[发明专利]一种低电压电流自匹配栅极开关电荷泵

说明书

本发明公开了一种低电压电流自匹配栅极开关电荷泵，包括充电电路和放电电路，所述充电电路由第一电源和第二电源、第一误差放大器、第一至第三PMOS管、一对NMOS管组成，所述充电电路通过负反馈将输入参考电流源的漏极箝位至第二电源，使得充电支路中的第三PMOS管与参考支路中串联第二PMOS管的各端口电压均相等，确保输出电压变化时充电电流等于输入参考电流；所述放电电路由低电压轨到轨误差放大器及四个NMOS管构成的反馈环路，用于追踪输出节点的电压变化，并实时调整放电电路中NMOS管的栅极电压，使放电电流在不同输出电压下始终等于输入参考电流。本发明实现了在不同输出电压下充放电电流保持相等，并且提升了输入参考电流源的输出阻抗，使之更加恒定。

技术领域

本发明涉及一种低电压电流自匹配栅极开关电荷泵，属于电荷泵的技术领域。

背景技术

随着工艺尺寸的不断缩小以及对低功耗的诉求，射频和模拟集成电路的电源电压不断朝着更低的方向演变。设计者开始尝试将射频收发电路工作在0.7V或更低电源电压下。然而受到漏电流问题的制约，晶体管的阈值电压没有随着特征尺寸持续降低而是稳定在350mV~450mV的量级，这给传统电路设计带来了巨大挑战。在频率综合器的设计中，电源电压的降低对电荷泵影响最为严重。受电压裕度和充放电电流源输出阻抗的限制，传统的漏极开关电荷泵无法提供足够的性能。而基于栅极开关的电荷泵结构成为了更加有效的替代方案。栅极开关电荷泵通常使用NMOS和PMOS电流镜提供充放电电流，通过接通/断开栅极开关的方式实现充放电控制。考虑到低电压条件下电荷泵的输出电压经常处于输出电流源的线性区，充放电电流既无法保持恒定，也很难保证充放电电流彼此相等。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于克服现有技术的不足，提供一种低电压电流自匹配栅极开关电荷泵，解决现有的电荷泵低电压条件下电荷泵的输出电压经常处于输出电流源的线性区，充放电电流既无法保持恒定，也很难保证充放电电流彼此相等的问题，该电荷泵利用低电压放大器构成反馈环路，追踪输出节点的电压变化并实时调整充放电电流源的栅极电压，实现电荷泵的充放电电流始终与参考电流相等。

本发明具体采用以下技术方案解决上述技术问题：

一种低电压电流自匹配栅极开关电荷泵，包括充电电路和放电电路，所述充电电路由第一电源和第二电源、第一误差放大器、第一至第三PMOS管、一对NMOS管组成，所述充电电路通过负反馈将输入参考电流源的漏极箝位至第二电源，使得充电支路中的第三PMOS管与参考支路中串联第二PMOS管的各端口电压均相等，确保输出电压变化时充电电流始终等于输入参考电流；所述放电电路由低电压轨到轨误差放大器及四个NMOS管构成的反馈环路，用于追踪输出节点的电压变化，并实时调整放电电路中NMOS管的栅极电压，使放电电流在不同输出电压下始终等于输入参考电流。本发明实现了在不同输出电压下充放电电流保持相等，并且提升了输入参考电流源的输出阻抗，使之更加恒定。

进一步地，作为本发明的一种优选技术方案：所述充电电路还包括在第一误差放大器的输出端并联第二滤波电容。

进一步地，作为本发明的一种优选技术方案：所述放电电路还包括在低电压轨到轨误差放大器的输出端并联第一滤波电容。

本发明采用上述技术方案，能产生如下技术效果：

本发明提出一种低电压电流自匹配栅极开关电荷泵。该电荷泵利用低电压放大器构成反馈环路，追踪输出节点的电压变化并实时调整充放电电流源的栅极电压，实现电荷泵的充放电电流始终与参考电流相等。此外本发明的电流匹配电路利用负反馈将参考电流输入节点箝位到电源电压，保证了参考电流的恒定。基于以上结构特点，本发明的低电压电流自匹配电荷泵最低可工作在0.6V电源电压下，并且在几乎整个输出电压范围内实现了充放电电流恒定。

本发明相比现有技术，具有以下效果：

1.该电荷泵实现了在不同输出电压下，即使输出电流源位于深线性区，充电电流和放电电流也能保持相等。