本發(fā)明涉及一種低電壓電流自匹配柵極開關電荷泵，屬于電荷泵的技術領域。

背景技術：

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(fā)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(xù)降低而是穩(wěn)定在350mv~450mv的量級，這給傳統(tǒng)電路設計帶來了巨大挑戰(zhàn)。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(tǒng)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(xiàn)充放電控制?？紤]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(qū)，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(xiàn)要素：

本發(fā)明所要解決的技術問題在于克服現(xiàn)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(xiàn)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(qū)，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(huán)路，追蹤輸出節(jié)點的電壓變化并實時調整充放電電流源的柵極電壓，實現(xiàn)電荷泵的充放電電流始終與參考電流相等。

本發(fā)明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(lián)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(huán)路，用于追蹤輸出節(jié)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(fā)明實現(xiàn)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，作為本發(fā)明的一種優(yōu)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(lián)第二濾波電容。

進一步地，作為本發(fā)明的一種優(yōu)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(lián)第一濾波電容。

本發(fā)明采用上述技術方案，能產生如下技術效果：

本發(fā)明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(huán)路，追蹤輸出節(jié)點的電壓變化并實時調整充放電電流源的柵極電壓，實現(xiàn)電荷泵的充放電電流始終與參考電流相等。此外本發(fā)明的電流匹配電路利用負反饋將參考電流輸入節(jié)點箝位到電源電壓，保證了參考電流的恒定?；谝陨辖Y構特點，本發(fā)明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(xiàn)了充放電電流恒定。

本發(fā)明相比現(xiàn)有技術，具有以下效果：

1.該電荷泵實現(xiàn)了在不同輸出電壓下，即使輸出電流源位于深線性區(qū)，充電電流和放電電流也能保持相等。

2.該電荷泵實現(xiàn)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為本發(fā)明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為本發(fā)明在不同輸出電壓下的靜態(tài)充放電電流值。

具體實施方式

下面結合說明書附圖對本發(fā)明的實施方式進行描述。

如圖1所示，本發(fā)明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(lián)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(jié)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(huán)路，用于追蹤充電電路輸出節(jié)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。

本發(fā)明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(yōu)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pmos管p3的漏極電壓。如此第二pmos管p2和第三pmos管p3的各個端口電壓均相等，保證了第三pmos管p3的充電電流始終等于第二pmos管p2電流也就是輸入參考電流。由于流過pmos管p1、p2和第一nmos管n1的電流始終相等，而第一nmos管n1和第二nmos管n2的各端口電壓也相等，因此流過第二nmos管n2的放電電流始終等于第一nmos管n1電流也就同時等于輸入參考電流。

由于第一誤差放大器a1對輸入參考電壓的箝位作用，參考電流源的輸出阻抗被顯著提升，參考電流更加恒定。充放電電流開關均采用一對nmos管實現(xiàn)，當開關打開時，柵極串聯(lián)開關接通，柵極并聯(lián)開關斷開；當開關關斷時，柵極串聯(lián)開關斷開，柵極并聯(lián)開關導通；為了避免開關導通和關斷過程對柵極電壓的波動，本發(fā)明在第一誤差放大器a1和低電壓軌到軌誤差a2的輸出端分別并聯(lián)濾波電容c2和c1，以減少電壓紋波從而提高充放電電流的穩(wěn)定性。

如圖2所示為本發(fā)明的低電壓電流自匹配柵極開關電荷泵在不同輸出電壓條件下的靜態(tài)充放電電流值。其中給電荷泵供電的第二電源電壓為0.7v，從圖中可以看出，當輸出電壓位于20mv到680mv的電壓范圍內，充放電電流均恒定。

綜上，本發(fā)明的電荷泵實現(xiàn)了在不同輸出電壓下，即使輸出電流源位于深線性區(qū)，充電電流和放電電流也能保持相等；該電荷泵實現(xiàn)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。

上面結合附圖對本發(fā)明的實施方式作了詳細說明，但是本發(fā)明并不限于上述實施方式，在本領域普通技術人員所具備的知識范圍內，還可以在不脫離本發(fā)明宗旨的前提下做出各種變化。