CN101267205A

CN101267205A - 一种电流可调的电荷泵电路

Info

Publication number: CN101267205A
Application number: CNA2008100240211A
Authority: CN
Inventors: 程雯; 褚炜路
Original assignee: WUXI ALPSCALE INTEGRATED CIRCUITS CO Ltd
Current assignee: Dongguan Runfeng Electronic Science and Technology Co., Ltd.
Priority date: 2008-04-24
Filing date: 2008-04-24
Publication date: 2008-09-17
Anticipated expiration: 2028-04-24
Also published as: CN101267205B

Abstract

一种电流可调的电荷泵电路，包括与外接电流源连接的电荷泵电流调节电路以及相连接的电荷泵开关电路，特征在于电荷泵电流调节电路由相连接的NMOS电流镜电路及PMOS电流镜电路构成，NMOS电流镜电路及PMOS电流镜电路分别由相应连接有开关管的电流镜境源支路及电流镜境像支路构成，相应支路上的境源管与境像管之间具有相对固定的比例尺寸，通过控制信号控制开关管的通断来选择境源支路或境像支路的数量，由此来改变所述NMOS电流镜电路及PMOS电流镜电路的输出电流，并通过电荷泵开关电路实现对电荷泵的充电电流及放电电流的调节，本发明不但能方便巧妙的调节电荷泵电流，而且可以调节得到与输入电流源成小数倍关系的电流。

Description

一种电流可调的电荷泵电路

技术领域

本发明涉及电荷泵(charge pump)电路，尤其涉及电流可调的电荷泵电路，主要应用于集成锁相环中的电荷泵集成模块。

背景技术

电荷泵锁相环的应用非常广泛，一般而言，其锁相环中的电荷泵由两个带开关的电流源组成，由前级鉴频或鉴相器(PFD)的输出决定所述开关的开启和关闭，从而决定是把电荷泵入到后级的环路滤波器(loop filter)还是将电荷从后级环路滤波器中泵出，由此得到的控制电压(vctrl)去控制后级压控振荡器(vco)。之所以要使电荷泵电路的电流可调，是为了可以灵活的调节上述控制电压(vctrl)，从而控制后级压控振荡器的振荡(vco)。

传统的上述电荷泵电路的电流是固定的，或者只好通过改变电流镜管子的宽长来调节电荷泵电路的电流。如果电荷泵电路的电流固定，只能通过调节环路滤波器或者压控振荡器来调整电荷泵锁相环的振荡频率，但是这样整个锁相环的传输函数都会发生大的改变，不利于整个环路的控制，调整很不方便；如果是通过改变电流镜管子的宽长来改变电荷泵电路中电流的大小，则只能在原基准电流源的基础上通过增加电流镜管子并联的个数来增大电流的大小，但不能实现减小电流的大小，而且每次的修改还需要涉及到版图的修改，也很不方便。

发明内容

针对上述电荷泵电路的缺点，本申请人作出了改进，提供另一种电流可调的电荷泵电路，其能方便地调节电荷泵锁相环的的振荡频率，结构简单实用。本发明的技术方案如下：

一种电流可调的电荷泵电路，包括电荷泵电流调节电路及电荷泵开关电路，外接电流源与电荷泵电流调节电路的电流输入端连接，电荷泵电流调节电路的电流输出端与电荷泵开关电路连接，通过电荷泵开关电路对电荷泵输出节点进行充电或放电；

所述电荷泵电流调节电路包括NMOS电流镜电路及PMOS电流镜电路，NMOS电流镜电路的电流输入端与所述外接电流源连接，NMOS电流镜电路的电流输出端与PMOS电流镜电路的电流输入端连接，PMOS电流镜电路的电流输出端与电荷泵开关电路的电流输入端连接；所述NMOS电流镜电路以及PMOS电流镜电路分别由NMOS镜源管支路、NMOS镜像管支路以及PMOS镜源管支路、PMOS镜像管支路连接组成，所述镜源管支路以及镜像管支路分别受控于开关控制信号，来选择连接的镜源管支路或者镜像管支路的条数，由此分别改变NMOS电流镜电路以及PMOS电流镜电路的输出电流，即改变电荷泵电流调节电路的输出电流；

