CN102739043B - 电荷泵电路 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种电荷泵电路，具体包括：启动单元、阈值基准单元、电流镜单元和运算放大器，具体连接关系是：所述启动单元为阈值基准单元和电流镜单元提供启动电压，所述运算放大器的输出端分别与阈值基准单元的输入端和电流镜单元的第一输入端相连；所述阈值基准单元的输出端与运算放大器的正向输入端相连，所述电流镜单元的输出端与运算放大器的负向输入端相连并作为所述电荷泵电路的输出端，所述电流镜单元的第二输入端作为所述电荷泵电路的输入端。本发明的电路直接将运算放大器用在阈值基准单元和电流镜单元之间，而不是将运算放大器用两个电流镜单元之间，保持了电容的充、放电电流的恒定，使得电荷泵电容电压线性变化。

Description

电荷泵电路

技术领域

本发明属于集成电路技术领域，具体涉及一种电荷泵锁相环中的电荷泵电路的设计。

背景技术

锁相环的概念是20世纪30年代提出的，之后很快应用于电子学和通信领域。电荷泵锁相环（Charge Pump Phase-Locked Loop，CPPLL）是目前锁相环电路设计的主流，具有捕捉范围宽、捕捉时间短、线性范围大、高速低功耗等优点，因此被广泛应用于现在通信以及射频领域中。

锁相环（PLL）是把输出信号和输入信号的相位相比较的反馈系统。图1为典型的电荷泵锁相环系统，包括鉴频鉴相器（PFD）、电荷泵（CP）、环路滤波器（LF）、压控振荡器（VCO）、分频器（MMD）等模块。CP电路在CPPLL中起着非常重要的作用，它将PFD电路输出的数字控制信号，包括充、放电控制信号UP、DOWN转换为模拟信号，进而来控制VCO的输出频率，实现锁相的功能。此处的模拟信号主要有两个要求：1、纹波小；2、线性度好。这就要求CP电路要满足两个条件：1、充、放电电流相等；2、在一定范围内，充、放电电流保持恒定。在实际应用中，CP电路受到沟道长度调制效应、电荷共享、电荷注入等非理想因素的制约，存在严重的电流源电流失配，这是影响环路性能的主要因素。

现有的第一种电荷泵电路如图2所示，包括PMOS电流镜MP1、MP3，NMOS电流镜MN2、MN4，PMOS开关管MP4，NMOS开关管MN3，偏置电路，鉴频鉴相器的输出控制信号UP、DOWN以及电荷泵电容Ccp，主体电路可分为支路1、支路2。偏置电路为后级电路提供偏置电压和电流，I1/I2按照一定比例镜像参考电流I_ref。鉴频鉴相器的输出控制信号UP控制MP4的导通与关断，DOWN控制MN3的导通与关断，当UP、DOWN为低时：MP4导通、MN3关断，Ich镜像I1对电容充电，当UP、DOWN为高时：MP4关断、MN3导通，Idis镜像I2对电容放电，当MP4、MN3同时关断时，电容C不进行放电或者充电，Vcp维持不变。

该电路的缺点在于：1、电流镜电流失配问题：由于沟道调制效应，PMOS电流镜MP3和NMOS电流镜MN4的Vds不相等，例如Vcp为高时，MP4、MN3的漏极电压为高，则Ich<Idis，那么在复位脉冲期间，MP4、MN3都开启，此时电容C就会释放电荷，Vcp会跟着降低，不会维持不变，这会对下级电路造成影响。2、电荷共享问题：电流镜MP3管、MN4管分别靠近电源和地，漏极存在一定的电容，假设开关管MP4、MP3都断开，那么MP3管使节点Y充电到VDC，MN4管使节点X放电到零电位。在下一个相位比较瞬间，若开关管MP4、MP3都开启，节点X的电位上升，节点Y的电位下降，如果忽略开关管MP4、MP3上的电压降，则VX=VY=Vcp，即使CX=CY，VX的变化量也不一定等于VY的变化量，这两者之差由Ccp提供，从而导致Ccp上电压的跳动。图3中可以明显看出：Ich和Idis不相等。由于鉴频鉴相器内部环路的延迟，其输出信号UP和DOWN会有很窄的复位脉冲，虽然复位脉冲可起到消除死区的作用，但会使得PMOS、NMOS开关管同时导通，如果这时充、放电电流不相等，电荷泵电容Ccp上的净电流不为零，使得Ccp的电位在每个周期都有固定的变化，锁相环路为了保持锁定，就会在输入、输出之间产生相位误差。

