一種低電壓電流自匹配柵極開關電荷泵制造技術

本發明專利技術公開了一種低電壓電流自匹配柵極開關電荷泵，包括充電電路和放電電路，所述充電電路由第一電源和第二電源、第一誤差放大器、第一至第三PMOS管、一對NMOS管組成，所述充電電路通過負反饋將輸入參考電流源的漏極箝位至第二電源，使得充電支路中的第三PMOS管與參考支路中串聯第二PMOS管的各端口電壓均相等，確保輸出電壓變化時充電電流等于輸入參考電流；所述放電電路由低電壓軌到軌誤差放大器及四個NMOS管構成的反饋環路，用于追蹤輸出節點的電壓變化，并實時調整放電電路中NMOS管的柵極電壓，使放電電流在不同輸出電壓下始終等于輸入參考電流。本發明專利技術實現了在不同輸出電壓下充放電電流保持相等，并且提升了輸入參考電流源的輸出阻抗，使之更加恒定。

【技術實現步驟摘要】
一種低電壓電流自匹配柵極開關電荷泵
本專利技術涉及一種低電壓電流自匹配柵極開關電荷泵，屬于電荷泵的

技術介紹
隨著工藝尺寸的不斷縮小以及對低功耗的訴求，射頻和模擬集成電路的電源電壓不斷朝著更低的方向演變。設計者開始嘗試將射頻收發電路工作在0.7V或更低電源電壓下。然而受到漏電流問題的制約，晶體管的閾值電壓沒有隨著特征尺寸持續降低而是穩定在350mV~450mV的量級，這給傳統電路設計帶來了巨大挑戰。在頻率綜合器的設計中，電源電壓的降低對電荷泵影響最為嚴重。受電壓裕度和充放電電流源輸出阻抗的限制，傳統的漏極開關電荷泵無法提供足夠的性能。而基于柵極開關的電荷泵結構成為了更加有效的替代方案。柵極開關電荷泵通常使用NMOS和PMOS電流鏡提供充放電電流，通過接通/斷開柵極開關的方式實現充放電控制。考慮到低電壓條件下電荷泵的輸出電壓經常處于輸出電流源的線性區，充放電電流既無法保持恒定，也很難保證充放電電流彼此相等。
技術實現思路
本專利技術所要解決的技術問題在于克服現有技術的不足，提供一種低電壓電流自匹配柵極開關電荷泵，解決現有的電荷泵低電壓條件下電荷泵的輸出電壓經常處于輸出電流源的線性區，充放電電流既無法保持恒定，也很難保證充放電電流彼此相等的問題，該電荷泵利用低電壓放大器構成反饋環路，追蹤輸出節點的電壓變化并實時調整充放電電流源的柵極電壓，實現電荷泵的充放電電流始終與參考電流相等。本專利技術具體采用以下技術方案解決上述技術問題：一種低電壓電流自匹配柵極開關電荷泵，包括充電電路和放電電路，所述充電電路由第一電源和第二電源、第一誤差放大器、第一至第三PMOS管、一對NMOS管組成，所述充電電路通過負反饋將輸入參考電流源的漏極箝位至第二電源，使得充電支路中的第三PMOS管與參考支路中串聯第二PMOS管的各端口電壓均相等，確保輸出電壓變化時充電電流始終等于輸入參考電流；所述放電電路由低電壓軌到軌誤差放大器及四個NMOS管構成的反饋環路，用于追蹤輸出節點的電壓變化，并實時調整放電電路中NMOS管的柵極電壓，使放電電流在不同輸出電壓下始終等于輸入參考電流。本專利技術實現了在不同輸出電壓下充放電電流保持相等，并且提升了輸入參考電流源的輸出阻抗，使之更加恒定。進一步地，作為本專利技術的一種優選技術方案：所述充電電路還包括在第一誤差放大器的輸出端并聯第二濾波電容。進一步地，作為本專利技術的一種優選技術方案：所述放電電路還包括在低電壓軌到軌誤差放大器的輸出端并聯第一濾波電容。本專利技術采用上述技術方案，能產生如下技術效果：本專利技術提出一種低電壓電流自匹配柵極開關電荷泵。該電荷泵利用低電壓放大器構成反饋環路，追蹤輸出節點的電壓變化并實時調整充放電電流源的柵極電壓，實現電荷泵的充放電電流始終與參考電流相等。此外本專利技術的電流匹配電路利用負反饋將參考電流輸入節點箝位到電源電壓，保證了參考電流的恒定。基于以上結構特點，本專利技術的低電壓電流自匹配電荷泵最低可工作在0.6V電源電壓下，并且在幾乎整個輸出電壓范圍內實現了充放電電流恒定。本專利技術相比現有技術，具有以下效果：1.該電荷泵實現了在不同輸出電壓下，即使輸出電流源位于深線性區，充電電流和放電電流也能保持相等。