CN220291876U

CN220291876U - 电荷泵电路

Info

Publication number: CN220291876U
Application number: CN202321870844.2U
Authority: CN
Inventors: 张华磊
Original assignee: Xi'an Endi Integrated Circuit Co ltd
Current assignee: Xi'an Endi Integrated Circuit Co ltd
Priority date: 2023-07-17
Filing date: 2023-07-17
Publication date: 2024-01-02
Anticipated expiration: 2033-07-17

Abstract

本实用新型提供一种电荷泵电路，包括第一级交叉耦合电荷泵和第二级Dickson电荷泵；所述第一级交叉耦合电荷泵与所述第二级Dickson电荷泵之间通过第一二极管连接；所述第一级交叉耦合电荷泵为级联的交叉耦合电荷泵，其级联级数N1≥1；所述第二级Dickson电荷泵为级联的Dickson电荷泵，其级联级数N2≥1。使用本实用新型提供的电荷泵电路，可在第一级交叉耦合电荷泵、第二级Dickson电荷泵的级联级数确定的前提下，通过控制第一级交叉耦合电荷泵的输入信号，来调节输出电压与输入电压的差值。

Description

电荷泵电路

技术领域

本实用新型属于电荷泵技术领域，具体涉及一种电荷泵电路。

背景技术

电荷泵电路作为升压电路的一种，在电子设备中应用广泛。

常见的电荷泵包括：交叉耦合电荷泵及Dickson电荷泵，在实际应用中，可以单独使用，也可以组合使用。在使用多级级联的交叉耦合电荷泵与多级级联的Dickson电荷泵组成两级电荷泵时，一旦级联级数固定，两级电荷泵的输出电压与输入电压的差值也就被固定下来，无法调节；同时，会因为多级级联的Dickson电荷泵中的二极管漏电，而导致最终的仿真结果出现误差。

