一种高效率低功耗的电荷泵设计
一种高增益低纹波的电荷泵电路
一种高增益低纹波的电荷泵电路徐彦峰;钱栋良;李环;吴琪【摘要】针对现有电荷泵存在的体效应、电荷回流等问题,提出一种高增益低纹波的电荷泵电路.该电荷泵采用两路互补的结构,减小了输出电压纹波;使用电位选择电路消除体效应,并使用两相低电平不交叠时钟避免电荷回流,提高了电压增益和转换效率.Hspice仿真结果表明,在级数同为5级和电流负载相同的情况下,文中提出的电荷泵相比现有电荷泵具有更高的输出电压和更小的电压纹波.【期刊名称】《电子与封装》【年(卷),期】2017(017)007【总页数】4页(P21-24)【关键词】电荷泵;电压增益;转换效率;电压纹波【作者】徐彦峰;钱栋良;李环;吴琪【作者单位】中国电子科技集团公司第五十八研究所,江苏无锡214072;无锡中微亿芯有限公司,江苏无锡214072;无锡中微亿芯有限公司,江苏无锡214072;无锡中微亿芯有限公司,江苏无锡214072【正文语种】中文【中图分类】TN432电荷泵是一种通过电容累积电荷而产生比供电电压更高电压的电路，常应用在Flash存储器和EEPROM中以提供擦写操作所需的高压[1～2]。
随着人们对低功耗设计的追求，供电电压越来越低，这对电荷泵的转换效率和电压增益提出了更高的要求。
传统的Dickson电荷泵[3]受体效应的影响，输出电压和转换效率都非常小。
Shin等人[4]在电荷泵中加入电位选择电路，消除了PMOS管的体效应，提高了输出电压和转换效率，但该电荷泵的输出电压纹波比较大。
Sawada等人[5]使用额外的两相时钟控制传输管的栅压以减小体效应的影响，该方法使用了四相时钟和自举电路，增加了电路的复杂度。
Pelliconi等人[6]提出交叉耦合电荷泵，提高了电压增益，然而在时钟转换期间出现电荷回流，效率较低。
本文在研究现有电荷泵的基础上，提出一种高增益低纹波的电荷泵电路。
为了避免体效应和电荷回流现象，该电荷泵使用电位选择电路和两相低电平不交叠时钟，提升了电压增益和转换效率。
高性能电荷泵电路设计与HSPICE仿真
第40卷第3期2010年6月微电子学MicroelectronicsV o l 40,N o.3Jun.2010收稿日期:2009 10 31;定稿日期:2009 12 29高性能电荷泵电路设计与H SPICE 仿真张 序,于海勋(西北工业大学电子信息学院,西安710129)摘 要: 电荷泵锁相环具有高速、低功耗、低抖动等特点。
电荷泵是锁相环中的关键模块,它实质上是一个开关电流源,需具有精准稳定的恒流源和理想的开关。
在模块运行中,一般会出现电荷共享及充放电电流不匹配等现象。
通过自举的方法,可以较好地消除电荷共享现象;采用电流跟随电路,可以使充放电电流得到较好匹配。
基于2.5V 0.25 m CM OS 工艺,设计了一个高性能电荷泵。
采用Synopsy s 公司的H spice 仿真软件,对设计的电路进行模拟仿真。
结果显示,在1.45V 至2.0V 之间,充放电电流几乎相等。
