CN203813657U - 一种电源自适应的电荷泵装置 - Google Patents
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Abstract
本实用新型涉及集成电路领域，公开了一种电源自适应的电荷泵装置，包含第一模拟开关、第二模拟开关、第三模拟开关、第四模拟开关及其驱动电路；第三模拟开关的驱动电路包含：第一反相器、第二反相器、第一缓冲电路、第一电平转换电路、第一PMOS管和第一NMOS管；第一PMOS管的驱动由工作在0与VDD之间的反相器构成，第一NMOS管的驱动由工作在-VSS与VOUT之间的反相器构成。第一PMOS管和第一NMOS管可以被分开驱动，避免之间直通，使得第三模拟开关的驱动电路在高压时可安全可靠地工作，使得耳放电路的电源电压应用范围更广。
Description
技术领域
本实用新型涉及集成电路领域，特别涉及电源自适应的电荷泵装置。
背景技术
在耳机功率放大器（简称“耳放”）的设计中，由于大多数耳机采用单电源供电，传统的做法是将输出电压的直流偏置点设定在最高工作电压的一半，也就是VDD/2，然后通过隔直电容得到所需的音频信号，为了优化耳机的低频特性，需要使用容量很大的隔直电容。当耳放在启动时，需要先对隔直电容充电，在充电时将会产生爆音（简称“pop音”，一种电流冲击的声音），并且大电容也会浪费耳放有限的印刷电路板（Printed circuit board，简称“PCB板”）空间。为了解决这个问题，现有的技术是将输出电压的直流偏置点设定在零电位，不经过隔直电容直接驱动耳机，这就需要一个轨对轨的电源，该电源可通过单电源由负压电荷泵产生，目前耳放电路由于应用广泛，其电源电压需要在1.5～5.5V范围内，那么该电压轨将达到3V～11V，为了兼顾各种电源电压的需要，必须在电荷泵的设计中对关键电路做耐压处理。
目前应用较为普遍的负压电荷泵电路如图1所示，MP1与MN1～MN3为功率开关管，Ф1与Ф2、Ф3与Ф4为非重叠时钟，如图2所示。当Ф1=1时，MP1与MN1同时打开，MN2和MN3同时关闭，VDD对飞电容CF充电；当Ф1=0时，MP1与MN1同时关闭，MN2和MN3同时打开，飞电容CF对储能电容CP充电，经过若干个时钟周期后，CP端电压-VSS=-VDD。
从图1与图2中可以看出，对于MP1和MN2以及驱动信号Ф1与Ф2，采用标准的CMOS（Complementary Metal Oxide Semiconductor，互补金属氧化物半导体）电路即可实现。而要实现MN1管的开关动作，需要栅驱动信号Ф3从-VSS～VDD变化，这就需要MN1管的驱动反相器能够在-VSS～VDD之间工作，当电荷泵空载时-VSS=-VDD，所以每个反相器需要承受2VDD的耐压，为了保证各反相器能工作在安全电压下，VDD电压不能太高，也就是说当VDD应用在高压电源如5.5V时，MN1管的驱动反相器可能被击穿。而当电源VDD应用在低压电源如1.5V时，考虑到带载情况，VSS电压可能会降低到-1V之内，对于MN3的驱动信号Ф4，其驱动反相器可能会不能开启，因此目前使用的负压电荷泵电路技术其实限制了耳放电源的应用范围。
实用新型内容
本实用新型的目的在于提供一种电源自适应的电荷泵装置，使得耳放电路的电源电压应用范围更广。
为解决上述技术问题，本实用新型的实施方式提供了一种电源自适应的电荷泵装置，包含：第一模拟开关、第二模拟开关、第三模拟开关、第四模拟开关及其驱动电路；另外，所述第三模拟开关的驱动电路包含：第一反相器、第二反相器、第一缓冲电路、第一电平转换电路、第一P沟道金属-氧化物-半导体场效应晶体PMOS管和第一N沟道金属-氧化物-半导体场效应晶体NMOS管；
所述第一反相器的输入端为所述第三模拟开关的驱动电路输入端，所述第一反相器的输出端分别与所述第一缓冲电路的输入端和所述第一电平转换电路的输入端相连；
所述第一缓冲电路的输出端与所述第一PMOS管的栅极相连；
所述第一电平转换电路的输出端与所述第二反相器的输入端相连，所述第二反相器的输出端与所述第一NMOS管的栅极相连；
