CN116032115A

CN116032115A - 一种基于cmos工艺的低功耗负压电荷泵电路

Info

Publication number: CN116032115A
Application number: CN202310197431.0A
Authority: CN
Inventors: 张红升; 谢添; 郑铭徽
Original assignee: Chongqing University of Post and Telecommunications
Current assignee: Chongqing University of Post and Telecommunications
Priority date: 2023-03-03
Filing date: 2023-03-03
Publication date: 2023-04-28

Abstract

本发明涉及一种基于CMOS工艺的低功耗负压电荷泵电路，属于射频集成电路设计领域。该电路包括时钟缓冲器、分频器、电荷泵和计数器。其中电荷泵包括第一电荷泵和第二电荷泵，第一电荷泵和第二电荷泵在不同频率下工作，并通过计数器选择第一电荷泵或第二电荷泵进行工作；时钟缓冲器分别与分频器和第一电荷泵连接；分频器分别与计数器和第二电荷泵连接；计数器与第一电荷泵连接，同时计数器输出端连接到其输入端，形成反馈环路；电荷泵与电路负载连接。本发明通过将电路工作频率维持在低频状态，从而实现电荷泵的低功耗。

Description

一种基于CMOS工艺的低功耗负压电荷泵电路

技术领域

本发明属于射频集成电路设计领域，涉及一种基于CMOS工艺的低功耗负压电荷泵电路。

背景技术

当前5G移动通信基础设施建设正处于高速迸发的状态，5G移动手机用户和5G通信设施的普及率大大提高，但是随着大量5G用户的出现，对于5G通信技术的使用稳定性和使用体验提出的较大的挑战。在5G通信系统中，射频开关是一种重要的器件，用于将多路射频信号中的任一路或几路通过控制逻辑连通，以实现不同型号路径的切换，包括接收与发射的切换、不同频段间的切换等，以达到共用天线、节省终端产品成本的目的。电荷泵电路最初应用于DC-DC直流电压转换模块当中，因其结构简单、体积小、低噪声等优点，目前被广泛应用于射频电路开关中，主要用于产生一个比地更低的负电压源，以控制射频开关的工作，因此电荷泵的性能直接影响了射频开关的性能。

电荷泵利用电容可存储电荷这一特性，通过改变极板电位制造电势差，使电容中存储的电荷按一定方向移动，实现输出高于VDD的高压。除此之外，为了得到准确的目标电压，需要负反馈稳压电路对电荷泵输出电压进行负反馈调节。在现有的电荷泵中，很少有关注电荷泵本身功耗的电荷泵设计方案，由于采用CMOS工艺制作的电荷泵在进行射频开关通道切换时，会出现MOS管的关断与导通动作，而MOS管在关断或导通时均会出现一定的功耗，并且时钟频率越高，其损耗越大，不利于电荷泵在射频开关中的应用。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种低功耗的电荷泵电路，实现降低电荷泵电路本身的功耗。

为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种基于CMOS工艺的低功耗负压电荷泵电路，包括时钟缓冲器、分频器、电荷泵和计数器。其中的电荷泵为双泵设计，包括第一电荷泵和第二电荷泵，第一电荷泵和第二电荷泵在不同频率下工作，并通过计数器选择第一电荷泵或第二电荷泵进行工作。时钟缓冲器分别与分频器和第一电荷泵连接，分频器分别与计数器和第二电荷泵连接，计数器与第一电荷泵连接，同时计数器输出端连接到其输入端，形成反馈环路。电荷泵与电路负载连接，提供稳定的负压。

可选地，时钟缓冲器包括反相器I₁、I₃、I₄、I₅、I₇和I₈，以及或非门I₂和I₆；

其中反相器I₁的输入端接入脉冲信号，输出端分别与反相器I₅的输入端和或非门I₂的输入端连接；或非门I₂的输出端连接反相器I₃的输入端，反相器I₃的输出端连接反相器I₄的输入端，反相器I₄的输出端分别与或非门I₆的输入端、分频器以及第一电荷泵连接；

反相器I₅的输出端连接或非门I₆的输入端，或非门I₆的输出端连接反相器I₇的输入端，反相器I₇的输出端连接反相器I₈的输入端，反相器I₈的输出端分别与或非门I₂的输入端和第一电荷泵连接。

可选地，分频器包括与非门和D触发器D1～D3；

其中D触发器D1～D3依次级联，D1～D3的时钟信号输入端均与时钟缓冲器连接，接入CLK信号，反向输出端均悬空；D触发器D1的输入端与与非门的输出端连接；D触发器D2和D3的输出端分别与与非门的输入端连接；D触发器D3的输出端还分别与所述计数器和第二电荷泵连接。