进一步，所述NMOS电流镜电路包括至少两条由一对并联的NMOS镜源管构成的镜源管支路和至少一条由NMOS镜像管构成的镜像管支路；所述镜像管的源极接地，栅极与外接电流源连接，镜像管的电流输出端与所述PMOS电流镜电路的电流输入端连接，镜像管的输出电流即为NMOS电流镜电路的输出电流；所述镜源管的漏极与外接电流源连接，源极接地，栅极与地之间分别连接开关控制信号，通过所述开关控制信号的通断控制接入所述电流镜源管的个数，由此改变镜源管与镜像管之间尺寸大小的比值，从而改变镜像管支路上电流的大小，即改变所述NMOS电流镜电路的输出电流的大小；

所述PMOS电流镜电路包括连接有PMOS镜源管的镜源管支路和各条连接有PMOS镜像管的镜像管支路，所述镜像管支路上连接有开关控制信号，通过所述开关控制信号的通断控制接入所述镜像管支路的条数，来改变所述PMOS电流镜电路或所述电荷泵电流调节电路的输出电流的大小。

进一步，所述NMOS电流镜电路包括两条由一对并联的NMOS镜源管构成的镜源管支路和一条由NMOS镜像管构成的镜像管支路；所述镜像管的源极接地，栅极与外接电流源连接，镜像管的电流输出端与所述PMOS电流镜电路的电流输入端连接，镜像管的输出电流即为NMOS电流镜电路的输出电流；所述镜源管的漏极与外接电流源连接，源极接地，栅极与地之间分别连接开关控制信号，通过所述开关控制信号的通断控制接入所述电流镜源管的个数，由此改变镜源管与镜像管之间尺寸大小的比值，从而改变镜像管支路上电流的大小，即改变所述NMOS电流镜电路的输出电流的大小。作为典型情形，所述NMOS镜源管的尺寸是所述NMOS镜像管的尺寸的两倍。

所述PMOS电流镜电路包括一条连接有PMOS镜源管的镜源管支路和奇数条连接有PMOS镜像管的镜像管支路，所述镜像管支路上连接有开关控制信号，通过所述开关控制信号的通断控制接入所述镜像管支路的条数，来改变所述PMOS电流镜电路或所述电荷泵电流调节电路的输出电流的大小。

进一步，所述PMOS电流镜电路包括一条连接有PMOS镜源管的镜源管支路和五条连接图1为本发明结构的方框电路图接于同一PMOS镜像管，使得所述镜源管支路加上一部分所述镜像管支路的条数和与其余镜像管支路的条数和相等。作为典型情形，所述PMOS镜源管以及输入电路中的一条镜像管支路中的PMOS镜像管的尺寸是其余镜像支路中的PMOS镜像管尺寸的两倍。

本发明的有益技术效果在于：

本发明的NMOS电流镜电路以及PMOS电流镜电路中，镜源管支路以及镜像管支路分别受控于开关控制信号位，来选择连接的镜源管支路或者镜像管支路的条数，由此灵活地改变NMOS电流镜电路以及PMOS电流镜电路的输出电流，即改变电荷泵电流调节电路的输出电流。

由上述结构特点，加上合理设计镜源管与镜像管的尺寸之比，，本发明中的电荷泵电流调节电路还可以实现减小输出电流的大小，实现小数倍电流。

附图说明

图1为本发明结构的方框电路图；

图2为NMOS电流镜电路的原理图；

图3为PMOS电流镜电路的原理图；

图4为电荷泵开关电路的原理图；

图5为电荷泵电流调节电路实施例图；

图6为电荷泵开关电路实施例图。

附图中的符号说明：

Ibias10u：外部输入10u电流源；

I1-I6，In，Iout，Imirror，Iup，Idown：电流支路的标识，并同时表示该支路上电流值；

M1-M15，Mn，Mn1，Mdn，Mnp，Mnp1，Mp，Mp1，Mup：MOS管的标识；

VDDA，vdda：电源电压；

GNDA：接地；

(W)(2W)：MOS管的宽度尺寸；

dp_icp，dp_icpz，net1，net0，nd1，nd0，dn，up：控制信号的标识。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施作进一步的说明。

图1为本发明结构的方框电路图，见图1，本发明包括电荷泵电流调节电路1及电荷泵开关电路2，10uA外接电流源与电荷泵电流调节电路1的电流输入端连接，电荷泵电流调节电路1的电流输出端与电荷泵开关电路2连接，通过电荷泵开关电路2对电荷泵输出节点进行充电或放电.

