CN102158075A

CN102158075A - 一种电荷泵锁相环中的电荷泵电路

Info

Publication number: CN102158075A
Application number: CN2011100625748A
Authority: CN
Inventors: 李智群; 郑爽爽; 王志功
Original assignee: Southeast University
Current assignee: Southeast University
Priority date: 2011-03-16
Filing date: 2011-03-16
Publication date: 2011-08-17
Anticipated expiration: 2031-03-16
Also published as: CN102158075B

Abstract

一种电荷泵锁相环中的电荷泵电路，设有自偏置电流镜电路、充放电电路、复制电路、预充电偏置电路及轨到轨运放电路，自偏置电流镜电路设有电阻R、3个MOS管以及参考电流源。充放电电路设有充、放电开关管以及4个MOS管组成的充放电电流源。复制电路是充放电电路结构的复制，相对应的晶体管尺寸对应相等。预充电偏置电路设有5个MOS管，轨到轨运放电路的输入端跨接于充放电电路和复制电路之间，输出端连接电荷泵充电电流源。

Description

一种电荷泵锁相环中的电荷泵电路

技术领域

本发明涉及电荷泵锁相环(CPPLL)，尤其涉及一种电荷泵锁相环中的电荷泵电路，采用MOS工艺，在宽输出电压下实现高精度电流匹配，并且具有高预充电电流，可直接适用于射频与模拟集成电路中电荷泵锁相环电路的应用。

背景技术

锁相环(PLL)频率综合器电路利用反馈的原理控制输出变量，以实现输出信号频率对输入信号频率的自动跟踪。电荷泵锁相环(CPPLL)是目前锁相环电路设计的主流，由于它有捕捉范围宽、捕捉时间短、线性范围大、高速低功耗等优点，被广泛地应用于现代通信领域及射频领域中。如图1所示，电荷泵锁相环(CPPLL)由鉴频鉴相器(PFD)、电荷泵(CP)、环路滤波器(LF)、压控振荡器(VCO)和分频器(Divider)五部分组成。CP电路在CPPLL中起着非常重要的作用，其主要功能是把PFD输出的数字控制信号，包括充电信号(UP)和放电信号(DW)转换为模拟信号，进而来控制VCO的输出频率。CP对整个环路的性能起决定性作用，其电流匹配精度、电流匹配时输出电压范围、预充电电流大小直接影响环路的性能。

图1电荷泵锁相环(CPPLL)中的CP电路，包括：开关S₁和S₂，以及分别与之相连的充电电流源I_up和放电电流源I_dw。CP输入端接PFD的输出信号，输出端接LF的输入端。PFD检测输入信号REF和DIV的频率和相位的差别，产生充电信号(UP)和放电信号(DW)，UP信号控制S₁的闭合与断开，DW信号控制S₂的闭合与断开。开关S₁和S₂分别控制CP的充电和放电过程。开关S₁闭合，开关S₂断开，CP通过充电电流源I_up对LF充电，V_ctrl上升；开关S₂闭合，开关S₁断开，CP通过放电电流源I_dw对LF进行放电，V_ctrl下降；开关S₁、S₂同时闭合或同时断开时，CP不对LF进行充电或放电，V_ctrl保持不变。

CP设计的核心在于使充电电流和放电电流大小相等，并且在保证这两股电流匹配的情况下，V_ctr1输出范围尽可能的大。另外，CP的预充电电流越大，PLL的建立时间越短。现有的电荷泵存在充放电电流失配、电流匹配时输出电压变化范围窄、预充电电流小等不足，这些因素都不同程度影响了锁相环的性能。

发明内容

本发明的目的是为克服现有技术不足，提供一种电荷泵锁相环中的电荷泵电路，采用的技术方案是：一种电荷泵锁相环中的电荷泵电路，其特征在于：设有自偏置电流镜电路、充放电电路、复制电路、预充电偏置电路及轨到轨运放电路，其中：

自偏置电流镜电路设有电阻R、MOS管M1、M2、M3以及参考电流源，电阻R一端连接MOS管M1栅极和参考电流源，参考电流源另一端连接电源VDD，电阻R另一端连接MOS管M1的漏极和M2的栅极，MOS管M1的源极连接M2的漏极，MOS管M2的源极连接M3的漏极，MOS管M3的栅极接电源VDD，M3的源极接地。