所述第一电平转换电路的电源端与所述第二反相器的电源端分别连接内部低压电源VOUT；
所述第一PMOS管的漏极与所述第一NMOS管的漏极相连作为所述第三模拟开关的驱动电路输出端。
本实用新型实施方式相对于现有技术而言，主要区别及其效果在于：改进了现有电荷泵装置中第三模拟开关的驱动电路，将产生第三模拟开关驱动信号Ф3的第一PMOS管和第一NMOS管分别驱动，并设计了一个内部低压电源VOUT，以满足第一PMOS管和第一NMOS管栅耐压的要求，第一PMOS管的驱动由工作在0与VDD之间的反相器构成，也就是第一缓冲电路构成，第一NMOS管的驱动由工作在-VSS与VOUT之间的第二反相器构成，其中，第一电平转换电路（简称：Level-Shift电路）用于实现输入信号的高低电平转换，这样，每个反相器承受的压力范围减小，均可工作在安全电压下。所以当第三模拟开关的驱动电路的输入信号在0与VDD之间跳动时，能实现Ф3在-VSS～VDD之间动作，而且能避免第一PMOS管和第一NMOS管之间直通，使得第三模拟开关的驱动电路在高压电源时也可以正常可靠地工作，扩大了耳放电源电压的应用范围。
作为进一步改进，所述第四模拟开关的驱动电路中包含：第三反相器、第二电平转换电路、选择电路和第二缓冲电路；
所述第三反相器的输入端为所述第四模拟开关的驱动电路输入端，所述第三反相器的输出端与所述第二电平转换电路的输入端相连，所述第二电平转换电路的输出端与所述第二缓冲电路的输入端相连，所述第二电平转换电路的电源端与所述VOUT相连；
所述选择电路包含：第二PMOS管和第二NMOS管；所述第二PMOS管的栅极和所述第二NMOS管的栅极分别与上电复位POR电路相连，所述第二PMOS管的漏极和所述第二NMOS管的漏极分别与所述第二缓冲电路的电源端相连，所述第二PMOS管的源极与所述VOUT相连，所述第二NMOS管的源极与0V相连；
其中，所述POR电路根据电源电压VDD的高低，连通所述第二PMOS管或所述第二NMOS管；
所述第二缓冲电路的输出端为所述第四模拟开关的驱动电路输出端。
改进了第四模拟开关的驱动电路，其中不仅同样利用了VOUT，还利用了POR电路判断电源电压VDD的高低，将第四模拟开关的驱动电路接入两个不同的工作电压，当耳放电路是用低压电源供电时，将第四模拟开关的驱动信号Ф4工作在-VSS～VOUT之间，保证第四模拟开关的驱动电路中各MOS管达到开启电压；当耳放电路是用高压电源供电时，驱动信号Ф4工作在-VSS～0之间，保证第四模拟开关的驱动电路中各驱动MOS管在安全电压下工作，使得第四模拟开关的驱动电路无论在高压或是低压下工作，所有器件均正常可靠，进一步扩大了耳放电路电源电压的应用范围。
作为进一步改进，所述第二缓冲电路中包含四个反相器，各反相器串联连接，使得驱动信号Ф4得以被更好地整形。
作为进一步改进，所述第二电平转换电路的电源端为所述第二电平转换电路中PMOS管的源极。限制第二电平转换电路中的PMOS管的源极上限为VOUT，保证第二电平转换电路的安全工作。
作为进一步改进，所述VOUT的产生电路中包含：POR电路、第三PMOS管、第三NMOS管、第四NMOS管、第五NMOS管、第六NMOS管、电阻和电容；
所述POR电路与所述第三PMOS管的栅极相连，所述第三PMOS管的源极分别与所述第四NMOS管的漏极、所述第三NMOS管的源极和其漏极相连，所述第三NMOS管的源极分别与所述第五NMOS管的漏极和其栅极相连，所述第五NMOS管的源极分别与所述第六NMOS管的漏极和其栅极相连；
所述第六NMOS管的源极与所述电阻的一端及所述电容的一端分别相连；
所述第三PMOS管的漏极、所述第四NMOS管的源极、所述电阻的另一端与所述电容的另一端分别相连作为所述VOUT的产生电路的输出端；
其中，所述POR电路根据对电源电压VDD的高低判断闭合或断开所述第三PMOS管。
进一步限定了VOUT的产生电路，其中，POR电路起着判断电源电压高低的作用，当VDD的电位较低时，VOUT=VDD；当VDD的电位较高时，此时的VOUT为第三NMOS管、第五NMOS管和第六NMOS管的阈值电压之和再减去第四NMOS管的阈值电压，使得VOUT准确维持在高于0V的低压范围。