电荷泵电流调节电路1包括NMOS电流镜电路4及PMOS电流镜电路3，NMOS电流镜电路4的电流输入端与所述外接电流源连接，NMOS电流镜电路4的电流输出端与PMOS电流镜电路3的电流输入端连接，PMOS电流镜电路3的电流输出端与电荷泵开关电路2的电流输入端连接。

图2为NMOS电流镜电路的原理图，见图2，NMOS电流镜电路4包括两条由一对并联的NMOS镜源管M1、M2构成的镜源管支路和一条由NMOS镜像管M3构成的镜像管支路；所述镜像管M3的源极接地，栅极与10uA外接电流源连接，镜像管M3的电流输出端与所述PMOS电流镜电路3的电流输入端连接，镜像管M3的输出电流In即为NMOS电流镜电路4的输出电流；所述镜源管M1、M2的漏极与外接10uA电流源连接，源极接地，栅极与地之间分别连接开关控制信号S1n、S2n，通过所述开关控制信号S1n、S2n的通断控制接入所述电流镜源管M1、M2的个数，由此改变镜源管与镜像管M3之间尺寸大小的比值，从而改变镜像管M3支路上电流的大小，即改变所述NMOS电流镜电路的输出电流In的大小。

图3为PMOS电流镜电路的原理图，见图3，NMOS电流镜电路4的输出电流In作为PMOS电流镜电路3的输入，PMOS电流镜电路3的模块中包含一条电流镜的源支路I1和五条镜像支路I2-I6。该部分有四个控制信号s2p-s5p作为开关，分别用于控制四条镜像支路I2-I5的通断。源支路I1和前两条镜像支路I2和I3的电流之和是该电流镜的输入电流，即In＝I1+I2+I3。后三条镜像支路I4-I6的电流之和是该电流镜的输出电流，也即是电流可调部分的输出电流Iout＝I4+I5+I6。由于I2-I6都是由I1镜像而来，所以我们可以设I2＝n2*I1，I3＝n3*I1，I4＝n4*I1，I5＝n5*I1，I6＝n6*I1，n2-n6由镜像源管和镜像管的尺寸的比例以及该支路的通断决定，如果该支路导通，n2-n6中与该导通支路相应的系数值ni，由镜源管和该导通支路中镜像管的尺寸比例决定，如果该支路不导通，则ni(i＝2-5)＝0。于是有In＝(1+n2+n3)*I1，I1＝In/(1+n2+n3)，那么Iout＝(n4+n5+n6)*I 1＝(n4+n5+n6)*In/(1+n2+n3)。在应用中不希望改变管子的尺寸来调整电流的大小，所以在本电路中可以通过改变开关s2p-s5p的通断来改变Iout的大小。

图3五条镜像支路I2-I6中，有两条镜像管支路I3、I4连接于同一PMOS镜像管，镜源管支路I1加上镜像管支路I2、I3共三条，为输入电流支路，其余镜像管支路I4、I5、I6输出电流支路，也为三条，两者相等，如此使NMOS电流镜电路集成模块中，输入电流电路与输出电流电路有好的匹配性能。

