发明内容
为了解决上述技术问题,本发明的目的是:提供一种能快速启动、正常工作状态下功耗低且输出负电压波纹小的负电压电荷泵电路。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是:一种双输出电荷泵电路由四个PMOS/NMOS开关对、四个时钟信号、四个反相器、六个电容和一个电阻组成。其中四个PMOS/NMOS开关对分别是第一P型场效应晶体管和第二N型场效应晶体管组成的开关对、第三P型场效应晶体管和第四N型场效应晶体管组成的开关对、第五P型场效应晶体管和第六N型场效应晶体管组成的开关对、第七P型场效应晶体管和第八N型场效应晶体管组成的开关对。所述的第一P型场效应晶体管、第三P型场效应晶体管、第五P型场效应晶体管和第七P型场效应晶体管的源极分别与大地相连;
所述第二N型场效应晶体管和第八N型场效应晶体管的源极分别经第一电阻与电荷泵输出端OUTCP相连;电荷泵输出端OUTCP经第三电容与大地相连;
所述第四N型场效应晶体管和第六N型场效应晶体管的源极分别经第四电容与大地相连;
所述第一反相器的输入端与第一时钟信号相连,第一反相器的输出端经第一飞电容分别与第一P型场效应晶体管的漏极和第二N型场效应晶体管的漏极相连;
所述第二反相器的输入端与第三时钟信号相连,第二反相器的输出端经第一电容分别与第一P型场效应晶体管、第二N型场效应晶体管、第三P型场效应晶体管和第四N型场效应晶体管的栅极相连,同时第五P型场效应晶体管和第六N型场效应晶体管的漏极分别于第一P型场效应晶体管、第二N型场效应晶体管的栅极相连;
所述第三反相器的输入端与第二时钟信号相连,第三反相器的输出端经第二电容分别与第五P型场效应晶体管、第六N型场效应晶体管、第七P型场效应晶体管和第八N型场效应晶体管的栅极相连,同时第三P型场效应晶体管和第四N型场效应晶体管的漏极分别于第五P型场效应晶体管、第六N型场效应晶体管的栅极相连;
所述第四反相器的输入端与第四时钟信号相连,第四反相器的输出端经第二飞电容分别与第七P型场效应晶体管的漏极和第八N型场效应晶体管的漏极相连。
进一步,一种双输出电荷泵电路包括四个NMOS开关管、四个二极管、四个时钟信号、四个反相器、六个电容和一个电阻。所述的第一二极管、第二二极管、第三二极管和第四二极管的阴极分别与大地相连;
所述第一N型场效应晶体管和第四N型场效应晶体管的源极分别经第一电阻与电荷泵输出端OUTCP相连;电荷泵输出端OUTCP经第三电容与大地相连;
所述第二N型场效应晶体管和第三N型场效应晶体管的源极分别经第四电容与大地相连;
所述第一反相器的输入端与第一时钟信号相连,第一反相器的输出端经第一飞电容分别与第一二极管的阳极和第一N型场效应晶体管的漏极相连;
所述第二反相器的输入端与第三时钟信号相连,第二反相器的输出端经第一电容分别与第一N型场效应晶体管和第二N型场效应晶体管的栅极相连,同时第三N型场效应晶体管的漏极和第三二极管的阳极分别于第一N型场效应晶体管、第二N型场效应晶体管的栅极相连;
所述第三反相器的输入端与第二时钟信号相连,第三反相器的输出端经第二电容分别与第三N型场效应晶体管和第四N型场效应晶体管的栅极相连,同时第二N型场效应晶体管的漏极和第二二极管的阳极分别于第三N型场效应晶体管、第四N型场效应晶体管的栅极相连;
所述第四反相器的输入端与第四时钟信号相连,第四反相器输出端经第二飞电容分别与第四二极管的阳极和第四N型场效应晶体管的漏极相连;
所述的第一时钟信号、第二时钟信号、第三时钟信号和第四时钟信号交替在高电势状态和低电势状态之间切换。
进一步,所述的第一时钟信号和第二时钟信号在低电势时,第三时钟信号和第四时钟信号对应为高电势。
进一步,所述的第一反相器和第四反相器的电源电压Vdd1比第二反相器和第三反相器的电源电压Vdd低。