现有的第二种电荷泵电路如图4所示，包括PMOS电流镜MP2、MP4，NMOS电流镜MN3、MN5，PMOS开关管MP3，NMOS开关管MN5，偏置电路MN1、MN2，鉴频鉴相器的输出控制信号UP、DOWN以及电荷泵电容Ccp，主体电路可分为支路1、支路2。该电路可以看作第一种电荷泵电路的改进，第一：增添了跨导运算放大器，通过反馈作用使得X、Y两点电位相等，从而实现了充、放电电流相等；第二：交换了开关管和电流镜的位置，解决了电荷共享问题，但是从图5的波形图可以看出，该泵电路Ich=Idis，但是Ich、Idis随输出电压变化，因此没有实现充、放电电流恒定。

发明内容

本发明的目的是为了解决上述电荷泵电路没有实现充、放电电流恒定的问题，提出了一种电荷泵电路。

本发明的技术方案是：一种电荷泵电路，具体包括：启动单元、阈值基准单元、电流镜单元和运算放大器，具体连接关系是：所述启动单元为阈值基准单元和电流镜单元提供启动电压，所述运算放大器的输出端分别与阈值基准单元的输入端和电流镜单元的第一输入端相连；所述阈值基准单元的输出端与运算放大器的正向输入端相连，所述电流镜单元的输出端与运算放大器的负向输入端相连并作为所述电荷泵电路的输出端，所述电流镜单元的第二输入端作为所述电荷泵电路的输入端。

本发明的有益效果：相比第一种电荷泵电路，本发明的电荷泵电路解决了充、放电电流匹配问题和电荷共享问题；相比现有的第二种电荷泵电路，本发明的电荷泵电路是直接将运算放大器用在阈值基准单元和电流镜单元之间，而不是将运算放大器用两个电流镜单元之间，这样保持了电容的充、放电电流的恒定，从而解决了充、放电电流变化的问题，使得电荷泵电容电压线性变化，可更精确的控制对电容的充、放电；本发明的电荷泵电路结构简单，易于集成，且充放电电流源匹配精度高，适合于低压低功耗应用。

附图说明

图1为电荷泵锁相环系统结构示意图。

图2为现有的第一种电荷泵电路结构示意图。

图3为现有的第一种电荷泵电路结构输出电压、电流波形示意图。

图4为现有的第二种电荷泵电路结构示意图。

图5为现有的第二种电荷泵电路输出电压、电流波形示意图。

图6为本发明的电荷泵电路结构示意图。

图7为本发明的电荷泵电路具体实现示意图。

图8为本发明的电荷泵电路输出电压、电流波形示意图。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施方式对本发明作进一步的说明。

本发明的电荷泵电路如图6所示，电荷泵电路，具体包括：启动单元、阈值基准单元、电流镜单元和运算放大器OTA，具体连接关系是：所述启动单元为阈值基准单元和电流镜单元提供启动电压，所述运算放大器的输出端分别与阈值基准单元的输入端和电流镜单元的第一输入端相连；所述阈值基准单元的输出端与运算放大器的正向输入端相连，所述电流镜单元的输出端与运算放大器的负向输入端相连并作为所述电荷泵电路的输出端，所述电流镜单元的第二输入端作为所述电荷泵电路的输入端。