充放电电路设有充电开关管M4和放电开关管M8以及MOS管M5、M5’、M6、M7组成的充放电电流源，充电开关管M4栅极连接充电信号UP，M4源极接电源VDD，MOS管M5与M5’作为充电电流源，MOS管M5与M5’的源极连接在一起并与开关管M4的漏极连接，MOS管M5与M5’的漏极相连作为电荷泵输出端，与锁相环中环路滤波器输入端连接，MOS管M5与M5’的漏极连接在一起并与MOS管M6的漏极连接，MOS管M6的栅极与自偏置电流镜电路中MOS管M1栅极连接，MOS管M6的源极与MOS管M7的漏极连接，MOS管M7的栅极和自偏置电流镜电路中MOS管M2的栅极相连接，MOS管M7的源极连接放电开关管M8的漏极，放电开关管M8的栅极连接放电信号DW，M8的源极接地。

复制电路是充放电电路结构的复制，设有与充电开关管M4相对应的充电开关管M9、与MOS管M5、M5’相对应的MOS管M10、M10’、与MOS管M6、M7相对应的MOS管M11、M12以及与放电开关管M8相对应的放电开关管M13，相对应的晶体管尺寸对应相等，充电开关管M9的源极连接电源VDD，M9栅极接地，MOS管M10、M10’的源极连接M9的漏极，MOS管M10、M10’的漏极连接MOS管M11的漏极，M11的栅极连接自偏置电流镜电路中MOS管M1的栅极，MOS管M11的源极连接MOS管M12的漏极，M12的栅极连接自偏置电流镜电路中MOS管M2的栅极，M12的源极连接放电开关管M13的漏极，M13的栅极接电源VDD，M13的源极接地。

预充电偏置电路设有MOS管M14、M15、M16、M17、M18，MOS管M14的源极接电源VDD，M14的栅极接地，M14的漏极接MOS管M15源极，M15的栅极与漏极连接在一起并与充放电电路MOS管M5’以及复制电路MOS管M10’的栅极连接，M15的漏极连接MOS管M16的漏极，M16的栅极连接自偏置电流镜MOS管M1的栅极，M16的源极连接MOS管M17的漏极，M17的栅极连接自偏置电流镜MOS管M2的栅极，M17的源极连接MOS管M18的漏极，M18的栅极接电源VDD，M18的源极接地。

轨到轨运放电路的负输入端连接电荷泵的输出端即充放电电路中MOS管M6的漏极，轨到轨运放电路的正输入端连接复制电路中MOS管M11的漏极，轨到轨运放电路的输出端与充放电电路MOS管M5的栅极以及复制电路MOS管M10的栅极连接在一起。轨到轨运放电路的输出端还串联一电阻R_C及电容C_C后连接轨到轨运放电路的正输入端。

本发明的优点及显著效果：

(1)电荷泵的充电电流源采用两个MOS管M5和M5’组成结构，M5的栅极由轨到轨运放的输出端偏置，M5’的栅极由预充电偏置电路偏置，通过这样的连接增加一个预充电支路，提高电荷泵预充电电流，缩短电荷泵锁相环的建立时间，克服了现有电荷泵预充电电流小所导致电荷泵锁相环建立时间长的不足。

(2)充放电流匹配精度是电荷泵设计中最重要的指标，也是电荷泵设计的难点。本发明采用轨到轨运放的输入端跨接于充放电电路和复制电路之间，运放输出端连接充电电流源M5和M10的栅极，采用这种结构，轨到轨运放的高增益保证运放的两输入端电位相等，使得电荷泵的充放电流匹配，运放的高增益保证了电流匹配的高精度。

(3)电荷泵充放电流匹配时输出电压范围会影响压控振荡器的调谐范围。本发明采用轨到轨运放，轨到轨运放具有宽输入电压范围，这保证了电荷泵电流匹配时的宽输出电压范围，克服了现有电荷泵结构存在电流匹配时输出电压窄的问题。

(4)应用自偏置电流镜结构，由于MOS管M1和M2增加了电流镜的输出阻抗，为此提高电流镜电流复制的精确度以及输出电流的平稳度。

(5)电路结构简单可靠，功耗低，易于集成。

附图说明

图1是已知的电荷泵锁相环(CPPLL)的框图及电荷泵的结构图；

图2是本发明电荷泵原理电路图；

图3是图2中已知的宽输入电压高增益轨到轨运放的电路原理图。

具体实施方式

参看图2，本发明电荷泵锁相环中的电荷泵电路包括自偏置电流镜1、充放电电路2、复制电路3、预充电偏置电路4和轨到轨运放电路A。其中：

自偏置电流镜电路1设有电阻R、MOS管M1、M2、M3以及参考电流源I_ref，电阻R一端连接MOS管M1栅极和参考电流源I_ref，参考电流源I_ref另一端连接电源VDD，电阻R另一端连接MOS管M1的漏极和M2的栅极，MOS管M1的源极连接M2的漏极，MOS管M2的源极连接M3的漏极，MOS管M3的栅极接电源VDD，M3的源极接地。

