的需要，可以增加或者减少电荷泵单元的个数。
简单地，每个电荷泵单元的电路结构均相同，并且均连接相同的相位相反的两个时序信号，其个数N满足Vout＝N*VCLK+Vin，其中，Vout表示可综合电荷泵电路结构的输出电压，VCLK表示时序信号的电压，如果时序信号产生电路产生的时序信号电压VCLK满足VCLK等于VIN，就可以实现电压倍增输出，便于电路设计以及后续应用。
以三级可综合电荷泵电路结构为例来说明电路的工作过程，该电路结构由三个相同的可综合电荷泵单元组成，可以将输入电压四倍倍增输出，该电路可由硬件描述语言进行描述。
如图2所示，本发明实施例可综合电荷泵电路的系统框图。具体包括第一级电荷泵单元101，第二级电荷泵单元102，第三级电荷泵单元103。这三个电荷泵单元通过前级输出端连接后级输入端的方式串联，其中第一级电荷泵单元101的输入端为可综合电荷泵电路结构的输入端，第三级电荷泵单元103的输出端为可综合电荷泵电路结构的输出端，同时，所有电荷泵单元的第一时钟端口和第二时钟端口分别连接两个幅值为输入电压VIN，相位相反的时序信号。
如图2所示，本发明实施例可综合电荷泵单元的原理图，该电荷泵单元由若干储能电容和若干反相器组成，包括第一储能电容C1、第二储能电容C2，第一反相器201、第二反相器202、第三反相器203、第四反相器204。
第一储能电容C1的第一端连接第一反相器201的输入端、第二反相器202的输出端，第二端作为电荷泵单元的第一时钟端口与外部连接；第二储能电容C2的第一端连接第一反相器201的输出端、第二反相器202的输入端、第三反相器203的输入端、第四反相器204的输出端，第二端作为电荷泵单元的第二时钟端口与外部连接；
第一反相器201的电源端连接第二反相器202的电源端、第三反相器203的接地端、第四反相器204的接地端，其接地端连接第二反相器202的接地端，并作为电荷泵单元的输入端；第三反相器203的电源端连接第四反相器204的电源端，其接地端连接第一反相器201的电源端、第二反相器202的电源端、第四反相器204的接地端，其输出端连接第四反相器204的输入端，并作为电荷泵单元的输出端；
下面以图2中电荷泵单元二的工作原理为例对电路的工作方式进行解释。
输入电源对第一储能电容C1、第二储能电容C2充电过程：
①、CLK为高电平，CLKB为低电平，NM1管导通，第一反相器201将第二反相器202与第二储能电容C2的第一端连接，多个周期后，第二储能电容C2上的电压为VIN2。
②、CLK为低电平，CLKB为高电平，NM2管导通，第二反相器202将VIN2与第一储能电容C1的第一端连接，多个周期后，第一储能电容C1上电压为VIN2。
第一储能电容C1、第二储能电容C2对负载放电过程：
①、CLK为高电平，CLKB为低电平，PM3管导通、而PM4管不导通，输出端不与电路其他节点连接，电压保持不变。
②、CLK为低电平，CLKB为高电平，PM1管导通、NM3管导通，第一反相器INV1和第三反相器INV3将第二储能电容C2的第一端和输出端相连接，输出电压VOUT2＝VIN2+VCLK。
类似地，图3中的电荷泵单元一的输出电压VOUT1＝VIN+VCLK，电荷泵单元三的输出电压VOUT3＝VIN2+VCLK，同时，由于各单元串联，有VOUT1＝VIN2，VOUT2＝VIN3，因此，最终的输出电压为VOUT＝VIN+3VCLK。
如图4所示，为本发明实施例基于Verilog的硬件描述语言代码。所述的Verilog代码分为两部分，分别是可综合电荷泵电路主体代码301；以及可综合电荷泵单元模块的定义代码302。可综合电荷泵电路主体代码301调用了三个可综合电荷泵单元模块对电路进行描述，各个模块之间通过前级输出端连接后级输入端的方式进行串联。三个可综合电荷泵单元模块接入相同的第一时钟信号和第二时钟信号，与图2系统框图一致。可综合电荷泵单元模块的定义代码302调用了四个反相器模块和两个电容模块，各反相器模块和电容模块之间的连接方式与图3电路部分一致。
技术人员应当理解，这些仅是举例说明，在不背离本发明的原理和实质的前提下，可以对这些实施方式做出多种变更或修改，因此，本发明的保护范围由所附权利要求书限定。
Claims (3)
1.一种基于数字反相器的可综合电荷泵电路，其特征在于：包括依次串联在一起的多个电荷泵单元，其第一个电荷泵单元作为可综合电荷泵电路结构的输入端，最后一个电荷泵单元作为可综合电荷泵电路结构的输出端，后一个电荷泵单元以前一个电荷泵单元的输出电压为基础进行增压输出，每个电荷泵单元均包括多个储能电容和反相器，并且还连接相位相反的两个时序信号；
所述电荷泵单元包括第一储能电容C1、第二储能电容C2、第一反相器、第二反相器、第三反相器和第四反相器，
所述第一储能电容C1的第一端连接第一反相器的输入端、第二反相器的输出端，第二端作为电荷泵单元的第一时钟端口与外部连接；
所述的第二储能电容C2的第一端连接第一反相器的输出端、第二反相器的输入端、第三反相器的输入端、第四反相器的输出端，第二端作为电荷泵单元的第二时钟端口与外部连接；
所述第一反相器的电源端连接第二反相器的电源端、第三反相器的接地端、第四反相器的接地端，所述第一反相器的接地端连接第二反相器的接地端，并作为电荷泵单元的输入端；
所述第三反相器的电源端连接第四反相器的电源端，所述第三反相器的接地端连接第一反相器的电源端、第二反相器的电源端、第四反相器的接地端，所述第三反相器的输出端连接第四反相器的输入端，并作为电荷泵单元的输出端；
所述第一时钟端口和第二时钟端口连接相位相反的时序信号。
2.根据权利要求1所述的基于数字反相器的可综合电荷泵电路，其特征在于：每个所述电荷泵单元的电路结构均相同，并且均连接相同的相位相反的两个时序信号，其个数N满足Vout=N*VCLK+Vin，其中，Vout表示可综合电荷泵电路结构的输出电压，VCLK表示时序信号的电压。
3.根据权利要求2所述的基于数字反相器的可综合电荷泵电路，其特征在于：所述时序信号的幅值等于可综合电荷泵电路结构的输入电压Vin。
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