作为进一步改进，所述第二反相器、所述第一电平转换电路、所述第一PMOS管和所述第一NMOS管均由低栅压型高压MOS管构成。进一步限定了上述器件由低栅压型高压MOS管构成，更加保证了第三模拟开关的驱动电路可以在高电压范围安全可靠地工作。
附图说明
图1是现有技术中的负压电荷泵电路图；
图2是图1中各模拟开关的驱动信号波形示意图；
图3是根据本实用新型第一实施方式中的第三模拟开关的驱动电路图；
图4是根据本实用新型第二实施方式中的第四模拟开关的驱动电路图；
图5是根据本实用新型第二实施方式中的电源电压为低压时的各模拟开关的驱动信号波形示意图；
图6是根据本实用新型第二实施方式中的电源电压为高压时的各模拟开关的驱动信号波形示意图；
图7是根据本实用新型第三实施方式中的VOUT产生电路图；
图8是根据本实用新型第三实施方式中的VOUT的波形示意图。
具体实施方式
为使本实用新型的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本实用新型的各实施方式进行详细的阐述。然而，本领域的普通技术人员可以理解，在本实用新型各实施方式中，为了使读者更好地理解本申请而提出了许多技术细节。但是，即使没有这些技术细节和基于以下各实施方式的种种变化和修改，也可以实现本申请各权利要求所要求保护的技术方案。
本实用新型的第一实施方式涉及一种电源自适应的电荷泵装置，包含：第一模拟开关、第二模拟开关、第三模拟开关、第四模拟开关及其驱动电路，由于利用MOS管作为电荷泵装置中的模拟开关为现有技术，其电路结构在此不再赘述。
本实施方式中，第三模拟开关的驱动电路，如图3所示，具体包含：第一反相器301、第二反相器302、第一缓冲电路303、第一电平转换电路304、第一PMOS管MP2和第一NMOS管MN4。
第一反相器301的输入端为第三模拟开关的驱动电路输入端，第一反相器301的输出端分别与第一缓冲电路303的输入端和第一电平转换电路304的输入端相连；第一缓冲电路303的输出端与第一PMOS管MP2的栅极相连；第一电平转换电路304的输出端与第二反相器302的输入端相连，第二反相器302的输出端与第一NMOS管MN4的栅极相连；第一电平转换电路304的电源端与第二反相器302负载管的源极分别连接内部低压电源VOUT。
第一PMOS管MP2的漏极与第一NMOS管MN4的漏极相连作为第三模拟开关的驱动电路输出端。
具体的说，本实施方式中，第一反相器301和第一缓冲电路303均可以由标准CMOS管构成，而第二反相器302、第一电平转换电路304、第一PMOS管MP2和第一NMOS管MN4均由低栅压型高压MOS管构成。进一步限定了上述器件由高压MOS管构成，更加保证了第三模拟开关的驱动电路可以在高电压范围内安全可靠地工作。
本实施方式相对于现有技术而言，主要区别及其效果在于：改进了电荷泵装置中第三模拟开关的驱动电路，将产生第三模拟开关驱动信号Ф3的第一PMOS管MP2和第一NMOS管MN4分别驱动，并设计了一个内部低压电源VOUT，以满足第一PMOS管MP2和第一NMOS管MN4栅耐压的要求，第一PMOS管MP2的驱动由工作在0与VDD之间的反相器构成，第一NMOS管MN4的驱动由工作在-VSS与VOUT之间的第二反相器302构成，其中，第一电平转换电路304（简称：Level-Shift电路）用于实现输入信号的高低电平转换，这样，每个反相器承受的压力范围减小，均可工作在安全电压下。所以当第三模拟开关的驱动电路的输入信号在0与VDD之间跳动时，能实现Ф3在-VSS～VDD之间动作，而且能避免第一PMOS管MP2和第一NMOS管MN4之间直通，使得第三模拟开关的驱动电路在高压电源时也可以正常可靠地工作，扩大了耳放电源电压的应用范围。
需要说明的是，虽然为了使各驱动电路具有栅耐压性，可以利用高栅压型高压MOS管设计，虽然这样也可以提高耳机电源的应用范围，但这种方法需要高栅压型高压MOS管工艺，增加了工艺的复杂性，而本实施方式只需要使用低栅压型高压MOS管，降低了工艺要求和生产成本。
