功率自适应频率调节的电荷泵电路、芯片及电子设备

技术领域

本发明涉及一种功率自适应频率调节的电荷泵电路，同时也涉及包括该电荷泵电路的芯片及电子设备，属于电源变换电路技术领域。

背景技术

众所周知，电荷泵是一种“DC-DC”电压变换器，可以将输入电压经过变换产生倍压输出或负压输出。目前，在各种集成电路及电子设备中，电荷泵电路已经得到广泛应用。射频开关电路作为射频前端模块中的关键组件之一，其作用是准确同步的切换控制射频信号的传输路径，实现对射频信号的接收和发射。一般情况下，射频开关电路包括开关电路和电荷泵电路两个部分，其中，电荷泵电路的主要作用是为开关电路导通(on)或者关断(off)状态下提供偏置电压。

为了使射频开关电路在关断状态时具有良好的高功率处理能力、高线性度的性能，通常为开关晶体管的体端(body)提供一个负的偏置电压(Vneg，例如－2.5V)。当射频开关电路导通大功率射频信号时，由于开关晶体管的体端寄生电容和二极管的存在，会使大功率射频信号耦合到体端而产生直流电流泄露，使得开关晶体管的体端负的偏置电压被抬高。进一步，当开关晶体管的体端负的偏置电压过高时，射频开关电路会产生大量谐波，非线性更加明显，随着输入射频信号功率的提高，开关晶体管容易出现击穿现象(breakdown)，导致了射频开关电路的功率处理能力的下降。在现有技术中，解决射频开关电路中所存在的上述问题的方法，通常是调整改变开关电路的元件结构，例如在开关电路中增加晶体管或二极管改变电路连接结构，来抑制开关晶体管体端负的偏置电压的提高，从而提高射频开关电路的线性度和功率处理能力。

在授权公告号为CN110365360B的中国发明专利中，公开了一种射频开关电路，该射频开关电路由至少一个第一MOS晶体管或多个依次源漏相接而堆叠的第一MOS晶体管组成,每个第一MOS晶体管的源端和漏端之间连接有一个源漏电阻，栅端和体端之间连接一个导电类型相反且采用二极管接法的第二MOS晶体管。该射频开关电路改善了第一MOS晶体管的电压降分布不均匀的现象，减小了寄生电容对线性度的影响，同时避免了射频信号向偏置电路的泄漏，因此，改善和提高了射频开关电路的各项性能指标。

发明内容

本发明所要解决的首要技术问题在于提供一种功率自适应频率调节的电荷泵电路。

本发明所要解决的另一技术问题在于提供一种包括上述电荷泵电路的集成电路芯片。

本发明所要解决的又一技术问题在于提供一种包括上述电荷泵电路的电子设备。

为了实现上述目的，本发明采用下述的技术方案：

根据本发明实施例的第一方面，提供一种功率自适应频率调节的电荷泵电路，包括负压产生单元、射频开关检波单元、负压监测反馈单元和压控振荡器单元；其中，

所述射频开关检波单元的输入端与射频开关电路中的开关晶体管的体端连接，所述射频开关检波单元的输出端分别与所述负压监测反馈单元的输入端及所述负压产生单元的输出端连接，所述负压监测反馈单元的输出端与所述压控振荡器单元的输入端连接，所述压控振荡器单元的输出端与所述负压产生单元的输入端连接，形成所述电荷泵电路的闭环反馈调节回路；

所述射频开关检波单元用于检测射频开关电路中的开关晶体管的体端电压的变化，所述负压监测反馈单元用于监测开关晶体管体端电压的变化量并经过转变形成一个控制电压输出给所述压控振荡器单元，所述压控振荡器单元用于将输入的控制电压经过变换产生一定频率的时钟信号输出给所述负压产生单元，所述负压产生单元接收到一定频率的时钟信号后自动调节输出电压的大小，从而使所述电荷泵电路输出的偏置电压得到自动调节。