图5为电荷泵电流调节电路的具体实施例图。

见图5，其中M9-M14作为开关管，其栅极分别由来自鉴频鉴相器(PFD)的控制信号dp_icp，dp_icpz，net1，net0，nd1，nd0控制。

见图1、图2、图5，NMOS电流镜电路4包括两条由一对并联的NMOS镜源管M1、M2构成的镜源管支路和一条由NMOS镜像管M3构成的镜像管支路；镜像管M3的源极接地，栅极与10uA外接电流源连接，镜像管M3的漏极作为电流输出端，与所述PMOS电流镜电路3的电流输入端连接，镜像管M3的输出电流In即为NMOS电流镜电路4的输出电流；所述镜源管M1、M2的漏极与外接10uA电流源连接，源极接地，栅极与地之间分别连接开关管M10、(M9+M10)，开关管M9、M10的栅极分别由控制信号dp_icp、dp_icpz控制，控制接入电流镜源管M1、M2的个数，由此改变镜源管与镜像管M3之间尺寸大小的比值，从而改变镜像管M3支路上电流的大小，即改变所述NMOS电流镜电路的输出电流In的大小。

NMOS电流镜电路4输出电流In的计算：

10u电流源流入NMOS电流镜电路4，当db_icp＝1，db_icpz＝0时，两个并联NMOS管M1和M2都接入电路作为电流镜源管，其宽度尺寸分别为2W，镜像管M3的宽度尺寸为W，此时电流镜源管和镜像管的电流的比值为4∶1，所以该部分电流镜的输出In＝0.25*10u；当db_icp＝0，db_icpz＝1时，只有一个NMOS管M2接入电路作为电流镜源管，此时电流镜源管和镜像管的比值为2∶1，所以该部分电流镜的输出In＝0.5*10u。

PMOS电流镜电路3输出电流Iout的计算：

见图5、图3，NMOS电流镜电路4的输出电流In作为PMOS电流镜电路3的输入电流。M4是镜像电流镜的源管，那么该支路即是整个电流镜的源支路I1。镜像管M5和开关管M11构成镜像支路I2，镜像管M6和开关管M12、M13构成镜像支路I3和I4，镜像管M7和开关管M14构成镜像支路I5，镜像管M8和开关管M15构成镜像支路I6，其上流过的电流值的大小由电流镜源管和镜像管的比值决定。PMOS镜源管M4以及PMOS镜像管M5-M8的源极与电源电压VDDA连接，各管的栅极连接，镜源管M4的漏极与栅极连接，镜像管M5-M8的漏极分别与开关管M11-M15的源极连接，镜源管M4、开关管M11-M12的漏极连接，开关管M11-M15以及镜像管M8的漏极连接。上述电路中，控制信号net1控制I2支路的电流，net1＝0时I2＝I1；net1＝1时I2＝0。net0和nd1控制同时I3和I4支路的电流，net0＝0，nd1＝0时I3＝0.25*I1，I4＝0.25*I1；net0＝0，nd1＝1时I3＝0.5*I1，I4＝0；net0＝1，nd1＝0时I3＝0，I4＝0.5*I1；net0＝1，nd1＝1时，I3＝0，I4＝0。nd0控制I5支路的电流，nd0＝0时I5＝I1；nd0＝1时I5＝0。I6＝0.5*I1。Iout＝I4+I5+I6。

具体计算Iout的值可以参照如下方式：I1+(net1)*I1+(net0，nd1)*0.5*I1＝In解出I1，然后代入Iout＝(nd1，net0)*0.5*I1+(nd0)*0.5*I1+0.5*I1，其中，(net1)表示控制信号net1的状态，net1＝1时(net1)＝0，net1＝0时(net1)＝1；(nd0)表示控制信号nd0的状态，nd0＝1时(nd0)＝0，nd0＝0时(nd0)＝1；net0＝0且nd1＝0时(net0，nd1)＝(nd1，net0)＝0.5，net0＝1且nd1＝0时(net0，nd1)＝0，(nd1，net0)＝1，net0＝0且nd1＝1时(net0，nd1)＝1，(nd1，net0)＝0，net0＝1且nd1＝1时(net0，nd1)＝(nd1，net0)＝0。

一般应用的情况是：在PLL正常工作时，dp_icp＝0，dp_icpz＝1，net0＝1，net1＝1，nd0＝0，nd1＝1，此时In＝5u，I1＝5u，I2＝0，I3＝0，I4＝0，I5＝2.5u，I6＝2.5u，Iout＝5u。

