(12)發(fā)明專利申請

(10)申請公布號 CN 111725991 A(43)申請公布日 2020.09.29

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(71)申請人 西安電子科技大學

地址 710071 陜西省西安市雁塔區(qū)太白南

路2號(72)發(fā)明人 袁冰　楊晨　肖浪騏　王炳源　(74)專利代理機構(gòu) 西安睿通知識產(chǎn)權(quán)代理事務

所(特殊普通合伙) 61218

代理人 惠文軒(51)Int.Cl.

H02M 3/07(2006.01)H03K 19/003(2006.01)H04N 5/63(2006.01)

權(quán)利要求書2頁 說明書7頁 附圖6頁

()發(fā)明名稱

一種高精度低紋波的負電壓產(chǎn)生電路(57)摘要

本發(fā)明公開了一種高精度低紋波的負電壓產(chǎn)生電路，至少包括自激振蕩電路，用于產(chǎn)生恒穩(wěn)和持續(xù)的振蕩電壓信號；緩沖單元，用于對自激振蕩電路的振蕩電壓信號進行整形，并產(chǎn)生低傳輸延遲的脈沖寬度調(diào)制輸出信號；電平轉(zhuǎn)換電路，接收緩沖單元的輸出信號，并根據(jù)該輸出信號的高低電平驅(qū)動負電壓電荷泵的開關(guān)管；負壓電荷泵，接收緩沖單元的輸出信號和電平轉(zhuǎn)換電路的兩路輸出電壓信號，并據(jù)此產(chǎn)生負電壓；反饋控制電路，用于檢測并調(diào)節(jié)負電壓電荷泵產(chǎn)生的負電壓。本發(fā)明能夠?qū)崿F(xiàn)將5V直流輸入電壓轉(zhuǎn)換成?2.5V的直流輸出電壓；輸出電壓紋波小、可靠性高，且整體電路結(jié)構(gòu)集成度高，功耗較低。

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1.一種高精度低紋波的負電壓產(chǎn)生電路，其特征在于，其至少包括自激振蕩電路、緩沖單元、電平轉(zhuǎn)換電路、負電壓電荷泵和反饋控制電路；

所述自激振蕩電路，用于產(chǎn)生恒穩(wěn)和持續(xù)的振蕩電壓信號；所述緩沖單元，用于對來自所述自激振蕩電路的振蕩電壓信號進行整形，并產(chǎn)生低傳輸延遲的脈沖寬度調(diào)制輸出信號作為所述電平轉(zhuǎn)換電路和負電壓電荷泵的輸入信號；

所述電平轉(zhuǎn)換電路，接收緩沖單元的輸出信號，并根據(jù)該輸出信號的高低電平驅(qū)動負電壓電荷泵的開關(guān)管，使負電壓電荷泵在不同工作狀態(tài)間切換；

所述負電壓電荷泵，接收緩沖單元的輸出信號和電平轉(zhuǎn)換電路的兩路輸出電壓信號，并根據(jù)該三路輸出信號產(chǎn)生負電壓；

所述反饋控制電路，用于檢測并調(diào)節(jié)負電壓電荷泵產(chǎn)生的負電壓，使其穩(wěn)定在期望的某一固定電壓。

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的高精度低紋波的負電壓產(chǎn)生電路，其特征在于，所述自激振蕩電路包含第一差分放大器、第三PMOS管、第一電容、第二電容、第一分壓電阻和第二分壓電阻；所述第一差分放大器的輸入端連接輸入電壓，所述第一差分放大器的第一輸出端連接至其自身的反相輸入端，構(gòu)成電壓跟隨電路；所述第一差分放大器的第二輸出端與第三PMOS管的柵極連接，作為由第三PMOS管構(gòu)成的單管共源級的輸入端；所述第三PMOS管的漏極與第二電容的上極板連接，第二電容的下極板接地；

所述第一分壓電阻和第二分壓電阻串聯(lián)與輸入電壓連接形成直流通路，為第一差分放大器的同相輸入端提供正常工作所需要的靜態(tài)工作電壓；

所述第一差分放大器的第一輸出端還與第一電容上極板連接，第一電容下極板接地。3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的高精度低紋波的負電壓產(chǎn)生電路，其特征在于，所述第一差分放大器由第一NMOS管、第二NMOS管、第三NMOS管和第一PMOS管、第二PMOS管構(gòu)成；其中，所述第一NMOS管、第二NMOS管構(gòu)成第一差分放大器的輸入級，所述第一NMOS管的柵極和第二NMOS管的柵極分別作為第一差分放大器的反相輸入端和同相輸入端；第三NMOS管為第一差分放大器提供尾電流，第一PMOS管和第二PMOS管構(gòu)成電流鏡，并作為差分放大器的電流鏡負載。