其中较优地，所述射频开关检波单元包括第一体端串联电阻、第二体端串联电阻、第三体端串联电阻……第n体端串联电阻和第一体端偏置电阻；其中，

所述第一体端串联电阻、第二体端串联电阻、第三体端串联电阻……第n体端串联电阻的一端分别与所述射频开关电路中对应开关晶体管的体端连接，上述n个体端串联电阻另一端相互并联后与所述第一体端偏置电阻连接，所述第一体端偏置电阻的另一端作为所述射频开关检波单元的输出端与所述负压监测反馈单元的输入端及所述负压产生单元的输出端连接，其中n为射频开关电路中的开关晶体管的数量。

其中较优地，所述负压监测反馈单元包括负压监测电路和误差放大器电路；其中，

所述负压监测电路可以采用电阻分压电路或者二极管分压电路，所述误差放大器电路采用一个误差放大器构成；所述负压监测电路的输出端(即分压端)与所述误差放大器的反相端连接，所述误差放大器的同相端连接参考电压Vref，所述误差放大器的输出端作为所述负压监测反馈单元的输出端与所述压控振荡器单元的输入端连接。

其中较优地，所述负压监测电路中，通过合理设计电源电压VDD的大小和分压电阻比例，使得负压监测电路的输出电压始终大于等于接地电压(零电位)。

其中较优地，所述压控振荡器单元包括一个压控振荡器和一个晶体管；其中，所述压控振荡器可以采用电流饥饿型环形振荡器或者RC延时压控振荡电路；所述晶体管的栅极作为所述压控振荡器的输入端与所述负压监测反馈单元的输出端连接，所述晶体管的源极与电源电压VDD连接，所述晶体管的漏极与所述压控振荡器的控制端连接，所述压控振荡器的输出端作为所述压控振荡器单元的输出端与所述负压产生单元的输入端连接。

其中较优地，所述功率自适应频率调节的电荷泵电路适用于所述射频开关电路，为所述射频开关电路中的开关晶体管的体端提供负的偏置电压。

根据本发明实施例的第二方面，提供一种集成电路芯片，其中包括上述的电荷泵电路。

根据本发明实施例的第三方面，提供一种电子设备，其中包括上述的电荷泵电路。

与现有技术相比较，本发明所提供的功率自适应频率调节的电荷泵电路，采用动态调整电荷泵电路输入时钟信号频率的方案，从而调整了射频开关电路中的开关晶体管的体端负的偏置电压的大小，在保证信噪比和不增大芯片面积的情况下，有效解决了在大功率射频信号的工况下，射频开关电路中晶体管开关体端偏置电压被抬高的问题，提高了射频开关电路的线性度和功率处理能力。因此，本发明所提供的功率自适应频率调节的电荷泵电路具有结构设计巧妙合理、生产成本较低，芯片尺寸较小，以及射频开关电路性能优异等有益效果。

附图说明

图1为本发明所提供的一种功率自适应频率调节的电荷泵电路的结构框图；

图2为本发明的一个实施例中，功率自适应频率调节的电荷泵电路的原理结构图；

图3为本发明的一个实施例中，压控振荡器单元的电路原理图；

图4为本发明的一个实施例中，现有技术与本发明实施例提供的电荷泵电路在不同工况下输出偏置电压的对比仿真图；

图5为本发明的一个实施例中，本发明实施例提供的电荷泵电路在不同工况下压控振荡器输出时钟频率的对比仿真图；

图6为采用本发明实施例提供的电荷泵电路的电子设备的示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明的技术方案做进一步的详细说明。

如图1所示，在本发明的一个实施例中，功率自适应频率调节的电荷泵电路包括射频开关检波单元、负压监测反馈单元、压控振荡器单元和负压产生单元。其中，射频开关检波单元的输入端与射频开关电路中的开关晶体管的体端连接，射频开关检波单元的输出端分别与负压监测反馈单元的输入端及负压产生单元的输出端连接，负压监测反馈单元的输出端与压控振荡器单元的输入端连接，压控振荡器单元的输出端与负压产生单元的输入端连接，形成电荷泵电路的闭环反馈调节回路。

其中，射频开关检波单元用来检测射频开关电路中的开关晶体管的体端电压的变化；负压监测反馈单元是将开关晶体管体端电压的变化量经过转变形成一个控制电压输出给压控振荡器单元。压控振荡器单元根据输入的控制电压经过变换产生一定频率的时钟信号输出给负压产生单元；负压产生单元根据接收到的一定频率的时钟信号自动调节输出电压的大小，从而使电荷泵电路输出的负的偏置电压得到自动调节。

