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。     

用于相变存储器的超低输出纹波2X/1.5X电荷泵

本文针对相变存储器编程驱动电路,提出了一种超低输出电压纹波的开关电容型电荷泵。该电荷泵可根据输入电压的不同,自适应工作在2X/1.5X升压模式之间,以获得更高的电源转换效率。相比于传统开关电容型电荷泵,在充电阶段泵电容被充电至预先设定的电压值Vo-VDD(Vo为预期的输出电压);放电阶段,泵电容串联在输入电压VDD与输出端,通过此方法将电荷泵输出端电压稳定在Vo,并有效的降低了由于电荷分享所造成的输出纹波。在中芯国际40nm标准CMOS工艺模型下,对电路进行了仿真验证,结果表明在输入电压为1.6-2.1V,输出2.5V电压,最大负载电流为10mA,输出电压纹波低于4mV,电源效率最高可达91%。     

一种用于H桥功率驱动电路的电荷泵设计

提出了一种可驱动H桥功率电路的电荷泵.为了简化电路设计和确保电路稳定性,本电荷泵采用两倍压电荷泵电路拓扑结构,通过加入两路反馈控制电路来提高电荷泵充电电流和输出电压值的控制精度以及电源转换效率.设计采用0.35μm BCD工艺,通过Cadence Spectre仿真器表明,在负载电流为5mA条件下,电荷泵正常工作时输出电压范围广(10~40V),电源转换效率最高达到91%,输出电压建立所需时间为579μs.样片实测结果显示,在不同输入电压条件下,输出电压纹波控制在385mV以下.     

一种全集成高效率多通道神经电刺激电路

设计了一种超低待机功耗、高效率的16通道高压神经电刺激集成电路(IC)。该电路主要包括1个基于串-并联电荷泵的高压产生模块，以及1个16路独立配置的通道输出驱动电路模块。高压产生模块将输入的1.65 V低压域电压转换为高压域电压6.6、9.9、13.2 V;通道输出驱动电路根据设定的刺激电流和电极负载情况动态选择合适的高压域电压以提高电刺激效率。经测试，在1.65 V输入电压和3.3 V电源电压下，该电路待机时静态功耗约为7.6 nW,由待机至电刺激电路工作切换时间小于36 ns,电荷泵输出最大电压可达12.7 V,约为电源电压的4倍，通道控制电路能输出最高1 mA的刺激电流。与传统的固定电源电压电刺激电路相比，消耗的能量最高减少了76.9%。     

低杂散锁相环中的电荷泵设计

用TSMC0.18μm CMOS工艺设计并实现了一种电荷泵电路，传统的电荷泵电路中充放电电流有较大的电流失配,电流失配导致相位偏差,从而引起杂散并降低了锁相环的锁定范围，文中采用与电源无关的基准电流源电路,运用运算放大器和自偏置高摆幅共源共栅电流镜电路实现了充放电电流的高度匹配,从而降低了杂散。测试结果表明：电源电压1.8V时,电荷泵电流为0.475mA,在0.3-1.6V输出电压范围内电流失配小于10mA,功耗为6.8mW。     

锁相环频率合成器中的电荷泵设计

用TSMC 0.18μm CMOS工艺设计了一种电荷泵电路。传统的电荷泵电路中充放电电流有较大的电流失配,文章采用与电源无关的基准电流源电路,运用运算放大器和自偏置高摆幅共源共栅电流镜电路实现了充放电电流的高度匹配。仿真结果表明:电源电压1.8V时,电荷泵电流为0.5mA;在0.3V～1.6V输出电压范围内电流失配小于1μA,功耗为6.8mW。     

一种用于G类音频功放的带自适应输出的双模电荷泵

本文设计了一种给G类音频功率放大器提供自适应电源的双模电荷泵电路。根据输入信号的幅度,该电荷泵可以提供两档电压轨来节省功耗。它在重载下工作于电流控制模式,轻载下工作于脉冲频率调制(PFM)模式来降低功耗。在PFM工作模式下,引入功率管尺寸动态调整的技术来减小PFM模式下的输出电压纹波并防止开关频率进入音频范围。该电荷泵电路采用0.18μm,3.3V的CMOS工艺制备。试验结果表明该电荷泵在1/2x模式下可以实现79.5％的最高效率,在1x模式下可以实现83.6％的最高效率。在PFM控制模式下,电荷泵在负载电流小于120mA的范围内,其输出纹波小于15mV;在电流控制模式下,在负载电流小于300mA的范围内,其纹波小于18mV。测试结果与文中提出的功率分段的PFM控制模式的纹波、效率的解析模型得到的计算及仿真结果基本一致,验证了模型与分析方法的正确性。     

