CN102347760B - 一种电荷泵及应用该电荷泵的锁相环 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种电荷泵及应用该电荷泵的锁相环，该电荷泵包括：偏置电路-电流镜单元和电荷泵主电路，其中，偏置电路-电流镜单元将偏置电流镜像到电荷泵主电路的充电电流源和放电电流源，该电荷泵还包括进行电流匹配的电路，该进行电流匹配的电路设置在电荷泵主电路之外，输出端与电荷泵主电路的输出端相连接，进行电流匹配的电路的输出电流小于电荷泵主电路的输出电流。本实施方式通过将进行电流匹配的电路移出电荷泵主电路，采用单独设置，实现在进行电流匹配的电路出现故障时，电荷泵仍能进行工作。

Description

一种电荷泵及应用该电荷泵的锁相环

技术领域

本发明涉及集成电路技术领域，尤其涉及一种电荷泵及应用该电荷泵的锁相环。

背景技术

锁相环(Phase Locked Loop，PLL)是一种相位负反馈控制系统，能使受控振荡器的频率和相位与输入信号保持确定关系，并且可以抑制输入信号中的噪声以及压控振荡器的相位噪声。如图1所示，目前比较常用的PLL通常由鉴频鉴相器(Phase Frequency Detector，PFD)、电荷泵(Charge Pump，CP)、环路滤波器(Loop Filter，LPF)、压控振荡器(Voltage Control Oscillator，VCO)以及分频器(Frequency Divider，FD)等多个电路组成的系统。

衡量PLL性能的标准是频域的相位噪声的大小，而PLL系统的相位噪声几乎在其组成的每个电路都有贡献，影响较大的低频相位噪声主要来源于工作频率相对较低的模拟电路电路，即PFD、CP和LPF等。其中，CP电路由于电流不匹配，导致了杂散噪声的产生。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种锁相环及电荷泵，解决锁相环中的电荷泵的进行电流匹配的电路出现故障时，导致整个电荷泵瘫痪的问题，实现在进行电流匹配的电路故障时，电荷泵仍可进行工作。

为解决上述技术问题，本发明的一种电荷泵，包括：偏置电路-电流镜单元和电荷泵主电路，其中，偏置电路-电流镜单元将偏置电流镜像到电荷泵主电路的充电电流源和放电电流源，该电荷泵还包括进行电流匹配的电路，该进行电流匹配的电路设置在电荷泵主电路之外，输出端与电荷泵主电路的输出端相连接，进行电流匹配的电路的输出电流小于电荷泵主电路的输出电流。

进一步地，进行电流匹配的电路包括：受反馈控制的充电受控电流源和放电受控电流源，相配对的充电电流镜和充电镜像电流源以及相配对的放电电流镜和放电镜像电流源，其中：

充、放电电流镜将电流相应地镜像到充、放电镜像电流源，充电受控电流源与充电电流镜串联于一路径中，放电受控电流源与放电电流镜串联于一路径中，充电镜像电流源与放电镜像电流源串联于一路径中，且各路径相互并联，充电镜像电流源与放电镜像电流源相连接的一端为输出端。

进一步地，在充电受控电流源与充电电流镜串联的路径中以及放电受控电流源与放电电流镜串联的路径中还串联有电流源；在充电镜像电流源与放电镜像电流源串联的路径中，充电镜像电流源和放电镜像电流源的一侧分别串联电阻或电流源。

进一步地，电荷泵主电路包括：相串联的充电电流源和放电电流源，在充电电流源与电源之间串联有充电开关，在放电电流源与地线之间串联有放电开关，在充电开关与充电电流源的连接点处连接到地线的辅助放电路径，在放电开关与放电电流源的连接点处连接来自电源的辅助充电路径。