2.該電荷泵實現了充放電電流在不同輸出電壓下始終等于輸入參考電流，并且提升了輸入參考電流源的輸出阻抗，使之更加恒定。附圖說明圖1為本專利技術一種低電壓電流自匹配柵極開關電荷泵的實施例的電路圖；圖2為本專利技術在不同輸出電壓下的靜態充放電電流值。具體實施方式下面結合說明書附圖對本專利技術的實施方式進行描述。如圖1所示，本專利技術提供一種低電壓電流自匹配柵極開關電荷泵，該電荷泵包括充電電路和放電電路，其中所述充電電路由第一電源VDD1、第二電源VDD2、第一誤差放大器、第一至第三PMOS管、一對NMOS管組成，所述充電電路用于連接第一電源后，通過負反饋將參考電流的漏極箝位至第二電源，使得充電PMOS管P3與參考支路中串聯晶體管P2的各端口電壓均相等，即當輸出電壓變化時保持流過第二PMOS管的電流等于輸入參考電流，及使得第二和第三PMOS管的柵源電壓相同，并通過輸出節點輸出電流。所述放電電路由低電壓軌到軌誤差放大器A2及四個NMOS管、濾波電容構成的反饋環路，用于追蹤充電電路輸出節點的電壓變化，并實時調整充放電電流源的柵極電壓，即實時調整放電電路中第二NMOS管N2的柵極電壓，確保充放電電流在不同輸出電壓下始終等于輸入參考電流。本專利技術的實施例給出具體電路結構，如圖1所示，所述充電電路具體包括：第一電源VDD1、第二電源VDD2、第一誤差放大器A1、第一PMOS管P1、第二PMOS管P2、第三PMOS管P3、第五NMOS管N5、第六NMOS管N6；所述放電電路具體包括：低電壓軌到軌放大器A2、第一NMOS管N1、第二NMOS管N2、第三NMOS管N3、第四NMOS管N4、第三濾波電容C3；及優選還分別包括第一濾波電容C1、第二濾波電容C2。該電路中的具體連接為：第一PMOS管P1的源極接第一電源VDD1；第一PMOS管P1的柵極接第一偏置電壓Vb1；第一PMOS管P1的漏極接第二PMOS管P2的源極；第二PMOS管P2的柵極接第一誤差放大器A1的輸出；第二PMOS管P2的漏極接第一NMOS管N1的漏極；第一誤差放大器A1的輸入負端接第二PMOS管P2的源極；第一誤差放大器A1的輸入正端接第二電源電壓VDD2；第一NMOS管N1的柵極接低電壓軌到軌放大器A2的輸出端；第一NMOS管N1的源極接地；低電壓軌到軌放大器A2的輸入正端接第一NMOS管N1的漏極；低電壓軌到軌放大器A2的輸入負端接電荷泵輸出端VOUT；第一電容C1的正極接第一NMOS管N1的柵極，第一濾波電容C1的負極接地；第四NMOS管N4的源極接N1的柵極，第四NMOS管N4的柵極接放電開關信號VCN，第四NMOS管N4的漏極接第二NMOS管N2的柵極；第三NMOS管N3的漏極接第二NMOS管N2的柵極，第三NMOS管N3的柵極接放電開關反相信號VCNN，第三NMOS管N3的源極接地；第二NMOS管N2的漏極接電荷泵輸出端VOUT，第二NMOS管N2的源極接地；第二電容C2的正極接第二PMOS管P2的柵極，第二PMOS管P2的負極接第二電源VDD2；第六NMOS管N6的源極接第二PMOS管P2的柵極，第六NMOS管N6的柵極接充電開關信號VCP；第六NMOS管N6的漏極接第三PMOS管P3的柵極；第五NMOS管N5的漏極接第二電源VDD2，第五NMOS管N5的柵極接充電開關反相信號VCPN，第五NMOS管N5的源極接第三PMOS管P3的柵極；第三PMOS管P3的源極接第二電源VDD2，第三PMOS管P3的漏極接電荷泵輸出端VOUT；第三濾波電容C3的正極接電荷泵輸出端VOUT，第三濾波電容C3的負極接地。上述電路的原理為：輸入參考電流源的供電電壓作為第一電源，高于電荷泵的工作電壓的第二電源。第一誤差放大器A1通過負反饋將參考電流的漏極箝位至第二電源，當輸出電壓變化時始終保持流過第二PMOS管P2的電流等于輸入參考電流，并且保證了第二PMOS管P2和第三PMOS管P3具有同樣的柵源電壓。低電壓軌到軌誤差放大器A2則保證了第二PMOS管P2的漏極電壓始終等于第三本文檔來自技高網...

