CN103490626B

CN103490626B - 一种基于并联反馈的电荷泵

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Publication number: CN103490626B
Application number: CN201310461993.8A
Authority: CN
Inventors: 朱光; 朱瑾; 刁盛锡; 林福江
Original assignee: University of Science and Technology of China USTC
Current assignee: University of Science and Technology of China USTC
Priority date: 2013-09-30
Filing date: 2013-09-30
Publication date: 2016-08-17
Anticipated expiration: 2033-09-30
Also published as: CN103490626A

Abstract

本发明提供一种基于并联反馈的电荷泵，包括注入级参考电流源电路（1）、注入电流源电路（2）、输出级参考电流源电路（3）、输出电流源电路（4）、与输出级参考电流源电路（3）中场效应管开关并联的场效应管反馈电阻（5）和与注入电流源电路（2）中场效应管开关并联的场效应管反馈电阻（6）。通过与输出级参考电流源开关并联的场效应管反馈电阻（5）和与注入电流源开关并联的场效应管反馈电阻（6）来改变输出电流‑电压曲线，使其能够在较大输出电压范围内保持一定的电流匹配精度。本发明在现有技术的基础上，引入与注入电流源电路中场效应管开关并联的场效应管反馈电阻，以极小的代价，实现了电流较好匹配条件下的较大电压输出范围。

Description

一种基于并联反馈的电荷泵

技术领域

本发明涉及电荷泵的技术领域，具体涉及一种基于并联反馈的电荷泵。

背景技术

在通信系统中，时钟信号是最关键的信号之一，其往往由频率综合器提供，其性能的好坏直接决定了信号传输的质量。比如，如果频率综合器的输出频谱有较大的杂散（spur），这个杂散可以将非信号频段的噪声变频到信道内，与要传输的信号重叠，恶化信噪比（SNR），而这个噪声又很难滤除。所以抑制频率综合器的输出杂散是非常重要的。

频率综合器的输出频谱杂散是由于压控振荡器（VCO）的控制信号中有周期性的波动，通过压控振荡器的积分效果，转换为新的频率成分，即为杂散。杂散是由鉴频鉴相器（PFD）和电荷泵（CP）的非线性造成的，包括时序偏移，漏电流和电流失配等等，其中电流失配对杂散的影响最为严重，因此电荷泵的电流失配是一项重要的性能指标。电荷泵的电流失配程度是在输出电压范围内定义的，即输出电压范围小，电流失配低；输出电压范围大，电流失配也大。输出电压范围是电荷泵的另一个关键性能指标，大的输出电压范围可以降低压控振荡器对控制电压的增益，利于提高频率综合器噪声性能。所以电荷泵的设计目标是电流失配小，电压输出范围大。