关键词: 锁相环;电荷泵;电流匹配中图分类号:T N911.8文献标识码:A文章编号:1004 3365(2010)03 0317 04Design and H SPICE Simulation of H igh Performance Charge Pump CircuitZH ANG Xu,YU H aixun(Colleg e of Elec tr onics and Inf ormation,N or th w ester n P olytechnical Univ ersity ,X i an 710129,P.R.China)Abstract: Char ge pump phase locked loo ps (CP PL L )features high speed,low po wer ,low jitt er and so o n.Charg e pum p,a key block in P LL ,is essentially a sw itched current source,w hich requires a precise and st able con stant cur rent source and an ideal sw itch.H ow ev er,charg e sharing and charg e/discha rge mismatch w ould occur dur ing operation.By boo tst rapping ,cha rg e sharing could be elim inat ed,and by using a curr ent follo wer cir cuit,the char ge/discharg e cur rent co uld could be well matched.Based on 2.5V 0.25 m CM O S pro cess,a high per formance char ge pum p w as designed and simulated w ith Hspice.Simulation r esults show ed that charg e and dischar ge cur rents of the circuit w ere almo st equal in the vo ltag e range fr om 1.45V to 2.0V.Key words: PL L;Char ge pump;Cur rent match EEAC C: 2570D1 引言电荷泵锁相环是锁相环的一种,它在通讯、数字电路、无线电系统等领域有着广泛的应用。
一种适用于相变存储器锁相环时钟的新型电荷泵
典 型 的 电荷 泵 由两 个 带 开 关 控 制 的 电流 源 组 成 ，根 据 ＵＰ ／ ＤＯＷＮ 脉 冲 信 号 来 决 定 是 否 对 环 路 滤 波
器进 行充放 电， 从 而将 相 位 差 转 换 成 压 控 振 荡 器 （ ＶＣ Ｏ） 的 控 制 信 号 州。电荷 泵 有 ３个 状 态 ： Ｉ ． ｕ ｐ ＝ｌ ： 增 大 ；２ ． ｄ ｏ ｗ ｎ ＝ １ ： ｌ 减 小 ；３ ． ｕ ｐ ＝ ｄ ｏ ｗｎ ＝ Ｏ ： 保 持 ， 电荷 泵 的 电路 模 型 如 图 １所 示 。
第 １ ８ 卷 第１ 期
２ ０ １ ３ 年 ２月