用于相变存储器的自适应1.5X/2X/3X高效电荷泵

针对相变存储器中编程驱动电路的电源效率问题,设计了一种1.5X/2X/3X自适应高效电荷泵,电路采用跳周期模式稳定输出电压.在中芯国际0.18 μm标准CMOS工艺模型下,对电路进行了仿真.结果表明,在输入电压为2.2～4.8 V时,输出5V电压,最大负载电流为10mA,电源效率最高可达94％.     

采用高性能负压电荷泵的AMOLED驱动DC-DC转换器

提出了一种采用高性能负压电荷泵的有源矩阵有机发光二极管(AMOLED)驱动DC-DC转换器.正输出电压(VOP)由升压转换器(BOOST)和线性稳压器(LDO)级联产生,BOOST中使用前馈方法改善线性瞬态响应,LDO保证了芯片在全负载电流范围内输出电压的纹波.负输出电压(VON)由一种新颖负压电荷泵电路产生,电荷泵仅由MOSFET构成以提高效率.提出了一种新型的转换负压的电平转换电路,降低了开关管导通电阻并提高了负压效率.采用突发(BURST)控制模式提高了轻载效率.芯片采用0.18 μm BCD工艺,其VOP和VON分别为4.6V和-2.4 V,工作频率为1 MHz,正常工作时的负载电流为0～ 50 mA,最大电源效率为89.4％.VOP和VON的纹波均小于7 mV,线性瞬态响应均为5 mV,负载瞬态响应分别为5 mV和20 mV.负输出电压在-0.6～-2.4 V可调,调整步长为0.1V.     

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。     

一种用于AMOLED驱动的多模式高效电荷泵

设计了一种用于AMOLED驱动芯片的多模式高效低纹波电荷泵。该电荷泵通过模式选择,使输出电压可配置,实现多模式功能。针对电压建立和模式切换过程中电荷损耗的问题,利用初始化电路和电压检测电路来保证电荷泵中电荷单向传输,同时利用衬底选择开关来解决电荷泵的体效应问题,提高了电压转换效率。采用双边对称的泵电路结构,减小了输出电压纹波。采用UMC 80 nm CMOS工艺进行仿真。结果表明,负载电流为4 mA时,输出电压为8.4~17 V,四种工作模式下电压转换效率均在90%以上,电压纹波均小于1 mV。     

3 GHz低杂散锁相环中的低失配电荷泵

基于SMIC 40 nm CMOS工艺,提出了一种改进型电荷泵电路。在传统电荷泵锁相环中,电荷泵存在较大的电流失配,导致锁相环产生参考杂散,使锁相环输出噪声性能恶化。设计的电荷泵电路在电流源处引入反馈,降低了电流失配。仿真结果表明,在供电电压为1.1 V,电荷泵充放电电流为0.1 mA,输出电压在0.3~0.7 V范围变化时,电荷泵的电流失配率小于0.83 %,锁相环的输出参考杂散为-65.5 dBc。     

用于TFT-LCD液晶显示的可调电荷泵设计

为了满足TFT-LCD液晶显示的驱动要求,设计了一种通过控制饱和区MOS管的导通电阻来调节输出电压的可调电荷泵。与传统的电荷泵相比,该电荷泵通过负反馈系统进行控制,具有输出可调、最少外围器件、低纹波、易于集成等优点。采用此可调电荷泵电路的芯片已在UMC0.6μm-BCD工艺线投片,测试结果表明,该可调电荷泵电路工作良好,独特的稳压方式使得电荷泵输出纹波降至最低,并且电荷泵的电容尺寸小,从而减小了整个系统的PCB面积,可调电荷泵正电压输出范围为10～30V,负电压输出范围为-5～-30V,负载电流为50mA时,输出纹波为27mV,可调电荷泵的整体效率可达80%。     

一种高精度高转换效率的LED驱动电路

基于HHNEC 0.35μm 40 V BCD工艺,采用峰值电流检测模式的脉冲宽度调制方式,设计了一款能在8～42 V的输入电压范围内,-40～125℃的温度范围内正常工作的高转换效率、高输出电流精度的发光二极管(LED)驱动电路,版图面积为925.3μm×826.8μm。利用带负反馈的预稳压电路为基准源电路和线性稳压器提供稳定的工作电压,新颖求和型CMOS基准电流源提供低温漂、高精度的偏置电流,带预抑制电路的基准电压源提供高精度的参考电压,提高了输出电流的精度。仿真结果表明,在典型工艺角TT下,当输入电压为40 V,驱动9个LED,输出电流为400 mA时,该LED驱动电路转换效率为95.8%,输出电流精度为1.75%。     

