CN103036422A - 一种用于电荷泵锁相环的电荷泵电路 - Google Patents

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潘华
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Abstract

一种用于电荷泵锁相环的电荷泵电路，属于电子技术领域。包括充放电单元、第一互补电路单元、第一运放单元、反相器单元、第二互补电路单元、电流镜单元和第二运放单元。本发明不仅解决了现有电荷泵电路存在的充、放电电流匹配问题和电荷共享问题；同时采用两个互补电路单元和两个运放单元，两个互补电路单元对充放电单元进行正反两种补偿，这样对电容的充、放电电流能够恒流，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。本发明具有电路结构简单，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。

Description

一种用于电荷泵锁相环的电荷泵电路
技术领域
本发明属于电子技术领域，涉及集成电路设计技术，尤其涉及一种应用于电荷泵锁相环的电荷泵电路。
背景技术
锁相环（PPL）是模拟及数模混合集成电路中的一个重要模块，在无线通讯、频率合成、时钟恢复等方面有非常广泛的应用。在各种锁相环结构中，电荷泵锁相环（Charge PumpPhase-Locked Loop，CPPLL）因其稳定性高、捕捉范围大、鉴频鉴相器采用数字电路等优点被广泛应用于芯片设计中。
锁相环是把输入信号和输出信号相位相比较的反馈系统。图1所示为典型的电荷泵锁相环系统结构，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电路在其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转化成模拟信号，进而控制VCO的输出频率，实现锁相功能，此处的模拟信号主要由两个要求：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电路由于受到MOS管沟道长度调制效应、电荷共享、电荷注入等非理想因素的限制，存在着严重的电流失配，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和MP3，NMOS电流镜MN2和MN4，PMOS开关管MP4，NMOS开关管MN3，偏置电路NMOS开关管MN5，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Iref。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Ccp充电，当UP、DOWN为高时：MP4关断、MN3导通，Idis镜像I2对电容Ccp放电，当MP4、MN3同时关断时，电容Ccp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电流镜中MP3管和NMOS电流镜中MN4管的Vds不相等，例如Vcp（图2中所示Y点电位）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都会开启，此时电容Ccp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：PMOS电流镜中MP3管和NMOS电流镜中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=VCcp，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。由图3可以明显的看出：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、DOWN会有很窄的复位脉冲，虽然复位脉冲可以起到消除死区的作用，但是会使得PMOS、NMOS开关管同时导通，如果这时的充、放电电流不相等，电荷泵电容Ccp上的净电流不为零，使得Ccp上面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和MP4，NMOS电流镜MN3和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，主题电路可分为支路1、支路2。该电路可以看做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，那样就解决了电荷共享问题，但是从图5的波形图可以看出，该电荷泵电路虽然Ich=Idis，但是Ich、Idis会随着输出电压的变化而变化，因此并没有实现充、放电电流的恒定。
