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专利号: 202010105921X
申请人: 重庆邮电大学
专利类型:发明专利
专利状态:已下证
专利领域: 控制;调节
更新日期:2024-02-23
缴费截止日期: 暂无
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摘要:

权利要求书:

1.一种自补偿的电流舵电荷泵电路,其特征在于,包括:充/放电电流源补偿电路(1)及电荷泵核心电路(2),其中所述充/放电电流源补偿电路(1)的信号输出端与所述电荷泵核心电路(2)的信号输入端相连,所述电荷泵核心电路(2)的信号输出端与所述充/放电电流源补偿电路(1)的信号输入端相连;所述充/放电电流源补偿电路(1)为所述电荷泵核心电路(2)的充/放电流源提供偏置信号以及电流补偿信号,所述电荷泵核心电路(2)为所述充/放电电流源补偿电路(1)提供偏置信号;

所述充/放电电流源补偿电路(1)包括:参考电流源Icp1、参考电流源Icp2、NMOS管Mn0、PMOS管Mp1、PMOS管Mp2、PMOS管Mp3、PMOS管Mp4、PMOS管Mp5、PMOS管Mp6、PMOS管Mp7、PMOS管Mp8、PMOS管Mp9、PMOS管Mp0、NMOS管Mn1、NMOS管Mn2、NMOS管Mn3、NMOS管Mn4、NMOS管Mn5、NMOS管Mn6、NMOS管Mn7、NMOS管Mn8、NMOS管Mn9、NMOS管M1、NMOS管M2、PMOS管M3及PMOS管M4,其中PMOS管Mp9的源极与外部电源VDD相连,PMOS管Mp9的栅极分别与PMOS管Mp9的漏极以及PMOS管Mp8的源极相连,PMOS管Mp8的栅极分别与PMOS管Mp8的漏极以及PMOS管Mp7的源极相连,PMOS管Mp7的栅极分别与PMOS管Mp7的漏极以及PMOS管Mp6的源极相连,PMOS管Mp6的栅极分别与PMOS管Mp6的漏极以及PMOS管Mp5的源极相连,PMOS管Mp5的栅极分别与PMOS管Mp5的漏极以及PMOS管Mp4的源极相连,PMOS管Mp4的栅极分别与NMOS管Mn0的栅极以及电荷泵的输出端Vout相连,PMOS管Mp4的漏极分别与NMOS管Mn0的漏极以及PMOS管Mp3的栅极相连,NMOS管Mn0的源极分别与PMOS管Mp3的漏极、NMOS管M2的源极、NMOS管Mn1的源极以及外部地GND相连,参考电流源Icp1的一端分别与PMOS管Mp1的源极、PMOS管M3的源极以及外部电源VDD相连,参考电流源Icp1的另一端分别与PMOS管Mp2的漏极、NMOS管M1的漏极、NMOS管M2的栅极、NMOS管M8的栅极、NMOS管M14的栅极以及NMOS管M23的栅极相连,NMOS 管M1的栅极分别与NMOS管M7的栅极以及外部电源VDD相连,NMOS管M1的源极与NMOS管M2的漏极相连,PMOS管Mp1的栅极分别与PMOS管Mp2的栅极、NMOS管Mn2的栅极、NMOS管Mn1的栅极以及电荷泵的输出端Vout相连,PMOS管Mp1的漏极分别与PMOS管Mp2的源极以及PMOS管Mp3的源极相连,PMOS管M3的漏极与PMOS管M4的源极相连,PMOS管M3的栅极分别与PMOS管M5的栅极、PMOS管M24的栅极、PMOS管M10的栅极、PMOS管M4的漏极、NMOS管Mn2的漏极以及参考电流源Icp2的一端相连,PMOS管M4的栅极分别与PMOS管M6的栅极以及外部地GND相连,参考电流源Icp2的另一端分别与NMOS管Mn9的源极以及外部地GND相连,NMOS管Mn3的漏极分别与PMOS管Mp0的源极以及外部电源VDD相连,NMOS管Mn3的源极分别与NMOS管Mn2的源极以及NMOS管Mn1的漏极相连,PMOS管Mp0的栅极分别与NMOS管Mn4的栅极以及电荷泵的输出端Vout相连,PMOS管Mp0的漏极分别与NMOS管Mn3的栅极以及NMOS管Mn4的漏极相连,NMOS管Mn4的源极分别与NMOS管Mn5的漏极以及NMOS管Mn5的栅极相连,NMOS管Mn5的源极分别与NMOS管Mn6的漏极以及NMOS管Mn6的栅极相连,NMOS管Mn6的源极分别与NMOS管Mn7的漏极以及NMOS管Mn7的栅极相连,NMOS管Mn7的源极分别与NMOS管Mn8的漏极以及NMOS管Mn8的栅极相连,NMOS管Mn8的源极分别与NMOS管Mn9的漏极以及NMOS管Mn9的栅极相连;

