一种高能效的电荷泵电路及其控制方法

1.本发明属于集成电路技术领域，具体涉及一种电荷泵电路及其控制方法。


背景技术：

2.众所周知，电荷泵电路是锁相环的核心电路单元之一，并且电荷泵电路在张弛振荡器和比较器校准等应用中在过去已经被大量运用。随着便携电子设备的发展，电荷泵由于其无需电感、易于集成，使其在模拟集成电路应用中脱颖而出。由于便携式电子设备一般使用电池供电，这要求电荷泵拥有较高的能效，才能符合日常生活的长续航需求。近些年来，国内外大量的学者朝着能效的电荷泵电路做了大量的研究工作，力求将电荷泵的能效发展到一个新的高度。


技术实现要素：

3.本发明针对现有技术中缺少一种高能效的电荷泵电路的技术问题，目的在于提供一种高能效的电荷泵电路及其控制方法。
4.一种高能效的电荷泵电路，包括：
5.两个输入控制信号，分别为第一控制信号和第二控制信号；
6.一第一晶体管，栅极连接所述第二控制信号，源极连接电源电位；
7.一第二晶体管，栅极连接所述第一控制信号；
8.一第一电容，上极板分别连接所述第一晶体管的漏极、所述第二晶体管的源极，下极板连接地电位；
9.一第三晶体管，栅极连接所述第二控制信号；
10.一第二电容，上极板分别连接所述第二晶体管的漏极、所述第三晶体管的漏极并作为所述电荷泵电路的输出端，下极板连接地电位；
11.一第四晶体管，栅极连接所述第一控制信号，源极连接地电位；
12.一第三电容，上极板分别连接所述第三晶体管的源极、所述第四晶体管的漏极，下极板连接地电位。
13.作为优选方案，所述第一晶体管和所述第二晶体管为n沟道绝缘栅双极晶体管。
14.作为优选方案，所述第三晶体管和所述第四晶体管为p沟道绝缘栅双极晶体管。
15.一种高能效的电荷泵电路的控制方法，包括：
16.控制所述第一控制信号为高电平且所述第二控制信号为低电平，则所述电荷泵电路处于放电状态，所述电荷泵电路的输出端电位持续降低直至所述第三晶体管截止，放电状态结束；
17.控制所述第一控制信号为低电平且所述第二控制信号为高电平，则所述电荷泵电路处于充电状态，所述电荷泵电路处于的输出端电位持续升高直至所述第二晶体管截止，充电状态结束。
18.本发明的积极进步效果在于：本发明采用高能效的电荷泵电路及其控制方法，能
实现充电和放电两种工作状态。由于第一电容和第二电容的存在，使得在充电状态下的第二晶体管和放电状态下的第三晶体管的过驱动电压均减小，大大提高了电荷泵电路的能效。本发明在能效的电荷泵电路设计中拥有较为广阔的应用前景。
附图说明
19.图1为本发明的一种电路图。
具体实施方式
20.为了使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合具体图示进一步阐述本发明。
21.参照图1，一种高能效的电荷泵电路，包括第一控制信号a、第二控制信号b、第一晶体管m1、第二晶体管m2、第三晶体管m3、第四晶体管m4、第一电容c1、第二电容c2、第三电容c3。
22.第一晶体管m1的栅极、第三晶体管m3的栅极均与第二控制信号b相连接，第一晶体管m1的源极连接电源电位，第一晶体管m1的漏极、第二晶体管m2的源极均与第一电容c1的上极板相连接，第一电容c1的下极板连接地电位。
23.第二晶体管m2的栅极、第四晶体管m4的栅极均与第一控制信号a相连接，第二晶体管m2的漏极、第三晶体管m3的漏极均与第二电容c2的上极板相连接并作为电荷泵电路的输出端out，第二电容c2的下极板连接地电位。第三晶体管m3的源极、第四晶体管m4的漏极均与第三电容c3的上极板相连接，第三电容c3的下极板连接地电位。第四晶体管m4的源极连接地电位。
24.在一些实施例中，第一晶体管m1和第二晶体管m2为n沟道绝缘栅双极晶体管。
25.在一些实施例中，第三晶体管m3和第四晶体管m4为p沟道绝缘栅双极晶体管。
26.本发明的电荷泵电路具有充电和放电两种工作模式。当第一控制信号a为高电平，第二控制信号b为低电平时，电荷泵电路处于放电状态，当第一控制信号a为低电平，第二控制信号b为高电平时，电荷泵电路处于充电状态。
27.当第一控制信号a为高电平，第二控制信号b为低电平时，电荷泵电路处于放电状态。第一晶体管m1导通并且第二晶体管m2截止，第一电容c1被充电到电源电位。第三晶体管m3导通并且第四晶体管m4截止，电荷泵电路的输出端out电位由于下拉电流的存在不断降低，同时第三电容c3的上极板电位不断升高，直至第三晶体管m3截止。在放电过程中，由于第三晶体管m3的源极电位是逐渐上升的，所以第三晶体管m3的过驱动电压随着放电过程逐渐减小，这提高了充电状态时电荷泵电路的能效。
28.当第一控制信号a为低电平，第二控制信号b为高电平时，电荷泵电路处于充电状态。第三晶体管m3截止并且第四晶体管m4导通，第三电容c3上的电压被复位至地电位附近。第一晶体管m1截止并且第二晶体管m2导通，第一电容c1开始对第二电容c2进行充电，并且第一电容c1的上极板电压从电源电压开始下降，电荷泵电路的输出端out电位由于上拉电流的存在不断升高，同时当第一电容c1的上极板电位下降到第二晶体管m2截止时，充电状态结束。在充电过程中，由于第二晶体管m2的源极电位是不断下降的，所以第二晶体管m2的过驱动电压随着放电过程逐渐减小，这提高了放电状态时电荷泵电路的能效。
29.本发明还提供一种用于控制本发明的电荷泵电路的控制方法，包括：
30.控制第一控制信号a为高电平且第二控制信号b为低电平，则所电荷泵电路处于放电状态，电荷泵电路的输出端电位持续降低直至第三晶体管m3截止，放电状态结束；
31.控制第一控制信号a为低电平且第二控制信号b为高电平，则电荷泵电路处于充电状态，电荷泵电路处于的输出端电位持续升高直至第二晶体管m2截止，充电状态结束。
32.本发明通过引入第一电容c1和第二c2的存在，使得电荷泵电路在充电状态下的第二晶体管m2和放电状态下的第三晶体管m3的过驱动电压均减小，大大提高了电荷泵电路的能效。
33.以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。