进一步,所述的第一反相器和第四反相器的电源电压Vdd1在第二反相器和第三反相器的电源电压Vdd的基础上引入一个MOS二极管进行降压。
本发明所实现的效果是:通过引入负电压对SOI CMOS射频开关进行控制,可以保证射频开关管在大射频信号条件下能处于很好的关闭状态,从而改善射频开关的线性和隔离度。本发明的能产生负电压的电荷泵能快速启动,在较短时间内建立起稳定的负电压输出,在负压处于稳定输出状态下,电路内部的稳态电流较小,同时输出负电压具有更小的纹波。但是,本发明通过增加电荷泵核心器件的面积减小了电荷泵的启动时间,其代价是电路的设计更加复杂,且电荷泵启动时的瞬态电流增大;同时本发明采用的是开环架构,其对输出的负电压不能实现很精确的控制,且在输出端需要采用较大的滤波电容。
具体实施方式
参照图2,一种应用于SOI CMOS射频开关的控制电路包括带隙基准电路,低压差线性稳压器、环形振荡器、反相器I1、反相器I2、非交叠时钟产生电路、电荷泵及电平转换电路。所述带隙基准电路与低压差线性稳压器相连,低压差线性稳压器的输出端与电荷泵相连,环形振荡器的输出端经反相器I1与反相器I2的输入端相连,反相器I1和反相器I2的输出端与非交叠时钟产生电路的输入端相连,非交叠时钟产生电路的四个输出端与电荷泵的输入端相连,电荷泵的输出端OUTCP经过电平转换电路对射频开关进行控制。
其中,带隙基准电路为低压差线性稳压器提供一个基准电压,低压差线性稳压器则为电荷泵提供电源,在电荷泵电路中引入非交叠时钟产生电路来降低整体电路的功率消耗,同时也能有效降低噪声和对电容的要求。本发明所引入的非交叠时钟产生电路产生四个时钟信号,分别是CLK1、CLK2、CLK3和CLK4,其中CLK1和CLK2为交叠时钟信号、CLK3和CLK4为交叠时钟信号,CLK1和CLK3为非交叠时钟信号。
参照图3,进一步作为优选的实施方式,所述的电荷泵电路包括四个PMOS/NMOS开关对、四个时钟信号、四个反相器、六个电容和一个电阻。其中四个PMOS/NMOS开关对分别是第一P型场效应晶体管M1和第二N型场效应晶体管M2组成的开关对、第三P型场效应晶体管M3和第四N型场效应晶体管M4组成的开关对、第五P型场效应晶体管M5和第六N型场效应晶体管M6组成的开关对、第七P型场效应晶体管M7和第八N型场效应晶体管M8组成的开关对。
所述的第一P型场效应晶体管M1、第三P型场效应晶体管M3、第五P型场效应晶体管M5和第七P型场效应晶体管M7的源极分别与大地相连;
所述第二N型场效应晶体管M2和第八N型场效应晶体管M8的源极分别经第一电阻R1与电荷泵输出端OUTCP相连;电荷泵输出端OUTCP经第三电容C3与大地相连;
所述第四N型场效应晶体管M4和第六N型场效应晶体管M6的源极分别经第四电容C4与大地相连;
所述第一反相器I1的输入端与第一时钟信号CLK1相连,第一反相器I1的输出端经第一飞电容Cfly1分别与第一P型场效应晶体管M1的漏极和第二N型场效应晶体管M2的漏极相连;
所述第二反相器I2的输入端与第三时钟信号CLK3相连,第二反相器I2的输出端经第一电容C1分别与第一P型场效应晶体管M1、第二N型场效应晶体管M2、第三P型场效应晶体管M3和第四N型场效应晶体管M4的栅极相连,同时第五P型场效应晶体管M5和第六N型场效应晶体管M6的漏极分别于第一P型场效应晶体管M1、第二N型场效应晶体管M2的栅极相连;
所述第三反相器I3的输入端与第二时钟信号CLK2相连,第三反相器I3的输出端经第二电容C2分别与第五P型场效应晶体管M5、第六N型场效应晶体管M6、第七P型场效应晶体管M7和第八N型场效应晶体管M8的栅极相连,同时第三P型场效应晶体管M3和第四N型场效应晶体管M4的漏极分别于第五P型场效应晶体管M5、第六N型场效应晶体管M6的栅极相连;
