CN101572481A

CN101572481A - 一种电荷泵电路

Info

Publication number: CN101572481A
Application number: CNA2009100595675A
Authority: CN
Inventors: 唐威昀
Original assignee: HEXIN MICROELECTRONICS (SHANGHAI) CO Ltd
Current assignee: Chengdu huayaoxin Technology Co.,Ltd.
Priority date: 2009-06-11
Filing date: 2009-06-11
Publication date: 2009-11-04
Anticipated expiration: 2029-06-11
Also published as: US8179175B2; US20100315154A1; CN101572481B

Abstract

本发明公开了一种电荷泵电路，包括上电流镜、运算放大器、下电流镜、积分电容、启动电路和防锁死电路，其特征在于：基于运算放大器与上、下电流镜构成的反馈环路设置防锁死电路，所述防锁死电路包括电流源IBIAS和“二极管连接”的NMOS管，相当于加了一个低电阻到运算放大器的输出端节点，增加对运算放大器的输出端连接的两个NMOS管的驱动，防止锁死；本发明能改善电荷泵电路的稳定性，使得的设计的电荷泵电路更加稳定可靠，防止由于多个平衡点所引起的锁死问题，从而提高所设计的系统产品的成功率。

Description

一种电荷泵电路

技术领域

本发明属于电子技术领域，特别是一种能保证安全工作的电荷泵电路。

背景技术

无论是锁相环(PLL)还是延迟锁相环(DLL)，都需要对对其本身的输出信号和输入信号之间的相位差进行鉴别，然后用电荷泵对这个相位差别进行积分，将积分的结果以电压变化量的形式体现在控制电压VCTRL中，然后用VCTRL电压来控制压控振荡器VCO或者电压控制延迟线VCDL，直到两者之间的相位同步为止，实现以上锁定过程的锁相环(PLL)系统如图1所示。

较接近的相关的文献是美国专利：

CHARGE PUMP CIRCUIT

US 6,535,051B23/2003Kyu-hyoun Kim

HIGH OUTPUT IMPEDENCE CHARGE PUMP FOR PLL/DLL

US 7,176,733B22/2007Dieter Haerle。

这个过程中，如果电荷泵输出的电压由于电路的正反馈，或者电路存在多个平衡点等原因被锁死在某个值，那么对输入信号频率的跟踪锁定过程将失败。或者由于电荷泵电路中反馈环的相位裕度不够，即，反馈环路的幅频特性的衰减，与相频特性的滞后之间的关系，不能满足在幅频特性衰减为0dB的时候，相位滞后小于135度左右，那么将会出现输出端震荡，电荷泵也不能正常工作。

上述由于电荷泵电路结构所导致的启动以及稳定性问题具体如下，对于如图2所示的电路结构为传统电荷泵电路，这种电路结构存在如下问题：在启动或者正常工作的过程中，一旦出现节点OUT的电压比节点net14的电压高的情况，极有可能发生以下的正反馈过程，使得电荷泵无法正常工作，即节点OUT的电压大于节点net14的电压，在运放113的作用下，节点net15的电压下降到小于NMOS管的阈值电压Vthn，那么NMOS管107，109截止，进而促使节点OUT和节点net14的电压都抬高，直至上升至某一个电压值附近，由于PMOS管104，106截止，节点OUT和节点net14的电压才不上升。这个电压值比节点net16的电压小一个PMOS管的阈值电压。

首先，如果在上述过程的最后，发生节点OUT的电压大于节点net14的电压的情况，那么最终的状态是NMOS管107，109，以及PMOS管104，106都截止，节点OUT的电压大于节点net14的电压，这个状态将一直被锁定，导致电荷泵不能正常工作；其次，即使在过程的最后，节点OUT的电压小于节点net14的电压，从而由于运放113的作用，net15的电压被抬起，那么在NMOS管107，109的作用下，节点OUT和节点net14的电压下降，一旦出现OUT的电压大于net14的电压的情况，就又重复上面所述的过程；从而引起振荡。或者说，运放113与NMOS管107，109构成一个负反馈环和一个正反馈环，对于整个电路系统做小信号分析，一旦负反馈环路的相位裕度不够，那么系统将会引起自激震荡，这样电荷泵就不能正常工作。

