一种基于CMOS工艺的低功耗负压电荷泵电路

本发明属于射频集成电路设计领域，涉及一种基于cmos工艺的低功耗负压电荷泵电路。

背景技术：

1、当前5g移动通信基础设施建设正处于高速迸发的状态，5g移动手机用户和5g通信设施的普及率大大提高，但是随着大量5g用户的出现，对于5g通信技术的使用稳定性和使用体验提出的较大的挑战。在5g通信系统中，射频开关是一种重要的器件，用于将多路射频信号中的任一路或几路通过控制逻辑连通，以实现不同型号路径的切换，包括接收与发射的切换、不同频段间的切换等，以达到共用天线、节省终端产品成本的目的。电荷泵电路最初应用于dc-dc直流电压转换模块当中，因其结构简单、体积小、低噪声等优点，目前被广泛应用于射频电路开关中，主要用于产生一个比地更低的负电压源，以控制射频开关的工作，因此电荷泵的性能直接影响了射频开关的性能。

2、电荷泵利用电容可存储电荷这一特性，通过改变极板电位制造电势差，使电容中存储的电荷按一定方向移动，实现输出高于vdd的高压。除此之外，为了得到准确的目标电压，需要负反馈稳压电路对电荷泵输出电压进行负反馈调节。在现有的电荷泵中，很少有关注电荷泵本身功耗的电荷泵设计方案，由于采用cmos工艺制作的电荷泵在进行射频开关通道切换时，会出现mos管的关断与导通动作，而mos管在关断或导通时均会出现一定的功耗，并且时钟频率越高，其损耗越大，不利于电荷泵在射频开关中的应用。

技术实现思路

1、有鉴于此，本发明的目的在于提供一种低功耗的电荷泵电路，实现降低电荷泵电路本身的功耗。

2、为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：

3、一种基于cmos工艺的低功耗负压电荷泵电路，包括时钟缓冲器、分频器、电荷泵和计数器。其中的电荷泵为双泵设计，包括第一电荷泵和第二电荷泵，第一电荷泵和第二电荷泵在不同频率下工作，并通过计数器选择第一电荷泵或第二电荷泵进行工作。时钟缓冲器分别与分频器和第一电荷泵连接，分频器分别与计数器和第二电荷泵连接，计数器与第一电荷泵连接，同时计数器输出端连接到其输入端，形成反馈环路。电荷泵与电路负载连接，提供稳定的负压。

4、可选地，时钟缓冲器包括反相器i1、i3、i4、i5、i7和i8，以及或非门i2和i6；

5、其中反相器i1的输入端接入脉冲信号，输出端分别与反相器i5的输入端和或非门i2的输入端连接；或非门i2的输出端连接反相器i3的输入端，反相器i3的输出端连接反相器i4的输入端，反相器i4的输出端分别与或非门i6的输入端、分频器以及第一电荷泵连接；

6、反相器i5的输出端连接或非门i6的输入端，或非门i6的输出端连接反相器i7的输入端，反相器i7的输出端连接反相器i8的输入端，反相器i8的输出端分别与或非门i2的输入端和第一电荷泵连接。

7、可选地，分频器包括与非门和d触发器d1～d3；

8、其中d触发器d1～d3依次级联，d1～d3的时钟信号输入端均与时钟缓冲器连接，接入clk信号，反向输出端均悬空；d触发器d1的输入端与与非门的输出端连接；d触发器d2和d3的输出端分别与与非门的输入端连接；d触发器d3的输出端还分别与所述计数器和第二电荷泵连接。

9、可选地，第一电荷泵和第二电荷泵的结构相同，其具体电路结构包括pmos管m1和m3、nmos管m2和m4、充放电电容c1和c2以及滤波电容cl；

10、pmos管m1和m3的漏极均接地；pmos管m1的栅极分别与nmos管m2的栅极、pmos管m3的源极、nmos管m4的漏极以及电容c2的第一端连接，pmos管m1的源极分别与nmos管m2的漏极、pmos管m3的栅极、nmos管m4的栅极以及电容c1的第一端连接；nmos管m2和m4的源极均接地；电容c1和c2的第二端分别与时钟缓冲器连接。

11、具体地，在第一电荷泵中，电容c1的第二端与时钟缓冲器中反相器i4的输出端连接，电容c2的第二端与反相器i8的输出端连接。在第二电荷泵中，电容c1的第二端与分频器中d触发器d3的输出端连接，电容c2的第二端与d触发器d3的输出端之间通过一反相器连接。

12、进一步，该电路的控制方法为：

13、s1、前级的脉冲信号经过时钟缓冲器处理后，生成两路周期相同、相位相反的非交叠信号；

14、s2、时钟缓冲器生成的两路信号，其中一路直接作用于第一电荷泵，另一路经过分频器处理得到1mhz的周期信号后作用于第二电荷泵；

15、s3、该电路正常状态下，第二电荷泵处于工作状态，第一电荷泵处于待机状态；当射频开关有通道切换时，触发信号输入计数器，计数器输出使能信号使第一电荷泵开始工作，通道完成切换后，计数器达到计数上限值，并关闭第一电荷泵，第二电荷泵开始工作。

16、本发明的有益效果在于：本发明采用双电荷泵设计，并令两个电荷泵工作在不同频率下，同时通过分频器将脉冲信号进行分频，在电荷泵电路正常工作时，使其中一个电荷泵工作于低频状态而另一电荷泵处于待机状态，能够大大降低mos管关断或导通时的电路损耗，从而实现降低电荷泵的功耗。

17、本发明的其他优点、目标和特征在某种程度上将在随后的说明书中进行阐述，并且在某种程度上，基于对下文的考察研究对本领域技术人员而言将是显而易见的，或者可以从本发明的实践中得到教导。本发明的目标和其他优点可以通过下面的说明书来实现和获得。

技术特征：

1.一种基于cmos工艺的低功耗负压电荷泵电路，其特征在于：包括时钟缓冲器、分频器、电荷泵和计数器；

2.根据权利要求1所述的低功耗负压电荷泵电路，其特征在于：所述时钟缓冲器包括反相器i1、i3、i4、i5、i7和i8，以及或非门i2和i6；

3.根据权利要求1所述的低功耗负压电荷泵电路，其特征在于：所述分频器包括与非门和d触发器d1～d3；

4.根据权利要求1所述的低功耗负压电荷泵电路，其特征在于：所述第一电荷泵和第二电荷泵结构相同。

5.根据权利要求4所述的低功耗负压电荷泵电路，其特征在于：第一电荷泵或第二电荷泵包括pmos管m1和m3、nmos管m2和m4、充放电电容c1和c2以及滤波电容cl；

6.根据权利要求1～5中任一项所述的低功耗负压电荷泵电路，其特征在于：该电路的控制方法为：

技术总结
本发明涉及一种基于CMOS工艺的低功耗负压电荷泵电路，属于射频集成电路设计领域。该电路包括时钟缓冲器、分频器、电荷泵和计数器。其中电荷泵包括第一电荷泵和第二电荷泵，第一电荷泵和第二电荷泵在不同频率下工作，并通过计数器选择第一电荷泵或第二电荷泵进行工作；时钟缓冲器分别与分频器和第一电荷泵连接；分频器分别与计数器和第二电荷泵连接；计数器与第一电荷泵连接，同时计数器输出端连接到其输入端，形成反馈环路；电荷泵与电路负载连接。本发明通过将电路工作频率维持在低频状态，从而实现电荷泵的低功耗。

技术研发人员：张红升,谢添,郑铭徽
受保护的技术使用者：重庆邮电大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/11