所述第四反相器I4的输入端与第四时钟信号CLK4相连,第四反相器I4的输出端经第二飞电容Cfly2分别与第七P型场效应晶体管M7的漏极和第八N型场效应晶体管M8的漏极相连;
所述的第一时钟信号CLK1、第二时钟信号CLK2、第三时钟信号CLK3和第四时钟信号CLK4交替在高电势状态和低电势状态之间切换。
进一步,所述的第一时钟信号CLK1和第二时钟信号CLK2在低电势时,第三时钟信号CLK3和第四时钟信号CLK4对应为高电势。
进一步作为优选的实施方式如图4所示,所述的电荷泵电路中的第一反相器I1和第四反相器I4的电源电压Vdd1比第二反相器I2和第三反相器I3的电源电压Vdd低一个由MOS管连接组成的二极管的压降。
进一步作为优选的实施方式,图5所述的电荷泵电路包括四个NMOS开关管、四个二极管、四个时钟信号、四个反相器、六个电容和一个电阻。所述的第一二极管D1、第二二极管D2、第三二极管D3和第四二极管D4的阴极分别与大地相连;
所述第一N型场效应晶体管M1和第四N型场效应晶体管M4的源极分别经第一电阻R1与电荷泵输出端OUTCP相连;电荷泵输出端OUTCP经第三电容C3与大地相连;
所述第二N型场效应晶体管M2和第三N型场效应晶体管M3的源极分别经第四电容C4与大地相连;
所述第一反相器I1的输入端与第一时钟信号CLK1相连,第一反相器I1的输出端经第一飞电容Cfly1分别与第一二极管D1的阳极和第一N型场效应晶体管M1的漏极相连;
所述第二反相器I2的输入端与第三时钟信号CLK3相连,第二反相器I2的输出端经第一电容C1分别与第一N型场效应晶体管M1和第二N型场效应晶体管M2的栅极相连,同时第三N型场效应晶体管M3的漏极和第三二极管D3的阳极分别于第一N型场效应晶体管M1、第二N型场效应晶体管M2的栅极相连;
所述第三反相器I3的输入端与第二时钟信号CLK2相连,第三反相器I3的输出端经第二电容C2分别与第三N型场效应晶体管M3和第四N型场效应晶体管M4的栅极相连,同时第二N型场效应晶体管M2的漏极和第二二极管D2的阳极分别于第三N型场效应晶体管M3、第四N型场效应晶体管M4的栅极相连;
所述第四反相器I4的输入端与第四时钟信号CLK4相连,第四反相器I4的输出端经第二飞电容Cfly2分别与第四二极管D2的阳极和第四N型场效应晶体管M4的漏极相连;
下面结合具体的实施方式对本发明作进一步说明。
对实施例一
在初始时刻,即在时钟信号前半周期(0~T/2)开始时,时钟信号CLK1和时钟信号CLK2为低电平,则在反相器I1和I3输出端为高电平Vdd,即在0~T/2时间内,电源电压分别通过反相器I1和I3为飞电容Cfly1和电容C2充电,此时A节点和B节点电压由0开始升高,而时钟信号CLK3和时钟信号CLK4为高电平,在反相器I2和I4输出端为低电平,即在0-T/2时间内,反相器I2和I4将电容C1和飞电容Cfly2的端电压拉低为0,此时C节点和D节点电压均为0,在0~T/2时间内,第一场效应晶体管M1、第三场效应晶体管M3、第五场效应晶体管M5、第七场效应晶体管M7、第二场效应晶体管M2和第四场效应晶体管M4均处于截止状态,而第六场效应晶体管M6和第八场效应晶体管M8处于导通状态,电容C1和飞电容Cfly2通过导通的第六场效应晶体管M6和第八场效应晶体管M8对输出电容C4和C3端充电进行充电,在0-T/2时间内,输出电容C4和C3端的电压均为0。负压输出端OUTCP作为主输出端,输出电容C3的容值远远大于电容C4。为了在电荷泵输出端获得稳定的且具有较小纹波的负压输出,在输出端接入一个电阻R1与电容C3组成一个低通滤波器来对输出电压进行滤波。