如图2所示，在本发明的一个实施例中，射频开关检波单元包括射频开关电路中各开关晶体管体端的串联电阻和体端偏置电阻。其中，射频开关电路中各开关晶体管体端串联电阻的一端相互并联后与体端偏置电阻串联连接，体端偏置电阻的另一端作为射频开关检波单元的输出端。

如图2所示，射频开关检波单元包括第一体端串联电阻Rb1、第二体端串联电阻Rb2、第三体端串联电阻Rb3……第n(n为开关电路中的开关晶体管的数量)体端串联电阻Rbn和第一体端偏置电阻Rb0。其中，第一体端串联电阻Rb1、第二体端串联电阻Rb2、第三体端串联电阻Rb3……第n(n为开关电路中的开关晶体管的数量)体端串联电阻Rbn的一端分别与开关电路中对应开关晶体管的体端连接，上述n个体端串联电阻另一端相互并联后与第一体端偏置电阻Rb0连接，第一体端偏置电阻Rb0的另一端作为射频开关检波单元的输出端与负压监测反馈单元的输入端及负压产生单元的输出端连接。

负压监测反馈单元包括负压监测电路和误差放大器电路，在本发明的一个实施例中，负压监测电路由两个电阻串联形成的分压电路构成，即第一电阻Rj1和第二电阻Rj2串联，第一电阻Rj1的另一端作为负压监测反馈单元的输入端与负压产生单元的输出端及射频开关检波单元的输出端连接，第二电阻Rj2的另一端与电源电压VDD连接，第一电阻Rj1和第二电阻Rj2的连接点(即分压端)作为负压监测电路的输出端与误差放大器电路中误差放大器的反相端连接；误差放大器电路由一个误差放大器构成，该误差放大器的同相端连接参考电压Vref，误差放大器的输出端作为负压监测反馈单元的输出端与压控振荡器单元的输入端连接。

需要说明的是，负压监测电路并不局限于采用上述电阻分压电路，还可以采用二极管分压电路以及其它形式的分压电路实现。另一方面，通过合理设计电源电压VDD的大小和分压电阻比例，使得负压监测电路的输出电压始终大于等于接地电压(零电位)。

在本发明的一个实际例中，压控振荡器单元包括一个压控振荡器和一个晶体管Ma，其中第一晶体管Ma的栅极作为压控振荡器的输入端与负压监测反馈单元的输出端连接，第一晶体管Ma的源极与电源电压VDD连接，第一晶体管Ma的漏极与压控振荡器的控制端连接，压控振荡器的输出端作为压控振荡器单元的输出端与负压产生单元的输入端连接。

其中，压控振荡器可以采用电流饥饿型环形振荡器，或者RC延时压控振荡电路，以及其它形式的振荡器电路来实现。

如图3所示，在本发明的一个实施例中，压控振荡器采用电流饥饿型环形振荡器，由反相器与可调电容并联构成的三个反相器单元相互串联形成闭合环型振荡器，各反相器单元的电源端相互并联后连接两路电源，一路为固定电流值的参考电流源Iref，另外一路由控制电压Vctrl控制PMOS晶体管栅极而形成的电流源。由三个反相器单元之间引出三个输出端，这三个输出端可以输出3个同频不同相位的时钟信号，三个输出端分别与电平转换器连接，时钟信号经电平转换器整形后输出整形后的时钟信号，输入至电荷示电路。环形振荡器输出的时钟信号频率随着注入电流与可调电容的大小而变化，从而调节了电荷泵的输出电压Vneg。

负压产生单元即是为射频开关电路提供偏置电压的电荷泵，可以采用负压式开关电容电压变换器或其它形式的负压式电荷泵。其输出端与射频开关检波单元的输出端及负压监测反馈单元的输入端连接。负压产生单元与射频开关检波单元之间也可以设置有控制电路，用于控制射频开关导通和关断。