4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的高精度低紋波的負電壓產(chǎn)生電路，其特征在于，所述緩沖單元包含依次連接的第一CMOS反相器、第二CMOS反相器、第三CMOS反相器、第四CMOS反相器以及第七PMOS管、第七NMOS管，所述第七PMOS管和第七NMOS管構(gòu)成CMOS反相器。

5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的高精度低紋波的負電壓產(chǎn)生電路，其特征在于，所述第七PMOS管的寬長比、第七NMOS管的寬長比分別為第一CMOS反相器、第二CMOS反相器、第三CMOS反相器、第四CMOS反相器中任一反相器中相應管的寬長比的9-10倍。

6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的高精度低紋波的負電壓產(chǎn)生電路，其特征在于，所述電平轉(zhuǎn)換電路包含第二CMOS反相器、第八PMOS管、第九PMOS管、第十PMOS管、第十一PMOS管，第八NMOS管、第九NMOS管、第十NMOS管、第十一NMOS管和第四電容；其中，所述第八PMOS管、第九PMOS管、第十PMOS管、第十一PMOS管的源極分別與高電位VHH連接，第四電容的上極板連接至高電位VHH，其下極板接地；

所述第二反相器的輸入端作為電平轉(zhuǎn)換電路的輸入端，其中一組NMOS管和PMOS管的漏極作為電平轉(zhuǎn)換電路的第一輸出端口VO1，另一組NMOS管和PMOS管的漏極作為電平轉(zhuǎn)換電

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路的第二輸出端口VO2。

7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的高精度低紋波的負電壓產(chǎn)生電路，其特征在于，當電平轉(zhuǎn)換電路的輸入脈沖寬度調(diào)制信號為邏輯高電平時，第一輸出端口VO1輸出高電平，第二輸出端口VO2輸出低電平；

當電平轉(zhuǎn)換電路的輸入信號由邏輯高電平變?yōu)檫壿嫷碗娖綍r，第一輸出端口VO1輸出低電平，第二輸出端口VO2輸出高電平；

如此往復，電平轉(zhuǎn)換電路兩個輸出端口隨輸入信號的時鐘周期交替輸出高低電平信號，用于驅(qū)動負電壓電荷泵的開關(guān)管，使其在不同工作狀態(tài)間切換。

8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的高精度低紋波的負電壓產(chǎn)生電路，其特征在于，所述負電壓電荷泵包含第五NMOS管、第六NMOS管、第三電容和輸出電容；其中，第五NMOS管的柵極與電平轉(zhuǎn)換電路的第一輸出端口VO1連接，第六NMOS管的柵極與電平轉(zhuǎn)換電路的第二輸出端口VO2連接，第五NMOS管的漏極與第六NMOS管的源極連接，且第五NMOS管的漏極和第六NMOS管的漏極分別與第三電容的下極板連接，輸出電容的上極板連接至輸出節(jié)點，其下極板接地；第五NMOS管、第六NMOS管作為開關(guān)管控制對第三電容的充放電狀態(tài)切換。

9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的高精度低紋波的負電壓產(chǎn)生電路，其特征在于，所述負電壓電荷泵隨電平轉(zhuǎn)換電路輸出信號對應以下兩種工作狀態(tài)：

狀態(tài)一：電平轉(zhuǎn)換電路輸出高電平時，其第一輸出端口VO1輸出高電平，第二輸出端口VO2輸出低電平，控制第五NMOS管截止，第六NMOS管導通，第三電容的上極板與高電平連接，下極板經(jīng)N6被上拉到GND，負電壓電荷泵對第三電容充電，第三電容兩端的電壓升高；

狀態(tài)二：電平轉(zhuǎn)換電路的輸出端由高電平變至低電平時，其第一輸出端口VO1輸出低電平，第二輸出端口VO2輸出高電平，控制第六NMOS管截止，第五NMOS管導通，第三電容上極板接地，其下極板低電位端產(chǎn)生輸出負電壓。

10.根據(jù)權(quán)利要求1所述的高精度低紋波的負電壓產(chǎn)生電路，其特征在于，所述反饋控制電路包含第二差分放大器；第一基準電壓與負電壓電荷泵產(chǎn)生的負電壓分別作為高電壓輸入端和低電壓輸入端，經(jīng)分壓電阻分壓后得到檢測信號，并連接到第二差分放大器的同相輸入端，所述第二差分放大器的反相輸入端輸入第二基準電壓，當檢測信號低于第二基準電壓時，第二差分放大器輸出低電位，負電壓電荷泵無法產(chǎn)生負電荷；當檢測信號高于第二基準電壓時，第二差分放大器輸出高電位，負電壓電荷泵正常工作；

其中，所述第一基準電壓由帶隙基準電路產(chǎn)生，所述第二基準電壓為接地電壓。

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說　明　書

一種高精度低紋波的負電壓產(chǎn)生電路

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技術(shù)領(lǐng)域

[0001]本發(fā)明涉及模擬/混合信號集成電路技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種高精度低紋波的負電壓產(chǎn)生電路，其輸出電壓精準穩(wěn)定且電路結(jié)構(gòu)高度集成，用于為數(shù)字衛(wèi)星電視低噪聲下變頻器的電源管理芯片供電。