所述电荷泵核心电路(2)包括:PMOS管M5、PMOS管M6、NMOS管M7、NMOS管M8、PMOS管M9、PMOS管M10、PMOS管M11、NMOS管M12、NMOS管M13、NMOS管M14、PMOS管M15、NMOS管M16、PMOS管M17、NMOS管M18、NMOS管M19、PMOS管M20、NMOS管M21、PMOS管M22、NMOS管M23、PMOS管M24及放大器A1,其中PMOS管M5的源极分别与PMOS管M9的源极、PMOS管M24的源极、PMOS管M24的漏极、PMOS管M10的源极以及外部电源VDD相连,PMOS管M5的漏极与PMOS 管M6的源极相连,PMOS管M6的漏极分别与NMOS管M12的漏极以及NMOS管M13的栅极相连,NMOS管M12的栅极分别与NMOS管M13的源极以及NMOS管M14的漏极相连,NMOS管M12的源极分别与NMOS管M8的源极、NMOS管M23的源极、NMOS管M23的漏极以及NMOS管M14的源极相连,PMOS管M9的栅极分别与PMOS管M10的漏极以及PMOS管M11的源极相连,PMOS管M9的漏极分别与PMOS管M11的栅极以及NMOS管M7的漏极相连,NMOS管M7的源极与NMOS管M8的漏极相连,PMOS管M11的漏极分别与PMOS管M15的源极、NMOS管M16的漏极、PMOS管M17的源极以及NMOS管M18的漏极相连,PMOS管M15的栅极与信号端UP相连,NMOS管M16的栅极分别与PMOS管M17的栅极以及信号端 相连,PMOS管M15的漏极分别与NMOS管M16的源极、放大器A1的输出端、放大器A1的反相输入端、NMOS管M19的漏极以及PMOS管M20的源极相连,NMOS管M19的栅极与信号端 相连,PMOS管M20的栅极分别与NMOS管M21的栅极以及信号端DN相连,NMOS管M19的源极分别与PMOS管M20的漏极、NMOS管M21的源极、PMOS管M22的漏极以及NMOS管M13的漏极相连,NMOS管M18的栅极与信号端UP相连,NMOS管M18的源极分别与PMOS管M17的漏极、放大器A1的同相输入端、NMOS管M21的漏极、PMOS管M22的源极以及电荷泵的输出端Vout相连,PMOS管M22的栅极与信号端 相连。

2.根据权利要求1所述的一种自补偿的电流舵电荷泵电路,其特征在于,所述充/放电电流源补偿电路(1)中,NMOS管M1、NMOS管M2以及参考电流源Icp1构成的电路为所述电荷泵核心电路的放电电流源提供偏置,PMOS管M3、PMOS管M4以及参考电流源Icp2构成的电路为所述电荷泵核心电路的放电电流源提供偏置;参考电流源Icp1与参考电流源Icp2具有相同的电流ICP,NMOS管M14与NMOS管M2完全相同,PMOS管M10与PMOS管M3完全相同,从而流过NMOS管M14的放电电流IDN及流过PMOS管M10的充电电流IUP有ICP=IUP=IDN。

3.根据权利要求1所述的一种自补偿的电流舵电荷泵电路,其特征在于,所述充/放电电流源补偿电路(1)中,NMOS管Mn0、PMOS管Mp1、PMOS管Mp2、PMOS管Mp3、PMOS管Mp4、PMOS管Mp5、PMOS管Mp6、PMOS管Mp7、PMOS管Mp8及PMOS管Mp9构成放电电流补偿电路;当电荷泵输出电压Vout大于NMOS管阈值电压VTHn,NMOS管Mn0导通使得其漏极电压Vb2≈0,且在Vout≥Vb1‑|VTHp|范围内,PMOS管Mp1与PMOS管Mp3工作在饱和区,PMOS管Mp2截止,其中,Vb1为PMOS管Mp2的源极电压,VTHp为PMOS管的阈值电压;当Vout降低到小于Vb1‑|VTHp|时,PMOS管Mp2导通并对放电电流进行补偿;忽略MOS管亚阈值导电,当Vout=Vb1‑|VTHp|时,有 式中,(W/L)p1与(W/L)p3分别为PMOS管Mp1与PMOS管Mp3的沟道宽长比,VDD为外部电源VDD的电压,通过优化(W/L)p1与(W/L)p3可得合适的电压Vb1,进而控制PMOS管Mp2的导通电压并产生相应补偿电流,实现放电电流自补偿,则电荷泵放电电流IDN有 其中Ip2为PMOS管Mp2的电流;