引起电流失配的原因是沟道长度调制效应，其导致输出电流不能完美的复制参考电流，因而造成电流失配。为了减轻或消除电流失配，很多技术被发明。例如通过长沟道晶体管来减轻沟道长度调制效应，通过共源共栅结构（cascode）来提高电荷泵的输出阻抗，降低输出电压对输出电流的影响，这样的工作有很多，例如图2是W.Rhee在1999年提出的一种高性能电荷泵（【1】W.Rhee,“Design of high performance CMOS charge pumps in phase lockedloop,”Proc.IEEE Int.Symp.Circuits Syst.,May1999,pp.545-548）。共栅共源结构在提高输出阻抗的同时，由于场效应管的堆叠，造成电荷泵的输出电压范围降低。由于场效应管阈值电压的降低速度低于电源电压的降低速度，所以对于先进工艺，这种结构就会造成输出电压范围大大降低的问题。图3是J-S Lee等发明的一种新的电荷泵结构（【2】J-S Lee et al.,“Chargepump with perfect current matching characteristics in phase-locked loops,”Electron.Lett.,vol.36,no.23,pp.1907-1908,Nov.2000）。此电路通过高增益运算放大器将输出电压与参考支路的电流源漏端电压钳位在一起，使得输出支路精确拷贝参考支路，因而电流失配极低。夸张一点，这个电路消除了电流失配，却产生了四方面问题。一是运放引入了额外的功耗；二是运放的输出噪声将引入到输出电流中，使得电荷泵的噪声性能恶化；三是运放的有效输入范围决定了电荷泵的输出范围，如果通过措施拓宽运放的有效输入范围，则进一步增加额外功耗；四是运放的设计提高了电路设计的复杂度。图4是T-H Lin等提出的在传统电荷泵基础上改进的新结构，通过引入并联场效应管反馈电阻来减低沟道长度调制效应的影响（【3】T-H Lin etal.,“Dynamic Current-Matching Charge Pump and Gated-Offset Linearization Technique forDelta-Sigma Fractional-N PLLs,”IEEE.Trans.Circuits Syst.I,vol.56,no.25,pp.877–885,May2009）。例如对于输出电流I_dn，当没有场效应管反馈电阻的时候，输出电流随输出电压的上升而上升。而场效应管反馈电阻的值随着输出电压的增加而减小，使得输出电流源的栅电压降低，从而减轻或者抵消沟道长度调制效应。对于I_up亦是如此。此结构仅仅通过引入场效应管即可降低电流泵的失配，同时代价非常的小，是很好的进步。但是此电路的问题在于，只有在场效应管反馈电阻开启之后才开始起作用。对于I_dn，较小的输出电压时输出电流依然很小；对于I_up，较大的输出电压时输出电流也依然很小。所以即使反馈电阻抵消了沟道长度调制效应，在较小和较大输出电压处，I_dn和I_up的失配依然不会很小，换句话说，场效应管反馈电阻结构的电荷泵的输出范围并没有较大提高。再深入分析一下，可以发现，反馈电阻只作用在了I_dn曲线的高输出电压端和I_up曲线的低输出电压端，本发明就是在此基础上对参考电流源的开关引入并联反馈电阻，从而达到提高I_dn曲线在低输出电压端和I_up曲线在高输出电压端电流的作用，使得I_dn和I_up曲线在较大范围内平坦，提高了一定匹配精度下的输出电压范围。

现有的提高电荷泵电流失配的方法或是提高了设计的复杂度，增加了额外的消耗，或是在保证匹配精度的条件下，输出电压的范围变小。本发明的目的是以尽量小的代价来减小电荷泵的失配，增大输出范围。本发明的创新点在于：在现有的基础（图4）上，再引入与注入电流源电路中场效应管开关并联的场效应管反馈电阻以极小的代价，实现了电流较好匹配条件下的较大电压输出范围。通过引入与注入电流源开关并联的反馈电阻来实现电荷泵在较低电流失配情况下有较大的电压输出范围，从而降低频率综合器的杂散频谱成分和压控振荡器对控制电压的敏感度，改善频率综合器相位噪声。

发明内容

本发明的目的是为了以尽量小的代价为频率综合器提供电流失配低、输出范围大的高性能电荷泵，抑制频率综合器的输出杂散和相位噪声，以达到提高通信系统的信号传输质量的目的。

