基于电荷泵的倍增/反向双输出电压转换设计与实现

为了解决目前基于电荷泵的开关电容电压转换芯片功能较为单一的问题,基于Dickson经典电荷泵结构,匹配四路双极型晶体管开关同时实现对输入电压的倍增输出以及倍增后的电压反向。四路二极管充作开关来使用,在降低开关器件导通电压的同时简化了开关电路,缩小了电路的尺寸,并降低了电路的功耗。基于国内某工艺线的40 V互补双极型工艺,设计并制作了带正/负两路输出的开关电容电荷泵电压转换器芯片电路。流片测试结果表明:当电源电压为4 V(负载电流为0 mA、+10 mA)、5 V(负载电流为±10 mA)、9 V(负载电流为+10 mA)、10 V(负载电流为-10 mA)以及11 V(空载)时,输出电压均满足设计指标。

一种基于22 nm FDSOI工艺的低噪声快速锁定电荷泵锁相环

基于22 nm全耗尽绝缘体上硅(Fully Depleted Silicon-On-Insulator,FDSOI)工艺设计了一种能够快速锁定的电荷泵锁相环(Charge Pump Phase Locked Loop,CPPLL)电路,该锁相环利用FDSOI器件背栅偏置的特点来提升压控振荡器性能,采用了无死区的鉴频鉴相器(Phase Frequency Detector,PFD)和低失配电流电荷泵(Charge Pump,CP)以及低相位噪声结构的压控振荡器(Voltage Controlled Oscillator,VCO)。研究了相位噪声的理论模型,基于理论参数进行电路设计和电路噪声降低。仿真结果表明,该锁相环锁定时间3μs,CP电流失配小于1%,VCO相噪水平达到-100.4 dBc/Hz@1 MHz,版图面积为0.14 mm^(2)。该锁相环具有锁定速度快,相噪低,频率精准等优点。

基于55 nm CMOS工艺的小数分频电荷泵锁相环设计

为解决无线射频收发机中锁相环存在的功耗高、精度低、不能小数分频等问题,提出了一种基于55 nmCMOS工艺的小数分频电荷泵锁相环,降低噪声对电路性能的影响,为无线收发机提供稳定的震荡信号。采用三阶噪声整形结构的数字Σ-Δ调制器,设计了24位高精度可编程小数分频器。同时设计了一种线性移位寄存器,产生随机数列降低小数杂散。采用单位增益缓冲器有效地降低了电荷泵的电流失配。SPECTRE仿真结果表明,电荷泵的充放电流失配为0.87%,锁相环的输出频率范围为2.1~2.9 GHz,相位噪声为-108 dBc/Hz@1 MHz,分频比为5~128,锁定时间小于3.5μs,功耗为8.56 mW。

基于电荷泵DC-DC转换器的开关电源设计

设计了一种成本较低,效率较高的基于电荷泵与Boost升压电路的开关电源,作用于对正负双电源运放供电。利用Boost模块将3~4.5 V的输入电压升压至稳定的5.5 V电压,并通过电荷泵负压电路、电荷泵倍压电路与TL431串联稳压电路将5.5 V的电压转化为±5 V的输出电压为运放进行供电。通过仿真软件对电路进行仿真搭建,并对重要节点与输出电压电流的仿真波形进行分析,确保在3~4.5 V的DC输入电压范围内,提供较为稳定的、输出电压纹波在2%以内的±5 V输出电压。

面向FLASH存储器应用的电压自举电荷泵电路设计

基于SMIC 0.18μm 1P6M工艺,设计出一款面向FLASH存储器应用需求的开环电荷泵升压电路。该电路主要由振荡电路、分频电路、非交叠时序电路、电荷泵和高压选择电路组成。为实现电荷泵电压的自举,本设计采用高电压选择电路和开环无反馈结构电荷泵,通过调整电容比值,满足不同的输出升压需求。仿真结果表明,在电源电压为1.8 V、内部开关时钟频率为50 kHz、带载为5 mA的条件下,电荷泵的输出电压为3.3 V,纹波仅为10 mV,升压效率高达96%。与其他电荷泵相比,本设计提高了输出效率,可满足不同输出升压的需求。