实用新型内容

针对现有技术中存在的问题，本实用新型提供一种电荷泵电路。

本实用新型解决现有技术中存在的技术问题，所使用的具体方案为：

一种电荷泵电路，包括第一级交叉耦合电荷泵和第二级Dickson电荷泵；第一级交叉耦合电荷泵与第二级Dickson电荷泵之间通过第一二极管连接。

进一步地，第一级交叉耦合电荷泵为级联的交叉耦合电荷泵，其级联级数N1≥1；第二级Dickson电荷泵为级联的Dickson电荷泵，其级联级数N2≥1。

进一步地，第一级交叉耦合电荷泵包括输入信号源、第一N型MOS管、第二N型MOS管、第一P型MOS管、第二P型MOS管、第一时钟、第二时钟、第一电容和第二电容；

第一N型MOS管的源极、第二N型MOS管的源极与输入信号源连接；

第一N型MOS管的漏极与第一P型MOS管的漏极连接，第一N型MOS管的漏极经第一电容与第一时钟连接；

第二N型MOS管的漏极分别与第二P型MOS管的漏极连接，第二N型MOS管的漏极经第二电容与第二时钟连接；

第一P型MOS管的源极与第二P型MOS管的源极与第一二极管的阳极连接；

第一时钟与第二时钟为非交叠时钟。

进一步地，输入信号源包括电压源、第一电阻、第二电阻、放大器；

电压源与第一电阻连接；

第一电阻与电压源连接的相对端，分别与第二电阻、放大器的正输入端连接；

第二电阻与第一电阻连接的相对端接地；

放大器的输出端与放大器的负输入端连接，放大器的输出端连接于第一级交叉耦合电荷泵中的第一N型MOS管的源极与第二N型MOS管的源极之间。

进一步地，电压源的电压值与第一时钟、第二时钟的高电平相等；第一电阻、第二电阻为可变电阻。

进一步地，第二级Dickson电荷泵包括第二二极管、第三电容、第三时钟、第四时钟和输入电压；

第二二极管的阳极与第一二极管的阴极连接，第二二极管的阳极与第三电容连接；

第三电容与第二二极管的阳极连接的相对端，分别与第三时钟、第四时钟连接；

第三时钟与第三电容连接的相对端接输入电压；

第四时钟与第三电容连接的相对端接地；第三时钟与第四时钟为一对非交叠时钟；第三时钟为高电平时，输入电压接至第三电容下极板；第四时钟为高电平时，第三电容下极板接地。

进一步地，电荷泵电路还包括第四电容；第四电容与第二二极管的阴极连接，第四电容与第二二极管的阴极连接的相对端接地。

进一步地，第一二极管由第三P型MOS管构成；第二二极管由第四P型MOS管构成；第三P型MOS管与第四P型MOS管均为高压P型MOS管；第三P型MOS管的漏极与第一P型MOS管、第二P型MOS管的源极连接；第三P型MOS管的源极和栅极短接，第三P型MOS管的源极分别与第四P型MOS管的漏极、第三电容连接；第四P型MOS管PM3的源极和栅极短接，第四P型MOS管的源极与第四电容连接。

进一步地，电荷泵电路中还包括多个寄生三极管；寄生三极管的数量等于N2+1。

进一步地，寄生三极管包括添加在第三P型MOS管PM2上的第一寄生三极管Q1，和添加在第二级Dickson电荷泵的第四P型MOS管PM3上的第二寄生三极管Q2；

第一寄生三极管Q1的发射极连接于第一级交叉耦合电荷泵的输出端与第三P型MOS管的漏极之间，第一寄生三极管Q1的基极与第三P型MOS管PM2的衬底(N型阱)连接，第一寄生三极管Q1的集电极接地；

第二寄生三极管Q2的发射极连接于第三P型MOS管PM2的源极与第四P型MOS管PM3的漏极之间，第二寄生三极管Q2的基极与第四P型MOS管PM3的衬底(N型阱)连接，第二寄生三极管Q2的集电极接地。

当第二级Dickson电荷泵的级联级数大于1时，寄生三极管的数量也同步增加。

与现有技术相比，本实用新型技术方案的优势在于：

(1)在第一级交叉耦合电荷泵、第二级Dickson电荷泵的级联级数确定的前提下，通过控制第一级交叉耦合电荷泵的输入信号，来调节输出电压与输入电压的差值。

(2)通过在电荷泵电路中添加寄生三极管，构成寄生PNP，提高电荷泵电路的仿真精确度。

附图说明

图1为本实用新型实施例提供的一种电荷泵电路的电路结构示意图。

图2为本实用新型实施例提供的一种电荷泵电路的输入信号源电路结构示意图。

图3为本实用新型实施例提供的另一种电荷泵电路的电路结构示意图。

图4为本实用新型实施例提供的另一种电荷泵电路的电路结构示意图。

图5为本实用新型实施例提供的另一种电荷泵电路的电路结构示意图。

具体实施方式

以下将结合实施例及附图对本实用新型技术方案进行进一步地说明。

实施例1

如图1所示，实施例1提供一种电荷泵电路，包括第一级交叉耦合电荷泵，第二级Dickson电荷泵，第一二极管D1和第四电容COUT；第一级交叉耦合电荷泵与第二级Dickson电荷泵之间通过第一二极管连接。

第一级交叉耦合电荷泵为级联的交叉耦合电荷泵，其级联级数为1；第二级Dickson电荷泵为级联的Dickson电荷泵，其级联级数为1。

第一级交叉耦合电荷泵包括输入信号源VREF0、第一N型MOS管NM0、第二N型MOS管NM1、第一P型MOS管PM0、第二P型MOS管PM1、第一时钟CLKA、第二时钟CLKB、第一电容C0和第二电容C1。