本发明为了达到上述目的，在现有的技术基础上继续改进，得到了新的电路结构。

本发明采用的技术方案为：一种基于并联反馈的电荷泵，包括注入级参考电流源电路、注入电流源电路、输出级参考电流源电路、输出电流源电路、与输出级参考电流源电路中场效应管开关并联的第一场效应管反馈电阻和与注入电流源电路中场效应管开关并联的第二场效应管反馈电阻；注入级参考电流源电路、注入电流源电路、输出级参考电流源电路和输出电流源电路均由p型电流源和n型电流源组成，所述p型电流源由一个p型场效应管开关与一个p型场效应电流管组成，其中p型场效应电流管源端与p型场效应管开关的漏端相连，p型场效应管开关的源端接电源，其中注入级参考电流源电路、注入电流源电路、输出级参考电流源电路中p型电流源的p型场效应管开关的栅端接地，输出电流源电路中p型电流源的p型场效应管开关的栅端接控制信号UP；所述n型电流源由一个n型场效应管开关与一个n型场效应电流管组成，其中n型场效应电流管源端与n型场效应管开关的漏端相连，n型场效应管开关的源端接地，其中注入级参考电流源电路、注入电流源电路、输出级参考电流源电路中n型电流源的n型场效应管开关的栅端接电源，输出电流源电路中n型电流源的n型场效应管开关的栅端接控制信号DN；注入级参考电流源电路中的n型电流源管的栅端单独偏置，漏端与注入级参考电流源电路中的p型电流源管的漏断和栅端相连；注入电流源电路中的p型电流源管与注入级参考电流源电路中的p型电流源管的栅端相连；注入电流源电路中的n型电流源管与注入级参考电流源电路中的n型电流源管的栅端相连；注入电流源电路中的p型电流源管的漏断与输出级参考电流源电路中的n型电流源管的漏断和栅端相连；注入电流源电路中的n型电流源管的漏断与输出级参考电流源电路中的p型电流源管的漏断和栅端相连；输出级参考电流源电路中的p型电流源管的栅端与输出电流源电路中的p型电流源管的栅端相连；输出级参考电流源电路中的n型电流源管的栅端与输出电流源电路中的n型电流源管的栅端相连；输出电流源电路中的p型电流源管和n型电流源管的漏断相连；第一场效应管反馈电阻中的p场效应管反馈电阻分别与输出级参考电流源电路中的p型场效应管开关并联，其栅端与输出电流源电路中的电流源管的共漏端直接或者通过一些电位变化后相连；第一场效应管反馈电阻中的n场效应管反馈电阻分别与输出级参考电流源电路中的n型场效应管开关并联，其栅端与输出电流源电路中的电流源管的共漏端直接或者通过一些电位变化后相连；第二场效应管反馈电阻中的p场效应管反馈电阻分别与注入电流源电路中的p型场效应管开关并联，其栅端与输出电流源电路中的电流源管的共漏端直接或者通过一些电位变化后相连；第二场效应管反馈电阻中的n场效应管反馈电阻分别与注入电流源电路中的n型场效应管开关并联，其栅端与输出电流源电路中的电流源管的共漏端直接或者通过一些电位变化后相连。

进一步的，在现有技术的基础上，通过与注入电流源开关并联的场效应管反馈电阻来改变输出电流-电压曲线，使其能够在较大输出电压范围内保持一定的电流匹配精度。

本发明的原理在于：

对于I_dn，当输出电压高于某值并继续升高时，5中n型场效应管反馈电阻开始工作，并且阻值变小，因而和其并联的3中n型场效应管开关上消耗的压降降低，导致4中n型输出电流源的栅端电压降低，改变了由于沟道长度调制效应而导致的输出电流随输出电压升高而升高的趋势。这中“改变”可以包括在输出电压高于一定值的时候，大部分抵消沟道长度调制效应，即输出电流基本保持恒定。对于I_up，当输出电压低于某值并继续降低时，5中p型场效应管反馈电阻开始工作，并且阻值变小，因而和其并联的3中p型场效应管开关上消耗的电压降低，导致4中p型输出电流源的栅端电压升高，改变了由于沟道长度调制效应而导致的输出电流随输出电压降低而升高的趋势。这中“改变”可以包括在输出电压高于一定值的时候，大部分抵消沟道长度调制效应，即输出电流基本保持恒定。对于5中的场效应管反馈电阻的工作原理见参考文献【3】。

对于I_dn，当输出电压较小时，4中的n型电流源管工作在饱和区和线性区的附近，当输出电压低于某一值的时候，6中的p型场效应管反馈电阻开始工作，其阻值随着输出电压降低而降低，从而2中的p型电流源电流和3中的n型电流源电流增加，从而4中n型输出级电流源的电流随着输出电压降低而降低的趋势得到缓解。对于I_up，当输出电压较大时，4中的p型电流源管工作在饱和区和线性区的附近，当输出电压高于某一值的时候，6中的n型场效应管反馈电阻开始工作，其阻值随着输出电压增加而降低，从而2中的n型电流源电流和3中的p型电流源电流增加，从而4中p型输出级电流源的电流随着输出电压增加而降低的趋势得到缓解。这里需要指出的是：6中的场效应管反馈电阻只能在一段输出电压范围内有效的工作，当4中的p型和n型电流源进入的深度线性区的时候，6中反馈场效应管的作用已经不能延缓电流的降低。

所以，通过降低输出电压较高处的I_dn和输出电压较低时的I_up，升高输出电压较低处的I_dn和输出电压较高处的I_up，从而达到I_up和I_dn在较大输出电压范围内都能有较好的电流匹配，提高了在一定匹配精度下的电压输出范围。