文章编号 ：１ ０ ０ ７ — ０ ２ ４ ９（ ２ ０ １ ３ ） ０ １ ． ０ ４ ４ ９ — ０ ４
电路 与 系 统 学 报
Ｊ ０ＵＲＮＡＬ ＯＦ ＣＩ ＲＣ ＵＩ ＴＳ ＡＮＤ Ｓ ＹＳ ＴＥ ＭＳ
Ｖｏ１ ． １ ８
（ ｃ ｈ ａ ｒ ｇ ｅ ｐ ｕ ｍｐ ，Ｃ Ｐ） 作 为锁 相 环 电路 的 一 个 重 要 组 成 部 分 ，其 作 用 是 将 鉴 频 鉴 相 器 （ Ｐ Ｆ Ｄ）输 出 的数 字 信 号 ＵＰ ／ ＤＯＷＮ 转 换 成模 拟信号， 从而控制压控振荡器 （ ＶＣ Ｏ）
的频率 。
６０￣ ｔ ｍ ￣５５ｐｍ 。
关 键词 ｔ电荷泵 ；锁相 环 ；相位 噪声 ；相 变存 储器 中图 分类号 。Ｔ Ｎ４ ３ ２ 文献标识码 。Ａ
ｌ ，
１
引 言
电荷 泵 锁 相 环 （ ｃ ｈ ａ ｒ ｇ ｅ ｐ ｕ ｍｐ ｐ ｈ ａ ｓ ｅ ｌ ｏ ｃ ｋ ｅ ｄ ｌ ｏ ｏ ｐ ，Ｃ Ｐ Ｐ Ｌ Ｌ）作 为 数 模 混 合
一种基于电荷泵的衬底电位选择器设计
第３３卷第４期 ２０１３年８月 桂林电子科技大学学报 Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｇｕｉｌｉｎ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆ Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ＶｏＩ．３３，Ｎｏ．４
Ａｕｇ．２０１３
一种基于电荷泵的衬底电位选择器设计 陈阳光，张扬，李 琦 （桂林电子科技大学信息与通信学院，广西桂林５４１００４） 摘要：为避免电荷泵中ＰＭＯＳ开关管的衬底发生闩锁现象，设计了一款高效低功耗的衬底电位选择器。选择器 由偏置电路、比较电路、输出级３部分组成，电荷泵输出电压不仅作为独立偏置电路的电源，而且作为源端输入带 迟滞功能的电压比较器的输入信号。与电源电压相比较，通过比较电路产生一对控制信号，用以控制由２组 ＰＭＯＳ对管构成的输出级，使选择器始终输出芯片中的最高电压，并能在低电压下正常工作。仿真结果表明，该选 择器能够较准确地选择电路中的最高电压值，并具有０．３ Ｖ滞回区间，满足设计要求。 关键词：衬底电位选择器；滞回区间；低功耗；电荷泵 中图分类号：ＴＮ４９２ 文献标志码：Ａ 文章编号：１６７３—８０８Ｘ（２０１３）０４—０２７２—０３
Ｄｅｓｉｇｎ ｏｆ ａ ｓｕｂｓｔｒａｔｅ ｐｏｔｅｎｔｉａｌ ｓｅｌｅｃｔｏｒ ｂａｓｅｄ ｏｎ ｃｈａｒｇｅ ｐｕｍｐ Ｃｈｅｎ Ｙａｎｇｇｕａｎｇ，Ｚｈａｎｇ Ｙａｎｇ，Ｌｉ Ｑｉ （Ｓｃｈｏｏｌ ｏｆ Ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ ａｎｄ Ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｇｕｉｌｉｎ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆ Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｇｕｉｌｉｎ ５４１００４，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｉｎ ｏｒｄｅｒ ｔｏ ａｖｏｉｄ ｌａｔｃｈ ｐｈｅｎｏｍｅｎｏｎ ｏｆ ＰＭＯＳ ｓｗｉｔｃｈ ｔｕｂｅ ｓｕｂｓｔｒａｔｅ ｉｎ ｔｈｅ ｃｈａｒｇｅ ｐｕｍｐ，ａ ｅｆｆｉｃｉｅｎｔ ａｎｄ ｌｏｗ ｐｏｗｅｒ ｓｕｂｓｔｒａｔｅ ｐｏｔｅｎｔｉａｌ ｓｅｌｅｃｔｏｒ ｉｓ ｄｅｓｉｇｎｅｄ．