[发明专利]一种互补反馈式栅极开关电荷泵电路

摘要

本发明公开了一种互补反馈式栅极开关电荷泵电路，包括偏置电路、参考支路、输出支路和运放反馈补偿回路，偏置电路通过两路电流镜偏置管，分别给输出支路中的充电电流管和放电电流管提供偏置电压；参考支路和输出支路分别通过电容和传输门结构，使得偏置电平不随开关信号产生较大波动，保持稳定；运放反馈补偿回路将输出电平同参考电平比较，反馈至电流镜偏置管，补偿上下充放电电流值。本发明适应低电压设计要求，能够保证电荷泵充放电电流的匹配及稳定，同时满足锁相环低相位噪声的要求。 1

主权项

1.一种互补反馈式栅极开关电荷泵电路，其特征在于：包括偏置电路、参考支路、输出支路和运放反馈补偿回路，还包括两对互补开关信号，所述两对互补开关信号分别为输入信号UP与输入信号UPB、输入信号DN与输入信号DNB，其中：

所述偏置电路为设有两路电流镜偏置管的结构，分别向输出支路提供充电电流管偏置电平Pbias和放电电流管偏置电平Nbias，所述两对互补开关信号均作为输出支路的控制输入信号，输出支路包括充电电流管和放电电流管，输出支路输出互补反馈式栅极开关电荷泵电路的输出电平VOUT；所述输出支路采用栅极开关和传输门结合的形式，将输出支路同偏置电路隔离，同时参考支路在偏置处接电容维持偏置电平稳定，参考支路向运放反馈补偿回路提供参考电平VREF；所述运放反馈补偿回路采用运放反馈和互补补偿的方式，将输出电平VOUT同参考电平VREF比较，并输出反馈电平Vf至偏置电路中的电流镜偏置管，补偿上下充放电电流值，将充电电流与放电电流进行匹配，使充电电流值或放电电流值不随输出电平VOUT变化；

当输入信号UP为高电平且输入信号UPB为低电平时，充电电流管打开，对后级负载进行充电；当输入信号DN为高电平且输入信号DNB为低电平时，放电电流管打开，对后级负载进行放电；当输入信号UP和输入信号DN同时为高电平时，充电电流的大小等于放电电流；当输入信号UP和输入信号DN同时为低电平时，充电电流管和放电电流管均关断，输出为高阻状态。

2.根据权利要求1所述的互补反馈式栅极开关电荷泵电路，其特征在于：

所述偏置电路包括外加电流源、第一PMOS管MP1、第二PMOS管MP2、第三PMOS管MP3，第一NMOS管MN1、第二NMOS管MN2、第三NMOS管MN3和第四NMOS管MN4，其中，第一NMOS管MN1的漏极、第一NMOS管MN1的栅极、第二NMOS管MN2的栅极和第三NMOS管MN3的栅极相连，其连接点连接到外加电流源的输出口；第二NMOS管MN2的漏极、第一PMOS管MP1的漏极、第一PMOS管MP1的栅极和第二PMOS管MP2的栅极相连；第三NMOS管MN3的漏极、第三PMOS管MP3的漏极和第三PMOS管MP3的栅极相连，其连接点提供充电电流管偏置电平Pbias；第二PMOS管MP2的漏极、第四NMOS管MN4的漏极和第四NMOS管MN4的栅极相连，其连接点提供放电电流管偏置电平Nbias；第一NMOS管MN1的源极、第二NMOS管MN2的源极、第三NMOS管MN3的源极和第四NMOS管MN4的源极相连，其连接点连接到地；第一PMOS管MP1的源极、第二PMOS管MP2的源极和第三PMOS管MP3的源极相连，其连接点连接到电源和外加电流源的输入口；

所述参考支路包括第五PMOS管MP5、第六NMOS管MN6、第一电容C1和第二C2；输出支路包括第六PMOS管MP6、第七PMOS管MP7、第八PMOS管MP8、第九PMOS管MP9，第七NMOS管MN7、第八NMOS管MN8、第九NMOS管MN9和第十NMOS管MN10；运放反馈补偿回路包括第四PMOS管MP4、第五NMOS管MN5和运放A1，其中，所述第五NMOS管MN5的漏极、第五PMOS管MP5的栅极、第七PMOS管MP7的源级、第八NMOS管MN8的漏级和第二电容C2的负极板相连，其连接点接充电电流管偏置电平Pbias；第八PMOS管MP8的栅极和第八NMOS管MN8的栅级连接输入信号UP；第七PMOS管MP7的栅极连接输入信号UPB；第七PMOS管MP7的漏极、第八PMOS管MP8的漏极、第八NMOS管MN8的源级和第九PMOS管MP9的栅级相连；