即使在这个电路里面增加启动电路，即NMOS管111，112，能够使启动过程中节点OUT的电压小于节点net14的电压，但是在电荷泵工作的过程中，一旦由于扰动，出现节点OUT的电压大于节点net14的电压的情况，仍然会出现以上所描述的问题。

另一方面，从小信号的角度分析，从图4的小信号等效电路可以得出，在未加低电阻到运放输出端之前，负反馈环路的开环传输函数为

\frac{Vout}{Vin} (s) = \frac{G 1 \cdot R 1}{1 + R 1 \cdot C 1 s} \cdot \frac{G 2 \cdot R 2}{1 + R 2 \cdot C 2 s} = \frac{G 1 / C 1}{s + 1 / (R 1 \cdot C 1)} \cdot \frac{G 2 / C 2}{s + 1 / (R 2 \cdot C 2)}

这其中的两个极点是W1＝1/(R1.C1)，W2＝1/(R2.C2)，它们的大小是相当的，所以两个极点靠得很近，导致系统的相位裕度不够，稳定性不足。

发明内容

本发明为解决上述问题，提供了一种能保证安全工作的电荷泵电路，这种电路可以有效防止电荷泵的输出节点被锁死或震荡。

本发明的技术方案如下：

一种电荷泵电路，包括上电流镜、运算放大器、下电流镜、积分电容、启动电路和防锁死电路，其特征在于：基于运算放大器与上、下电流镜构成的反馈环路设置防锁死电路，所述防锁死电路包括电流源IBIAS和“二极管连接”(“二极管连接”是互补金属氧化物半导体(CMOS)集成电路中晶体管的一种连接方式，其特征是漏极与栅极连接)的NMOS管，相当于加了一个低电阻到运算放大器的输出端节点，增加对运算放大器的输出端连接的两个NMOS管的驱动，防止锁死。

所述防锁死电路还设置有与运算放大器正相输入端连接的MOS管电容，改善稳定性。

所述“二极管连接”的NMOS管始终导通，并且处在饱和区，因此电荷泵电路的运算放大器的反相输入端OUT的节点电压与运算放大器的正相输入端的节点电压相比，无论哪个更高，在电流源IBIAS以及NMOS管所构成的共源级的驱动下，运算放大器的输出端节点的电压始终高于提供下电流镜镜像电流的NMOS管的阈值电压，那么，运算放大器的输出端连接的两个NMOS管不会被截止，从而解决了锁死问题。

所述电荷泵电路的负反馈电路的等效电路为：跨导放大器G1连接跨导放大器G2的开环电路，跨导放大器G1和跨导放大器G2之间连接有接地的电容C1、电阻R1、电阻R3，跨导放大器G2的开环端连接有接地的电容C2、电阻R2、电容C3；所述开环电路设置电阻R3和电容C3的效果等效于防锁死电路。跨导放大器是一种将电压输入信号转变成电流输出信号的放大器。

对于所述负反馈环路的开环传输函数为：

\frac{Vout}{Vin} (s) = \frac{G 1 \cdot {R 1}^{'}}{1 + {R 1}^{'} \cdot C 1 s} \cdot \frac{G 2 \cdot R 2}{1 + R 2 \cdot {C 2}^{'} s} = \frac{G 1 / C 1}{s + 1 / ({R 1}^{'} \cdot C 1)} \cdot \frac{G 2 / {C 2}^{'}}{s + 1 / (R 2 \cdot {C 2}^{'})}