Research and design of a novel current mode charge pump

To meet the demands for a number of LEDs, a novel charge pump circuit with current mode control is proposed. Regulation is achieved by operating the current mirrors and the output current of the operational transcon ductance amplifier. In the steady state, the input current from power voltage retains constant, so reducing the noise induced on the input voltage source and improving the output voltage ripple. The charge pump small-signal model is used to describe the device's dynamic behavior and stability. Analytical predictions were verified by Hspice sim ulation and testing. Load driving is up to 800 mA with a power voltage of 3.6 V, and the output voltage ripple is less than 45 mV. The output response time is less than 8 μs, and the load current jumps from 400 to 800 mA.     

一种高精度CMOS带隙基准电路的设计

采用ASMC0.35μm CMOS工艺设计了低功耗、高电源抑制比(PSRR)、低温漂、输出1V的带隙基准源电路。该设计中,偏置电压采用级联自偏置结构,运放的输出作为驱动的同时也作为自身电流源的驱动,实现了与绝对温度成正比(PTAT)温度补偿。通过对其进行仿真验证,当温度在-40～125℃和电源电压在1.6～5V时,输出基准电压具有3.68×10-6/℃的温度系数,Vref摆动小于0.094mV;在低频时具有-114.6dB的PSRR,其中在1kHz时为-109.3dB,在10kHz时为-90.72dB。     

变频和脉冲跳变双模式控制电荷泵的建模和实现

提出了一种高性能电荷泵的建模和设计实现方法.为了实现在大的负载电流变化范围内具有高转换效率和低输出电压纹波,提出了变频模式(VFM)和脉冲跳变模式(PSM)双模式控制的电荷泵,并建立了相应的数学模型以方便设计参数的分析和选取.芯片采用TSMC0.35 μm标准CMOS数模混合工艺进行设计制造,总面积约为1.4 mm×1.5 mm.测试结果表明,所设计的电荷泵在全负载电流范围内(5 ～ 100 mA)能够实现双模式的自动切换,取得较低电压纹波和较高效率,达到了设计预期,从而验证了变频和脉冲跳变双模式控制电荷泵的可行性.     

基于温度补偿的无运放低压带隙基准源设计

设计了一种带温度补偿的无运放低压带隙基准电路。提出了同时产生带隙基准电压源和基准电流源的技术,通过改进带隙基准电路中的带隙负载结构以及基准核心电路,基准电压和基准电流可以分别进行温度补偿。在0.5μmCMOS N阱工艺条件下,采用spectre进行模拟验证。仿真结果表明,在3.3V条件下,在-20～100℃范围内,带隙基准电压源和基准电流源的温度系数分别为35.6ppm/℃和37.8ppm/℃,直流时的电源抑制比为-68dB,基准源电路的供电电压范围为2.2～4.5V。     

A high efficiency charge pump circuit for low power applications

A high efficiency charge pump circuit is designed and realized. The charge transfer switch is biased by the additional capacitor and transistor to eliminate the influence of the threshold voltage. Moreover, the bulk of the switch transistor is dynamically biased so that the threshold voltage gets lower when it is turned on during charge transfer and gets higher when it is turned off. As a result, the efficiency of the charge pump circuit can be improved. A test chip has been implemented in a 0.18 μm 3.3 V standard CMOS process. The measured output voltage of the eight-pumping-stage charge pump is 9.8 V with each pumping capacitor of 0.5 pF at an output current of 0.18 μA, when the clock frequency is 780 kHz and the supply voltage is 2 V. The charge pump and the clock driver consume a total current of 2.9 μA from the power supply. This circuit is suitable for low power applications.     

低电源电压条件下的双阈值电压泵

由于存在逆向电流,利用电流传输开关特性的改进型的电压泵（NCP-1）的电压增益被大大减弱.本论文提供了一个新的方法.通过使用双阈值电压CMOS代替单阈值电压CMOS,不但消除了逆向电流,而且对低电压有很好的放大增益.PSPICE模拟结果,当电源电压为0.5V时,6级电压泵可使输出电压放大到2.68V.