一种高精度高输出摆幅的低功耗电荷泵的设计
摘 要电荷泵（Charge Pump）作为一种提供稳定、宽摆幅、可变输出电压模块，广泛应用于锁相环(Phase-Locked-Loop)及通讯电子设备，LED驱动等领域。快速发展的电子技术的现状，集成电路越来越高频，高速，高集成度，多功能，低功耗。为了不断加快集成度，低功耗的要求。当代集成电路的工作电压普遍较低，当代的LSI技术已经可以将电源电压降低到2V以下。本文设计了一种高精度高输出摆幅的低功耗电荷泵，首先通过电荷泵的结构分析提出了四个设计难点：充放电不匹配，电荷共享效应，电荷馈通效应和失配问题。再结合电荷泵高精度，高输出摆幅，低功耗的设计指标，提出了采用伪差分输出设计，cascode结构和采用MOS对的开关的方法。伪差分输出结构不仅具有高精度的特点，而且能够解决电荷共享效应。采用MOS对的开关可以减轻电荷馈通效应，提高电荷泵的精度。cascode结构可以解决充放电不匹配的问题。其中为了满足高输出摆幅大设计指标，在伪差分输出结构中加入了轨至轨运放结构，使整个结构达到高精度，高输出的设计指标。为了达到低功耗的设计指标，最后本文提出了基准电路的设计。本设计主要针对低功耗，高精度控制领域如LED驱动，便携式电子设备领域提出一种新型、低功耗，高精度，高输出摆幅的电荷泵，能有效的抑制CP的电荷共享效应。仿真结果表明，在1MHz的时钟频率下，输出摆幅为0.5-3.15V，输出电压抖动小于2mV，充放电电流失配小于1.9%，静态功耗小于1mW。
目 录
第一章 绪论 1
1.1电荷泵的研究背景 1
1.2国内外现状 1
1.3本文研究内容和组织结构 2
第二章 电荷泵的结构分析和设计 3
2.1电荷泵的基本原理和结构 3
2.2电荷泵的设计难点 4
2.3高精度高输出摆幅的电荷泵设计 5
2.3.1电荷泵MOS开关对的设计 5
2.3.2电流源与开关位置的分析 6
2.3.3伪差分输出设计 6
2.3.4新型电荷泵结构的整体设计 7
第三章 轨至轨运算放大器的设计 9
3.1轨至轨运放的定义及要求 9
3.2跨导恒定的设计方案 10
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3.2.1三倍电流镜法 10
3.3基于是3倍电流镜法的恒定跨导轨至轨运算放大器的设计 12
3.3.1等效小信号分析 12
3.3.2输入级设计分析 13
3.3.3中间放大级设计分析 14
3.3.4输出级设计分析 16
3.3.5轨至轨运放设计的参数表、指标和电路 16
第四章 基准电路的分析设计 18
4.1基准电路的分析 18
4.2基准电流源的设计 18
第五章 仿真结果 21
5.1基准的仿真结果 21
5.1.1基准静态仿真 21
5.1.2基准工艺角仿真 21
5.2轨至轨运放的仿真 22
5.2.1共模范围仿真 22
5.2.2输入级跨导仿真 23
5.2.3波特图 24
5.2.4仿真结果汇总 25
5.3电荷泵仿真 25
5.3.1电荷泵充电输出仿真 25
5.3.2电荷泵放电输出曲线仿真 26
5.3.3电荷泵保持输出曲线仿真 27
5.3.4电荷泵结构分析对比 27
5.3.4多种电荷泵参数对比 28
结束语 29
致 谢 30
参考文献 31
绪论
1.1电荷泵的研究背景及意义
快速发展的电子技术的现状，集成电路越来越高频，高速，高集成度，多功能，低功耗。为了不断加快集成度，低功耗的要求。当代集成电路的工作电压普遍较低，当代的LSI技术已经可以将电源电压降低到2V以下，功耗降到50mV以下。
由于开关电容电路功耗大，为解决此类问题，常将电荷泵结构运用到现代电路中。电荷泵电路是一种通过电容电荷积累效应来产生低于电源电压或者高于电源电压的电路，如今大多数电荷泵电路都是在Dickson电荷泵基础上。二极管作为开关器件常运用到经典 Dickson电荷泵电路中。而当代主流电荷泵电路中，都采用栅漏短接的MOS作为开关器件。
如今，Dickson电荷泵电路运用比较广泛，但现代的电路的研究不断集成化，工艺特征尺寸不断降低，同时造成在电荷泵的设计中会出现参数设计，频率变化，电源电压，相位等等的问题。所以在电荷泵的领域中，高性能的电荷泵设计面临着各种新挑战。
