CN101515709B - 超低失配锁相环电路的电荷泵 - Google Patents

Abstract

超低失配锁相环电路的电荷泵，该电荷泵电路包含了两组相似的差分电荷泵电路，这两组电路串联相接，其中：第一组差分电荷泵电路的第二输出节点(B)接第二运算放大器(102)的输入端，第二运算放大器(102)的输出端接第三输出节点(C)；第二组差分电荷泵电路第一输出节点(A)、第二输出节点(B)分别接第一运算放大器(101)的输入端，第一运算放大器(101)的输出端分别接第一可变放电电流源(107)、第二可变放电电流源(108)。通过比较第一输出节点和第二输出节点的电压，反馈控制第一可变电流源，使得充电电流和放电电流相等，减少失配。

Description

超低失配锁相环电路的电荷泵

技术领域

本发明涉及一应用于锁相环(PLL)电路的超低失配电荷泵电路，尤其涉及一种双差分超低失配失配电荷泵电路。

背景技术

锁相环(PLL)是一种能够跟踪输入信号频率和相位，并控制输出信号的频率和相位固定在和输入信号相关的某一值的电路系统。它广泛应用在计算机、通信以及消费电子产品中，主要功能为频率合成、时钟或数据恢复以及信号误差消除等。

最早在1932年，锁相环的概念就由DeBellescize提出。1947年，锁相环电路第一次成功地应用在电视机扫描行同步装置中。从此锁相环电路才开始得到应用，但由于其技术的复杂性和较高的成本，锁相环主要应用在航天方面，包括轨道卫星的测速定轨和深空探测等，性能要求较高的精密测量仪和通信设备有时也用到它。1965年，第一个锁相环的集成芯片才出现，采用的是模拟乘法器作为鉴相器，压控振荡器产生锁相环输出信号，是一个纯模拟的器件。1970年，出现了混合器件实现的锁相环。目前，虽然也出现了全数字锁相环和软件锁相环，但由于各自在应用上的缺陷，混合器件的锁相环是应用的主体。锁相环广泛应用在电视机彩色副载波提取、调频立体声解码、电机转速控制、微波频率源、锁相接收机、移相器以及各种方式的调制器和解调器、频率合成器等。

图1为锁相环的系统框图。锁相环主要由四部分组成：鉴频鉴相器/电荷泵(PFDCP)，环路滤波器(LPF)，压控振荡器(VCO)，分频器(DIVIDER)。鉴频鉴相器/电荷泵比较两个输入信号的相位，并产生与此相位差成正比的电压。环路滤波器滤除电压中的高频分量和噪声，增加系统的稳定性。压控振荡器受此电压控制，使输出频率经过分频器分频后与输入频率相等，因此输出频率fout＝Nfref。

鉴频鉴相器检测出两个输入信号相位差的大小，产生相应脉冲宽度，控制电荷泵电路充放电，改变压控振荡器的控制电压以改变输出频率。图2为传统的电荷泵简单示意图。这个电荷泵电路有两个电流源，一个是充电电流源Iup，一个是放电电流源Idn，两个开关S1和S2。环路滤波器仅由一个电容来表示。当鉴频鉴相器先检测到fref，UP为正脉冲，开关S1闭合，电荷泵由充电电流源经开关S1向环路滤波器充电，控制电压Vcon上升；当鉴频鉴相器先检测到fdiv，DN为正脉冲，开关S2闭合，电荷泵由放电电流源经开关S2向环路滤波器放电，控制电压Vcon下降。这种环路滤波器一般有电阻电容构成，这种滤波器起到积分器的作用，将电荷泵输出的电流信号转化为电压信号，以此作为压控振荡器的控制电压。

这种结构虽然简单，但是却存在着电荷共享问题。当S1、S2打开时，由于金属氧化物场效应管(MOS)寄生电容的存在，使A、B两点的电位分别拉到高低电位，在下一周期，S1、S2同时闭合时，A、B两点和输出端电荷会重新分布，这会引起Vout的跳变，从而在输出端产生抖动，引入了噪声。