背景技術(shù)

[0002]在當今衛(wèi)星數(shù)字機頂盒的低噪聲下變頻器(LNB)中，常用GaAs和HMET?FETs(場效應晶體管)這兩種放大管作為一、二級高放管來放大來自衛(wèi)星接收天線的射頻信號。此類放大管往往需要一個合適的負電壓為其柵壓提供所需要的偏置點，以使其能工作在最佳工作區(qū)域。傳統(tǒng)的LNB電源管理芯片常用Bipolar工藝設(shè)計負壓產(chǎn)生電路，成本高昂且功耗較高；而目前常用DC\\DC變換器，如Buck-boost組合拓撲生成負壓，其輸出紋波電壓較大且電路結(jié)構(gòu)復雜繁瑣，難以用于高度集成的LNB電源管理芯片。因此，目前現(xiàn)有的負電壓產(chǎn)生技術(shù)，無論是在成本還是應用方面都存在諸多問題。

發(fā)明內(nèi)容

[0003]針對現(xiàn)有技術(shù)中存在的問題，本發(fā)明的目的在于提供一種高精度低紋波的負電壓產(chǎn)生電路，能夠?qū)崿F(xiàn)將5V(允許范圍為4V～11V)的直流輸入電壓轉(zhuǎn)換成-2.5V的直流輸出電壓。輸出電壓紋波在輸出電容47nF的條件下為約為73uV，輸出電壓范圍-2.5V～-2V，輸出電壓紋波小、可靠性高，且整體電路結(jié)構(gòu)集成度高，功耗較低。[0004]為了達到上述目的，本發(fā)明采用以下技術(shù)方案予以實現(xiàn)。[0005]一種高精度低紋波的負電壓產(chǎn)生電路，其至少包括自激振蕩電路、緩沖單元、電平轉(zhuǎn)換電路、負電壓電荷泵和反饋控制電路；[0006]所述自激振蕩電路，用于產(chǎn)生恒穩(wěn)和持續(xù)的振蕩電壓信號。[0007]所述緩沖單元，用于對來自所述自激振蕩電路的振蕩電壓信號進行整形，并產(chǎn)生低傳輸延遲的脈沖寬度調(diào)制輸出信號作為所述電平轉(zhuǎn)換電路和負電壓電荷泵的輸入信號。[0008]所述電平轉(zhuǎn)換電路，接收緩沖單元的輸出信號，并根據(jù)該輸出信號的高低電平驅(qū)動負電壓電荷泵的開關(guān)管，使負電壓電荷泵在不同工作狀態(tài)間切換；[0009]所述負電壓電荷泵，接收緩沖單元的輸出信號和電平轉(zhuǎn)換電路的兩路輸出電壓信號，并根據(jù)該三路輸出信號產(chǎn)生負電壓；[0010]所述反饋控制電路，用于檢測并調(diào)節(jié)負電壓電荷泵產(chǎn)生的負電壓，使其穩(wěn)定在期望的某一固定電壓。[0011]進一步地，所述自激振蕩電路包含第一差分放大器、第三PMOS管、第一電容、第二電容、第一分壓電阻和第二分壓電阻；所述第一差分放大器的輸入端連接輸入電壓，所述第一差分放大器的第一輸出端連接至其自身的反相輸入端，構(gòu)成電壓跟隨電路；所述第一差分放大器的第二輸出端與第三PMOS管的柵極連接，作為由第三PMOS管構(gòu)成的單管共源級的輸入端；所述第三PMOS管的漏極與第二電容上極板連接，第二電容下極板接地；

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說　明　書

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所述第一分壓電阻和第二分壓電阻串聯(lián)與輸入電壓連接形成直流通路，為第一差

分放大器的同相輸入端提供正常工作所需要的靜態(tài)工作電壓；

[0013]所述第一差分放大器的第一輸出端還與第一電容上極板連接，第一電容下極板接地。

[0014]更進一步地，所述第一差分放大器由第一NMOS管、第二NMOS管、第三NMOS管和第一PMOS管、第二PMOS管構(gòu)成；其中，所述第一NMOS管、第二NMOS管構(gòu)成第一差分放大器的輸入級，所述第一NMOS管的柵極和第二NMOS管的柵極分別作為第一差分放大器的反相輸入端和同相輸入端；第三NMOS管為第一差分放大器提供尾電流，第一PMOS管和第二PMOS管構(gòu)成電流鏡，并作為差分放大器的電流鏡負載。[0015]進一步地，所述自激振蕩電路還包含第四NMOS管、第四PMOS管和第五PMOS管，其中，所述第四NMOS管為二極管連接形式，且其與第三NMOS管構(gòu)成電流鏡；所述第五PMOS管為二極管連接形式，且其與第四PMOS管構(gòu)成電流鏡。[0016]進一步地，所述緩沖單元包含依次連接的第一CMOS反相器、第二CMOS反相器、第三CMOS反相器、第四CMOS反相器以及第七PMOS管、第七NMOS管，所述第七PMOS管和第七NMOS管構(gòu)成CMOS反相器。

