用于高线性度轨到轨输入放大器的电荷泵

luminedinburgh · 发表于 2022-8-17 16:38:56

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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！

luminedinburgh · 发表于 2022-8-17 16:41:26

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: 43 )

[TI] OPA363.pdf (1.97 MB, 下载次数: 38 )

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

luminedinburgh · 发表于 2022-8-17 16:42:22

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 )

luminedinburgh · 发表于 2022-8-17 16:46:48

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。

luminedinburgh · 发表于 2022-8-17 16:47:40

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。

luminedinburgh · 发表于 2022-8-17 16:49:04

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。

luminedinburgh · 发表于 2022-8-17 16:50:19

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 )

jamesccp · 发表于 2022-8-17 21:07:41

非常棒的分享

PowerDesign · 发表于 2022-8-17 21:35:51

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

CmosLgh · 发表于 2023-11-20 16:03:03

楼猪好棒！

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