进一步地，充电开关的控制端与输入信号连接，由

控制充电开关的通断状态，辅助放电路径通过反相器与输入信号

连接，控制该辅助放电路径的通断状态；

放电开关的控制端与输入信号DN连接，由DN控制放电开关的通断状态，辅助充电路径通过反相器与输入信号DN连接，控制该辅助充电路径的通断状态。

进一步地，辅助充电路径和辅助放电路径均为电流路径。

进一步地，在偏置电路-电流镜单元中电流镜采用共源共栅电流镜，在该共源共栅电流镜的上层晶体管与下层场效应管之间还连接放大器，将上层晶体管的源极与下层场效应管的漏极的连接点作为放大器的差分输入端，放大器的输出端连接到上层晶体管的栅极。

进一步地，一种锁相环，包括依次相连的鉴频鉴相器、电荷泵和环路滤波器，电荷泵包括：偏置电路-电流镜单元和电荷泵主电路，其中，偏置电路-电流镜单元将偏置电流镜像到电荷泵主电路的充电电流源和放电电流源，该电荷泵还包括进行电流匹配的电路，该进行电流匹配的电路设置在电荷泵主电路之外，输出端与电荷泵主电路的输出端串联，进行电流匹配的电路的输出电流小于电荷泵主电路的输出电流。

进一步地，进行电流匹配的电路包括：受反馈控制的充电受控电流源和放电受控电流源，相配对的充电电流镜和充电镜像电流源以及相配对的放电电流镜和放电镜像电流源，其中：

充、放电电流镜将电流相应地镜像到充、放电镜像电流源，充电受控电流源与充电电流镜串联于一路径中，放电受控电流源与放电电流镜串联于一路径中，充电镜像电流源与放电镜像电流源串联于一路径中，且各路径相互并联，充电镜像电流源与放电镜像电流源相连接的一端为输出端。

进一步地，在充电受控电流源与充电电流镜串联的路径中以及放电受控电流源与放电电流镜串联的路径中还串联有电流源；在充电镜像电流源与放电镜像电流源串联的路径中，充电镜像电流源和放电镜像电流源的一侧分别串联电阻或电流源。

综上所述，本实施方式通过将进行电流匹配的电路移出电荷泵主电路，采用单独设置，实现在进行电流匹配的电路出现故障时，电荷泵仍能进行工作，并且提供辅助动态电流匹配电路，有效地实现对VCO控制电压的动态控制，消除系统锁定后电压的波动造成系统失锁现象，并实现对充放电瞬间电流尖脉冲的减小，从而有效地提高整体电路的性能，具有较高的实用价值。

附图说明

图1为现有技术中锁相环系统的示意图；

图2为本实施方式的电荷泵组成结构示意图；

图3为现有技术中共源共栅电流镜的结构示意图；

图4为本实施方式的电流镜结构示意图；

图5为本实施方式的电荷泵的动态电流匹配电路的示意图；

图6为本实施方式的电荷泵的动态电流匹配电路的一种简化实现方式的示意图。

具体实施方式

本实施方式是对锁相环(PLL)系统中的电荷泵(CP)进行改进，将进行电流匹配的电路移出电荷泵主电路，进行单独设置，并在电荷泵主电路的上控制开关和上电流源的连接点与下控制开关之间，在下控制开关和下电流源的连接点与上控制开关之间，分别并联一个额外电流路径，可以消除由于充放电产生的电流毛刺现象；针对充放电的电流不匹配的问题，设计了一个补偿型的动态电流匹配电路。

下面结合附图对本实施方式进行详细说明。

现有技术中，电荷泵包括偏置电路-电流镜单元以及电荷泵主电路，通常的电流匹配解决方案是对电荷泵主电路的电流源进行改进，这种方式最大的风险是：当对电荷泵主电路的电流匹配由于某些原因无法工作时，将导致整个电荷泵电路无法进行正常的充放电，整个电荷泵将陷入瘫痪。在本实施方式中，在电荷泵主电路之外设置辅助动态电流匹配电路作为进行电流匹配的电路，将进行电流匹配的电路从电荷泵主电路中移出，并使动态电流匹配电路的输出电流小于电荷泵主电路的输出电流，如小于电荷泵主电路的输出电流的20％左右等，也就是说电荷泵的绝大部分电流仍由主电路提供，这样就解决了上述问题，即使进行电路匹配的电路无法工作，也不会导致整个电荷泵陷入瘫痪。