一种优化MEMS可变电容电荷泵上升时间的方法

近来,一种MEMS可变电容电荷泵被提出,在这种方式下,通过使用MEMS谐振器来改变每一阶的电容容值来产生一个高电压。谐振器的振幅和频率会对可变电容电荷泵的上升时间产生影响,本项研究的目的是最小化可变电容电荷泵的上升时间。

基于电荷泵的压电致动器迟滞非线性改善研究

压电致动器在精密定位、微纳米测量等领域得到了广泛的应用,然而迟滞和非线性现象严重影响了其定位精度和性能。虽然电荷驱动的方法可以降低大部分迟滞,但仍存在较为明显的残余迟滞,尤其是电压工作范围较大时,压电致动器的迟滞呈现增大的趋势。基于残余迟滞的分析和计算,提出了一种用于电荷泵驱动的残余迟滞改进方法,研究了校正参数的推导方法,改善了经典电荷泵驱动的迟滞非线性。通过实验发现,在驱动电压范围为0~100 V、驱动频率为0.1~2 Hz时,相比经典电荷泵驱动的2.79%迟滞,改进后的电荷泵驱动方法可以将迟滞进一步降低至0.47%以下,比经典的电荷泵驱动方法降低了83%左右。所提方法在精密测量等领域具有较好的应用价值。

一种应用于雷达跳频低相噪本振的宽范围动态电流补偿电荷泵设计

本论文提出了一种应用于雷达跳频频率综合器中的宽范围动态电流补偿电荷泵,通过实时检测反馈补偿电流的形式,在更宽的输出电压范围内,实现更佳精准的电流匹配。此外,对其中的电荷泵基础电流单元进行了改进设计,省去了抑制电荷共享的运放,节约了芯片面积和功耗。通过0.18um BiCMOS工艺进行含该型电荷泵的频率综合器设计并流片测试,在鉴相频率25.6MHz时,输出1.1GHz频点时,杂散抑制可达72dBc,近端相位噪声小于100dBc/Hz@10KHz。

一种白光LED电荷泵电路的设计

白光发光二极管(Light-Emitting Diode,LED)具有体积小、功耗低、发光效率高及寿命长等优点,可以用作中小型便携式电子产品的背光源。设计了一种白光LED电荷泵电路,该电路可以根据实时的电源电压值选择电荷泵的增益模式,在1X/1.5X/2X这3种增益模式中依次切换,且输出电压恒定在设定值,为白光LED的稳定发光提供稳定的驱动电压。进行全电路仿真,结果表明,当电源电压从5.5 V逐渐下降到2.7 V时,输出电压都近似为4.5 V,驱动电流约为20 mA。

适用于低压EEPROM编程的双电荷泵电路系统设计

设计了一款应用于低电源电压EEPROM的双电荷泵电路结构,提供存储单元编程所需的高压。基于传统Dickson结构,设计主次两级电荷泵结构:次级电荷泵为两级升压结构,输出电压可增强时钟的驱动能力、抬高其高电平;主级电荷泵采用传输管栅压提升的结构及驱动能力增强的时钟对内部电容进行充放电,提高主级电荷泵每级的传输能力及整体电路的工作效率,最终实现低电源电压下产生高压的目的。同时,通过使能时序控制稳压系统电路,保证了输出电压的稳定性。仿真结果显示,电荷泵升降压速度快、纹波小、效率高。该双电荷泵电路已实际应用于芯片设计中,采用0.18μm EEPROM工艺流片,输出高压稳定,达到设计要求,并且性能良好。