如图2所示，输入信号源VREF0包括电压源VCC、第一电阻R0、第二电阻R1、放大器OP；

电压源VCC与第一电阻R0连接；

第一电阻R0与电压源VCC连接的相对端，分别与第二电阻R1、放大器OP的正输入端连接；

第二电阻R1与第一电阻R0连接的相对端接地；

放大器OP的输出端与放大器OP的负输入端连接，放大器OP的输出端连接于第一级交叉耦合电路中的第一N型MOS管NM0的源极与第二N型MOS管NM1的源极之间。

第一级交叉耦合电荷泵的具体结构为：

第一N型MOS管NM0的源极、第二N型MOS管NM1的源极与输入信号源连接；

第一N型MOS管NM0的漏极与第一P型MOS管PM0的漏极连接，第一N型MOS管NM0的漏极经第一电容C0与第一时钟CLKA连接；

第二N型MOS管NM1的漏极分别与第二P型MOS管PM1的漏极连接，第二N型MOS管NM1的漏极经第二电容C1与第二时钟CLKB连接；

第一P型MOS管PM0的源极、第二P型MOS管PM1的源极与第一二极管D1的阳极连接；

第一时钟CLKA与第二时钟CLKB为非交叠时钟。

电压源VCC的电压值与第一时钟CLKA、第二时钟CLKB的高电平相等；第一电阻R0、第二电阻R1为可变电阻。

由此可知，第一交叉耦合电荷泵的输入信号源VREF0的范围为0～VCC，通过调整第一电阻R0和第二电阻R1的阻值大小，即可决定放大器分压点的电压值，进而决定输入信号源VREF0的大小。

第二级Dickson电荷泵包括第二二极管D2、第三电容C2、第三时钟CLKC、第四时钟CLKD和输入电压VIN；

第二二极管D2的阳极与第一二极管D1的阴极连接，第二二极管D2的阳极与第三电容C2连接，第二二极管D2的阴极与第四电容COUT连接；

第三电容C2与第二二极管D2的阳极连接的相对端，分别与第三时钟CLKC、第四时钟CLKD连接；

第三时钟CLKC与第三电容C2连接的相对端接输入电压VIN；

第四时钟CLKD与第三电容C2连接的相对端接地；

第四电容COUT与第二二极管D2的阴极连接的相对端接地。

第三时钟CLKC与第四时钟CLKD为一对非交叠时钟；第三时钟CLKC为高电平时，输入电压接至第三电容C2下极板；第四时钟CLKD为高电平时，第三电容C2下极板接地。

第一二极管与第二二极管可以为高压二极管。

结合第一级交叉耦合电荷泵与第二级Dickson电荷泵的结构，可知，VOUT＝VIN+VREF0+N1*VCC-2*VD。

其中，VIN为输入信号电压，N1为第一级交叉耦合电荷泵的级联个数，VCC为电源电压，VREF0为第一级交叉耦合电荷泵的输入信号源，VD为二极管的压降。

通过调整第一电阻R0和第二电阻R1的阻值，或调整输入电压VIN的大小，即可在第一级交叉耦合电荷泵与第二级Dickson电荷泵的级联级数确定的条件下，调整VOUT-VIN的差值。

实施例2

实施例2还提供一种如图3所示的电荷泵电路。其基本结构与实施例1相同，区别在于，使用第三P型MOS管PM2替代第一二极管D1，使用第四P型MOS管替代第二二极管D2。第三P型MOS管与第四P型MOS管均为高压型P型MOS管。

其中，第三P型MOS管PM2的漏极与第一P型MOS管PM0和第二P型MOS管PM1的源极连接；第三P型MOS管PM2的源极和栅极短接，第三P型MOS管的源极分别与第四P型MOS管的漏极、第三电容C2连接；

第四P型MOS管PM3的源极和栅极短接，第四P型MOS管PM3的源极与第四电容COUT连接。在不提供高压二极管的工艺中，可以通过这个结构实现高压PUMP结构。

实施例3

在电荷泵电路中，理想的二极管不希望有寄生的PNP，因为寄生的PNP会额外抽取电荷到衬底，使电荷泵的输出电压无法达到理想输出值。在寄生PNP无法避免的情况下，可通过仿真方法，来仿真模拟寄生PNP，提升电荷泵输出的精确度。