本发明与现有技术相比的优点和积极效果为：

1、本发明在现有的技术基础上，继续改进，引入了对注入电流源开关的反馈，使得注入电流随着输出电压变化，提高了一定匹配精度下的电压输出范围；

2、本发明中实现的电路结构，分段对输出电流进行不同方向的补偿，使得电流趋于恒定，提高匹配精度，并且额外消耗的极小。

附图说明

图1为频率综合器的示意图，其中包括鉴频鉴相器，电荷泵，低通滤波器，压控振荡器，分频器等模块；

图2为现有技术中基于共源共栅的电荷泵电路结构；

图3为现有技术中基于运放反馈的电荷泵电路结构；

图4为现有技术中引入场效应管反馈电阻的电荷泵电路结构；

图5为本发明提出的高性能电荷泵结构；

图中，1是注入级参考电流源电路、2是注入电流源电路、3是输出级参考电流源电路、4是输出电流源电路、5是与3中场效应管开关并联的场效应管反馈电阻、6是与2中场效应管开关并联的场效应管反馈电阻；

图6A为改进之前的电荷泵电流匹配情况图；

图6B基于背景技术中提到的现有技术参考文献【3】的电荷泵输出电流的匹配情况；

图6C为基于本发明的电荷泵电流匹配情况图；

图7为具体实施2的实例图。

具体实施方式

以下参照附图详细描述本发明的具体实施方式。

具体实施1：

图5是本发明提出的具体实现电路的一个实例，在传统的电荷泵的基础上，加入与输出级参考电流源电路中场效应管开关并联的场效应管反馈电阻5和与注入电流源电路中场效应管开关并联的场效应管反馈电阻6来提高的电荷泵的性能。此电路的仿真是基于40nm CMOS工艺，使用1V电压供电。

5中n型反馈电阻由n型场效应管M5n实现，其与3中的n型场效应管开关M3n并联，栅端由电荷泵的输出电压V_cp控制。6中p型反馈电阻由p型场效应管M6p实现，其与2中p型场效应管开关M2p并联，栅端由电荷泵的输出电压V_cp控制。当V_cp高于M5n的阈值电压时，M5n导通并开始作用，随着V_cp的升高，其电阻值降低；由于此段时间M2p几乎不工作，所以n型注入电流源的电流恒定，消耗在M3n上的电压降低，输出级和输出级参考电流源电路的电流源管的栅控制电压V_dn降低，使得随着Vcp上升而上升的I_dn的上升速度减慢，甚至消失，实现了减轻沟道长度调制效应的作用。当V_cp比供电电压低一个M6p的阈值电压时，M6p导通并开始工作，随着V_cp的降低，其电阻值降低；由于2中的p型注入电流源的电流管的栅端电压不变，而其源端电压会由于开关M2p上的压降减小而升高，因而p型注入电流源的电流增加，即3中的n型电流源的电流增加，进而最终输出级电流增加。随着Vcp的降低，M6p的作用将更加明显，使得2中的p型注入电流较快增加；同时随着Vcp的降低，4中的输出级电流管会进入到线性区，使得输出电流随着Vcp降低的速度加快。因此，随着Vcp较低并继续降低时，M6p可以在一段范围内较好的补偿，直到补偿的电流不能抵消电流的降低。综上可以看出，在V_cp较低并继续降低时，通过反馈电阻M6p提升I_dn，在V_cp较高并继续升高时，通过反馈电阻M5n降低I_dn，从而使得在较大输出电压范围内，I_dn趋近于理想的电流值。

对于I_up的调节具有与I_dn相同的工作原理，这里不再赘述。

通过5和6中的反馈电阻，使得I_up和I_dn可以在较大范围内都处在理想的电流值附近，因而电流失配在较大输出范围内斗保持较小较小。图6A为改进前的传统电荷泵电流I_up与I_dn的匹配情况。图6B是引入5（即参考文献3中的方法，见附图4）后得到的电荷泵电流I_up与I_dn的匹配情况。图6C为改进后的电荷泵的电流I_up与I_dn的匹配情况，即在图4的基础上引入了6。可以看出，通过引入6，电荷泵的电流失配减小，同时电流匹配情况下的输出电压范围增加。

通过上述分析可以看出，在现有技术的基础上加入并联反馈电流源，实现了高性能电荷泵，其在较低的失配情况下，输出范围也增加。

具体实施2：

具体实施1中是对于低电源电压的先进工艺的实例。当对于较落后工艺，例如180nm，电源电压为1.8V，而阈值电压约为400-500mV，在此情况下，电荷泵的输出就不能直接接到6中场效应管的栅端，而是需要经过一定的电压转变之后才能连接到栅端。这是因为，如果直接相连，6中场效应反馈电阻会“较早”的工作，而此时工作不仅不会提高电荷泵输出电流匹配，反而会恶化电流匹配。图7给出了此种情况下的一种建议实例，这里只进行定性说明，不做具体仿真。