可以看出这里的阈值基准单元提供恒定电流，电流镜单元镜像阈值基准单元的恒定电流，运算放大器能够保证阈值基准单元电流和电流镜单元电流精确相等。

图7给出了本发明的一种实现形式，下面对三个子单元分别进行阐述。

启动单元包括电阻R1、NMOS管MN1、MN2，其中，MN2管为二极管连接形式，MN2管的栅极接到MN1管的栅极和电阻R1的一端，MN2管的源极接到地，电阻R1的另一端和MN1管的漏极接到外部的电源电压VDC，MN1管的源极作为启动单元的输出端。

阈值基准单元具体包括：PMOS管MP1、MP2、MP3、MP4，NMOS管MN3、MN4和MN5，电阻R2，其中，PMOS管MP1的栅极、MP3的栅极均短接到地，MP1的源极、MP3的源极均接到外部的电源电压VDC，PMOS管MP1的漏极接到MP2的源极，PMOS管MP3的漏极接到PMOS管MP4的源极，PMOS管MP2的栅极和MP4的栅极相连接作为所述阈值基准单元的输入端，PMOS管MP2的漏极接到NMOS管MN3的漏极，MN3管的栅极接到MN4管的源极和电阻R2的一端，MN4管的栅极并作为阈值基准单元的启动输入端，MP4管的漏极接到MN4管的漏极并作为阈值基准单元的输出端，R2的另一端接到MN5管的漏极，MN5管的源极接到地、栅极接到外部的电源电压VDC。

电流镜单元具体包括：PMOS管MP5、MP6，NMOS管MN6、MN7和电阻R3，其中，PMOS管MP5的源极接到外部的电源电压VDC，MP5的漏极接到MP6的源极，MP6的漏极接到MN6的漏极并作为所述电流镜单元第一输入端和输出端，MN6的栅极作为所述电流镜单元的启动输入端，MN6的源极接到电阻R3的一端，R3的另一端接到MN7管的漏极，MN7管的源极接到地，MP5的栅极和MN7的栅极连接在一起并作为所述电流镜单元第二输入端。

可以看出，电荷泵电路的输入端即电流镜单元的第二输入端接鉴频鉴相器的输出控制信号，一般情况下，输出控制信号的高电平为电源电压5V，低电平为0V；电容Ccp作为电荷泵电容，电荷泵电路的输出电压信号就是电容Ccp上的电压Vcp。

本领域的技术人员应该意识到，上述三个子单元只是本发明的示例，在具体应用到本发明所提出的电荷泵电路时，可以分开使用，即可以只使用某一个或两个子单元，均不影响本发明的实现。

在此以图7所示的实施例来说明本发明电路的工作原理和工作过程。

首先说明本发明的电荷泵电路解决电荷共享问题的原理：图7中本发明电路中改变了电流镜和开关管的位置，电流镜漏极的电容和电荷泵电路电容Ccp在同一节点，这样就两个电流镜漏极电容的电压变化量相等，也就避免了电荷共享问题。

图7中本发明电路中添加了OTA，随着输出电压Vcp的升高，即Y点电位升高，由于存在沟道长度调制效应，Ich会降低。OTA的负输入端升高，其输出端降低，此时OTA的正输入端还未来得及变化，即MP4管的栅极电压降低，MP4管的漏源电压不变，则电流I3升高，此时电流I4也会跟着升高，MN4的栅源电压不变，则漏极电压会升高，最终OTA的正负输入端电压相等，即在保证MP2管、MP4管、MN3管、MN4管工作在饱和区的范围内，使X、Y节点处电位相等。当鉴频鉴相器输出信号为低时，支路3上MP5开关管导通、MN7开关管关断，MP4管的栅极与MP6管的栅极有相同的偏置，漏极由OTA钳位，所以Ich=I3=I4，又MN4管的栅极与MN6管的栅极有相同的偏置，且源极电位相同，所以Idis=I4，这样就实现了Ich=Idis。

PMOS管MP1、MP3，且栅极接地，NMOS管MN5，且栅极接电源电压，以及支路3上电阻R3都是为了匹配充放电电路，使电路结构完全对称，电流更精确的镜像，增加输出摆幅。

最后说明的是本发明实现充、放电电流恒定的原理，对比图5和图8中的波形图可以很明显的看出：现有的第二种电荷泵电路Ich=Idis但是Ich、Idis随输出电压变化，本发明所述的电荷泵电路实现了Ich=Idis=constant。