如图4所示，实施例3提供一种电荷泵电路，在实施例2的基础上，添加寄生三极管，构成寄生PNP；具体地，包括添加在第三P型MOS管PM2上的第一寄生三极管Q1，构成第一寄生三极管PNP，和添加在第二级Dickson电荷泵的第四P型MOS管PM3上的第二寄生三极管Q2，构成第二寄生三极管PNP。

具体地，第一寄生三极管Q1的发射极连接于第一级交叉耦合电荷泵的输出端与第三P型MOS管PM2的漏极之间，第一寄生三极管Q1的基极与第三P型MOS管PM2的衬底(N型阱)连接，第一三寄生极管Q1的集电极接地；

在仿真时，调用PNP模型加在电荷泵电路中即可。

实施例4

实施例4提供一种电荷泵电路，包括级联级数为2的第一级交叉耦合电荷泵，级联级数为1的第二级Dickson电荷泵，第三P型MOS管PM2，第四电容COUT；第一级交叉耦合电荷泵和第二级Dickson电电荷泵通过第三P型MOS管PM2连接。并在第三P型MOS管PM2上添加了第一寄生三极管Q1，构成第一寄生三极管寄生PNP。

如图5所示，第一级交叉耦合电荷泵由两个相同结构的交叉耦合电荷泵级联构成。

其中，第一个交叉耦合电荷泵包括输入信号源VREF0、第一N型MOS管NM0、第二N型MOS管、第一P型MOS管、第二P型MOS管、第一电容C0、第二电容C1、第一时钟CLKA、第二时钟CLKB；

第二个交叉耦合电荷泵包括第三N型MOS管NM0’、第四N型MOS管NM1’、第五P型MOS管PM0’、第六P型MOS管PM1’、第五电容C0’、第六电容C1’、第五时钟CLKA’，第六时钟CLKB’；

第二级Dickson电荷泵包括第四P型MOS管PM3、第三电容C2、第三时钟CLKC、第四时钟CLKD、输入电压VIN，第二寄生三极管Q2。

其中，如图2所示，输入信号源VREF0包括电压源VCC、第一电阻R0、第二电阻R1、放大器OP；

电压源VCC与第一电阻R0连接；

第二电阻R1与第一电阻R0连接的相对端接地；

放大器OP的输出端与放大器OP的负输入端连接，放大器OP的输出端连接于第一级交叉耦合电路中的第一N型MOS管NM0的源极与第二N型MOS管NM1的源极之间；

第一P型MOS管PM0的源极、第二P型MOS管PM1的源极连接于第三N型MOS管NM0’的源极、第四N型MOS管NM1’的源极之间；

第一时钟CLKA与第二时钟CLKB为非交叠时钟；

第三N型MOS管NM0’的漏极与第五P型MOS管PM0’的漏极连接，第三N型MOS管NM0’的漏极经第五电容C0’与第五时钟CLKA’连接；

第四N型MOS管NM1’的漏极分别与第六P型MOS管PM1’的漏极连接，第四N型MOS管NM1’的漏极经第六电容C1’与第六时钟CLKB’连接；

第五P型MOS管PM0’的源极、第六P型MOS管PM1’的源极连接于第三P型MOS管PM2的漏极；

第五时钟CLKA’与第六时钟CLKB’为一对非交叠时钟；

第一时钟CLKA与第五时钟CLKA’同步，第二时钟CLKB与第六时钟CLKB’同步。

第三P型MOS管PM2的源极和栅极短接，第三P型MOS管PM2的源极分别与第四P型MOS管PM3的漏极、第三电容C2连接；

第四P型MOS管PM3的源极和栅极短接，第四P型MOS管PM3的源极与第四电容COUT连接；

第三时钟CLKC与第三电容C2连接的相对端接地；

第三电容C2与第三P型MOS管PM2的源极连接的相对端与第四时钟CLKD连接；第四时钟CLKD与第三P型MOS管PM2的源极连接的相对端接地；

第三时钟CLKC与第四时钟CLKD为一对非交叠时钟；第三时钟CLKC为高电平时，输入电压接至第三电容C2下极板；第四时钟CLKD为高电平时，第三电容C2下极板接地；