[0017]更進一步地，所述第七PMOS管的寬長比、第七NMOS管的寬長比分別為第一CMOS反相器、第二CMOS反相器、第三CMOS反相器、第四CMOS反相器中任一反相器中相應管的寬長比的9-10倍。

[0018]進一步地，所述電平轉(zhuǎn)換電路包含第二CMOS反相器、第八PMOS管、第九PMOS管、第十PMOS管、第十一PMOS管，第八NMOS管、第九NMOS管、第十NMOS管、第十一NMOS管和第四電容；其中，所述第八PMOS管、第九PMOS管、第十PMOS管、第十一PMOS管的源極分別與高電位VHH連接，第四電容的上極板連接至高電位VHH，其下極板接地；[0019]所述第二反相器的輸入端作為電平轉(zhuǎn)換電路的輸入端，其中一組NMOS管和PMOS管的漏極作為電平轉(zhuǎn)換電路的第一輸出端口VO1，另一組NMOS管和PMOS管的漏極作為電平轉(zhuǎn)換電路的第二輸出端口VO2；[0020]更進一步地，當電平轉(zhuǎn)換電路的輸入脈沖寬度調(diào)制信號為邏輯高電平時，第一輸出端口VO1輸出高電平，第二輸出端口VO2輸出低電平；

[0021]當電平轉(zhuǎn)換電路的輸入信號由邏輯高電平變?yōu)檫壿嫷碗娖綍r，第一輸出端口VO1輸出低電平，第二輸出端口VO2輸出高電平；[0022]如此往復，電平轉(zhuǎn)換電路兩個輸出端口隨輸入信號的時鐘周期交替輸出高低電平信號，用于驅(qū)動負電壓電荷泵的開關(guān)管，使其在不同工作狀態(tài)間切換。[0023]進一步地，所述負電壓電荷泵包含第五NMOS管、第六NMOS管、第三電容和輸出電容；其中，第五NMOS管的柵極與電平轉(zhuǎn)換電路的第一輸出端口VO1連接，第六NMOS管的柵極與電平轉(zhuǎn)換電路的第二輸出端口VO2連接，第五NMOS管的漏極與第六NMOS管的源極連接，且第五NMOS管的漏極和第六NMOS管的漏極分別與第三電容的下極板連接，輸出電容的上極板連接至輸出節(jié)點，其下極板接地；第五NMOS管、第六NMOS管作為開關(guān)管控制對第三電容的充放電狀態(tài)切換。

[0024]更進一步地，所述負電壓電荷泵隨電平轉(zhuǎn)換電路輸出信號對應以下兩種工作狀態(tài)：

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狀態(tài)一：電平轉(zhuǎn)換電路輸出高電平時，其第一輸出端口VO1輸出高電平，第二輸出

端口VO2輸出低電平，控制第五NMOS管截止，第六NMOS管導通，第三電容的上極板與高電平連接，下極板經(jīng)N6被上拉到GND，負電壓電荷泵對第三電容充電，第三電容兩端的電壓升高；[0026]狀態(tài)二：電平轉(zhuǎn)換電路的輸出端由高電平變至低電平時，其第一輸出端口VO1輸出低電平，第二輸出端口VO2輸出高電平，控制第六NMOS管截止，第五NMOS管導通，第三電容上極板接地，其下極板低電位端產(chǎn)生輸出負電壓。[0027]進一步地，所述反饋控制電路包含第二差分放大器；第一基準電壓與負電壓電荷泵產(chǎn)生的負電壓分別作為高電壓輸入端和低電壓輸入端，經(jīng)分壓電阻分壓后得到檢測信號，并連接到第二差分放大器的同相輸入端，所述第二差分放大器的反相輸入端輸入第二基準電壓，當檢測信號低于第二基準電壓時，第二差分放大器輸出低電位，負電壓電荷泵無法產(chǎn)生負電荷；當檢測信號高于第二基準電壓時，第二差分放大器輸出高電位，負電壓電荷泵正常工作；其中，所述第一基準電壓由帶隙基準電路產(chǎn)生，所述第二基準電壓為接地電壓。

[0028]與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果為：[0029]本發(fā)明是通過電路設(shè)計，實現(xiàn)了將5V(允許范圍為4V～11V)的直流輸入電壓轉(zhuǎn)換成-2.5V的直流輸出電壓。輸出電壓紋波在輸出電容47nF的條件下為約為73uV，輸出電壓范圍-2.5V～-2V，輸出電壓紋波小、可靠性高，且整體電路結(jié)構(gòu)簡潔，功耗較低，能夠為高度集成的衛(wèi)星電視LNB芯片供電。