一种改进的电荷泵电路如图3所示。电路采用了两条相同的差分电路。单位增益放大器使电流源输出节点电压跟随电荷泵输出电压，在电荷泵再次充放电时，输出电压就会稳定，不会产生抖动。但是由于充放电电流源分别由不同沟道类型的金属氧化物半导体构成，因为物理特性的差别，电流值不能严格相等，产生了一定的失配。充放电电流的失配会在锁相环输出端产生毛刺，减小了锁相范围。

发明内容

技术问题：本发明正是为了解决上述电荷泵电路中存在的问题而提出了一种可以自动校准的电荷泵电路。本电路通过共模反馈调节放电电流大小，使其与充电电流严格匹配。

技术方案：为达到此目的，本发明采用了双差分电荷泵电路。两条差分电路各有一个固定充电电流源、一个固定放电电流源和一个可变放电电流源。

所述的电荷泵包含了两组相似的差分电荷泵电路，这两组电路串联相接，其中：

第一组差分电荷泵电路为：第一固定充电电流源的输入端与电源相连接，输出端分为两路，第一路通过第一反相开关、第二反相开关接第一可变放电电流源、第一固定放电电流源；第二路通过第一开关、第二开关接第一可变放电电流源、第一固定放电电流源，第一开关与第二开关的连接点为第一输出节点，第一反相开关与第二反相开关的连接点为第二输出节点；

第二组差分电荷泵电路为：第二固定充电电流源的输入端与电源相连接，输出端分为两路，第一路通过第三反相开关、第四反相开关接第二固定放电电流源、第二可变放电电流源；第二路通过第三开关、第四开关接第二固定放电电流源、第二可变放电电流源；第三反相开关与第四反相开关的连接点为第三输出节点，第三开关、第四开关的连接点为第二输出节点；第二输出节点接第二运算放大器的输入端，第二运算放大器的输出端接第三输出节点；

第一输出节点、第二输出节点分别接第一运算放大器的输入端，第一运算放大器的输出端分别接第一可变放电电流源、第二可变放电电流源。

所述的八个开关均由P型和N型金属氧化物半导体场效应管组成的传输对构成，由差分信号驱动。

所述的电流源均由金属氧化物半导体场效应管构成，该金属氧化物半导体场效应管栅极接偏置电压，源级接地或电源，漏级接开关。

有益效果：本发明的双差分电荷泵电路采用共模反馈技术，通过比较两个输出节点的电压，控制放电电流源电流值的大小，无论电荷泵是否在充放电状态，都可以实时校正放电电流，使之等于充电电流，减小失配。

附图说明

图1为锁相环系统框图，

图2为传统电荷泵电路图，

图3为改进的电荷泵电路图，

图4为本发明的超低失配电荷泵电路图。

具体实施方式

下面结合附图与具体实施方式对本发明作进一步详细描述。

第一电荷泵电路包括：第一固定充电电流源103，第一固定放电电流源105和第一可变放电电流源107，第一输出节点(A)，第二输出节点B，第一开关s1，第二开关s2，第一反相开关s1’，第二反相开关s2’。第一固定充电电流源105与电源相连，第一输出节点A经第一开关s1与第一固定电流源105相连，第二输出节点B经第一反相开关s1’与第一固定电流源相连105。第一输出节点A经第二开关s2与第一固定放电电流源105和第一可变放电电流源107相连，第二输出节点B经第二反相开关s2’与第一固定放电电流源105和第一可变放电电流源107相连，第一固定放电电流源105和第一可变放电电流源107与地相连。第一运算放大器101的两个输入端与第一A和第二输出节点B相连，输出端与第一和第二可变放电电流源相连，调节此电流源的电流值大小，使放电电流等于充电电流。

第二电荷泵电路包括：第二固定充电电流源104，第二固定放电电流源106和第二可变放电电流源108，第二输出节点B，第三输出节点C，第三开关s3，第四开关(s4)，第三反相开关s3’，第四反相开关s4’。第二固定充电电流源104与电源相连，第二输出节点B经第三开关s3与第二固定充电电流源相连104，第三输出节点C经第三反相开关s3’与第二固定电流源104相连。第二输出节点B经第四开关s4与第二固定放电电流源106和第二可变放电电流源108相连，第三输出节点C经第四反相开关s4’与第二固定放电电流源106和第二可变放电电流源108相连，第二固定放电电流源106和第二可变放电电流源108与地相连。第二运算放大器102输入端与第二输出节点B相连，输出端与第三输出节点相连。