可选地，第一电荷泵和第二电荷泵的结构相同，其具体电路结构包括PMOS管M₁和M₃、NMOS管M₂和M₄、充放电电容C₁和C₂以及滤波电容C_L；

PMOS管M₁和M₃的漏极均接地；PMOS管M₁的栅极分别与NMOS管M₂的栅极、PMOS管M₃的源极、NMOS管M₄的漏极以及电容C₂的第一端连接，PMOS管M₁的源极分别与NMOS管M₂的漏极、PMOS管M₃的栅极、NMOS管M₄的栅极以及电容C₁的第一端连接；NMOS管M₂和M₄的源极均接地；电容C₁和C₂的第二端分别与时钟缓冲器连接。

具体地，在第一电荷泵中，电容C₁的第二端与时钟缓冲器中反相器I₄的输出端连接，电容C₂的第二端与反相器I₈的输出端连接。在第二电荷泵中，电容C₁的第二端与分频器中D触发器D3的输出端连接，电容C₂的第二端与D触发器D3的输出端之间通过一反相器连接。

进一步，该电路的控制方法为：

S1、前级的脉冲信号经过时钟缓冲器处理后，生成两路周期相同、相位相反的非交叠信号；

S2、时钟缓冲器生成的两路信号，其中一路直接作用于第一电荷泵，另一路经过分频器处理得到1MHz的周期信号后作用于第二电荷泵；

S3、该电路正常状态下，第二电荷泵处于工作状态，第一电荷泵处于待机状态；当射频开关有通道切换时，触发信号输入计数器，计数器输出使能信号使第一电荷泵开始工作，通道完成切换后，计数器达到计数上限值，并关闭第一电荷泵，第二电荷泵开始工作。

本发明的有益效果在于：本发明采用双电荷泵设计，并令两个电荷泵工作在不同频率下，同时通过分频器将脉冲信号进行分频，在电荷泵电路正常工作时，使其中一个电荷泵工作于低频状态而另一电荷泵处于待机状态，能够大大降低MOS管关断或导通时的电路损耗，从而实现降低电荷泵的功耗。

本发明的其他优点、目标和特征在某种程度上将在随后的说明书中进行阐述，并且在某种程度上，基于对下文的考察研究对本领域技术人员而言将是显而易见的，或者可以从本发明的实践中得到教导。本发明的目标和其他优点可以通过下面的说明书来实现和获得。

附图说明

为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作优选的详细描述，其中：

图1为本发明低功耗电荷泵电路的结构框图；

图2为时钟缓冲器电路结构图；

图3为分频器电路结构图；

图4为电荷泵模块电路结构图；

图5为电荷泵工作示意图；

图6为电荷泵输出电压仿真图。

具体实施方式

以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。需要说明的是，以下实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，在不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特征可以相互组合。

其中，附图仅用于示例性说明，表示的仅是示意图，而非实物图，不能理解为对本发明的限制；为了更好地说明本发明的实施例，附图某些部件会有省略、放大或缩小，并不代表实际产品的尺寸；对本领域技术人员来说，附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的。

本发明实施例的附图中相同或相似的标号对应相同或相似的部件；在本发明的描述中，需要理解的是，若有术语“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此附图中描述位置关系的用语仅用于示例性说明，不能理解为对本发明的限制，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语的具体含义。

本发明提出一种基于CMOS工艺的低功耗电荷泵电路，其整体结构如图1所示，结构包括时钟缓冲器(clock buffer)、分频器(frequency divider)、电荷泵(CP)、计数器(counter)。

其中电荷泵主要采用双电荷泵优化结构设计，通过选择电荷泵工作在低频下从而达到低功耗的效果。两电荷泵结构相同，其结构如图4所示，包括PMOS管M₁和M₃、NMOS管M₂和M₄、充放电电容C₁和C₂以及滤波电容C_L。其中，PMOS管M₁和M₃的漏极均接地；PMOS管M₁的栅极分别与NMOS管M₂的栅极、PMOS管M₃的源极、NMOS管M₄的漏极以及电容C₂的第一端连接，PMOS管M₁的源极分别与NMOS管M₂的漏极、PMOS管M₃的栅极、NMOS管M₄的栅极以及电容C₁的第一端连接；NMOS管M₂和M₄的源极作为电荷泵的输出端，同时分别与电容C_L的第一端连接；电容C_L的第二端接地，电容C₁的第二端和电容C₂的第二端均接入时钟信号。在第一电荷泵中，电容C₁的第二端与时钟缓冲器中反相器I₄的输出端连接，电容C₂的第二端与反相器I₈的输出端连接。在第二电荷泵中，电容C₁的第二端与分频器中D触发器D3的输出端连接，电容C₂的第二端与D触发器D3的输出端之间通过一反相器连接。

