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[原创] 用于高线性度轨到轨输入放大器的电荷泵

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发表于 2022-8-17 16:38:56 | 显示全部楼层 |阅读模式

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本帖最后由 luminedinburgh 于 2022-8-21 12:55 编辑

实现轨到轨输入最直观的就是同时用N/P input pairs,很好,也能满足很多应用。但是当要求Full Input Range实现高线性度时,这种方案存在弊端:由于N与P的offset/gm不可能做到完全一致,切换前后存在差别,难以实现很高的线性度。在这种需求下,N/P只能用其一,其它的轨道轨的实现,我知道的,还有以下两种方式:
(a)电容隔直,Capacitive Coulpled Amplifer,3-AMP仪表放大器中,前2个输入AMP单端输出负反馈,差分输入几乎没有电压差,CVF引入的input-current将不再是问题。
(b)电荷泵给输入级尾电流供电,从而让单一类型的输入对实现GND-VDD的输入范围。

传统的电荷泵,Cross Coulpled Voltage Doubler,简单,但是输出Ripple较大,增加电荷泵频率、增加Resevoir Capacitor的性价比很低,且此类芯片通常要求低功耗和很少的片外器件。因此,需要一种纹波更小,面积效率更高的电荷泵,才能让电荷泵方案成为现实。之前我在贴吧问过如何实现低纹波电荷泵,可能问题过于笼统没有得到特别好的回应。

下面的文献基本上是我学习的过程,如果有问题请指教,分享也是希望能弥补我视野的局限,感谢!

 楼主| 发表于 2022-8-17 16:41:26 | 显示全部楼层
2004年,Ivanov《Operational amplifier speed and accuracy improvement》提出了低纹波电荷泵。 2008年,TI(Ivanov)的专利,VCP=VDD+Vth+IR,该电路是对传统Charge Pump,别名Voltage Doubler? 别名Charge Transfer Switched Pump?的改进,称为Current Mode Charge Pump。不出意外,TI的OPA363/OPA364应该都是以该技术实现的轨到轨输入。
[TI] US20080272833A1.pdf (594.91 KB, 下载次数: 47 )
[TI] OPA363.pdf (1.97 MB, 下载次数: 39 )

专利和书里直提供了原理框图,这个电路实现起来主要有以下问题:
(a)FlyCap的寄生电容怎么处理
(b)高压侧开关如何实现
(c)环路稳定性
 楼主| 发表于 2022-8-17 16:42:22 | 显示全部楼层
2017年,TI的欧洲专利,在Current Mode Charge Pump的基础上(2个电容2个Phase交替Recharge-Pump),“THREE-PHASE LOW NOISE CHARGE PUMP AND METHOD”,额外增加的PHASE,Recharge-Precharge-Pump,Precharge是为了预冲Fly-Cap的寄生电容,从而进一步减少切换时寄生电容吸收电荷产生的negtive-going的纹波。看似增加了一个Fly-Cap,Fly-Cap变成了1.5倍,但是用于稳压的Resevoir Cap可以大大减少,解决了使用MIM、MOM、Poly电容的寄生顾虑。
[TI] EP2036194B1.pdf (307.36 KB, 下载次数: 34 )
 楼主| 发表于 2022-8-17 16:46:48 | 显示全部楼层
追溯到一篇2006年TI Ivanov, e.t.的论文,不出意外,这个应该是电荷泵用于轨到轨输入放大器input tail current source的完整解决方案。

文献中同样提及寄生电容的优化方式:
"I1 should be 5-10% larger than I0 to compensate for charge loss in the switch parasitic capacitors and has to be shorted during start-up."
[Ivanov] A low ripple on-chip charge pump for bootstrapping of the noise-sensist.pdf (327.57 KB, 下载次数: 42 )

为了彻底解决寄生电容的问题,文献提出了两种:前馈/反馈的解决方案,应该都是precharge寄生电容:
(a)CURRENT-MODE CP WITH FEEDFORWARD COMPENSATION,在Recharge Phase和Pump Phase插入一小段V0=Vout-Vdd的预充寄生电容
(b)CURRENT-MODE CP WITH FEEDBACK COMPENSATION,这个其实就是3-Phase-3-FlyCap解决思路。




 楼主| 发表于 2022-8-17 16:47:40 | 显示全部楼层
继续[Ivanov] A low ripple on-chip charge pump for bootstrapping of the noise-sensistive nodes论文内容。

当寄生电容的问题解决后,主要的问题就是开关切换以及时序逻辑带来的噪声了,除了常规处理方法:
"In addition to the layout means of the supply and substrate noise isolation, circuit techniques with low noise generation should be used, such as speed decrease of logic gates and low-pass filtration of the supply current."
文献同时提出应该使用subregulator,subregulator产生一个高出GND的低电源轨GND2,然后用VDD-GND2给高压侧switches(level-shifter)/ring-osc供电。
 楼主| 发表于 2022-8-17 16:49:04 | 显示全部楼层
继续查找文献,Current Mode Charge Pump延申到了Regulated Switched-Capacitor DC-DC Converter领域,两者本质是一个东西。同样要求低纹波,区别在于DC-DC要求高效率、要求更大的负载电流>mA、要求负载切换时快速稳定响应、可以有片外滤波电容。现在的重点不是SC DC-DC,但是一些处理方法可以借鉴。
 楼主| 发表于 2022-8-17 16:50:19 | 显示全部楼层
本帖最后由 luminedinburgh 于 2022-8-18 08:16 编辑

(a)Load/Line Regulation,以及负载电流变化时的Fast Response,[JSSC]Hoilee2007设计了3-Stage-OPA作为控制单元以提供很大的Loop Gain,该OPA加入了一些Fast Transient Response设计,论文同时也分析了环路稳定性。
[JSSC]hoilee2007.pdf (1.53 MB, 下载次数: 35 )

(b)如果使用Cross Coupled Switch作为高压侧开关,无法实现Nonoverlaping,在切换瞬间会有Short-Circuit and Reversion Currents的问题,[JSSC]su2009(上海交大)提供了4-Phase-2-FlyCap的方案,同时可以看到,其实Voltage Doubler的4个开关都是有潜力作为“受控电流源”去Regulate输出电压的,换一个受控位置就成了switching low dropout regulator。这篇文章同样进行了环路稳定性分析,放大器后接Supper-Source-Follower去驱动PassDevice,环路PM>60
[JSSC]su2009.pdf (1.37 MB, 下载次数: 32 )

(c)ma2008(亚利桑那大学)提供了4-Phase-4-FlyCap的方案,在切换时刻,总有旧的FlyCap和新加入的FlyCap同时Pump,从而减少Input Current Ripple和Output Current Ripple,称之为Interleaving Regulation Scheme。文章提供了完整的无Level-Shifter高压侧Switch实现方案。
ma2008.pdf (1.02 MB, 下载次数: 30 )
发表于 2022-8-17 21:07:41 | 显示全部楼层
非常棒的分享
发表于 2022-8-17 21:35:51 | 显示全部楼层


luminedinburgh 发表于 2022-8-17 16:41
2004年,Ivanov《Operational amplifier speed and accuracy improvement》提出了低纹波电荷泵。 2008年,T ...


谢谢分享
发表于 2023-11-20 16:03:03 | 显示全部楼层
楼猪好棒!
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