充放电电路2设有充电开关管M4和放电开关管M8以及MOS管M5、M5’、M6、M7组成的充放电电流源，充电开关管M4栅极连接充电信号UP，M4源极接电源VDD，MOS管M5与M5’作为充电电流源，MOS管M5与M5’的源极连接在一起并与开关管M4的漏极连接，MOS管M5与M5’的漏极相连作为电荷泵CP输出端，与锁相环中环路滤波器LF输入端连接，MOS管M5与M5’的漏极连接在一起并与MOS管M6的漏极连接，MOS管M6的栅极与自偏置电流镜电路中MOS管M1栅极连接，MOS管M6的源极与MOS管M7的漏极连接，MOS管M7的栅极和自偏置电流镜电路中MOS管M2的栅极相连接，MOS管M7的源极连接放电开关管M8的漏极，放电开关管M8的栅极连接放电信号DW，M8的源极接地。

复制电路3是充放电电路2结构的复制，设有与充电开关管M4相对应的充电开关管M9、与MOS管M5、M5’相对应的MOS管M10、M10’、与MOS管M6、M7相对应的MOS管M11、M12以及与放电开关管M8相对应的放电开关管M13，相对应的晶体管尺寸对应相等，充电开关管M9的源极连接电源VDD，M9栅极接地，MOS管M10、M10’的源极连接M9的漏极，MOS管M10、M10’的漏极连接MOS管M11的漏极，M11的栅极连接自偏置电流镜电路1中MOS管M1的栅极，MOS管M11的源极连接MOS管M12的漏极，M12的栅极连接自偏置电流镜电路1中MOS管M2的栅极，M12的源极连接放电开关管M13的漏极，M13的栅极接电源VDD，M13的源极接地。保证了主体电路2和复制电路3中充放电流的匹配性。

预充电偏置电路4设有MOS管M14、M15、M16、M17、M18，MOS管M14的源极接电源VDD，M14的栅极接地，M14的漏极接MOS管M15源极，M15的栅极与漏极连接在一起并与充放电电路MOS管M5’以及复制电路MOS管M10’的栅极连接，M15的漏极连接MOS管M16的漏极，M16的栅极连接自偏置电流镜MOS管M1的栅极，M16的源极连接MOS管M17的漏极，M17的栅极连接自偏置电流镜MOS管M2的栅极，M17的源极连接MOS管M18的漏极，M18的栅极接电源VDD，M18的源极接地。

轨到轨运放电路A的负输入端X点作为电荷泵的输出端即充放电电路中MOS管M6的漏极，轨到轨运放电路的正输入端Y点连接复制电路中MOS管M11的漏极，轨到轨运放电路的输出端与充放电电路MOS管M5的栅极以及复制电路MOS管M10的栅极连接在一起，轨到轨运放电路的输出端还串联一电阻R_C及电容C_C后连接轨到轨运放电路的正输入端Y点。轨到轨运放A和M5构成一个正反馈环路，轨到轨运放A和M10构成一个负反馈环路，电阻R_C及电容C_C对负反馈环路进行密勒补偿，增加环路的稳定性，防止运放震荡。轨到轨运放电路A为已知电路，可采用《中国集成电路》2008第5期P63，权进国，张献英著《轨到轨输入输出范围运算放大器的噪声分析和优化》参考图一之电路如图3所示，图3省略了原图运放V_b1V_b2V_b3的具体偏置电路，实际应用中可以利用MOS管来代替图3中的电流源I_b。

上述电荷泵电路中，自偏置电流镜1中的R、M1、M2与充放电电路中M6，M7构成一个自偏置共源共栅电流镜、与复制电路3中M11，M12构成另一个自偏置共源共栅电流镜。根据电流镜镜像原理，参考电流源I_ref通过电流镜结构，分别按比例镜像得到I_dw、I₁。因为充放电电路2和复制电路3采用同一个参考电流源I_ref，又因为M6、M11尺寸相同，M7、M12尺寸相同，所以I_dw＝I₁。因为MOS管M5、M10的栅极都是由轨到轨运放A输出端偏置，MOS管M5’、M10’的栅极都与M15的栅极相连，且由于轨到轨运放A的高增益，钳制电位V_X＝V_Y，所以I_up＝I₂。此外因为运放的输入端没有电流流入，所以I₁＝I₂。根据上述分析，可以推出I_up＝I_dw，即CP的充放电流匹配。轨到轨运放在宽输入电压范围内能保持高增益，由此扩大了CP电流匹配时输出电压的范围。预充电偏置电路4中，M17，M18与自偏置电流镜电路R、M1、M2与构成又一个电流镜，镜像参考电流源I_ref得到I_bia。当CP的输出电压为0V时，预充电偏置电路4偏置充放电电路M5’和M10’的栅极，由M5’和M10’为CP提供预充电电流。预充电电流的大小取决于镜像电流I_bia的大小。此结构的电荷泵具有高预充电电流值，高预充电电流对环路滤波器进行迅速充电，缩短锁相环工作时的建立时间。因此，通过增加预充电偏置电路4解决了CP结构中存在低预充电电流的问题。