图2所示为本实施方式的电荷泵电路，包括：偏置电路-电流镜单元、电荷泵主电路和辅助动态电流匹配电路，偏置电路-电流镜单元、CP主电路和辅助动态电流匹配电路依次相连。在偏置电路-电流镜单元中，电流镜将偏置电路产生的偏置电流镜像到电荷泵主电路的充电电流源和放电电流源，图中的电流源I₁和电流源I₂，电荷泵主电路的输出点(点B)与辅助动态电流匹配电路的输出端相连接。

图3所示为传统共源共栅电流镜，这种电流镜是在传统MOS管(金属-氧化物-半导体场效应晶体管)电流镜M3和M4(下层MOS管)的漏极(P点和N点)上分别叠加晶体管M1和M2(上层晶体管)，并为M1和M2提供额外的偏置电压Vb，将M3和M4的栅极接到M1的漏极。M1和M2对点P和点N的电压起到屏蔽作用，点P和点N电压的相对稳定使I_main到I_out的电流镜像根据精确；这种结构可以增大M2漏极的输出电阻，从而使得输出电流更加稳定。

图4为本实施方式的电流镜，应用于图2中的偏置电路-电流镜单元中。在传统共源共栅电流镜的基础上，连接一高增益放大器，将M3和M4的漏极(P点和N点)作为放大器的差分输入端，放大器的输出端连接M1和M2的栅极，作为M1和M2的偏置，这样就形成了一个反馈控制环。高增益放大器既可以实现镜像的两个晶体管M3和M4的漏源电压完全相等，又大大提高了输出电流源的阻抗；另外，放大器输出端连接到共栅管M1和M2的栅极(点M)，又减少了额外的偏置电压Vb的使用。

请再次参考图2，电荷泵主电路包括：产生充电电流I_up的充电电流源I₁和产生放电电流I_dn的放电电流源I₂，I₁与I₂串联；在I₁与电源V_dd之间还串联充电开关S_up，充电开关S_up的控制端连接输入信号

(PFD的一路输出信号)，由

控制充电开关S_up的通断状态。在I₂与地线之间串联有放电开关S_dn，放电开关S_dn的控制端连接另一输入信号DN(PFD的另一路输出信号)，由DN控制放电开关S_dn的通道状态。

本实施方式中，在S_up与I₁的连接点处添加一路到地线的辅助放电路径，在S_dn与I₂的连接点处添加一路来自电源V_dd的辅助充电路径。在输入端

上连接一反相器，将该反相器的输出连接到辅助放电路径上，用来控制辅助放电路径的通断；在输入端DN上同样连接一反相器，将该反相器的输出连接到辅助充电路径上，用来控制辅助充电路径的通断。辅助充电路径和辅助放电路径均为电流路径。

由于晶体管寄生电容的影响，CP的输入信号

和DN作为脉冲控制信号，会导致在S_up和S_dn的通断瞬间产生时钟馈通和电荷注入等现象，表现在输出点(图2中的点B)的电流上是在开关断开瞬间产生较大的电流尖脉冲。在未添加辅助充电路径和辅助放电路径时，电流尖脉冲表现在频域上就是杂散信号，会严重影响电路性能；在增加并联的辅助充电路径和辅助放电路径后，由于开关瞬间通断导致的残留在开关寄生电容中的多余电荷(电流尖脉冲的诱因)会通过辅助充电路径和辅助放电路径相对容易地泄放，即开关S_up中多余电荷的一大部分通过辅助放电路径泄放到地，开关S_dn中不足电荷的一大部分通过辅助充电路径由电源补充，从而大大减小了主电路中输出点的放电尖脉冲的幅度，提高了电路性能。