第一寄生三极管Q1的发射极连接于第一级交叉耦合电荷泵的输出端与第三P型MOS管PM2的漏极之间，第一寄生三极管Q1的基极与第三P型MOS管PM2的衬底(N型阱)连接，第一寄生三极管Q1的集电极接地；

在本实施例中，第一电容C0、第二电容C1、第三电容C2、第五电容C0’、第六电容C1’的电容值相等，均为2pF，则第一级交叉耦合电荷泵的输出电压为：N1*VCC+VRER0-VD。(N1为第一级交叉耦合电荷泵的级联级数，即N1＝2)

第二级Dickson电荷泵的输出电压为：VIN-VD。

因此得到整个电荷泵电路的输出电压VOUT＝VIN+N1*VCC+VREFO-2*VD。

在本实施例中，VD＝0.3V，VCC＝3.3V，VREF0的范围为：0～3.3V，由此可知，VOUT＝VIN+2*3.3V+VREF0-2*0.3＝VIN+6.0V+VREF0；

代入VREF0的范围，得到VOUT-VIN的范围为6.0V～9.3V，即VOUT与VIN的差值可以在6.0V～9.3V范围内灵活选择；也可以根据VIN的大小，以及希望电荷泵实现的增压范围，来选择VOUT-VIN的大小，使VOUT与VIN的差值选取与VIN电压值相关联，例如当VIN＝5.0V时，选择VOUT-VIN＝6.0V；当VIN＝20V时，选择VOUT-VIN＝8.0V。

同时，在寄生PNP不可避免的情况下，还可以通过第一寄生三极管Q1、第二寄生三极管Q2结合仿真方法，来仿真模拟寄生PNP，提升电荷泵输出的精确度。

具体地，在实施例4提供的电荷泵电路中，VREF0＝0，若不调用PNP，当VIN＝20V时，仿真结果VOUT-VIN＝6.0V；当调用PNP后，当VIN＝20V时，仿真结果VOUT-VIN＝3.5V。调用PNP后的仿真结果与未调取前相差了2.5V，实际测试结果显示与调用PNP后的仿真结果相吻合，证实上述仿真模型的准确度。

由此仿真结果，得知寄生PNP会使得输出电压比理想仿真结果降低2.5V，若想得到实际VOUT-VIN＝6.0V，需要将VREF0由0V提升到2.5V，即VOUT-VIN＝8.5V来弥补寄生PNP带来的输出电压降低的影响。

当第二级Dickson电荷泵的级联级数大于1时，寄生三极管的数量也同步增加，且寄生三极管的具体连接方式与本实施例中的连接方式相同。此处不再赘述。

以上实施例和附图仅是对本申请技术方案的解释和说明，不应认定本申请的具体实施方式只局限于这些说明。对本申请所属技术领域的技术人员来说，在不脱离本实用新型构思的前提下，所做出的简单推演或替换，仍属于本申请技术方案的保护范围。

Claims

1.一种电荷泵电路，其特征在于，包括级联级数为N1的第一级交叉耦合电荷泵和级联级数为N2的第二级Dickson电荷泵；N1≥1，N2≥1；所述第一级交叉耦合电荷泵包括输入信号源、第一N型MOS管、第二N型MOS管、第一P型MOS管、第二P型MOS管、第一时钟、第二时钟、第一电容和第二电容；