附圖說明

[0030]下面結(jié)合附圖和具體實施例對本發(fā)明做進一步詳細說明。[0031]圖1為本發(fā)明一種負壓產(chǎn)生電路的電路連接圖；

[0032]圖2(a)為本發(fā)明實施例中自激振蕩器電路的電路圖；[0033]圖2(b)為本發(fā)明實施例中電平轉(zhuǎn)換電路的電路圖；[0034]圖2(c)為本發(fā)明實施例中負電壓電荷泵的電路圖；[0035]圖2(d)為本發(fā)明實施例中反饋控制電路的電路圖；[0036]圖3為本發(fā)明的負壓產(chǎn)生電路的一種具體實施電路圖；[0037]圖4(a)為圖3中電路系統(tǒng)的瞬態(tài)仿真的輸出電壓結(jié)果圖；[0038]圖4(b)為圖3中電路系統(tǒng)的瞬態(tài)仿真的輸出電壓紋波幅度圖；[0039]以上圖中，1、自激振蕩電路；2、緩沖單元；3、電平轉(zhuǎn)換電路；4、負電壓電荷泵；5、反饋控制電路。

具體實施方式

[0040]下面將結(jié)合實施例對本發(fā)明的實施方案進行詳細描述，但是本領(lǐng)域的技術(shù)人員將會理解，下列實施例僅用于說明本發(fā)明，而不應視為本發(fā)明的范圍。[0041]參考圖1，本發(fā)明提供的一種高精度低紋波的負電壓產(chǎn)生電路，其至少包括自激振蕩電路1、緩沖單元2、電平轉(zhuǎn)換電路3、負電壓電荷泵4和反饋控制電路5；[0042]所述自激振蕩電路1，用于產(chǎn)生恒穩(wěn)和持續(xù)的振蕩電壓信號。[0043]所述緩沖單元2，用于對來自所述自激振蕩電路1的振蕩電壓信號進行整形，并產(chǎn)

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生低傳輸延遲的脈沖寬度調(diào)制輸出信號作為所述電平轉(zhuǎn)換電路3和負電壓電荷泵4的輸入信號。

[0044]所述電平轉(zhuǎn)換電路3，接收緩沖單元2的輸出信號，并根據(jù)該輸出信號的高低電平驅(qū)動負電壓電荷泵4的開關(guān)管，使負電壓電荷泵4在不同工作狀態(tài)間切換；[0045]所述負電壓電荷泵4，接收緩沖單元2的輸出信號和電平轉(zhuǎn)換電路3的兩路輸出電壓信號，并根據(jù)該三路輸出信號產(chǎn)生負電壓；[0046]所述反饋控制電路5，用于檢測并調(diào)節(jié)負電壓電荷泵4產(chǎn)生的負電壓，使其穩(wěn)定在某一固定電壓。[0047]具體地，如圖1所示，所述自激振蕩電路1包含第一差分放大器、第三PMOS管P3、第一電容C1、第二電容C2、第一分壓電阻R1和第二分壓電阻R2；所述第一差分放大器的輸入端連接輸入電壓，所述第一差分放大器的第一輸出端連接至其自身的反相輸入端，構(gòu)成電壓跟隨電路；所述第一差分放大器的第二輸出端與第三PMOS管P3的柵極連接，作為由第三PMOS管P3構(gòu)成的單管共源級的輸入端；所述第三PMOS管P3的漏極與第二電容C2上極板連接，第二電容C2下極板接地；

[0048]所述第一分壓電阻R1和第二分壓電阻R2串聯(lián)與輸入電壓連接形成直流通路，為第一差分放大器的同相輸入端提供正常工作所需要的靜態(tài)工作電壓；

[0049]所述第一差分放大器的第一輸出端還與第一電容C1上極板連接，第一電容C1下極板接地。

[0050]如圖2(a)所示，所述第一差分放大器由第一NMOS管N1、第二NMOS管N2、第三NMOS管N3和第一PMOS管P1、第二PMOS管P2構(gòu)成；其中，所述第一NMOS管N1、第二NMOS管N2構(gòu)成第一差分放大器的輸入級，所述第一NMOS管N1的柵極和第二NMOS管N2的柵極分別作為第一差分放大器的反相輸入端和同相輸入端；第三NMOS管N3為第一差分放大器提供尾電流，第一PMOS管P1和第二PMOS管P2構(gòu)成電流鏡，并作為差分放大器的電流鏡負載。[0051]以上過程中，第一差分放大器在負載電流鏡的輸出一側(cè)，即與P1漏極相連的輸出端(輸出端a)直接連接到其自身的反相輸入端，構(gòu)成電壓跟隨電路；在負載電流鏡的輸入一側(cè)，即與P2漏極相連輸出端(輸出端b)與P3的柵極相連，作為由P3構(gòu)成的單管共源級的輸入端。R1、R2作為分壓電阻形成直流通路，為運算放大器的同相輸入端提供正常工作所需要的靜態(tài)工作點。