Ｔｈｅ ｓｅｌｅｃｔｏｒ ｉｓ ｃｏｍｐｏｓｅｄ ｏｆ ｂｉａｓ ｃｉｒｃｕｉｔ，ｃｏｍｐａｒａｔｏｒ ａｎｄ ｏｕｔｐｕｔ ｌｅｖ— ｅ１．Ｔｈｅ ｏｕｔｐｕｔ ｖｏｌｔａｇｅ ｏｆ ｃｈａｒｇｅ ｐｕｍｐ ｎｏｔ ｏｎｌｙ ａｃｔｓ ａｓ ｐｏｗｅｒ ｓｕｐｐｌｙ ｏｆ ａｎ ｉｎｄｅｐｅｎｄｅｎｔ ｂｉａｓ ｃｉｒｃｕｉｔ，ｂｕｔ ａｌｓｏ ｉｎｐｕｔ ｓｉｇｎａｌ ｏｆ ｔｈｅ ｖｏｌｔａｇｅ ｃｏｍｐａｒａｔｏｒ ｗｉｔｈ ａ ｓｏｕｒｃｅ ｉｎｐｕｔ ａｎｄ ｈｙｓｔｅｒｅｓｉｓ ｆｕｎｃｔｉｏｎ．Ｃｏｍｐａｒｅｄ ｗｉｔｈ ｔｈｅ ｐｏｗｅｒ ｓｕｐｐｌｙ ｖｏｌｔ— ａｇｅ，ａ ｐａｉｒ ｃｏｎｔｒｏｌ ｓｉｇｎａｌ ｉｓ ｐｒｏｄｕｃｅｄ ｂｙ ｔｈｅ ｃｏｍｐａｒｉｓｏｎ ｃｉｒｃｕｉｔ ｔｏ ｃｏｎｔｒｏｌ ｔｈｅ ｏｕｔｐｕｔ ｓｔａｇｅ ｃｏｎｓｉｓｔｉｎｇ ｏｆ ｔｗｏ ｇｒｏｕｐｓ ｏｆ ＰＭＯＳ，ＳＯ ｔｈａｔ ｓｅｌｅｃｔｏｒ ａｌｗａｙｓ ｓｕｐｐｌｉｅｓ ｔｈｅ ｈｉｇｈｅｓｔ ｖｏｌｔａｇｅ ｏｆ ｃｈｉｐ ａｎｄ ｃａｎ ｎｏｒｍａｌｌｙ ｗｏｒｋ ｕｎｄｅｒ ｔｈｅ ｌｏｗ ｖｏｌｔａｇｅ． Ｔｈｅ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｒｅｓｕｌｔｓ ｓｈｏｗ ｔｈａｔ ｔｈｅ ｓｅｌｅｃｔｏｒ ｃａｎ ｓｅｌｅｃｔ ｔｈｅ ｈｉｇｈｅｓｔ ｖｏｌｔａｇｅ ｏｆ ｔｈｅ ｃｉｒｃｕｉｔ ａｃｃｕｒａｔｅｌｙ ａｎｄ ｈａｓ ０．３ Ｖ ｈｙｓｔｅｒｅｓｉｓ ｉｎｔｅｒｖａｌ，ａｎｄ ｍｅｅｔｓ ｔｈｅ ｄｅｓｉｇｎ ｒｅｑｕｉｒｅｍｅｎｔｓ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｓｕｂｓｔｒａｔｅ ｐｏｔｅｎｔｉａｌ ｓｅｌｅｃｔｏｒ；ｈｙｓｔｅｒｅｓｉｓ ｉｎｔｅｒｖａｌ；ｌｏｗ ｐｏｗｅｒ；ｃｈａｒｇｅ ｐｕｍｐ
一种用于驱动高边功率开关的电荷泵电路
设计应用esign & ApplicationD集成电路0 引言高边功率开关是功率集成电路的典型电路之一。
它是将驱动电路、控制电路与保护电路能够集成于一个芯片中，在一定程度上实现智能化的控制功能，将会大大降低芯片的设计难度并且提高其性能。
而电荷泵电路则是其中必不可少的重要驱动电路。
随着人们对便携式电子设备的消费需求越来越高，电子产品的高性能、低功耗、轻型化等需要使得电源开关相关的芯片性能要求愈加提升，而对电荷泵电路的性能要求也随之越来越高。
智能功率开关将控制电路，保护电路，驱动电路以及一些外围接口与功率开关做成一体化的集成芯片。
其中驱动电路就是本文所提及的电荷泵电路。