下面，对本发明实施例所提供的功率自适应频率调节的电荷泵电路的工作原理进行详细的分析说明。

如图2所示，射频开关电路在关断状态下，负压产生单元为开关晶体管的体端(body)提供负的偏置电压Vneg，当射频开关电路的输入端RFin有大功率的射频信号输入时，由于晶体管的体端寄生电容和二极管的存在，晶体管开关M1、M2、M3……Mn的体端会产生泄露电流Ileakage，造成偏置电压Vneg的被抬高。偏置电压Vneg与泄露电流Ileakage可以由公式得出：

Vneg＝Vs－Ileakage·Rs (1)

其中，Vs为电荷泵的等效电源电压；Rs为电荷泵的等效内阻。

电荷泵的等效内阻与时钟频率及电容大小的关系如下：

Rs∝1/f·C(2)

其中，f为电荷泵充放电的时钟频率；C为电荷泵充放电电容的电容值。

从公式1和公式2可以看出，当电荷泵的等效内阻Rs足够小时，偏置电压Vneg受泄露电流Ileakage的影响非常小，可以忽略不计。减小电荷泵的等效内阻Rs的方法有两种，增大充放电电容或者加快时钟频率。采用增大电荷泵内部的充放电电容(flying cap)的方法，无疑会增大整个芯片面积，而采用加快电荷泵充放电的时钟频率，又会造成射频开关电路在小功率射频信号的工况下，由于时钟频率过高引起的噪声问题。

因此，本发明在不增加芯片面积的情况下，采用动态调节时钟信号频率的技术方案，来解决射频开关电路中的开关晶体管体端偏置电压的稳定性问题。

当射频开关电路的输入端RFin有大功率的射频信号输入时，射频开关检波单元检测到射频开关电路中晶体管开关的体端偏置电压Vneg被抬高，负压监测反馈单元中负压监测电路的输出端电压Vf，会在初始电压设计值的基础上叠加偏置电压Vneg的改变分量。例如，假设偏置电压Vneg的初始电位为－2.5V，通过设计电源电压VDD以及两个分压电阻的比例，将负压监测电路的输出端电压Vf的初始电压偏置到1V。当偏置电压Vneg发生变化时，负压监测电路的输出电压Vf也会随之发生变化。负压监测电路的输出电压Vf输入至误差放大器P的反相输入端，其与参考电压Vref的差值经过误差放大器P进行信号放大，将偏置电压Vneg的变化量转化为误差放大器P的输出电压Vctrl输入至压控振荡器单元，压控振荡单元根据输入的控制电压Vctrl自动调节输出时钟信号的频率fclk，当偏置电压Vneg被抬高时，则输出时钟信号的频率fclk加快，负压产生单元接收到频率加快的时钟信号后，根据公式1和公式2可知，电荷泵的等效内阻Rs随之减小，由泄露电流Ileakage引起的偏置电压Vneg被抬高的变化量减小，使偏置电压Vneg降低至原设定值。

当射频开关电路的输入端RFin输入的射频信号功率减小时，开关晶体体端产生的泄露电流Ileakage会减小，偏置电压Vneg会恢复到一个比较低的电压，则按照上述相同的工作原理，各单元协同工作，压控振荡单元输出的时钟信号的频率fclk减慢，从而使得射频开关电路在小功率射频信号的工况下，保持了射频开关电路的低噪声性能。由于整个调节系统是一个闭环的反馈系统，最终各个单元电路的输出均是稳态的，只有在输入射频信号的功率发生改变时，调节系统才进行自适应的动态频率调节。

在上述调节过程中，负压监测电路的输出电压Vf随着负偏置电压Vneg的变化作同向单调变化；误差放大器的输出电压Vctrl随着负偏置电压Vneg的变化作反向单调变化；压控振荡器输出的时钟信号频率fclk随着输入控制电压Vctrl的变化作反向单调变化；

为了验证本发明实施例提供的功率自适应频率调节的电荷泵电路的优异性能，发明人对现有技术方案(无偏置电压调节措施)和图2所示的本发明实施例提供的技术方案分别进行了对比仿真测试。

如图4所示，为电荷泵电路在不同工况下输出偏置电压Vneg的仿真测试结果，图4中横坐标为时间(time)，纵坐标为偏置电压Vneg；上图中输入射频信号的功率为26dbm，下图中输入射频信号的功率为35dbm；虚线代表现有技术方案，实线代表本发明实施例提供的技术方案。