技术特征：
1.一种高能效的电荷泵电路，其特征在于，包括：两个输入控制信号，分别为第一控制信号和第二控制信号；一第一晶体管，栅极连接所述第二控制信号，源极连接电源电位；一第二晶体管，栅极连接所述第一控制信号；一第一电容，上极板分别连接所述第一晶体管的漏极、所述第二晶体管的源极，下极板连接地电位；一第三晶体管，栅极连接所述第二控制信号；一第二电容，上极板分别连接所述第二晶体管的漏极、所述第三晶体管的漏极并作为所述电荷泵电路的输出端，下极板连接地电位；一第四晶体管，栅极连接所述第一控制信号，源极连接地电位；一第三电容，上极板分别连接所述第三晶体管的源极、所述第四晶体管的漏极，下极板连接地电位。2.如权利要求1所述的高能效的电荷泵电路，其特征在于，所述第一晶体管和所述第二晶体管为n沟道绝缘栅双极晶体管。3.如权利要求1或2所述的高能效的电荷泵电路，其特征在于，所述第三晶体管和所述第四晶体管为p沟道绝缘栅双极晶体管。4.一种用于控制权利要求1至3中任意一项所述的高能效的电荷泵电路的控制方法，其特征在于，包括：控制所述第一控制信号为高电平且所述第二控制信号为低电平，则所述电荷泵电路处于放电状态，所述电荷泵电路的输出端电位持续降低直至所述第三晶体管截止，放电状态结束；控制所述第一控制信号为低电平且所述第二控制信号为高电平，则所述电荷泵电路处于充电状态，所述电荷泵电路处于的输出端电位持续升高直至所述第二晶体管截止，充电状态结束。

技术总结
本发明属于集成电路技术领域，具体涉及一种高能效的电荷泵电路及其控制方法。其中，高能效的电荷泵电路，包括：第一晶体管，栅极连接第二控制信号，源极连接电源电位；第二晶体管，栅极连接第一控制信号；第一电容，上极板连接第一晶体管的漏极、第二晶体管的源极，下极板连接地电位；第三晶体管，栅极连接第二控制信号；第二电容，上极板连接第二晶体管的漏极、第三晶体管的漏极并作为输出端，下极板连接地电位；第四晶体管，栅极连接第一控制信号，源极连接地电位；第三电容，上极板连接第三晶体管的源极、第四晶体管的漏极，下极板连接地电位。本发明的第二晶体管和第三晶体管的过驱动电压均减小，大大提高了电荷泵电路的能效。大大提高了电荷泵电路的能效。大大提高了电荷泵电路的能效。


技术研发人员：解宁 王欣 陈世军
受保护的技术使用者：中国科学院上海技术物理研究所
技术研发日：2022.11.18
技术公布日：2023/2/3