[0052]進一步地，所述自激振蕩電路1還包含第四NMOS管N4、第四PMOS管P4和第五PMOS管P5，其中，所述第四NMOS管N4為二極管連接形式，且其與第三NMOS管N3構(gòu)成電流鏡，使得振蕩器電路能夠使用由經(jīng)電流鏡P4、P5，來自帶隙基準電路的基準電流；所述第五PMOS管P5為二極管連接形式，且其與第四PMOS管P4構(gòu)成電流鏡。[0053]自激振蕩電路1的振蕩原理如下：[00]在負反饋電路中，反饋系數(shù)F較大時易使電路系統(tǒng)產(chǎn)生自激振蕩。電壓跟隨電路作為典型的深反饋電路(F＝1)，驅(qū)動容性負載(C1)時所產(chǎn)生的極點會破壞電路系統(tǒng)的穩(wěn)定性。第一差分放大器為運算放大器，其運放的開環(huán)增益隨頻率的提升而下降，多余極點的存在造成系統(tǒng)的相位滯后在增益下降到0dB之前超過180度，進而引起自激振蕩。負載電容C1與運算放大器的開環(huán)輸出電阻RO(未加入反饋時從輸出端a看進去的阻抗)，構(gòu)成一個簡單的低通RC網(wǎng)絡，假設(shè)運算放大器的開環(huán)增益為A，電壓跟隨N2管柵極的輸入電壓為Vi，此時a

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端的輸出電壓為VO，則：

[0055][0056][0057][0058][0059][0060][0061]

其中，j為虛數(shù)單位，ω為角頻率，C1為第一電容的電容量。

則反饋電壓VF：

相較于未驅(qū)動負載電容C1時增加了一個極點：

極點fp的出現(xiàn)改變了開環(huán)系統(tǒng)的幅頻特性曲線，破壞了系統(tǒng)的穩(wěn)定性，進而產(chǎn)生

振蕩。

參照圖1和圖2(a)，P3的漏極與N2的柵極相連，將振蕩器電路b端輸出的電壓波形

反相放大，作為交流信號反饋到第一差分放大器的同相輸入端，以維持恒穩(wěn)和持續(xù)的振蕩輸出。第二電容C2的容值微小，作為濾波電容來濾除或削弱環(huán)路工作過程中高頻的尖峰干擾、振鈴等。在本發(fā)明的電路中，因PMOS管P6與P2構(gòu)成電流鏡，振蕩電路的輸出電壓由b端輸出，并最終由P6與NMOS管N16構(gòu)成的共源級反相放大至緩沖單元2的輸入端。[0063]參考圖1，緩沖單元2包含依次連接的第一CMOS反相器VD1、第二CMOS反相器VD2、第三CMOS反相器VD3、第四CMOS反相器VD4以及第七PMOS管P7、第七NMOS管N7，所述第七PMOS管P7和第七NMOS管N7構(gòu)成CMOS反相器。可用于對輸入的振蕩信號進行整形，輸出穩(wěn)定的PWM信號，并且增強了對后級負電壓電荷泵4的驅(qū)動能力。[00]此外，所述第七PMOS管P7的寬長比、第七NMOS管N7的寬長比分別為第一CMOS反相器VD1、第二CMOS反相器VD2、第三CMOS反相器VD3、第四CMOS反相器VD4中任一反相器中相應管的寬長比的9-10倍。具體地，第一CMOS反相器VD1、第二CMOS反相器VD2、第三CMOS反相器VD3、第四CMOS反相器VD4中任一反相器中輸入管或負載管的寬長比為1.12，第七PMOS管P7的寬長比或第七NMOS管N7的寬長比為10.22。第七PMOS管P7的寬長比或第七NMOS管N7中輸入管與負載管寬長比的增加縮短了開關(guān)時間，降低了傳輸功耗。同時，反相器VD2可作為電平轉(zhuǎn)換電路3的一部分。[0065]如圖2(b)所示，所述電平轉(zhuǎn)換電路3包含第二CMOS反相器VD2、第八PMOS管P8、第九PMOS管P9、第十PMOS管P10、第十一PMOS管P11，第八NMOS管N8、第九NMOS管N9、第十NMOS管N10、第十一NMOS管N11和第四電容C4；其中，第八PMOS管P8、第九PMOS管P9、第十PMOS管P10、第十一PMOS管P11的源極分別與高電位VHH連接，第四電容C4的上極板連接至高電位VHH，其下極板接地。

[0066]以下用符號表示各部件，具體連接為：高電位VHH由VDD經(jīng)電阻R3、R4分壓經(jīng)源跟隨器N14輸出。參照圖3，整體環(huán)路中由于交流通路的存在，電容C4作為濾波電容連接至VHH與GND之間，可提高VHH的穩(wěn)定性。