其中：

Vout/Vin(s)是输出信号与输入信号的比值的拉普拉斯(Laplace)变换，也就是传输函数；

G1等效于所述电荷泵电路的运算放大器的一个跨导放大器；

R1’等效于所述电荷泵电路的运算放大器的输出端到地(电学中的“地”)之间的电阻；

C1等效于所述电荷泵电路的运算放大器的输出端到地(电学中的“地”)之间的电容；

G2等效于所述电荷泵电路的运算放大器的输出端连接的NMOS管(相当于一个放大器的角色)的一个跨导放大器；

R2等效于所述电荷泵电路的运算放大器的输出端连接的NMOS管的漏端到地(电学中的“地”)之间的电阻；

C2’等效于所述电荷泵电路的运算放大器的输出端连接的NMOS管的漏端到地(电学中的“地”)之间的电容；

s 是拉普拉斯(Laplace)算子；

而且R1’＝(R1//R3)/(R1+R3)，C2’＝C2+C3。

这其中的两个极点(极点是信号与系统中的概念，它是传输函数达到无限大)是W1＝1/(R1’.C1)，W2＝1/(R2.C2’)，W1变大，而W2变小，所以两个极点被分开了，W2成为主极点，W1成为次极点，而且W1远离主极点W2，从而相位裕度增加，稳定性提高。所以，稳定性提高的关键在于系统原来的两个极点被拉开。

本发明的有益效果如下：

本发明能改善电荷泵电路的稳定性，使得的设计的电荷泵电路更加稳定可靠，防止由于多个平衡点所引起的锁死问题，从而提高所设计的系统产品的成功率。

附图说明

图1为背景技术中锁相环技术的原理框图

图2为背景技术中传统的传统电荷泵电路结构示意图

图3为本发明的电路结构示意图

图4为传统的电荷泵电路结构的负反馈环路的小信号模型结构示意图

图5为本发明电荷泵电路结构的负反馈环路的开环小信号模型结构示意图

图6为本发明应用的具体电路结构示意图

图7为本发明应用的具体电路结构示意图

具体实施方式

如图3所示，一种电荷泵电路，包括上电流镜、运算放大器、下电流镜、积分电容、启动电路和防锁死电路，基于运算放大器与上、下电流镜构成的反馈环路设置防锁死电路，所述防锁死电路包括电流源IBIAS和“二极管连接”(“二极管连接”是互补金属氧化物半导体(CMOS)集成电路中晶体管的一种连接方式，其特征是漏极与栅极连接)的NMOS管216，相当于加了一个低电阻到运放的输出节点，增加对运算放大器的输出端连接的两个NMOS管207，209的驱动，防止锁死。

所述防锁死电路还设置有与运算放大器正相输入端连接的MOS管电容208，改善稳定性。

所述“二极管连接”的NMOS管216始终导通，并且处在饱和区，因此电荷泵电路的运算放大器的反相输入端的OUT节点的电压与运算放大器的正相输入端net24节点的电压相比，无论哪个更高，在电流源IBIAS以及NMOS管216所构成的共源级的驱动下，运算放大器的输出端节点net25的电压始终高于提供下电流镜镜像电流的NMOS管的阈值电压(如图3中的NMOS管207，209)，那么，运算放大器的输出端连接的两个NMOS管207，209不会被截止，从而解决了锁死问题。

也就是，对图3中的电路进行定量的数学分析需得到它的小信号等效电路，将图3中运放213的正相输入端处的导线断开，得出开环电路，这个开环电路的等效电路如图5所示。其中图3中的运算放大器213可以等效为图5中的跨导放大器G1，而图3中的NMOS管207可以等效为图5中的跨导放大器G2，另外图3中运算放大器的输出端的到地之间的电容和电阻如图5中的C1、R1，图3中NMOS管207的漏端到地之间的电容和电阻如图5中的C2、R2；在图3中的防锁死电路，等效于电路图5中增加一个小电阻R3，以及电容C3。

等效电路是为了进行数学分析的方便，既然等效，那么对这个等效电路分析就相当于对原电路进行分析。

对于所述对图3的小信号等效电路图5进行电路分析，得出负反馈环路的开环传输函数为：

\frac{Vout}{Vin} (s) = \frac{G 1 \cdot {R 1}^{'}}{1 + R 1^{'} \cdot C 1 s} \cdot \frac{G 2 \cdot R 2}{1 + R 2 \cdot {C 2}^{'} s} = \frac{G 1 / C 1}{s + 1 / ({R 1}^{'} \cdot C 1)} \cdot \frac{G 2 / {C 2}^{'}}{s + 1 / (R 2 \cdot {C 2}^{'})}