电荷泵的工作原理如图5所示，假设电路各节点初始电压为0V，当第一个高电平时钟来临时，电流流向已标出，电容C₁开始充电，电容C₂状态不变，待C₁充满至VDD后，时钟跳为低电平，此时电流流向改变，因电容C₁两端压降不能突变，节点1电压变为-VDD，输出给负载电路，此时电容C₂开始充电。在时钟第二个高电平来临时，节点2电压变为-VDD，电容C₁重新充电。电容C₁、C₂就这样周而复始地充放电以建立稳定的负压信号。

本发明中，分频器为五分频器，将时钟缓冲器的5MHz脉冲分频为1MHz的脉冲信号输出至第二电荷泵。分频器经过三个D触发器并联上一个与非门组成，如图3所示。其采用的是同步工作模式，原理为：由吞脉冲计数原理产生两个相位不同的信号A和B，然后与非门对这两个相位不同的信号和CLK进行逻辑运算，得到一个占空比为40％的五分频信号实现五分频，由于计数器只按照时钟脉冲上升沿计数，所以占空比对电路影响不大。

时钟缓冲器信号经过一个反相器后分成两路，一路经过或非门后再接两个反相器，另外一路再经过反相器后接或非门和反相器，如图2所示，这样分开的两路信号周期相同，相位相反。

计数器是整个电荷泵电路中的重要组成部分，它的工作过程是：在整个射频开关前端电路中，当需要进行通道切换的时候，计数器开始计数，同时第一电荷泵开始工作，以保证通道的快速切换。当计数器达到计数上限的时候，通道基本完成切换，将第一电荷泵关闭，第二电荷泵开始正常工作。

本发明电荷泵工作按以下步骤进行：

S1、前级的脉冲信号经过时钟缓冲器的处理，经过两路输出，生成两路周期相同，相位相反的非交叠信号，以降低死区。同时该信号还能提高电路的负载能力，降低输出毛刺对电路造成的干扰和影响。

S2、时钟缓冲期输出的信号，一路直接作用于第一电荷泵，另外一路通过分频器得到1MHz周期信号作用于第二电荷泵。

S3、在正常工作时，只有第二电荷泵工作，第一电荷泵处于待机状态，整个负压电荷泵的功耗很低。当开关有通道切换时，触发计数器，使第一电荷泵开始工作，此时负压电荷泵的驱动能力非常强，保证通道的切换，当通道基本完成切换后，计数器达到计数上限值，将第一电荷泵关闭，第二电荷泵开始工作。

从图6的仿真结果可以看出，在设定电压为2.5V频率为5MHz的情况下，电荷泵能够在40us内达到一个稳定的输出电压-2.47V，同时电压纹波极小，即通道切换的时间量级也为us，因此电路大部分处于第二电荷泵工作在1MHz的状态下，相较与5MHz的工作状态，能够降低大量功耗。

最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims

1.一种基于CMOS工艺的低功耗负压电荷泵电路，其特征在于：包括时钟缓冲器、分频器、电荷泵和计数器；

所述电荷泵包括第一电荷泵和第二电荷泵，第一电荷泵和第二电荷泵在不同频率下工作，并通过所述计数器选择第一电荷泵或第二电荷泵进行工作；

所述时钟缓冲器分别与所述分频器和第一电荷泵连接；所述分频器分别与所述计数器和第二电荷泵连接；所述计数器与所述第一电荷泵连接，同时计数器输出端连接到其输入端，形成反馈环路；所述电荷泵与电路负载连接。

2.根据权利要求1所述的低功耗负压电荷泵电路，其特征在于：所述时钟缓冲器包括反相器I₁、I₃、I₄、I₅、I₇和I₈，以及或非门I₂和I₆；

3.根据权利要求1所述的低功耗负压电荷泵电路，其特征在于：所述分频器包括与非门和D触发器D1～D3；

4.根据权利要求1所述的低功耗负压电荷泵电路，其特征在于：所述第一电荷泵和第二电荷泵结构相同。

5.根据权利要求4所述的低功耗负压电荷泵电路，其特征在于：第一电荷泵或第二电荷泵包括PMOS管M₁和M₃、NMOS管M₂和M₄、充放电电容C₁和C₂以及滤波电容C_L；

PMOS管M₁和M₃的漏极均接地；PMOS管M₁的栅极分别与NMOS管M₂的栅极、PMOS管M₃的源极、NMOS管M₄的漏极以及电容C₂的第一端连接，PMOS管M₁的源极分别与NMOS管M₂的漏极、PMOS管M₃的栅极、NMOS管M₄的栅极以及电容C₁的第一端连接；NMOS管M₂和M₄的源极均接地；电容C₁和C₂的第二端分别接入时钟信号。

6.根据权利要求1～5中任一项所述的低功耗负压电荷泵电路，其特征在于：该电路的控制方法为：

S3、该电路正常状态下，第二电荷泵处于工作状态，第一电荷泵处于待机状态；当开关有通道切换时，触发计数器，使第一电荷泵开始工作，通道完成切换后，计数器达到计数上限值，并关闭第一电荷泵，第二电荷泵开始工作。