参见图4，图4为本发明的超低失配电荷泵电路图。电路采用了四个开关S1、S2、S3、S4以及其反相开关S1’、S2’、S3’、S4’。其中S1和S3由鉴频鉴相器输出的UP信号驱动，当UP为高电平时，S1和S3都闭合；而S2和S4由鉴频鉴相器输出的DOWN信号驱动，当DOWN为高电平时，S2和S4都闭合。101第一运算放大器作为共模反馈器，通过比较A、B两点电压控制第一、第二可变放电电流源107、108的电流值。102为第二运算放大器作为单位增益放大器使用，接在B、C两断点处，是C点电压跟随B点电压变化。103为第一固定充电电流源，104第二固定充电电流源，105为第一固定放电电流源，106为第二固定放电电流源。C0为后级滤波器的电容，A点为电荷泵输出端，与C0相连。下面来说明本电荷泵的工作过程：

当电荷泵接收到UP信号时，S1和S3闭合，电荷泵向电容C0充电，A点电压升高。同时，S3、B、S2’所在的支路导通。因为A点电压高于B点电压，运放101开始工作，输出电压将控制第一放电可变电流源减小放电电流，使第一电荷泵总的放电电流小于第二电荷泵的充电电流，这样多余的电流使B点处的电荷增多，因此B点电位逐步升高，直到A点与B点电位相等。这时，运放101将不再控制第一可变放电电流源变化，此时的第一电荷泵总的放电电流等于第二电荷泵的充电电流。因为第一充电电流源和第二充电电流源与同一基准电流提供偏置，所以这两个充电电流源电流值相等，也就是说，第一电荷泵的充电电流与放电电流相等。运放102使C点电位跟踪B点电位，保证对B点的充放电电流等于对A点的充放电电流。同样道理，当电荷泵接收到DOWN信号时，电荷泵放电，B点电位高于A点电位，运放控制第一可变放电电流源增大电流，经过B点的放电电流大于充电电流，所以B点电位下降，直到A、B两点电位相等。而此时第一电荷泵的充电电流等于放电电流。本发明的电荷泵可使充放电电流失配小于0.01％。

Claims (2)

1.一种超低失配锁相环电路的电荷泵，其特征在于：所述的电荷泵包含了两组相似的差分电荷泵电路，这两组电路串联相接，其中：

第一组差分电荷泵电路为：第一固定充电电流源(103)的输入端与电源相连接，输出端分为两路，第一路通过第一反相开关(s1’)、第二反相开关(s2’)接第一可变放电电流源(107)、第一固定放电电流源(105)；第二路通过第一开关(s1)、第二开关(s2)接第一可变放电电流源(107)、第一固定放电电流源(105)，第一开关(s1)与第二开关(s2)的连接点为第一输出节点(A)，第一反相开关(s1’)与第二反相开关(s2’)的连接点为第二输出节点(B)；

第二组差分电荷泵电路为：第二固定充电电流源(104)的输入端与电源相连接，输出端分为两路，第一路通过第三反相开关(s3’)、第四反相开关(s4’)接第二固定放电电流源(106)、第二可变放电电流源(108)；第二路通过第三开关(s3)、第四开关(s4)接第二固定放电电流源(106)、第二可变放电电流源(108)；第三反相开关(s3’)与第四反相开关(s4’)的连接点为第三输出节点(C)，第三开关(s3)、第四开关(s4)的连接点为第二输出节点(B)；第二输出节点(B)接第二运算放大器(102)的输入端，第二运算放大器(102)的输出端接第三输出节点(C)；

第一输出节点(A)、第二输出节点(B)分别接第一运算放大器(101)的输入端，第一运算放大器(101)的输出端分别接第一可变放电电流源(107)、第二可变放电电流源(108)；

所述的八个开关均由P型和N型金属氧化物半导体场效应管组成的传输对构成，由差分信号驱动。

2.如权利要求1所述的超低失配锁相环电路的电荷泵，其特征在于：所述的电流源均由金属氧化物半导体场效应管构成，该金属氧化物半导体场效应管栅极接偏置电压，源极接地或电源，漏极接开关。

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