一种带自适应电荷泵的超低功耗NMOS LDO

设计了一种带自适应电荷泵的超低功耗快速瞬态响应NMOS LDO,电路主要包含误差放大器、缓冲器、功率级、动态零点模块以及自适应电荷泵模块。该自适应电荷泵能够根据负载电流的大小调节工作频率,在兼顾大负载条件下功率管栅极需求的同时,保证了轻载下超低功耗的需求。同时为了满足电路中快速瞬态响应的需要,加入了动态电流电路。电路基于0.18μm BCD工艺设计,其工作电压范围为2.5~3.6 V,输出电压为1.2 V,负载范围为10μA~20 mA,工作的温度范围为-40~125℃。仿真结果显示,所设计的LDO供电电压调整率可达到1.123 mV/V,重载跳轻载时的恢复时间和轻载跳重载时的恢复时间分别为260μs和5μs,而静态电流最小仅为0.291μA。

基于电荷泵单元的交错并联高增益直流变换器

高增益直流变换器是新能源发电技术的重要环节,针对新能源发电系统小电压、大电流的输出特性,需要使用升压拓扑结构提升电压等级以满足后级负载稳定运行。由于传统升压变换器存在电压增益有限的不足,无法实现新能源发电系统并网运行。此处提出一种基于电荷泵单元的交错并联高增益直流变换器,在交错并联升压变换器的输入侧/输出侧增加若干个由二极管、电容组成的电荷泵单元。该变换器结合电荷泵单元电压倍增能力强和交错并联结构电流纹波小的特点,具有电压增益高、电感电流平均值小、开关管/二极管电压/电流应力低的优势。最后搭建了一台150W功率变换实验样机,实验结果验证了变换器的有效性与高效率,当输入电压为10 V、输出电流为1.25 A时,系统整体效率可以达到94.2%。

一种适用于反熔丝FPGA的高效电荷泵电路

基于Dickson电荷泵结构,提出了一种适用于反熔丝现场可编程门阵列(FPGA)的新型高效电荷泵电路,实现了电荷泵的快速启动。通过采用时钟信号升压电路,减少了电荷泵级数,并减小了电路总体面积和功耗。仿真结果显示,在2.5 V的工作电压和整体电路全负载的条件下,整体电路的启动时间约为20μs,可稳定输出电压5.46 V,工作电流约为618μA。采用0.18μm CMOS工艺流片并对其进行编程和测试,结果显示FPGA电路编程成功,功能正确,与仿真结果一致,表明了此电荷泵结构的可行性和实用性。

一种适用于反熔丝FPGA的电荷泵电路

提出了一种适用于反熔丝FPGA的快速启动低功耗的片上电荷泵电路.该电路基于Dickson电荷泵结构,通过高频时钟信号来启动电荷泵,提高启动速度;电荷泵输出稳定后,通过低频时钟信号来维持电荷泵输出,降低电路功耗.通过增加零伏电路实现了高电压与低电压之间的隔离,解决了反熔丝FPGA对电荷泵不同工作模式下的输出需求.Spectre结果显示,在2.5 V的工作电压下、整体电路全负载的条件下,启动时间13.5μs,稳定输出电压5.43 V,启动电流1.06mA,工作电流184μA.启动时间比参考文献快了36.5μs,相当于3.7倍,功耗仅仅增加了35%.用0.18μm CMOS工艺流片,电路编程成功并且功能正确,结果表明了此结构的可行性和实用性.

一种基于三管开关结构的改进型电荷泵设计

提出了一种改进型电荷泵,通过三管开关结构减小了时钟馈通效应,同时将电流舵结构与全差分电荷泵结构相结合,在提升开关速度的同时,抑制了电流失配、电荷共享和电荷注入等非理想效应。仿真实验结果表明,在电荷泵的充放电电流为10μA时,时钟馈通所引起的尖峰电流最大值仅为11.26μA,所产生的压控振荡器控制电压纹波降至50%。将其应用于锁相环系统,锁相环输出时钟抖动从118 ps降低到36 ps。