本实用新型的第二实施方式同样涉及一种电源自适应的电荷泵装置，本实施方式是在第一实施方式的基础上做了进一步，主要改进之处在于本实施方式中对第四模拟开关的驱动电路作了进一步改进，使得第四模拟开关的驱动电路可以保证被开启。
本实施方式中第四模拟开关的驱动电路，如图4所示，具体包含：第三反相器401、第二电平转换电路402、选择电路和第二缓冲电路403；第三反相器401的输入端为第四模拟开关的驱动电路输入端，第三反相器401的输出端与第二电平转换电路402的输入端相连，第二电平转换电路402的输出端与第二缓冲电路403的输入端相连，第二电平转换电路402的电源端与VOUT相连。
其中，选择电路包含：第二PMOS管MP0和第二NMOS管MN0；第二PMOS管MP0的栅极和第二NMOS管MN0的栅极分别与上电复位POR电路相连，第二PMOS管MP0的漏极和第二NMOS管MN0的漏极分别与第二缓冲电路403的电源端相连，第二PMOS管MP0的源极与VOUT相连，第二NMOS管MN0的源极与0V相连；其中，POR电路根据电源电压VDD的高低，连通第二PMOS管MP0或第二NMOS管MN0；第二缓冲电路403的输出端为第四模拟开关的驱动电路输出端。
具体的说，本实施方式还可以进一步优化，第二缓冲电路403中包含四个反相器，各反相器串联连接，使得驱动信号Ф4得以被更好地整形。
还需说明的是，第二电平转换电路402的电源端为第二电平转换电路402中PMOS管的源极。限制第二电平转换电路402中的PMOS管的源极上限为VOUT，保证第二电平转换电路402的安全工作。
本实施方式对第四模拟开关的驱动电路作了进一步改进，不仅同样利用了VOUT，还利用了POR电路判断电源电压VDD的高低，POR电路根据电源电压的高低连通第二PMOS管MP0或第二NMOS管MN0，也就是将第四模拟开关的驱动电路接入两个不同的工作电压，当耳放是用低压电源供电时，POR=0，MP0闭合，MN0断开，将第四模拟开关的驱动信号Ф4工作在-VSS～VOUT之间，保证第四模拟开关的驱动电路中各MOS管达到开启电压，此时本实施方式中的电荷泵装置中各模拟开关的驱动信号波形如图5所示；当耳放是用高压电源供电时，POR=1，MP0断开，MN0闭合，驱动信号Ф4工作在-VSS～0之间，此时本实施方式中的电荷泵装置中各模拟开关的驱动信号波形如图6所示，保证第四模拟开关的驱动电路中各驱动MOS管在安全电压下工作，使得第四模拟开关的驱动电路的电源电压VDD无论是高压还是低压，均可正常可靠地工作，进一步扩大了耳放电源电压的应用范围。
本实用新型的第三实施方式同样涉及一种电源自适应的电荷泵装置，本实施方式是在第二实施方式的基础上做了进一步，主要改进之处在于本实施方式中对VOUT的产生电路作了进一步限定，使得产生的VOUT准确维持在高于0V的低压范围。
本实施方式中的VOUT产生电路如图7所示，具体包含：POR电路、第三PMOS管MP3、第三NMOS管MN5、第四NMOS管MN6、第五NMOS管MN7、第六NMOS管MN8、电阻R1和电容C1。
POR电路与第三PMOS管MP3的栅极相连，第三PMOS管MP3的源极分别与第四NMOS管MN6的漏极、第三NMOS管MN5的源极和其漏极相连，第三NMOS管MN5的源极分别与第五NMOS管MN7的漏极和其栅极相连，第五NMOS管MN7的源极分别与第六NMOS管MN8的漏极和其栅极相连；第六NMOS管MN8的源极与电阻R1的一端及电容C1的一端分别相连。
第三PMOS管MP3的漏极、第四NMOS管MN6的源极、电阻R1的另一端与电容C1的另一端分别相连作为VOUT的产生电路的输出端。
其中，POR电路根据对电源电压VDD的高低判断闭合或断开第三PMOS管MP3。
本实施方式对第二实施方式中的VOUT的产生电路做了进一步细化，其中，POR电路起着判断电源电压VDD高低的作用，当VDD的电位较低时，VOUT=VDD；当VDD的电位较高时，此时的VOUT为第三NMOS管MN5、第五NMOS管MN7和第六NMOS管MN8的阈值电压之和再减去第四NMOS管MN6的阈值电压，使得VOUT准确维持在高于0V的低压范围，其波形具体如图8所示。