所述第一N型MOS管的源极、所述第二N型MOS管的源极与输入信号源连接；

所述第一N型MOS管的漏极与所述第一P型MOS管的漏极连接，所述第一N型MOS管的漏极经所述第一电容与所述第一时钟连接；

所述第二N型MOS管的漏极分别与所述第二P型MOS管的漏极连接，所述第二N型MOS管的漏极经所述第二电容与所述第二时钟连接；

所述第一P型MOS管的源极与所述第二P型MOS管的源极与第一二极管的阳极连接；

所述第一时钟与所述第二时钟为非交叠时钟。

2.根据权利要求1所述的电荷泵电路，其特征在于，所述第一级交叉耦合电荷泵与所述第二级Dickson电荷泵通过所述第一二极管连接。

3.根据权利要求2所述的电荷泵电路，其特征在于，所述输入信号源包括电压源、第一电阻、第二电阻、放大器；

所述电压源与所述第一电阻连接；

所述第一电阻与所述电压源连接的相对端，分别与所述第二电阻、所述放大器的正输入端连接；

所述第二电阻与所述第一电阻连接的相对端接地；

所述放大器的输出端与所述放大器的负输入端连接，所述放大器的输出端连接于所述第一级交叉耦合电荷泵中的所述第一N型MOS管的源极与所述第二N型MOS管的源极之间。

4.根据权利要求3所述的电荷泵电路，其特征在于，所述电压源的电压值与所述第一时钟、所述第二时钟的高电平相等；所述第一电阻、所述第二电阻为可变电阻。

5.根据权利要求2所述的电荷泵电路，其特征在于，所述第二级Dickson电荷泵包括第二二极管、第三电容、第三时钟、第四时钟和输入电压；

所述第二二极管的阳极与所述第一二极管的阴极连接，所述第二二极管的阳极与所述第三电容连接；

所述第三电容与所述第二二极管的阳极连接的相对端，分别与所述第三时钟、所述第四时钟连接；

所述第三时钟与所述第三电容连接的相对端接输入电压；

所述第四时钟与所述第三电容连接的相对端接地；

所述第三时钟与所述第四时钟为一对非交叠时钟；所述第三时钟为高电平时，输入电压接至第三电容下极板；所述第四时钟为高电平时，所述第三电容下极板接地。

6.根据权利要求5所述的电荷泵电路，其特征在于，所述电荷泵电路还包括第四电容；所述第四电容与所述第二二极管的阴极连接，所述第四电容与所述第二二极管的阴极连接的相对端接地。

7.根据权利要求6所述的电荷泵电路，其特征在于，所述第一二极管由第三P型MOS管构成；所述第二二极管由第四P型MOS管构成；所述第三P型MOS管与所述第四P型MOS管均为高压P型MOS管；

所述第三P型MOS管的漏极与所述第一P型MOS管、所述第二P型MOS管的源极连接；所述第三P型MOS管的源极和栅极短接，所述第三P型MOS管的源极分别与所述第四P型MOS管的漏极、所述第三电容连接；所述第四P型MOS管的源极和栅极短接，所述第四P型MOS管的源极与所述第四电容连接。

8.根据权利要求7所述的电荷泵电路，其特征在于，所述电荷泵电路中还包括多个寄生三极管；所述寄生三极管的数量等于N2+1。

9.根据权利要求8所述的电荷泵电路，其特征在于，所述寄生三极管包括添加在所述第三P型MOS管上的第一寄生三极管，和添加在所述第二级Dickson电荷泵的第四P型MOS管上的第二寄生三极管；

所述第一寄生三极管的发射极连接于所述第一级交叉耦合电荷泵的输出端与所述第三P型MOS管的漏极之间，所述第一寄生三极管的基极与所述第三P型MOS管的衬底连接，所述第一寄生三极管的集电极接地；

所述第二寄生三极管的发射极连接于所述第三P型MOS管的源极与所述第四P型MOS管的漏极之间，所述第二寄生三极管的基极与所述第四P型MOS管的衬底连接，所述第二寄生三极管的集电极接地。