在人们的生活中，电荷泵的运用比较广泛，人们对电荷泵需求不断增高，对电荷泵的要求严格，更希望能够具有多功能，节能，低功耗的要求。所以，电荷泵还需要进一步的研究。因此，高精度、高输出摆幅、低功耗的电荷泵的设计极具研究价值。通过对电荷泵的研究，还可以在无线通信中提供便利，使得电荷泵的研究更有意义。
1.2国内外研究现状
当代，随着快速发展的电子技术，对电荷泵功能的要求也越来越高，电荷泵朝着高频、高速、低功耗、高集成度方向发展。目前，在中国对于高性能电荷泵的研究并不广泛，只有极少的研究所。研究出来的高性能电荷泵产品不多。然而在国外，技术比较成熟，研究领域比较宽泛，不断地有高性能的电荷泵产品面市。国外的电荷泵研究拥有较多的研究机构，比如三星，NS等。技术也非常成熟，产品工艺趋于集成化，在电荷泵领域处于领先地位。
国内对于高性能电荷泵的研究才刚刚开始，显然和先进的国外来说，中国还有一大段上升的空间，需要我们不断地研究，进一步缩小对高性能电荷泵研究的差距。目前，国内锁相器的合成器主要还是依赖于国外。如下图11，为国内锁相环进出金额。
图11 国内锁相环进口金额
从图11看出，每年的锁相环进口金额巨大，所以在电荷泵领域需不断地探索。所以本文针对高性能电荷泵，提出了一种高精度高输出摆幅的低功耗电荷泵的设计。
1.3本文研究内容和组织结构
本文先是介绍了电荷泵的基本结构，然后针对电荷泵的设计难点，分析电荷泵的各个模块，做出了相应的优化，最终设计了一个高精度、高输出摆幅、低功耗的电荷泵。
本文总共分为五章：
第一章：绪论。介绍了电荷泵的背景及意义，同时还简述了电荷泵在国内外的研究现状。
第二章：电荷泵的结构分析和设计。介绍了电荷泵的基本解原理和结构，具体分析电荷泵的设计难点，针对设计难点分别提出了解决方案。最终提出一种高精度、高输出摆幅的电荷泵的设计。
第三章：轨至轨运算放大器的设计。介绍了高精度、高输出摆幅的电荷泵的核心。先简单介绍轨至轨运放的定义，然后具体分析轨至轨运放的各个模块的设计，最后得到轨至轨运放的设计参数、指标和电路。
第四章：基准电路的分析设计。主要介绍了解决低功耗的基准电路的设计。先从基准电路分析，再从基准电流源进行分析和设计。
第五章：仿真结果。基于cadence的工艺库模型，分别对基准电路、轨至轨运放和电荷泵进行仿真。
电荷泵的结构分析和设计
2.1电荷泵的基本原理和结构
PFD两端分别输出up和down信号，用MOS管作为开关，对电流源Iup和Idn进行控制，同时控制着电容的充放电。电荷泵的基本结构图在下图21所示。
图21 电荷泵的基本结构图
如图所示， NMOS，PMOS两开关的开关状态，分别由PFD输出信号UP和DOWN。MOS开关可以改变输出电压Vout的状态。MOS开关控制状态如表 21所示。
目 录
第一章 绪论 1
1.1电荷泵的研究背景 1
1.2国内外现状 1
1.3本文研究内容和组织结构 2
第二章 电荷泵的结构分析和设计 3
2.1电荷泵的基本原理和结构 3
2.2电荷泵的设计难点 4
2.3高精度高输出摆幅的电荷泵设计 5
2.3.1电荷泵MOS开关对的设计 5
2.3.2电流源与开关位置的分析 6
2.3.3伪差分输出设计 6
2.3.4新型电荷泵结构的整体设计 7
第三章 轨至轨运算放大器的设计 9
3.1轨至轨运放的定义及要求 9
3.2跨导恒定的设计方案 10
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3.2.1三倍电流镜法 10
3.3基于是3倍电流镜法的恒定跨导轨至轨运算放大器的设计 12
3.3.1等效小信号分析 12
3.3.2输入级设计分析 13
3.3.3中间放大级设计分析 14
3.3.4输出级设计分析 16
3.3.5轨至轨运放设计的参数表、指标和电路 16
第四章 基准电路的分析设计 18
4.1基准电路的分析 18
4.2基准电流源的设计 18
第五章 仿真结果 21
5.1基准的仿真结果 21
5.1.1基准静态仿真 21
5.1.2基准工艺角仿真 21
5.2轨至轨运放的仿真 22
5.2.1共模范围仿真 22
5.2.2输入级跨导仿真 23