[0067]P8的漏極與P10的柵極相連，P9的漏極與P11的柵極相連，P8、P9的柵極分別與VD2相連，其中P8的柵極輸入信號與VD2的輸入端信號相同，P9的柵極輸入信號與VD2的輸出端

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[0062]

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信號相同。[0068]N10、N11的漏極分別與P10、P11的漏極相連，N10、N11的柵極分別與N8、N9的柵極相連。N8、N9交叉耦合，N8的柵極與N9的漏極連接，N9的柵極與N8的漏極連接，N8的漏極與P9的漏極連接，N9的漏極與P8的漏極連接。[0069]以上器件中，第二反相器VD2的輸入端作為電平轉(zhuǎn)換電路3的輸入端，N10、P10的漏極作為電平轉(zhuǎn)換電路3的第一輸出端口VO1，N11、P11的漏極作為電平轉(zhuǎn)換電路3的第二輸出端口VO2。

[0070]輸出電平的高低轉(zhuǎn)換：

[0071]當電平轉(zhuǎn)換電路3的輸入PWM信號為邏輯高電平1時，經(jīng)VD2輸出后輸入P9柵極的信號為邏輯低電平0，此時，P8截止，P9導通，節(jié)點b被上拉至高電平VHH，P11截止，N9導通，N11導通，節(jié)點a被下拉至低電平VNN，N8截止，N10截止，P10導通，此時第一輸出端口VO1輸出高電平VHH，第二輸出端口VO2輸出低電平VNN。

[0072]當電平轉(zhuǎn)換電路3的輸入信號由邏輯高電平1跳變?yōu)檫壿嫷碗娖?時，經(jīng)VD1輸出后輸入P9柵極的信號為邏輯高電平1，此時，P9截止，P8導通，節(jié)點a被上拉至高電平VHH，P10截止，N8導通，N10導通，節(jié)點b被下拉至低電平VNN，N9截止，N11截止，P11導通，此時第一輸出端口VO1輸出低電平VNN，第二輸出端口VO2輸出高電平VHH。[0073]如此往復，電平轉(zhuǎn)換電路3兩個輸出端口隨輸入信號的時鐘周期交替輸出高低電平信號，用于驅(qū)動負電壓電荷泵4的開關(guān)管，使其在不同工作狀態(tài)間切換。[0074]如圖2(c)所示，所述負電壓電荷泵4包含第五NMOS管N5、第六NMOS管N6、第三電容C3和輸出電容CO；其中，N5的柵極與電平轉(zhuǎn)換電路3的第一輸出端口VO1連接，N6的柵極與與電平轉(zhuǎn)換電路3的第二輸出端口VO2連接，N5的漏極與N6的源極連接，且共同與電容C3的下極板連接，Co為電路最終輸出節(jié)點與GND之間的電容。其中，N5、N6作為開關(guān)管控制電荷泵對C3的充放電狀態(tài)切換。C3作為保持電容用于于充放電過程中輸入輸出間轉(zhuǎn)移的電荷。[0075]電平轉(zhuǎn)換電路3的輸入信號經(jīng)反相器VD2～VD4輸出至P7、N7的柵極，再由P7、N7的漏極輸出，四級反相，最終輸入電容C3的PWM信號與電平轉(zhuǎn)換電路3的輸入端信號同相。據(jù)此，負電壓電荷泵4隨前級驅(qū)動信號的不同有以下兩種工作狀態(tài)：[0076]狀態(tài)一：電平轉(zhuǎn)換電路3的輸入高電平時，其輸出端VO1輸出高電平，VO2輸出低電平，控制N5截止，N6導通，此時電容C3的上極板與高電平連接，下極板經(jīng)N6被上拉到GND，電荷泵對C3充電，C3兩端的電壓升高。[0077]狀態(tài)二：電平轉(zhuǎn)換電路3的輸入端由高電平跳變至低電平時，其輸出端VO1輸出低電平，VO2輸出高電平，控制N6截止，N5導通，電容C3上板下經(jīng)N5拉至GND，利用在電路中充放電時電容兩端的電壓不能突變的自舉原理，由于此時C3的上極板高電位端接GND，其下極板低電位端必然產(chǎn)生負輸出電壓VNN。C3將部分電荷轉(zhuǎn)移到容值較大的輸出電容Co上，可減小輸出電壓紋波，得到較為穩(wěn)定的低紋波負壓。[0078]在負電壓電荷泵4工作的過程中，電容C3在每一個時鐘周期內(nèi)存儲相應的電荷。我們通常需要電路輸出的負電壓保在某一固定值上，如-2.5V。加入反饋機制檢測并調(diào)節(jié)電荷轉(zhuǎn)移的數(shù)量可以實現(xiàn)上述效果。[0079]如圖2(d)所示，本發(fā)明的反饋控制電路5包含第二差分放大器；第一基準電壓VREF1與負電壓電荷泵4產(chǎn)生的負電壓分別作為高電壓輸入端和低電壓輸入端，經(jīng)分壓電阻