从仿真测试结果中可以看出，当射频开关电路输入的射频信号为大功率的状态下，现有技术方案的电荷泵电路输出偏置电压Vneg被抬高至约－2.0V，而本发明实施例提供的电荷泵电路，在同样的输入射频信号的功率值下，其出偏置电压Vneg仍然保持在原有设定值约－2.3V；当射频开关电路输入的射频信号为小功率的状态下，现有技术方案的电荷泵电路和本发明实施例提供的电荷泵电路，其输出偏置电压Vneg均保持在原有设定值约－2.3V。

如图5所示，为本发明实施例提供的电荷泵电路在不同工况下压控振荡器输出时钟频率fclk的仿真测试结果。图5中横坐标为时间(time)，纵坐标为时钟信号fclk的电平值；上图中输入射频信号的功率为35dbm，下图中输入射频信号的功率为26dbm。

从仿真测试结果中可以看出，当射频开关电路输入的射频信号为大功率的状态下，经过本发明技术方案中各单元电路的自动调节，压控振荡器输出时钟频率fclk加快；当射频开关电路输入的射频信号为小功率的状态下，经过本发明技术方案中各单元电路的自动调节，压控振荡器输出时钟频率fclk减慢。

本发明实施例还提供一种集成电路芯片。该集成电路芯片包括上述功率自适应频率调节的电荷泵电路，用于在射频前端模块中为射频开关电路提供偏置电压，其作用是使射频开关电路在不同工况下，通过时钟信号频率的调整，来保证射频开关电路中的开关晶体管体端偏置电压的稳定性。对于该集成电路芯片中的基于功率自适应频率调节的电荷泵电路的具体结构，在此不再赘述。

另外，本发明所提供的功率自适应频率调节的电荷泵电路还可以被用在电子设备中，作为电源组件或通信组件的重要组成部分。这里所说的电子设备是指可以在移动环境中使用，支持GSM、EDGE、TD_SCDMA、TDD_LTE、FDD_LTE、5G等多种通信制式的计算机设备，包括移动电话、笔记本电脑、平板电脑、车载电脑等。此外，本发明所提供的技术方案也适用于其他电源组件或通信组件应用的场合，例如通信基站、智能网联汽车等。

如图6所示，该电子设备至少包括处理器和存储器，还可以根据实际需要进一步包括通信组件、传感器组件、电源组件、多媒体组件及输入/输出接口。其中，存储器、通信组件、传感器组件、电源组件、多媒体组件及输入/输出接口均与该处理器连接。存储器可以是静态随机存取存储器(SRAM)、电可擦除可编程只读存储器(EEPROM)、可擦除可编程只读存储器(EPROM)、可编程只读存储器(PROM)、只读存储器(ROM)、磁存储器、快闪存储器等，处理器可以是中央处理器(CPU)、图形处理器(GPU)、现场可编程逻辑门阵列(FPGA)、专用集成电路(ASIC)、数字信号处理(DSP)芯片等。其它通信组件、传感器组件、电源组件、多媒体组件等均可以采用通用部件实现，在此就不具体说明了。

通过上述实施例对本发明的技术方案的具体描述可以看出，本发明所提供的功率自适应频率调节的电荷泵电路，采用动态调整电荷泵电路输入时钟信号频率的技术方案，从而调整了射频开关电路中的开关晶体管的体端负的偏置电压的大小，在保证信噪比和不增大芯片面积的情况下，有效解决了在大功率射频信号的工况下，射频开关电路中晶体管开关体端偏置电压被抬高的问题，提高了射频开关电路的线性度和功率处理能力。因此，本发明所提供的功率自适应频率调节的电荷泵电路具有结构设计巧妙合理、生产成本较低，芯片尺寸较小，以及射频开关电路性能优异等有益效果。

以上对本发明所提供的功率自适应频率调节的电荷泵电路、电子设备及调节方法进行了详细的说明。对本领域的一般技术人员而言，在不背离本发明实质内容的前提下对它所做的任何显而易见的改动，都将属于本发明专利权的保护范围。