5.2.3波特图 24
5.2.4仿真结果汇总 25
5.3电荷泵仿真 25
5.3.1电荷泵充电输出仿真 25
5.3.2电荷泵放电输出曲线仿真 26
5.3.3电荷泵保持输出曲线仿真 27
5.3.4电荷泵结构分析对比 27
5.3.4多种电荷泵参数对比 28
结束语 29
致 谢 30
参考文献 31
绪论
1.1电荷泵的研究背景及意义
快速发展的电子技术的现状，集成电路越来越高频，高速，高集成度，多功能，低功耗。为了不断加快集成度，低功耗的要求。当代集成电路的工作电压普遍较低，当代的LSI技术已经可以将电源电压降低到2V以下，功耗降到50mV以下。
由于开关电容电路功耗大，为解决此类问题，常将电荷泵结构运用到现代电路中。电荷泵电路是一种通过电容电荷积累效应来产生低于电源电压或者高于电源电压的电路，如今大多数电荷泵电路都是在Dickson电荷泵基础上。二极管作为开关器件常运用到经典 Dickson电荷泵电路中。而当代主流电荷泵电路中，都采用栅漏短接的MOS作为开关器件。
如今，Dickson电荷泵电路运用比较广泛，但现代的电路的研究不断集成化，工艺特征尺寸不断降低，同时造成在电荷泵的设计中会出现参数设计，频率变化，电源电压，相位等等的问题。所以在电荷泵的领域中，高性能的电荷泵设计面临着各种新挑战。
在人们的生活中，电荷泵的运用比较广泛，人们对电荷泵需求不断增高，对电荷泵的要求严格，更希望能够具有多功能，节能，低功耗的要求。所以，电荷泵还需要进一步的研究。因此，高精度、高输出摆幅、低功耗的电荷泵的设计极具研究价值。通过对电荷泵的研究，还可以在无线通信中提供便利，使得电荷泵的研究更有意义。
1.2国内外研究现状
当代，随着快速发展的电子技术，对电荷泵功能的要求也越来越高，电荷泵朝着高频、高速、低功耗、高集成度方向发展。目前，在中国对于高性能电荷泵的研究并不广泛，只有极少的研究所。研究出来的高性能电荷泵产品不多。然而在国外，技术比较成熟，研究领域比较宽泛，不断地有高性能的电荷泵产品面市。国外的电荷泵研究拥有较多的研究机构，比如三星，NS等。技术也非常成熟，产品工艺趋于集成化，在电荷泵领域处于领先地位。
国内对于高性能电荷泵的研究才刚刚开始，显然和先进的国外来说，中国还有一大段上升的空间，需要我们不断地研究，进一步缩小对高性能电荷泵研究的差距。目前，国内锁相器的合成器主要还是依赖于国外。如下图11，为国内锁相环进出金额。
图11 国内锁相环进口金额
从图11看出，每年的锁相环进口金额巨大，所以在电荷泵领域需不断地探索。所以本文针对高性能电荷泵，提出了一种高精度高输出摆幅的低功耗电荷泵的设计。
1.3本文研究内容和组织结构
本文先是介绍了电荷泵的基本结构，然后针对电荷泵的设计难点，分析电荷泵的各个模块，做出了相应的优化，最终设计了一个高精度、高输出摆幅、低功耗的电荷泵。
本文总共分为五章：
第一章：绪论。介绍了电荷泵的背景及意义，同时还简述了电荷泵在国内外的研究现状。
第二章：电荷泵的结构分析和设计。介绍了电荷泵的基本解原理和结构，具体分析电荷泵的设计难点，针对设计难点分别提出了解决方案。最终提出一种高精度、高输出摆幅的电荷泵的设计。
第三章：轨至轨运算放大器的设计。介绍了高精度、高输出摆幅的电荷泵的核心。先简单介绍轨至轨运放的定义，然后具体分析轨至轨运放的各个模块的设计，最后得到轨至轨运放的设计参数、指标和电路。
第四章：基准电路的分析设计。主要介绍了解决低功耗的基准电路的设计。先从基准电路分析，再从基准电流源进行分析和设计。
第五章：仿真结果。基于cadence的工艺库模型，分别对基准电路、轨至轨运放和电荷泵进行仿真。
电荷泵的结构分析和设计
2.1电荷泵的基本原理和结构
PFD两端分别输出up和down信号，用MOS管作为开关，对电流源Iup和Idn进行控制，同时控制着电容的充放电。电荷泵的基本结构图在下图21所示。
图21 电荷泵的基本结构图
如图所示， NMOS，PMOS两开关的开关状态，分别由PFD输出信号UP和DOWN。MOS开关可以改变输出电压Vout的状态。MOS开关控制状态如表 21所示。
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