通过仿真表明，本发明所设计的CP电路在输出电压匹配范围为0.13V～1.65V(工作电压为1.8V)，电流匹配精度为0.01％，预充电电流为70μA(CP充放电流为100μA)，本设计结构简单，易于集成，适合高性能要求的锁相环应用。

Claims

1.一种电荷泵锁相环中的电荷泵电路，其特征在于：设有自偏置电流镜电路、充放电电路、复制电路、预充电偏置电路及轨到轨运放电路，其中：

自偏置电流镜电路设有电阻R、MOS管M1、M2、M3以及参考电流源，电阻R一端连接MOS管M1栅极和参考电流源，参考电流源另一端连接电源VDD，电阻R另一端连接MOS管M1的漏极和M2的栅极，MOS管M1的源极连接M2的漏极，MOS管M2的源极连接M3的漏极，MOS管M3的栅极接电源VDD，M3的源极接地；

充放电电路设有充电开关管M4和放电开关管M8以及MOS管M5、M5’、M6、M7组成的充放电电流源，充电开关管M4栅极连接充电信号UP，M4源极接电源VDD，MOS管M5与M5’作为充电电流源，MOS管M5与M5’的源极连接在一起并与开关管M4的漏极连接，MOS管M5与M5’的漏极相连作为电荷泵输出端，与锁相环中环路滤波器输入端连接，MOS管M5与M5’的漏极连接在一起并与MOS管M6的漏极连接，MOS管M6的栅极与自偏置电流镜电路中MOS管M1栅极连接，MOS管M6的源极与MOS管M7的漏极连接，MOS管M7的栅极和自偏置电流镜电路中MOS管M2的栅极相连接，MOS管M7的源极连接放电开关管M8的漏极，放电开关管M8的栅极连接放电信号DW，M8的源极接地；

复制电路是充放电电路结构的复制，设有与充电开关管M4相对应的充电开关管M9、与MOS管M5、M5’相对应的MOS管M10、M10’、与MOS管M6、M7相对应的MOS管M11、M12以及与放电开关管M8相对应的放电开关管M13，相对应的晶体管尺寸对应相等，充电开关管M9的源极连接电源VDD，M9栅极接地，MOS管M10、M10’的源极连接M9的漏极，MOS管M10、M10’的漏极连接MOS管M11的漏极，M11的栅极连接自偏置电流镜电路中MOS管M1的栅极，MOS管M11的源极连接MOS管M12的漏极，M12的栅极连接自偏置电流镜电路中MOS管M2的栅极，M12的源极连接放电开关管M13的漏极，M13的栅极接电源VDD，M13的源极接地；

预充电偏置电路设有MOS管M14、M15、M16、M17、M18，MOS管M14的源极接电源VDD，M14的栅极接地，M14的漏极接MOS管M15源极，M15的栅极与漏极连接在一起并与充放电电路MOS管M5’以及复制电路MOS管M10’的栅极连接，M15的漏极连接MOS管M16的漏极，M16的栅极连接自偏置电流镜MOS管M1的栅极，M16的源极连接MOS管M17的漏极，M17的栅极连接自偏置电流镜MOS管M2的栅极，M17的源极连接MOS管M18的漏极，M18的栅极接电源VDD，M18的源极接地；

轨到轨运放电路的负输入端连接电荷泵的输出端即充放电电路中MOS管M6的漏极，轨到轨运放电路的正输入端连接复制电路中MOS管M11的漏极，轨到轨运放电路的输出端与充放电电路MOS管M5的栅极以及复制电路MOS管M10的栅极连接在一起。

2.根据权利要求1所述的电荷泵锁相环中的电荷泵电路，其特征在于：轨到轨运放电路的输出端还串联一电阻R_C及电容C_C后连接轨到轨运放电路的正输入端。