其中：

G1等效于图3中的运放213的一个跨导放大器；

R1’等效于图3中运放213的输出端到地之间的电阻；

C1等效于图3中运放213的输出端到地之间的电容；

G2等效于图3中的NMOS管207的一个跨导放大器；

R2等效于图3中的NMOS管207的漏端到地之间的电阻；

C2’等效于图3中的NMOS管207的漏端到地之间的电容；

s 是拉普拉斯(Laplace)算子；

而且R1’＝(R1//R3)/(R1+R3)，C2’＝C2+C3；

这其中的两个极点是W1＝1/(R1’.C1)，W2＝1/(R2.C2’)，W1变大，而W2变小，所以两个极点被分开了，W2成为主极点，W1成为次极点，而且W1远离主极点W2，从而相位裕度增加，稳定性提高。所以，稳定性提高的关键在于系统原来的两个极点被拉开。

如图6、图7所示，均为本发明的具体电路，它们都只有一个稳定的点，其环路稳定性充足(相位裕度足够)，使得电荷泵的工作情况良好，不会出现别的锁死状态，以及自激震荡等不稳定因素。用这样的电路设计，系统的稳定性得到较好的解决，产品成功率提高。

Claims

1、一种电荷泵电路，包括上电流镜、运算放大器、下电流镜、积分电容、启动电路和防锁死电路，其特征在于：基于运算放大器与上、下电流镜构成的反馈环路设置防锁死电路，所述防锁死电路包括电流源IBIAS和“二极管连接”的NMOS管。

2、根据权利要求1所述一种电荷泵电路，其特征在于：所述防锁死电路还设置有与运算放大器正相输入端连接的MOS管电容。

3、根据权利要求1或2所述一种电荷泵电路，其特征在于：所述“二极管连接”的NMOS管始终导通，处在饱和区，电荷泵电路的运算放大器的反相输入端的OUT节点电压与运算放大器的正相输入端节点电压相比，在电流源IBIAS以及NMOS管所构成的共源级的驱动下，运算放大器的输出端节点的电压始终高于提供下电流镜镜像电流的NMOS管的阈值电压，那么，运算放大器的输出端连接的两个NMOS管不会被截止，不再锁死。

4、根据权利要求1所述一种电荷泵电路，其特征在于：所述电荷泵电路的负反馈电路的等效电路为：跨导放大器G1连接跨导放大器G2的开环电路，跨导放大器G1和跨导放大器G2之间连接有接地的电容C1、电阻R1、电阻R3，跨导放大器G2的开环端连接有接地的电容C2、电阻R2、电容C3；所述开环电路设置电阻R3和电容C3的效果等效于防锁死电路。

5、根据权利要求4所述一种电荷泵电路，其特征在于：所述负反馈环路的开环传输函数为：

\frac{Vout}{Vin} (s) = \frac{G 1 \cdot {R 1}^{'}}{1 + {R 1}^{'} \cdot C 1 s} \cdot \frac{G 2 \cdot R 2}{1 + R 2 \cdot {C 2}^{'} s} = \frac{G 1 / C 1}{s + 1 / ({R 1}^{'} \cdot C 1)} \cdot \frac{G 2 / {C 2}^{'}}{s + 1 / (R 2 \cdot {C 2}^{'})}

其中：

G1等效于所述电荷泵电路的运算放大器的一个跨导放大器；

s是拉普拉斯(Laplace)算子；

而且R1’＝(R1//R3)/(R1+R3)，C2’＝C2+C3。

当W1＝1/(R1’.C1)，W2＝1/(R2.C2’)时，W1变大，W2变小，两个极点被分开了，W2成为主极点，W1成为次极点，而且W1远离主极点W2。