5个完全相同的二极管连接PMOS管与PMOS管Mp4串联降低PMOS管Mp4的导通电压,当PMOS管Mp2开始导通时,NMOS管Mn0截止,PMOS管Mp4导通,PMOS管Mp3的栅极电压Vb2为VDD,使得PMOS管Mp3截止,避免引入过大的电流和额外的功耗;PMOS管Mp4开始导通时Vout最大值VGN4为VGN4=VDD‑5|VGS,P5|‑|VTHP|,其中VGS,P5为PMOS管Mp5的栅源电压,因而可通过优化VGS,P5来调整PMOS管Mp4的开启电压。

4.根据权利要求1所述的一种自补偿的电流舵电荷泵电路,其特征在于,所述充/放电电流源补偿电路(1)中,PMOS管Mp0、NMOS管Mn1、NMOS管Mn2、NMOS管Mn3、NMOS管Mn4、NMOS管Mn5、NMOS管Mn6、NMOS管Mn7、NMOS管Mn8以及NMOS管Mn9构成充电电流源自补偿电路;电荷泵输出电压Vout为低电位,PMOS管Mp0导通且漏极电压Va2约为VDD;当Vout≤Va1+VTHn时,NMOS管Mn3和Mn1工作在饱和区,NMOS管Mn2截止,其中Va1为NMOS管Mn2的源极电压,VTHn为NMOS管的阈值电压;当Vout>Va1+VTHn时,NMOS管Mn2导通,对充电电流进行补偿; 忽略MOS管亚阈值导电,当Vout=Va1+VTHn时,有 其中,(W/L)n1与(W/L)n3分别为NMOS管Mn1与NMOS管Mn3的沟道宽长比,通过调节(W/L)n1与(W/L)n3可得合适电压Va1,进而控制NMOS管Mn2的导通电压并产生相应补偿电流,实现充电电流自补偿,即电荷泵充电电流IUP有其中In2为NMOS管Mn2的电流;

5个完全相同的二极管连接NMOS管与NMOS管Mn4串联提高NMOS管Mn4的导通电压;当NMOS管Mn2开始导通时,PMOS管Mp0截止,NMOS管Mn4导通,NMOS管Mn3的栅极电压Va2为0,使得NMOS管Mn3截止,避免引入过大的电流和额外的功耗;NMOS管Mn4开始导通时Vout的最小值VGN4为VGN4=mVGS,N5+VTHn,其中VGS,N5为NMOS管Mn5的栅源电压,则可通过优化VGS,N5来调整NMOS管Mn4的开启电压。

5.根据权利要求1所述的一种自补偿的电流舵电荷泵电路,其特征在于,所述电荷泵核心电路(2)中,PMOS管M15与NMOS管M16、PMOS管M17与NMOS管M18、NMOS管M19与PMOS管M20、NMOS管M21与PMOS管M22分别构成互补开关对,减小电荷泵电路的时钟馈通和电荷注入效应;放大器A1采用单位增益连接,使得放大器A1的输出电压VC跟随电荷泵输出电压Vout变化而变化,即VC=Vout,从而抑制电路电荷共享效应。

6.根据权利要求1所述的一种自补偿的电流舵电荷泵电路,其特征在于,所述电荷泵核心电路(2)中,NMOS管M7、NMOS管M8与PMOS管M9构成共源级放大器并与PMOS管M10、PMOS管M11组成增益提升的充电电流源电路,电荷泵的充电电流源的阻抗由传统的gm11ro10ro11增加为gm9ro9gm11ro10ro11,其中gm9与gm11分别为PMOS管M9与PMOS管M11的等效跨导,ro9、ro10及ro11分别为PMOS管M9、PMOS管M10及PMOS管M11的沟道电阻;

PMOS管M5、PMOS管M6以及NMOS管M12构成共源级放大器并与NMOS管M13、NMOS管M14构成增益提升的放电电流源电路,则电荷泵的放电电流源的阻抗由传统的gm13ro13ro14增加为gm12ro12gm13ro13ro14,其中gm12与gm13分别为NMOS管M12与NMOS管M131的等效跨导,ro12、ro13及ro14分别为NMOS管M12、NMOS管M13及NMOS管M14的沟道电阻。