发明内容
本发明的目的是为了解决上述电荷泵电路存在的充、放电电流不恒定问题，提出了一种改进的用于电荷泵锁相环的电荷泵电路。
本发明的技术方案是：
一种用于电荷泵锁相环的电荷泵电路，如图6所示，包括充放电单元、第一互补电路单元、第一运放单元A1、反相器单元、第二互补电路单元、电流镜单元和第二运放单元A2。所述充放电单元的输出端与所述第一运放单元A1的负输入端连接，所述第一互补电路单元的输出端与所述第一运放单元A1的正输入端连接，所述第一运放单元A1的输出端分别与所述充放电单元第一输入端和所述第一互补电路单元的第一输入端相连，所述反相器单元的输入端与所述第一互补电路单元的输出端相连，所述反相器单元的输出端与所述第二运放单元A2的负输入端连接，所述第二互补电路单元的输出端与所述第二运放单元A2的正输入端连接，所述第二运放单元的输出端分别与所述电流镜单元输入端和所述第二互补电路单元的输入端相连，所述电流镜单元输出端分别与所述充放电单元第二输入端和所述第一互补电路单元的第二输入端相连。
本发明的有益效果：相比第一种电荷泵电路，本发明解决了充、放电电流匹配问题和电荷共享问题。相比第二种电荷泵电路，本发明的电荷泵电路采用两个互补电路单元和两个运放单元，两个互补电路单元对充放电单元进行正反两种补偿，这样对电容的充、放电电流能够恒流，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结构输出电压、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结构具体实现示意图。
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例对本发明作进一步的说明。
一种用于电荷泵锁相环的电荷泵电路，如图6所示，包括充放电单元、第一互补电路单元、第一运放单元A1、反相器单元、第二互补电路单元、电流镜单元和第二运放单元A2。所述充放电单元的输出端与所述第一运放单元A1的负输入端连接，所述第一互补电路单元的输出端与所述第一运放单元A1的正输入端连接，所述第一运放单元A1的输出端分别与所述充放电单元第一输入端和所述第一互补电路单元的第一输入端相连，所述反相器单元的输入端与所述第一互补电路单元的输出端相连，所述反相器单元的输出端与所述第二运放单元A2的负输入端连接，所述第二互补电路单元的输出端与所述第二运放单元A2的正输入端连接，所述第二运放单元的输出端分别与所述电流镜单元输入端和所述第二互补电路单元的输入端相连，所述电流镜单元输出端分别与所述充放电单元第二输入端和所述第一互补电路单元的第二输入端相连。
可以看出这里的充放电单元和第一互补电路单元通过第一运放单元的反馈作用，实现充、放电电流相等；充放电单元、反相器单元和第二互补电路通过第二运放单元反馈作用，使充、放电电流恒定。
图7给出了本发明的一种实现形式，下面对上述所提到的几个子电路单元分别进行阐述。
所述充放电单元具体包括PMOS管M0和M2，NMOS管M4和M6，其中PMOS管M0源极接电源电压VDC，PMOS管M0的漏极接PMOS管M2的源极，PMOS管M2的漏极和NMOS管M4的漏极相连作为充放电单元的输出端与第一运放单元A1的负输入端相连，NMOS管M4的源极接NMOS管M6的漏极，NMOS管M6的源极接地GND，PMOS管M2的栅极作为充放电单元的第一输入端接第一运放单元A1的输出端，NMOS管M4的栅极作为充放电单元的第二输入端与电流镜单元输出端相连，PMOS管M0的栅极和NMOS管M6的栅极分别接鉴频鉴相器的输出信号UP和DOWN。
所述第一互补电路单元具体包括PMOS管M1和M3，NMOS管M5和M7，其中PMOS管M1源极接电源电压VDC，PMOS管M1的漏极接PMOS管M3的源极，PMOS管M3的漏极和NMOS管M5的漏极相连作为第一互补电路单元的输出端与第一运放单元A1的向输入端相连，NMOS管M5的源极接NMOS管M7的漏极，NMOS管M7的源极接地GND，PMOS管M3的栅极作为第一互补电路单元的第一输入端接第一运放单元A1的输出端，NMOS管M5的栅极作为第一互补电路单元的第二输入端与电流镜单元输出端相连，PMOS管M1的栅极接地GND，NMOS管M7的栅极接电源电压VDC。
所述反相器单元具体包括PMOS管M8和NMOS管M9，其中PMOS管M8为栅漏短接的二极管连接方式，PMOS管M8的源极接电源电压VDC，PMOS管M8的漏极与NMOS管M9的漏极相连作为反相器单元的输出端与第二运放单元A2的负输入端相连接，NMOS管M9的栅极作为反相器单元的输入端接第一互补电路单元的输出端，NMOS管M9的源极接地GND。