本领域的普通技术人员可以理解，上述各实施方式是实现本实用新型的具体实施例，而在实际应用中，可以在形式上和细节上对其作各种改变，而不偏离本实用新型的精神和范围。
Claims (6)
1.一种电源自适应的电荷泵装置，包含：第一模拟开关、第二模拟开关、第三模拟开关、第四模拟开关及其驱动电路；其特征在于，
所述第三模拟开关的驱动电路包含：第一反相器、第二反相器、第一缓冲电路、第一电平转换电路、第一P沟道金属-氧化物-半导体场效应晶体PMOS管和第一N沟道金属-氧化物-半导体场效应晶体NMOS管；
所述第一反相器的输入端为所述第三模拟开关的驱动电路输入端，所述第一反相器的输出端分别与所述第一缓冲电路的输入端和所述第一电平转换电路的输入端相连；
所述第一缓冲电路的输出端与所述第一PMOS管的栅极相连；
所述第一电平转换电路的输出端与所述第二反相器的输入端相连，所述第二反相器的输出端与所述第一NMOS管的栅极相连；
所述第一电平转换电路的电源端与所述第二反相器的电源端分别连接内部低压电源VOUT；
所述第一PMOS管的漏极与所述第一NMOS管的漏极相连作为所述第三模拟开关的驱动电路输出端。
2.根据权利要求1所述的电源自适应的电荷泵装置，其特征在于，所述第四模拟开关的驱动电路中包含：第三反相器、第二电平转换电路、电源选择电路和第二缓冲电路；
所述第三反相器的输入端为所述第四模拟开关的驱动电路输入端，所述第三反相器的输出端与所述第二电平转换电路的输入端相连，所述第二电平转换电路的输出端与所述第二缓冲电路的输入端相连，所述第二电平转换电路的电源端与所述VOUT相连；
所述电源选择电路包含：第二PMOS管和第二NMOS管；所述第二PMOS管的栅极和所述第二NMOS管的栅极分别与上电复位POR电路相连，所述第二PMOS管的漏极和所述第二NMOS管的漏极分别与所述第二缓冲电路的电源端相连，所述第二PMOS管的源极与所述VOUT相连，所述第二NMOS管的源极与0V相连；
其中，所述POR电路根据电源电压的高低，连通所述第二PMOS管或所述第二NMOS管；
所述第二缓冲电路的输出端为所述第四模拟开关的驱动电路输出端。
3.根据权利要求2所述的电源自适应的电荷泵装置，其特征在于，所述第二缓冲电路中包含四个反相器，各反相器串联连接。
4.根据权利要求2所述的电源自适应的电荷泵装置，其特征在于，所述第二电平转换电路的电源端接所述第二电平转换电路中PMOS管的源极。
5.根据权利要求1所述的电源自适应的电荷泵装置，其特征在于，所述VOUT的产生电路中包含POR电路、第三PMOS管、第三NMOS管、第四NMOS管、第五NMOS管、第六NMOS管、电阻和电容；
所述POR电路与所述第三PMOS管的栅极相连，所述第三PMOS管的源极分别与所述第四NMOS管的漏极、所述第三NMOS管的源极和其漏极相连，所述第三NMOS管的源极分别与所述第五NMOS管的漏极和其栅极相连，所述第五NMOS管的源极分别与所述第六NMOS管的漏极和其栅极相连；
所述第六NMOS管的源极与所述电阻的一端及所述电容的一端分别相连；
所述第三PMOS管的漏极、所述第四NMOS管的源极、所述电阻的另一端与所述电容的另一端分别相连作为所述VOUT的产生电路的输出端；
其中，所述POR电路根据对电源电压VDD的高低判断闭合或断开所述第三PMOS管。
6.根据权利要求1至5中任意一项所述的电源自适应的电荷泵装置，其特征在于，所述第二反相器、所述第一电平转换电路、所述第一PMOS管和所述第一NMOS管均由低栅压型高压MOS管构成。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C14 | Grant of patent or utility model | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| CX01 | Expiry of patent term |
Granted publication date: 20140903 |