根据等式Vcp=Q/C=I·Δt/C可知：Vcp正比于充/放电电流，如果充、放电电流恒定就可更精确地控制Ccp上的电压。对比图4中现有的电荷泵电路，该电路将OTA用到电流镜支路1和支路2之间，使得X、Y点电位相同，Ich=Idis=I1/I2。I1/I2镜像Iref，若X点电位恒定，那么I1就是恒定的，但实际情况是电容Ccp上的电压（即Y点电位）会变化、导致X点电位随Y点电位变化，支路1上电流镜管的源漏电压变化，使得I1/I2变化，那么Ich、Idis就变化。图7中本发明所述的电荷泵电路，该电路将OTA用到阈值基准电路的支路2和电流镜电流（支路3）之间，使得X、Y点电位相同，Ich=Idis=I3/I4，I3/I4由基准电路产生，可认为是和定值，这样就实现了在保证阈值基准电路中MP2管、MP4管、MN3管、MN4管工作在饱和区的前提下：Ich=Idis=constant。

综上可以看出，相比第一种电荷泵电路，本发明的电荷泵电路解决了充、放电电流匹配问题和电荷共享问题；相比现有的第二种电荷泵电路，本发明的电荷泵电路是直接将运算放大器用在阈值基准单元和电流镜单元之间，而不是将运算放大器用两个电流镜单元之间，这样保持了电容的充、放电电流的恒定，从而解决了充、放电电流变化的问题，使得电荷泵电容电压线性变化，可更精确的控制对电容的充、放电；本发明的电荷泵电路结构简单，易于集成，且充放电电流源匹配精度高，适合于低压低功耗应用。

本领域的普通技术人员将会意识到，这里所述的实施例是为了帮助读者理解本发明的原理，应被理解为发明的保护范围并不局限于这样的特别陈述和实施例。凡是根据上述描述做出各种可能的等同替换或改变，均被认为属于本发明的权利要求的保护范围。

Claims (1)

1.一种电荷泵电路，具体包括：启动单元、阈值基准单元、电流镜单元和运算放大器，具体连接关系是：所述启动单元为阈值基准单元和电流镜单元提供启动电压，所述运算放大器的输出端分别与阈值基准单元的输入端和电流镜单元的第一输入端相连；所述阈值基准单元的输出端与运算放大器的正向输入端相连，所述电流镜单元的输出端与运算放大器的负向输入端相连并作为所述电荷泵电路的输出端，所述电流镜单元的第二输入端作为所述电荷泵电路的输入端；

所述启动单元包括第一电阻、第一NMOS管、第二NMOS管，其中，第二NMOS管为二极管连接形式，第二NMOS管的栅极接到第一NMOS管的栅极和第一电阻的一端，第二NMOS管的源极接到地，第一电阻的另一端和第一NMOS管的漏极接到外部的电源电压，第一NMOS管的源极作为所述启动单元的输出端；

所述阈值基准单元具体包括：第一PMOS管、第二PMOS管、第三PMOS管、第四PMOS管，第三NMOS管、第四NMOS管和第五NMOS管，第二电阻，其中，第一PMOS管的栅极、第三PMOS管的栅极均短接到地，第一PMOS管的源极、第三PMOS管的源极均接到外部的电源电压，第一PMOS管的漏极接到第二PMOS管的源极，第三PMOS管的漏极接到第四PMOS管的源极，第二PMOS管的栅极和第四PMOS管的栅极相连接并作为所述阈值基准单元的输入端，第二PMOS管的漏极接到第三NMOS管的漏极，第三NMOS管的栅极接到第四NMOS管的源极和第二电阻的一端，第四NMOS管的栅极并作为阈值基准单元的启动输入端，第四PMOS管的漏极接到第四NMOS管的漏极并作为阈值基准单元的输出端，第二电阻的另一端接到第五NMOS管的漏极，第五NMOS管的源极接到地、栅极接到外部的电源电压。