图5所示为本实施方案中的辅助动态电流匹配电路的结构，包括：受反馈控制的受控电流源，充电受控电流源Cc1和放电受控电流源Cc2，配对使用的电流镜和镜像电流源，充电电流镜和充电镜像电流源Cm1，放电电流镜和放电镜像电流源Cm2(图中矩形方框内所示)，其中，Cc1与充电电流镜串联于一条路径1上，Cc2与放电电流镜串联于一条路径2上，Cm1与Cm2串联于一条路径3上，且三条路径相互并联；另外，为了实现各路径性能的匹配，在路径1上串联电流源Cs2，在路径2上串联电流源Cs1，在路径3上分别在Cm1与Cm2的一侧串联电阻或电流源，图5中的充电镜像电流源Cm1与放电镜像电流源Cm2串联处为输出点(点B)，与电荷泵主电路的输出端点串联，且点B与图中的充电受控电流源Cc1和放电受控电流源Cc2的控制端连接，点B的电压信号控制Cc1和Cc2的输出电流。以上Cc1、Cs1和Cm1为P型场效应管，Cc2、Cs2和Cm2为N型场效应管。

辅助动态电流匹配电路的工作过程如下：

在PLL实现锁定后，电荷泵输出点的电压通常会设置在V_dd/2的附近，如果电荷泵的主电路中充电电流与放电电流能够实现完全匹配，输出点的电压在锁定后不会发生变化；但是，如果电荷泵主电路中的充放电电流不匹配，则由于不理想的充放电作用，会致使输出点的电压发生抖动，产生随机噪声和固有的杂散信号。采用本实施方式的方案后，输出点的电压变化导致充电受控电流源Cc1和放电受控电流源Cc2的电流发生变化，变化后的电流再镜像到镜像电流源Cm1和Cm2，使Cm1和Cm2路径上的电流变化，从而对输出点的电压重新调整。

假设在PLL锁定的情况下，输出点的电压保持在理想的位置，当由于电流失配导致输出点的电压发生变化时，假定电压V_B上升，此时也意味着PLL系统的放电电流I_dn变大，而充电电流I_up变小，上升的电压V_B同时控制受控电流源Cc1和Cc2，这样就会导致受控电流源晶体管的栅源电压发生相反方向的变化，也就意味着在各自支路电流不变的情况下，其晶体管的漏源电压Vds会发生相反的变化，这就必然会使电流镜(current mirror)的漏源电压也发生变化，因此镜像电流也会发生变化，由于电流镜的镜像因子表示为：

I_o/I_i＝(W/L)₂/(W/L)₁·(1+λVds₂/1+λVds₁)   (1)

其中，I_o、I_i、W/L、Vds和λ分别为输出电流、输入电流、晶体管的宽长比、晶体管的漏源电压和沟道长度调制系数，因此，可以获知晶体管的漏源电压的改变对镜像电流有对应的影响，当受控电流源晶体管的源漏电压变大，意味着与其串联的电流镜的源漏电压相对变小，根据公式(1)可以发现，电流Iup₁变大，而Idn₁变小，正好弥补了电荷泵主电路的失配；类似地，当V_B下降时相反的情况。

如图6所示，本实施方式给出了一种简化的实现辅助动态电流匹配电路的方式，图中虚线作为偏置电路-电流镜单元与辅助动态电流电路的分界线，其中，M21和M19的作用相当于图5中的电流源Cs1和Cs2，M22和M24相当于图5中的电流源Cc1和Cc2，M29和M27相当于电流源Cm1和Cm2，M28与M26作为线性电阻使用，其他晶体管则是提供电流镜或是偏置的作用。

从以上过程中不难发现这样的一个电流的动态匹配补偿电路对整体电荷泵电路的性能大大改善，电路简单实用，没有消耗很大的功耗，具有较高的使用价值。

上述发明所述的实际电路只是应用中有限的一部分，其他实施实例还包括但不限于以上电路所述的某一功能决、某几个功能块或者全部功能块的组合构成，并且本发明不限于这些实施形态，由权利的要求范围示出，与权利要求均等的内容和权利要求的范围之内的所有变更或变化都包含在本发明要求的权利范围之内。

Claims (10)

1.一种电荷泵，包括：偏置电路-电流镜单元和电荷泵主电路，其中，所述偏置电路-电流镜单元将偏置电流镜像到所述电荷泵主电路的充电电流源和放电电流源，该电荷泵还包括进行电流匹配的电路，该进行电流匹配的电路设置在所述电荷泵主电路之外，输出端与所述电荷泵主电路的输出端相连接，所述进行电流匹配的电路的输出电流小于所述电荷泵主电路的输出电流。