具体控制信号的状态及此时输出电流Iout的值可参照下表一：

表一

dp_icp	net1	net0	nd1	nd0	Iout/uA
dp_icp	net1	net0	nd1	nd0	Iout/uA	0	0	0	0	0	25/9
0	0	0	0	1	15/9	0	0	0	0	0	25/9

0	0	1	2
0	0	1	2	0	0	0	1	1	1
0	1	0	3.75	0	0	0	1	1	1
0	1	0	3.75	0	0	1	0	1	2.5
0	1	1	2.5	0	0	1	0	1	2.5
0	1	1	2.5	0	0	1	1	1	1.25
1	0	0	5	0	0	1	1	1	1.25
1	0	0	5	0	1	0	0	1	3
1	0	1	10/3	0	1	0	0	1	3
1	0	1	10/3	0	1	0	1	1	5/3
1	1	0	7.5	0	1	0	1	1	5/3
1	1	0	7.5	0	1	1	0	1	5
1	1	1	5	0	1	1	0	1	5
1	1	1	5	0	1	1	1	1	2.5

由上表可以看出，当net0＝1，net1＝1，nd0＝0，nd1＝0时，Iout有最大值7.5u；当net0＝0，net1＝0，nd0＝1，nd1＝1时，Iout有最小值1u。如果dp_icp＝1，上表中Iout的值减半。

为了减少控制信号的个数，可以借由两个控制信号及它们的反相信号，通过逻辑门电路形成以上四个控制信号。

在图1方框电路图的发明构思范围内，图2至图5中的NMOS管以及PMOS管及其镜源支路、镜像支路也可以有其他变化的连接方法，可起到与上述相同的调节电荷泵电流的效果。

图6为电荷泵开关电路实施例。PMOS电流镜电路的输出电流Iout流入图6所示开关电路，实现电荷泵(Charge Pump)的功能。由于电流可调部分是本发明所介绍的重点内容，图4及图6所示的电路和传统电荷泵电路相同，在此只描述电路的结构，并简单给出具体电路说明和介绍。

见图4、图6，NMOS镜源管Mn和Mn1连接构成图4开关电路中NMOS电流镜电路的镜源支路，该镜源支路上的电流即为图5中PMOS电流镜电路的输出电流Iout。NMOS镜像管Mdn和开关管M19连接构成上述NMOS镜源支路的一条NMOS镜像支路，该支路上的电流即是电荷泵的放电电流，即图4中的Idown；Mnp和Mnp1构成上述NMOS镜源支路的另外一条NMOS镜像支路，该支路上的电流流入由图6中的PMOS镜源管Mp和Mp1连接构成的PMOS电流镜的镜源支路，该镜源支路上的电流为Imirror，由PMOS镜像管Mup和开关管M16连接构成该镜源支路的镜像支路，该镜像支路上的电流即是电荷泵的充电电流，即图4中的Iup；

NMOS管M17和PMOS管M18管分别连接于开关管M16、M19漏极与栅极之间，管M17、M18由数字控制信号up、dn控制，用来降低电荷泵的建立时间。

电路效果说明：

电路经Hspice仿真，在dp_icp＝0，dp_icpz＝1，net0＝1，net1＝1，nd0＝0，nd1＝1的设置时，OP分析得到Iout＝5.61u。检验电流可调，例如，dp_icp＝0，dp_icpz＝1，net0＝1，net1＝0，nd0＝0，nd1＝0设置时，测得Iout＝4.25u，查表可得与理论值符合，有效地改变了电荷泵的电流值，验证了该电路的正确性。图2至图6只是本发明的实施例，本发明的保护范围不受其限制。

Claims

1.一种电流可调的电荷泵电路，包括电荷泵电流调节电路及电荷泵开关电路，外接电流源与电荷泵电流调节电路的电流输入端连接，电荷泵电流调节电路的电流输出端与电荷泵开关电路连接，通过电荷泵开关电路对电荷泵输出节点进行充电或放电，其特征在于：