在T/2时刻,时钟信号CLK1和时钟信号CLK2快速由低电平翻转为高电平,则在反相器I1和I3输出端也实现由高电平到低电平的快速翻转,由于电容器的端电压不能实现快速跳变,此时A节点和B节点对地电压即为负电压,在T/2时刻,时钟信号CLK3和时钟信号CLK4快速由高电平翻转为低电平,电源电压Vdd分别通过反相器I2和I4为电容C1和飞电容Cfiy2充电,电容C1和飞电容Cfiy2的端电压开始升高到Vdd,即节点C和节点D电压也逐渐由0开始升高,在T/2~T周期内,第一场效应晶体管M1、第三场效应晶体管M3、第五场效应晶体管M5、第七场效应晶体管M7、第六场效应晶体管M6、第八场效应晶体管M8均处于截止状态、第二场效应晶体管M2和第四场效应晶体管M4均处于导通状态,即飞电容Cfly1和电容C2端的负电压通过第二场效应晶体管M2和第四场效应晶体管M4传递到输出电容C3和C4端。
在T时刻,时钟信号CLK1和时钟信号CLK2快速由高电平翻转为低电平,则在反相器I1和I3输出端也实现由低电平到高电平的快速翻转,电源电压Vdd分别通过反相器I1和I3为飞电容Cfly1和电容C2充电,飞电容Cfiy1和电容C2的输入端电压开始由0快速升高,由于电容器的端电压不能实现快速跳变,此时A节点和B节点电压由负电压开始增大,同时在该时刻,时钟信号CLK3和时钟信号CLK4快速由低电平翻转为高电平,即节点C和节点D电压也快速由0变为负电压,第一场效应晶体管M1、第三场效应晶体管M3、第五场效应晶体管M5、第七场效应晶体管M7、第二场效应晶体管M2、第四场效应晶体管M4均处于截止状态,第六场效应晶体管M6和第八场效应晶体管M8均处于导通状态,即通过第六场效应晶体管M6和第八场效应晶体管M8将电容C1和飞电容Cfly2端的负电压传递到输出端。
在时钟信号的作用下,通过控制第二场效应晶体管M2、第四场效应晶体管M4和第六场效应晶体管M6、第八场效应晶体管M8周期性的交替导通,可以将第一飞电容Cfly1和第二飞电容Cfly2、第一电容C1和第二电容C2上的负电荷周期***替的传输到输出电容C3和输出电容C4上,实现在输出电容C3和输出电容C4上的负电压电荷积累,最终达到在输出电容C3和输出电容C4端有稳定的负电压输出。
本发明所设计的负电压采用双电荷泵电路设计,采用双电荷泵的架构不仅减小了贯穿电流,而且也减小电荷泵电路的启动时间,同时降低了整体电路的稳态电流。在负电压产生过程中,可以通过增加时钟信号的频率和电荷泵电路中核心器件的面积来减小启动时间,但是代价是启动时的瞬态电流增大。
对于实施例一所得到的负电压建立时间较短,但是在输出的负电压上通常会有较大的波纹,这是因为在每一个周期内传递到输出电容上的电荷量都较大,从而引起较大的输出电压波动。本发明的第二实施例是在第一实施例的基础上对第一反相器I1和第四反向器I4的电源电压上进行了降压处理,即第一反相器I1和第四反相器I4的电源电压Vdd1比第二反相器I2和第三反相器I3的电源电压Vdd低一个由MOS管连接组成的二极管的压降。通过在第一反相器I1和第四反相器I4的电源电压引入一个二极管进行降压,使每次泵入到输出端的负电压减少,从而使负电压的传递与积累更加平稳,可有效减小输出端负电压的波纹,但是缺点是输出预定的负电压所需的建立时间有所延长。
本发明的第三实施例是在第二实施例的基础上通过引入四个二极管替换相应的PMOS晶体管,可进一步阻断在时钟信号翻转切换时刻由PMOS晶体管引入的信号通路,达到进一步减小电荷泵电路在时钟翻转过程中以及电路稳态的漏电流,但是引入的四个二极管在有效阻断到地的电流通路的同时,也抬高了时钟翻转过程中转移电容上的电压值,从而增加了负电压电荷泵的负压建立时间,同时也减小了电荷泵输出端的负压值。
以上是对本发明的较佳实施进行的具体说明,但本发明创造并不限于所述实施例,熟悉本领域的技术人员在不违背本发明精神的前提下还可做出种种的等同变形或替换,这些等同的变形或替换均包含在本申请专利要求所限定的范围内。