智能功率开关分为高边功率开关和低边功率开关，高边与低边的区别在用作开关作用的MOS 管接在电源端还是地端。
根据不同的应用环境会选择不同的功率开关。
高边功率开关如图1 所示，高压功率管NMOS 起主要的开关作用，通过电荷泵驱动电路对功率MOS 管的栅极进行充放电来控制其开启与关断。
电荷泵是一种电荷转移的方式进行工作的电路，在本文所研究的这款芯片中，电荷通过对功率管的栅电容进行周期性的充电，将栅电压逐渐提高到功率管的开启电压以上，从而保证芯片能够开启。
由于电荷泵会对栅极进行持续的充电，因此栅极电压会充到电源电压以上，需要一个钳位电路来限制栅极的最高电压，即电荷泵电路的输出电压。
图１ 高边功率开关电路原理1 电荷泵电路的设计背景和基本原理１．１ 电荷泵电路的设计背景一种用于驱动高边功率开关的电荷泵电路A charge pump technology for driving high-side power switch任 立 张国俊（电子科技大学 电子薄膜与集成器件国家重点实验室，四川 成都 610054）摘 要：提出了一种新型的电荷泵电路设计，该设计利用电容电压不能突变的原理，设计了一种可以用来驱动高边功率开关管栅极电压的电荷泵结构。
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ｃ ｏ ｎ ｓ ｕ ｍｐ ｔ ｉ ｏ ｎ ｏ ｆ ｔ ｈ ｅ ｐ ｕ ｍｐ． Ｋｅ ｙ ｗｏ ｒ ｄ ｓ： Ｃｈ ａ ｒ ｇ ｅ ｐ ｕ ｍｐ； Ｏｓ ｃ ｉ ｌ ｌ ａ ｔ ｏ ｒ ； Ｈｉ ｇ ｈ ｅ ｆ ｆ ｉ ｃ ｉ ｅ ｎｃ ｙ； Ｌ ｏ ｗ ｐ ｏ ｗｅ ｒ ｃ ｏ ｎ ｓ ｕ ｍｐ ｔ ｉ ｏ ｎ
ｔ ｈ ｅ ｓ ｉ ｍｕ ｌ ａ ｔ ｉ ｏ ｎ ｉ ｍａ ｇ ｅ ｓ ，ｗ ｅ ｃ ａ ｎ ｏ ｂ ｓ ｅ ｒ ｖ ｅ ｏ ｐ ｅ ｒ ａ ｔ ｉ ｏ ｎ ｓ ｔ ａ ｔ ｅ ａ ｎ ｄ ｒ ｅ ａ ｌ ｉ ｚ ａ ｔ ｉ ｏ ｎ ｏ ｆ ｈ ｉ ｇ ｈ ｅ ｆ ｆ ｉ ｃ ｉ ｅ ｎ ｃ ｙ ａ ｎ ｄ ｌ ｏ ｗ ｐ ｏ ｗ ｅ ｒ
Ｎｏ ． ６
微
处
理
机
第 ６期
２ ０ １ ３年 Ｉ ２月
Ｄ ｅ ｃ ． ， ２ ０１ ３
ＭＩ ＣＲＯＰ ＲＯＣＥ Ｓ Ｓ ０ＲＳ
一
种 高效 率低 功耗 的电荷泵 设 计
杨 玉飞 ， 李 瑞， 任志伟
（ 中 国电子科 技集 团公 司第 四十七研 究所 ， 沈阳 １ １ ０ ０ ３ ２ ）
一
图 ２给 出 了一个 产生 高 电压 的 电荷 泵 电路 。下 面分 析一下该 电 荷 泵 的工 作 原 理 。ｐ ｕ ｌ ｌ — ｅ ｎ是 上 拉 使能 信 号 ， 电荷 泵 工 作 的前 提 条件 是 ｐ ｕ ｌ ｌ — ｅ ｎ：１ 。 Ｏ Ｓ Ｃ是振荡器 产 生 的信 号 ， 通过 两 级 反相 提供 两 个 反相 的 时 钟 信 号 。假 设 该 电路 不 带 直 流 负 载 ， 当 Ｃ Ｌ Ｋ Ｎ是低 电平 时 ， 通过 Ｎ Ｉ Ｏ管 Ａ节 点 的 电压被 拉 到Ｖ Ｄ Ｄ—Ｖ Ｔ Ｈ 。当 Ｃ Ｌ Ｋ Ｎ 变 为高 电平 时 ， Ａ 节点 的