所述电荷泵电流调节电路包括NMOS电流镜电路及PMOS电流镜电路，NMOS电流镜电路的电流输入端与所述外接电流源连接，NMOS电流镜电路的电流输出端与PMOS电流镜电路的电流输入端连接，PMOS电流镜电路的电流输出端与电荷泵开关电路的电流输入端连接；所述NMOS电流镜电路以及PMOS电流镜电路分别由NMOS镜源管支路、NMOS镜像管支路以及PMOS镜源管支路、PMOS镜像管支路连接组成，所述镜源管支路以及镜像管支路分别受控于开关控制信号，来选择连接的镜源管支路或者镜像管支路的条数，由此分别改变NMOS电流镜电路以及PMOS电流镜电路的输出电流，即改变电荷泵电流调节电路的输出电流。

2.按照权利要求1所述电流可调的电荷泵电路，其特征在于所述NMOS电流镜电路包括至少两条由一对并联的NMOS镜源管构成的镜源管支路和至少一条由NMOS镜像管构成的镜像管支路；所述镜像管的源极接地，栅极与外接电流源连接，镜像管的电流输出端与所述PMOS电流镜电路的电流输入端连接，镜像管的输出电流即为NMOS电流镜电路的输出电流；所述镜源管的漏极与外接电流源连接，源极接地，栅极与地之间分别连接开关控制信号，通过所述开关控制信号的通断控制接入所述电流镜源管的个数，由此改变镜源管与镜像管之间尺寸大小的比值，从而改变镜像管支路上电流的大小，即改变所述NMOS电流镜电路的输出电流的大小。

3.按照权利要求1或2所述电流可调的电荷泵电路，其特征在于所述PMOS电流镜电路包括连接有PMOS镜源管的镜源管支路和各条连接有PMOS镜像管的镜像管支路，所述镜像管支路上连接有开关控制信号，通过所述开关控制信号的通断控制接入所述镜像管支路的条数，来改变所述PMOS电流镜电路或所述电荷泵电流调节电路的输出电流的大小。

4.按照权利要求2所述电流可调的电荷泵电路，其特征在于所述NMOS电流镜电路包括两条由一对并联的NMOS镜源管构成的镜源管支路和一条由NMOS镜像管构成的镜像管支路；所述镜像管的源极接地，栅极与外接电流源连接，镜像管的电流输出端与所述PMOS电流镜电路的电流输入端连接，镜像管的输出电流即为NMOS电流镜电路的输出电流；所述镜源管的漏极与外接电流源连接，源极接地，栅极与地之间分别连接开关控制信号，通过所述开关控制信号的通断控制接入所述电流镜源管的个数，由此改变镜源管与镜像管之间尺寸大小的比值，从而改变镜像管支路上电流的大小，即改变所述NMOS电流镜电路的输出电流的大小。

5.按照权利要求3所述电流可调的电荷泵电路，其特征在于所述PMOS电流镜电路包括一条连接有PMOS镜源管的镜源管支路和奇数条连接有PMOS镜像管的镜像管支路，所述镜像管支路上连接有开关控制信号，通过所述开关控制信号的通断控制接入所述镜像管支路的条数，来改变所述PMOS电流镜电路或所述电荷泵电流调节电路的输出电流的大小。

6.按照权利要求5所述电流可调的电荷泵电路，其特征在于所述PMOS电流镜电路包括一条连接有PMOS镜源管的镜源管支路和五条连接有PMOS镜像管的镜像管支路，所述镜像管支路上连接有开关控制信号，通过所述开关控制信号的通断控制接入所述镜像管支路的条数，来改变所述PMOS电流镜电路或所述电荷泵电流调节电路的输出电流的大小。

7.按照权利要求5或6所述电流可调的电荷泵电路，其特征在于所述的镜像管支路中至少有两条镜像管支路连接于同一PMOS镜像管，使得所述镜源管支路加上一部分所述镜像管支路的条数和与其余镜像管支路的条数和相等。

8.按照权利要求4所述电流可调的电荷泵电路，其特征在于所述NMOS镜源管的尺寸是所述NMOS镜像管的尺寸的两倍。

9.按照权利要求6所述电流可调的电荷泵电路，其特征在于所述PMOS电流镜电路中，所述PMOS镜源管以及输入电路中的至少一条镜像管支路中的PMOS镜像管的尺寸是其余镜像支路中的PMOS镜像管尺寸的两倍。