2.如权利要求1所述的电荷泵，其特征在于：

所述进行电流匹配的电路包括：受反馈控制的充电受控电流源和放电受控电流源，相配对的充电电流镜和充电镜像电流源以及相配对的放电电流镜和放电镜像电流源，其中：

充、放电电流镜将电流相应地镜像到充、放电镜像电流源，所述充电受控电流源与充电电流镜串联于一路径中，所述放电受控电流源与所述放电电流镜串联于一路径中，所述充电镜像电流源与放电镜像电流源串联于一路径中，且各路径相互并联，所述充电镜像电流源与放电镜像电流源相连接的一端为输出端。

3.如权利要求2所述的电荷泵，其特征在于：

在所述充电受控电流源与充电电流镜串联的路径中以及所述放电受控电流源与放电电流镜串联的路径中还串联有电流源；在所述充电镜像电流源与放电镜像电流源串联的路径中，所述充电镜像电流源和放电镜像电流源的一侧分别串联电阻或电流源。

4.如权利要求1～3中任意之一所述的电荷泵，其特征在于：

所述电荷泵主电路包括：相串联的充电电流源和放电电流源，在所述充电电流源与电源之间串联有充电开关，在所述放电电流源与地线之间串联有放电开关，在所述充电开关与充电电流源的连接点处连接到地线的辅助放电路径，在所述放电开关与放电电流源的连接点处连接来自所述电源的辅助充电路径。

5.如权利要求4所述的电荷泵，其特征在于：

所述充电开关的控制端与输入信号

连接，由所述

控制所述充电开关的通断状态，所述辅助放电路径通过反相器与所述输入信号连接，控制该辅助放电路径的通断状态；

所述放电开关的控制端与输入信号DN连接，由所述DN控制所述放电开关的通断状态，所述辅助充电路径通过反相器与所述输入信号DN连接，控制该辅助充电路径的通断状态。

6.如权利要求5所述的电荷泵，其特征在于：

所述辅助充电路径和辅助放电路径均为电流路径。

7.如权利要求1～3任意之一所述的电荷泵，其特征在于：

在所述偏置电路-电流镜单元中电流镜采用共源共栅电流镜，在该共源共栅电流镜的上层晶体管与下层场效应管之间还连接放大器，将所述上层晶体管的源极与下层场效应管的漏极的连接点作为所述放大器的差分输入端，所述放大器的输出端连接到所述上层晶体管的栅极。

8.一种锁相环，包括依次相连的鉴频鉴相器、电荷泵和环路滤波器，所述电荷泵包括：偏置电路-电流镜单元和电荷泵主电路，其中，所述偏置电路-电流镜单元将偏置电流镜像到所述电荷泵主电路的充电电流源和放电电流源，该电荷泵还包括进行电流匹配的电路，该进行电流匹配的电路设置在所述电荷泵主电路之外，输出端与所述电荷泵主电路的输出端串联，所述进行电流匹配的电路的输出电流小于所述电荷泵主电路的输出电流。

9.如权利要求8所述的锁相环，其特征在于：

所述进行电流匹配的电路包括：受反馈控制的充电受控电流源和放电受控电流源，相配对的充电电流镜和充电镜像电流源以及相配对的放电电流镜和放电镜像电流源，其中：

充、放电电流镜将电流相应地镜像到充、放电镜像电流源，所述充电受控电流源与充电电流镜串联于一路径中，所述放电受控电流源与所述放电电流镜串联于一路径中，所述充电镜像电流源与放电镜像电流源串联于一路径中，且各路径相互并联，所述充电镜像电流源与放电镜像电流源相连接的一端为输出端。

10.如权利要求9所述的锁相环，其特征在于：

在所述充电受控电流源与充电电流镜串联的路径中以及所述放电受控电流源与放电电流镜串联的路径中还串联有电流源；在所述充电镜像电流源与放电镜像电流源串联的路径中，所述充电镜像电流源和放电镜像电流源的一侧分别串联电阻或电流源。

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