本发明未详细公开的部分属于本领域的公知技术。

尽管上面对本发明说明性的具体实施方式进行了描述，以便于本技术领的技术人员理解本发明，但应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。

Claims

1.一种基于并联反馈的电荷泵，其特征在于，包括注入级参考电流源电路(1)、注入电流源电路(2)、输出级参考电流源电路(3)、输出电流源电路(4)、与输出级参考电流源电路(3)中场效应管开关并联的第一场效应管反馈电阻(5)和与注入电流源电路(2)中场效应管开关并联的第二场效应管反馈电阻(6)；注入级参考电流源电路(1)、注入电流源电路(2)、输出级参考电流源电路(3)和输出电流源电路(4)均由p型电流源和n型电流源组成，所述p型电流源由一个p型场效应管开关与一个p型场效应电流管组成，其中p型场效应电流管源端与p型场效应管开关的漏端相连，p型场效应管开关的源端接电源，其中注入级参考电流源电路(1)、注入电流源电路(2)、输出级参考电流源电路(3)中p型电流源的p型场效应管开关的栅端接地，输出电流源电路(4)中p型电流源的p型场效应管开关的栅端接控制信号UP；所述n型电流源由一个n型场效应管开关与一个n型场效应电流管组成，其中n型场效应电流管源端与n型场效应管开关的漏端相连，n型场效应管开关的源端接地，其中注入级参考电流源电路(1)、注入电流源电路(2)、输出级参考电流源电路(3)中n型电流源的n型场效应管开关的栅端接电源，输出电流源电路(4)中n型电流源的n型场效应管开关的栅端接控制信号DN；注入级参考电流源电路(1)中的n型电流源中的n型场效应电流管的栅端单独偏置，漏端与注入级参考电流源电路(1)中的p型电流源中的p型场效应电流管的漏端和栅端相连；注入电流源电路(2)中的p型电流源中p型场效应电流管的栅端与注入级参考电流源电路(1)中的p型电流源中p型场效应电流管的栅端相连；注入电流源电路(2)中的n型电流源中n型场效应电流管的栅端与注入级参考电流源电路(1)中的n型电流源中n型场效应电流管的栅端相连；注入电流源电路(2)中的p型电流源中p型场效应电流管的漏端与输出级参考电流源电路(3)中的n型电流源管中n型场效应电流管的漏端和栅端相连；注入电流源电路(2)中的n型电流源管中n型场效应电流管的漏端与输出级参考电流源电路(3)中的p型电流源中p型场效应电流管的漏端和栅端相连；输出级参考电流源电路(3)中的p型电流源中p型场效应电流管的栅端与输出电流源电路(4)中的p型电流源中p型场效应电流管的栅端相连；输出级参考电流源电路(3)中的n型电流源中n型场效应电流管的栅端与输出电流源电路(4)中的n型电流源中n型场效应电流管的栅端相连；输出电流源电路(4)中的p型电流源中p型场效应电流管的漏端和n型电流源中n型场效应电流管的漏端相连，该相连处为共漏端；第一场效应管反馈电阻(5)中的p场效应管开关与输出级参考电流源电路(3)中的p型场效应管开关并联，第一场效应管反馈电阻(5)中的p场效应管开关的栅端与输出电流源电路(4)中的所述共漏端直接相连；第一场效应管反馈电阻(5)中的n场效应管开关与输出级参考电流源电路(3)中的n型场效应管开关并联，其栅端与输出电流源电路(4)中的所述共漏端直接相连；第二场效应管反馈电阻(6)中的p场效应管开关与注入电流源电路(2)中的p型场效应管开关并联，第二场效应管反馈电阻(6)中的p场效应管开关的栅端与输出电流源电路(4)中的所述共漏端直接相连；第二场效应管反馈电阻(6)中的n场效应管开关与注入电流源电路(2)中的n型场效应管开关并联，第二场效应管反馈电阻(6)中的n场效应管开关的栅端与输出电流源电路(4)中的所述共漏端直接相连。