所述电流镜单元具体包括PMOS管M10、M12和M14，NMOS管M15和M17，其中PMOS管M10源极接电源电压VDC，PMOS管M10的漏极接PMOS管M12的源极，PMOS管M12的栅极作为电流镜单元的输入端接第二运放单元A2的输出端，PMOS管M12的漏极接PMOS管M14的源极，PMOS管M14和NMOS管M15都是栅漏短接的二极管连接方式，PMOS管M14的漏极与NMOS管M15的漏极相连作为电流镜单元的输出端分别与所述充放电单元第二输入端和所述第一互补电路单元的第二输入端相连，NMOS管M15的源极与NMOS管M17的漏极相连，NMOS管M17的栅极接电源电压VDC，NMOS管M17的源极接地GND。
所述第二互补电路单元具体包括PMOS管M11和M13，NMOS管M16和M18，其中PMOS管M11源极接电源电压VDC，PMOS管M11的漏极接PMOS管M13的源极，PMOS管M13的漏极和NMOS管M16的漏极相连作为第二互补电路单元的输出端与第二运放单元A2的正输入端相连接，NMOS管M16的源极接NMOS管M18的漏极，NMOS管M18的源极接地GND，PMOS管M13的栅极作为第二互补电路单元的输入端接第二运放单元A2的输出端，NMOS管M16的栅极接外部偏置BIAS，PMOS管M11的栅极接地GND，NMOS管M18的栅极接电源电压VDC。
本领域的技术人员应该意识到，上述的5个模块只是本发明的示例，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，即可以只使用其中的一个或者几个子单元，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，图7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运放，随着输出电压Vcp_out的升高，由于存在沟道长度调制效应，Ich会降低。第一运放单元A1的负输入端电压升高，其输出端电压降低导致M3管的栅极电压降低，此时第一运放单元A1的正输入端还未来得及变化，由于M3管的栅极电压降低，而M3管的漏源电压不变，则电流I1升高，此时电流I2也会跟着升高，M5的栅源电压不变，则M5漏极电压会升高，最终使得第一运放单元A1的正负输入端电压相等，即在保证M2管、M3管、M4管、M5管工作在饱和区的范围内，使OUT节点和X节点处电位相等。当鉴频鉴相器输出信号UP为低，DOWN为高时，开关管M0和M6导通，M2管的栅极与M3管的栅极有相同的偏置，漏极由第一运放单元A1钳位，所以有Ich=I1=I2，同样的，M4管的栅极与M5管的栅极有相同的偏置，且漏极电位相同，所以Idis=I2，这样就实现了Ich=Idis。
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：现有第二种电荷泵电路Ich=Idis但是Ich、Idis会随输出电压变化而变化，本发明所述的改进电荷泵电路实现了Ich=Idis，且保持恒定。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Vcp。
对比图4中现有的电荷泵电路，该电路将一个运放单元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就会变化。
图7中本发明所述的电荷泵电路，加入反相器单元和第二运放单元，通过负反馈使图中使I1/I2保持恒定，从而实现Ich、Idis不变化。具体过程如下：当输出电压Vcp_out升高，通过第一运放单元A1的钳位使得X点电位也升高，即M5漏源电压上升，由于沟道长度调制效应，I2会增加，X点电位经过M8、M9构成的反相器单元，输出Y点的电位会下降，Y点为第二运放单元A2的负输入端，使得电流镜单元中M12管的栅极电压升高，M12管栅源电压下降，所以通过M12管的电流会下降，即电流镜单元支路电流下降，M15管为二极管连接方式，故M15管的栅极电压会跟随下降，即M5管的栅极电压下降，使得I2电流减小，故可以维持I2电流恒定，由于Ich=Idis=I1/I2，所以Ich=Idis保持恒定。
综上可以看出，相比第一种电荷泵电路，本发明解决了充、放电电流匹配问题和电荷共享问题。相比第二种电荷泵电路，本发明的电荷泵电路采用两个互补电路单元和两个运放单元，两个互补电路单元对充放电单元进行正反两种补偿，这样对电容的充、放电电流就是恒流，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 (6)