一种低噪声全差分电荷泵型锁相环的实现

采用HHGrace 180 nm CMOS工艺实现了一款低噪声全差分电荷泵型锁相环,可为物理层芯片提供精确且稳定的时钟信号。鉴频鉴相器和分频器采用电流模逻辑电路构成基本单元,提高了锁相环的工作速度;设计了一种改进型差分电荷泵,引入共模反馈使电荷泵输出电压的静态工作点更加稳定,提高了锁相环的相位噪声性能。测试结果表明,该锁相环功耗小于24 mW,芯片面积为510μm×620μm,锁定时间小于2.5μs,相位噪声为-108 dBc/Hz@100 kHz、-113 dBc/Hz@1 MHz。

一种移相时钟驱动的低纹波四相位电荷泵设计

针对传统的四相时钟电荷泵纹波大的缺点,提出了一个通过移相时钟分时驱动的新型电荷泵结构.电荷泵主体采用两组互补并联结构的四相电荷泵,输出级采用交叉耦合结构,消除了最后一级阈值电压损失,此外在每级输出节点增加二极管连接的NMOS作为辅助管,增加预充电,缩短建立时间.该电荷泵系统不同于传统的单一时钟驱动电荷泵,采用移相时钟驱动多支路并联电荷泵,分时对输出节点进行充电,以降低负载电容充放电时间,降低输出电压纹波.基于SMIC 65 nm工艺的Cadence Spectre仿真结果表明,该电路输入电压为1.8 V,时钟为50 MHZ,输出目标电压10 V,负载电容50 pF,在400 uA的电流驱动能力下,输出电压纹波最大仅为2 mV.具有低纹波的优点.

面向电荷泵的占空比可调四相时钟发生电路

针对传统四相时钟发生电路产生的时钟波形信号易发生交叠、驱动电荷泵易发生漏电等问题,提出了一种占空比可调四相时钟发生电路。电路在每两相可能出现交叠的时钟信号之间都增加了延时单元模块,通过控制延时时间对输出时钟信号的占空比进行调节,避免了时钟相位的交叠。对延时单元进行了改进,在外接偏置电压条件下,实现了延时可控。基于55 nm CMOS工艺的仿真结果表明,在10~50 MHz时钟输入频率范围内,该四相时钟发生电路可以稳定输出四相不交叠时钟信号,并能在1.2 V电压下驱动十级电荷泵高效泵入11.2 V。流片测试结果表明,该四相时钟发生电路能够产生不相交叠的四相时钟波形,时钟输出相位满足电荷泵驱动需求。

一种应用于EEPROM的快速升压电荷泵设计

设计了一种能快速升压的片上电荷泵电路。当电荷泵用于为EEPROM存储单元提供擦除及写入操作需要的高压时,其升压速度是重要的设计指标之一。研究发现,使用NPN晶体管代替传统Dickson电荷泵中的NMOS管组成升压链路后,能够提高电荷泵的升压速度和输出电压,且NPN晶体管能够用三阱CMOS工艺制作,不需要更复杂的BiCMOS工艺。基于0.18μm三阱CMOS工艺设计了电荷泵系统,包括时钟产生电路和12级采用NPN晶体管的Dickson电荷泵,其中时钟产生电路产生的两相不交叠时钟用于驱动电荷泵,避免电荷在泵电容间反向流通,同时增加预充管进一步提高升压速度。仿真结果显示,在5 V电源电压下,电荷泵的输出电压仅需2.06μs就能达到16 V,比传统的12级Dickson电荷泵快了2.51μs,实现了快速升压的目的。

一种宽输出范围低电流失配电荷泵设计

该文提出了一种用于锁相环的宽输出范围低电流失配的电荷泵电路。电路中引入负反馈回路,对电荷泵放电电流进行补偿,实现了充放电电流动态匹配,降低了电荷泵的电流失配率;采用低压偏置共源共栅电流镜代替传统电流镜,在降低输出电流变化量的同时保证了较大的电压输出范围;利用电压跟随技术消除了电荷共享效应。该电路基于0.18μm CMOS工艺进行设计,使用软件完成电路仿真验证。结果表明,在电源电压为1.8 V时,电荷泵的输出电流为10μA,输出电压在0.2~1.5 V的范围内,最大电流失配率为0.12%。