所述第六NMOS管MN6的栅极、第六PMOS管MP6的源级、第七NMOS管MN7的漏级和第一电容C1的正极板相连，其连接点接放电电流管偏置电平Nbias；第六PMOS管MP6的栅极和第九NMOS管MN9的栅级连接输入信号DNB；第七NMOS管MN7的栅极连接输入信号DN；第六PMOS管MP6的漏极、第七NMOS管MN7的源极、第九NMOS管MN9的漏级和第十NMOS管MN10的栅级相连；

所述第五PMOS管MP5的漏极和第六NMOS管MN6的漏极相连，其连接点输出参考电平VREF，并连接到运放A1的正输入端；第九PMOS管MP9的漏极和第十NMOS管MN10的漏极相连，其连接点输出电平VOUT，并连接到运放A1的负输入端；运放A1的输出端输出反馈电压Vf，连接到第四PMOS管MP4的栅极和第五NMOS管MN5的栅极；第四PMOS管MP4的漏极接放电电流管偏置电平Nbias；第五NMOS管MN5的源极、第六NMOS管MN6的源极、第九NMOS管MN9的源极、第十NMOS管MN10的源极和第一电容C1的负极板相连，其连接点连接到地；第四PMOS管MP4的源极、第五PMOS管MP5的源极、第八PMOS管MP8的源极、第九PMOS管MP9的源极和第二电容C2的正极板相连，其连接点连接到电源；

当输入信号UP为高电平时，传输门第八NMOS管MN8和第七PMOS管MP7导通，连接到电源的栅极开关第八PMOS管MP8断开，充电电流管第九PMOS管MP9的栅极迅速降为偏置电压，提供充电电流；当输入信号UP为低电平时，传输门第八NMOS管MN8和第七PMOS管MP7断开，栅极开关第八PMOS管MP8导通，充电电流管第九PMOS信号管MP9栅极被拉到电源电压，且与偏置电路断开，MP9被完全关断，无充电电流；当输入信号DN为高电平时，传输门第七NMOS管MN7和第六PMOS管MP6导通，连接到地的栅极开关第九NMOS管MN9断开，放电电流管第十NMOS管MN10的栅极迅速拉升到偏置电压，产生放电电流；当输入信号DN为低电平时，传输门第七NMOS管MN7和第六PMOS管MP6断开，栅极开关第九NMOS管MN9导通，放电电流管第十NMOS管MN10栅极被拉到地，且与偏置电路断开，第十NMOS管MN10被完全关断，无放电电流；

所述运放反馈补偿回路中，运放A1通过比较参考电平VREF和输出电平VOUT，输出反馈电压Vf到MN5和MP4的栅极，分别补偿上下两路偏置电流源：当输出电平VOUT和参考电压VREF的电平一致时，则第五PMOS管MP5和第九PMOS管MP9的栅极漏电压相同，第五PMOS管MP5和第九PMOS管MP9的电流完全匹配，第六NMOS管MN6和第十NMOS管MN10的栅漏电压相同，第六NMOS管MN6和第十NMOS管MN10的电流完全匹配，第九PMOS管MP9和第十NMOS管MN10的电流值相等；当输出VOUT电平较小，接近地时，第十NMOS管MN10的电流值减小，反馈电压Vf较小，补偿管第四PMOS管MP4工作，产生的电流注入放电支路偏置电流源，而补偿管第五NMOS管MN5不工作，第十NMOS管MN10的电流值得到提高，补偿由于输出电平VOUT较小带来的影响；当输入电平VOUT较大，接近电源电压时，第九PMOS管MP9的电流值减小，此时反馈电压Vf较大，补偿管第五PMOS管MP5工作，产生的电流注入充电电支路偏置电流源，而补偿管第四PMOS管MP4不工作，以此提高第PNMOS管MP9的电流值。