1.一种用于电荷泵锁相环的电荷泵电路，包括充放电单元、第一互补电路单元、第一运放单元（A1）、反相器单元、第二互补电路单元、电流镜单元和第二运放单元（A2）；
所述充放电单元的输出端与所述第一运放单元（A1）的负输入端连接，所述第一互补电路单元的输出端与所述第一运放单元（A1）的正输入端连接，所述第一运放单元（A1）的输出端分别与所述充放电单元第一输入端和所述第一互补电路单元的第一输入端相连，所述反相器单元的输入端与所述第一互补电路单元的输出端相连，所述反相器单元的输出端与所述第二运放单元（A2）的负输入端连接，所述第二互补电路单元的输出端与所述第二运放单元（A2）的正输入端连接，所述第二运放单元的输出端分别与所述电流镜单元输入端和所述第二互补电路单元的输入端相连，所述电流镜单元输出端分别与所述充放电单元第二输入端和所述第一互补电路单元的第二输入端相连。
2.根据权利要求1所述的用于电荷泵锁相环的电荷泵电路，其特征在于，所述充放电单元具体包括PMOS管M0和M2，NMOS管M4和M6，其中PMOS管M0源极接电源电压VDC，PMOS管M0的漏极接PMOS管M2的源极，PMOS管M2的漏极和NMOS管M4的漏极相连作为充放电单元的输出端与第一运放单元（A1）的负输入端相连，NMOS管M4的源极接NMOS管M6的漏极，NMOS管M6的源极接地GND，PMOS管M2的栅极作为充放电单元的第一输入端接第一运放单元（A1）的输出端，NMOS管M4的栅极作为充放电单元的第二输入端与电流镜单元输出端相连，PMOS管M0的栅极和NMOS管M6的栅极分别接鉴频鉴相器的输出信号UP和DOWN。
3.根据权利要求1所述的用于电荷泵锁相环的电荷泵电路，其特征在于，所述第一互补电路单元具体包括PMOS管M1和M3，NMOS管M5和M7，其中PMOS管M1源极接电源电压VDC，PMOS管M1的漏极接PMOS管M3的源极，PMOS管M3的漏极和NMOS管M5的漏极相连作为第一互补电路单元的输出端与第一运放单元（A1）的正输入端相连，NMOS管M5的源极接NMOS管M7的漏极，NMOS管M7的源极接地GND，PMOS管M3的栅极作为第一互补电路单元的第一输入端接第一运放单元（A1）的输出端，NMOS管M5的栅极作为第一互补电路单元的第二输入端与电流镜单元输出端相连，PMOS管M1的栅极接地GND，NMOS管M7的栅极接电源电压VDC。
4.根据权利要求1所述的用于电荷泵锁相环的电荷泵电路，其特征在于，所述反相器单元具体包括PMOS管M8和NMOS管M9，其中PMOS管M8为栅漏短接的二极管连接方式，PMOS管M8的源极接电源电压VDC，PMOS管M8的漏极与NMOS管M9的漏极相连作为反相器单元的输出端与第二运放单元（A2）的负输入端相连接，NMOS管M9的栅极作为反相器单元的输入端接第一互补电路单元的输出端，NMOS管M9的源极接地GND。
5.根据权利要求1所述的用于电荷泵锁相环的电荷泵电路，其特征在于，所述电流镜单元具体包括PMOS管M10、M12和M14，NMOS管M15和M17，其中PMOS管M10源极接电源电压VDC，PMOS管M10的漏极接PMOS管M12的源极，PMOS管M12的栅极作为电流镜单元的输入端接第二运放单元（A2）的输出端，PMOS管M12的漏极接PMOS管M14的源极，PMOS管M14和NMOS管M15都是栅漏短接的二极管连接方式，PMOS管M14的漏极与NMOS管M15的漏极相连作为电流镜单元的输出端分别与所述充放电单元第二输入端和所述第一互补电路单元的第二输入端相连，NMOS管M15的源极与NMOS管M17的漏极相连，NMOS管M17的栅极接电源电压VDC，NMOS管M17的源极接地GND。
6.根据权利要求1所述的用于电荷泵锁相环的电荷泵电路，其特征在于，所述第二互补电路单元具体包括PMOS管M11和M13，NMOS管M16和M18，其中PMOS管M11源极接电源电压VDC，PMOS管M11的漏极接PMOS管M13的源极，PMOS管M13的漏极和NMOS管M16的漏极相连作为第二互补电路单元的输出端与第二运放单元（A2）的正输入端相连接，NMOS管M16的源极接NMOS管M18的漏极，NMOS管M18的源极接地GND，PMOS管M13的栅极作为第二互补电路单元的输入端接第二运放单元（A2）的输出端，NMOS管M16的栅极接外部偏置BIAS，PMOS管M11的栅极接地GND，NMOS管M18的栅极接电源电压VDC。
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