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分壓后得到檢測信號，并連接到第二差分放大器的同相輸入端，所述第二差分放大器的反相輸入端輸入第二基準電壓VREF2，當檢測信號低于第二基準電壓VREF2時，第二差分放大器輸出低電位，負電壓電荷泵4無法產(chǎn)生負電荷；當檢測信號高于第二基準電壓VREF2時，第二差分放大器輸出高電位，負電壓電荷泵4正常工作；其中，所述第一基準電壓由帶隙基準電路產(chǎn)生，所述第二基準電壓為接地電壓。[0080]具體地，反饋控制電路5包含第五PMOS管P5、第十二PMOS管P12、第十三PMOS管P13、第十四PMOS管P14，第十二NMOS管N12、第十三NMOS管N13、第十五NMOS管N15，電阻R3、R4。其中，P12、P13、P14，N12、N13構(gòu)成第二差分放大器，其為比較器。P12、P13構(gòu)成第二差分放大器的輸入級，P12、P13的柵極分別作為第二差分放大器的反相、同相輸入端。由帶隙基準電路產(chǎn)生的第一基準電壓VREF1與負電壓VNN分別作為高低端輸入經(jīng)電阻R3、R4分壓得到檢測信號，并連接到差分放大器2的同相輸入端。第二差分放大器的反相輸入端輸入第二基準電壓VREF2。N12與二極管連接形式N13構(gòu)成差分放大器的電流鏡負載。P14為第二差分放大器提供尾電流。與振蕩器電路一樣，通過二極管連接形式的P5與P4構(gòu)成的電流鏡，反饋控制電路5可以使用來自帶隙基準電路的基準電流。開關(guān)管N15的柵極與差分放大器2的輸出端連接，N15的漏極與N7的源極相連。[0081]本發(fā)明中，為了保證最終輸出負電壓VNN穩(wěn)定在-2.5V，反饋控制電路5檢測VNN，并與設(shè)定好的VREF2相比較。VREF2可直接用GND代替，無需額外的基準輸入。當VNN經(jīng)分壓反饋到差分比較器的同相輸入端，且低于GND時，這表明此時VNN低于-2.5V，這時比較器輸出低電位，N15截止，致使負電壓電荷泵4無法進入到狀態(tài)二，此時C3中存儲的電荷無法向Co轉(zhuǎn)移，負電壓電荷被逐漸消耗，VNN逐漸升高，直到檢測端電壓達到GND，比較器輸出高電位，N15導通，負電壓電荷泵4重新進入正常工作狀態(tài)。[0082]仿真實驗

[0083]仿真內(nèi)容及仿真結(jié)果：[0084]設(shè)置仿真參數(shù)如下：輸入電壓(在整體環(huán)路中用作VDD)VIN＝5V，基準電壓VREF＝2V，基準電流IREF＝5.5uA，輸出電容CO＝47nF?；?.18μm?CMOS工藝，選擇Cadence的hspiceD仿真平臺進行設(shè)計仿真。[0085]如圖3所示，本發(fā)明一種負壓產(chǎn)生電路的具體實施電路系統(tǒng)，其瞬態(tài)仿真的相關(guān)結(jié)果如圖4(a)、(b)所示。由圖4(a)、(b)可知，在給定條件下，本發(fā)明所設(shè)計的負壓產(chǎn)生電路最終恒定輸出-2.503V的負電壓，極其逼近所期望的-2.5V，可見輸出結(jié)果精準穩(wěn)定，可靠性高；且輸出電壓紋波較低，約為73uV，可適用于對紋波要求較高的應用場合。[0086]綜上所述，從理論分析和仿真結(jié)果可以得出，在給定直流輸入電壓4V～11V，輸出電容47nF的條件下，本發(fā)明設(shè)計的負電壓產(chǎn)生電路系統(tǒng)，其輸出負電壓紋波較低且精準穩(wěn)定，可靠性高，可廣泛應用于市面上多種電子產(chǎn)品的供電場合；電路結(jié)構(gòu)簡單，體積小，采用CMOS工藝搭建，相比于傳統(tǒng)的衛(wèi)星電視LNB芯片的負電壓產(chǎn)生電路，其成本低廉且功耗較低，可良好地適用于高度集成的LNB電源管理芯片。[0087]雖然，本說明書中已經(jīng)用一般性說明及具體實施方案對本發(fā)明作了詳盡的描述，但在本發(fā)明基礎(chǔ)上，可以對之作一些修改或改進，這對本領(lǐng)域技術(shù)人員而言是顯而易見的。因此，在不偏離本發(fā)明精神的基礎(chǔ)上所做的這些修改或改進，均屬于本發(fā)明要求保護的范圍。

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