【技術保護點】
一種低電壓電流自匹配柵極開關電荷泵，包括充電電路和放電電路，其特征在于：所述充電電路由第一電源和第二電源、第一誤差放大器、第一至第三PMOS管、一對NMOS管組成，所述充電電路通過負反饋將輸入參考電流源的漏極箝位至第二電源，使得充電支路中的第三PMOS管與參考支路中串聯第二PMOS管的各端口電壓均相等，確保輸出電壓變化時充電電流始終等于輸入參考電流；所述放電電路由低電壓軌到軌誤差放大器及四個NMOS管構成的反饋環路，用于追蹤輸出節點的電壓變化，并實時調整放電電路中NMOS管的柵極電壓，使放電電流在不同輸出電壓下始終等于輸入參考電流。

【技術特征摘要】
1.一種低電壓電流自匹配柵極開關電荷泵，包括充電電路和放電電路，其特征在于：所述充電電路由第一電源和第二電源、第一誤差放大器、第一至第三PMOS管、一對NMOS管組成，所述充電電路通過負反饋將輸入參考電流源的漏極箝位至第二電源，使得充電支路中的第三PMOS管與參考支路中串聯第二PMOS管的各端口電壓均相等，確保輸出電壓變化時充電電流始終等于輸入參考電流；所述放電電路由低電壓軌到軌誤差放大器及四個NMOS管構成的反饋環路，用于追蹤輸出節點的電壓變化，并實時調整放電電路中NMOS管的柵極電壓，使放電電流在不同輸出電壓下始終等于輸入參考電流。2.根據權利要求1所述低電壓電流自匹配柵極開關電荷泵，其特征在于，所述充電電路具體包括：第一電源VDD1、第二電源VDD2、第一誤差放大器A1、第一PMOS管P1、第二PMOS管P2、第三PMOS管P3、第五NMOS管N5、第六NMOS管N6，其中第一PMOS管P1的源極接第一電源VDD1，及第一PMOS管P1的柵極接第一偏置電壓Vb1和第一PMOS管P1的漏極接第二PMOS管P2的源極；第二PMOS管P2的柵極接第一誤差放大器A1的輸出，且第二PMOS管P2的漏極接第一NMOS管N1的漏極；所述第一誤差放大器A1的輸入負端接第二PMOS管P2的源極，且第一誤差放大器A1的輸入正端接第二電源電壓VDD2；第六NMOS管N6的源極接第二PMOS管P2的柵極，且第六NMOS管N6的柵極接充電開關信號VCP及第六NMOS管N6的漏極接第三PMOS管P3的柵極；第五NMOS管N5的漏極接第二電源VDD...

【專利技術屬性】
技術研發人員：陳超，
申請(專利權)人：東南大學，
類型：發明
國別省市：江蘇,32