ｈ ｉ ｇ ｈ ｅ ｒ ｄ ｅ ｍａ ｎ ｄ ｆ ｏ ｒ ｔ ｈ ｅ ｐ ｏ ｗ ｅ ｒ ｃ ｏ ｎ ｓ ｕ ｍｐ ｔ ｉ ｏ ｎ ｉ ｓ ｐ ｒ ｏ ｖ ｉ ｄ ｅ ｄ ．Ｔ ｈ ｅ ｄ ｅ ｓ ｉ ｇ ｎ ｏ ｆ ｔ ｈ ｅ ｃ ｈ ａ ｒ ｇ ｅ ｐ ｕ ｍｐ ｗ ｉ ｔ ｈ ｈ ｉ ｇ ｈ ｅ ｆ ｆ ｉ ｃ ｉ ｅ ｎ ｃ ｙ
电压 。这个 电压可 以是大 于 Ｖ Ｄ Ｄ 的用 电荷 泵实 现 ，
电容能 充分 的 放 电 ， 在振 荡器 的 中间节 点加入一
些 电容来 增大 延时 ， 降低振 荡器 的频率 。
图 １ 带使 能控 制的环路振荡器
２ ． ２ 电荷泵 电路结 构
也 可 以是 小 于 Ｖ Ｓ Ｓ的用 负 电荷 泵 实 现 。这 里 介 绍
文章编 号 ： １ ０ ０ ２— ２ ２ ７ ９ （ ２ ０ １ ３ ） ０ ６— ０ ０ ２ ０— ０ ２
Ａ Ｄｅ ｓ ｉ ｇ ｎ ｏ ｎ Ｃｈ ａ ｒ ｇ ｅ Ｐｕ ｍｐ ｗｉ ｔ ｈ Ｈｉ ｇ ｈ Ｅ ｆ ｉ ｃ ｉ ｅ ｎ ｃ ｙ ａ ｎ ｄ Ｌ ｏ ｗ Ｐｏ ｗｅ ｒ Ｃｏ ｎ ｓ ｕ ｍｐ ｔ ｉ ｏ ｎ
ＹＡＮＧ Ｙｕ—ｆ ｅ ｉ ， Ｌ Ｉ Ｒｕ ｉ ， ＲＥＮ Ｚ ｈ ｉ—ｗｅ ｉ
（ Ｔ ｈ ｅ ４ ７ ｔ ｈ Ｒ ｅ ｓ ｅ ａ ｒ ｃ ｈ Ｉ ｎ ｓ ｔ ｉ ｔ ｕ ｔ ｅ ｏ ｆＣ ｈ ｉ ｎ ａ Ｅ ｌ ｅ ｃ ｔ ｒ ｏ ｎ ｉ ｃ ｓ Ｔ ｅ ｃ ｈ ｎ ｏ ｌ ｏ ｇ ｙ Ｇ ｒ ｏ ｕ ｐ Ｃ ｏ ｒ ｐ ｏ ｒ ａ ｔ ｉ ｏ ｎ ， Ｓ ｈ ｅ ｎ ｙ ａ ｎ ｇ １ １ ０ ０ ３ ２ ， Ｃ ｈ ｉ ｎ ａ ）
何 实现 高效率低 功耗 的。
关键词 ： 电荷泵； 振荡器 ； 高效率； 低功耗
Ｄ Ｏ Ｉ 编码： １ ０ ． ３ ９ ６ ９ ／ ｊ ． ｉ ｓ ｓ ｎ ． １ ０ ０ ２— ２ ２ ７ ９ ． ２ ０ １ ３ ． ０ ６ ． ０ ０ ７
中图分 类号 ： Ｔ Ｎ ４ ０ ２
文 献标识 码 ： Ａ
Ａｂ ｓ ｔ ｒ ａ ｃ ｔ ：Ｉ ｎ ｉ ｎ ｔ ｅ ｇ ｒ ａ ｔ ｅ ｃ ｉ ｒ ｃ ｕ ｉ ｔ ｄ ｅ ｓ ｉ ｇ ｎ， ａ ｓ ｔ ｈｅ ｓ ｉ ｚ ｅ ｏ ｆ ｉ ｎ ｔ ｅ ｇ ｒ ａ ｔ ｅ ｃ ｉ ｒ ｃ ｕ ｉ ｔ ｉ ｓ ｇ ｒ ａ ｄ ｕａ ｌ ｌ ｙ ｓ ｍａ ｌ ｌ ｅ ｒ ，ａ ｎ ｄ ｔ ｈ ｅ
１ 引 言
目前 随着集 成 电路 的不 断 发展 ， 对 于 一些 较 大 规模 的电路 ， 为 了追 求高效 率低 功耗 的性 能 ， 对 电压 的要求越 来越 高 ， 经 常需 要 多 电源 供 电 。在设 计这 种 电路 时 ， 需要 的 直 流 电压经 常不 在 Ｖ Ｓ Ｓ—Ｖ Ｄ Ｄ之 间， 这 时一般 会用 到 电荷 泵来 产生 电路 需 要 的工作
摘 要 ： 在 集成 电路设 计 中， 随着工 艺尺 寸越来越 小 ， 电路 在 功耗 方 面 的要 求越 来越 高 。设计 高效率低 功耗 的 电荷 泵 （ ｃ ｈ ａ ｒ ｇ ｅ ｐ ｕ ｍｐ ） ， 可 以提 高 电荷 泵 的 工作 效率 ， 降低 整个 电路 的功耗 。这 里 介绍 了一种 高效 率低 功耗 的 电荷 泵 ， 通 过仿真 图像 可以清楚地 看到 电荷泵 的工作 情况 ， 看 到 它是如