CN104811189A - 一种电荷泵锁相环中的电荷泵电路 - Google Patents

Abstract

一种电荷泵锁相环中的电荷泵电路，包括线性区电流镜、充放电电路、复制电路、轨到轨运放电路OP1、RC补偿电路以及两个用于改善动态特性的电容C1及C2。线性区电流镜中通过设置的轨运放电路OP2的共模负反馈作用，使得电流镜和复制电路的电流可以完全镜像，OP1的输入端跨接于充放电电路和复制电路之间，让充放电电路和复制电路的电流完全一致，使得电荷泵的充放电流匹配，电容C1、C2分别位于OP1及OP2的输出上，使运放的输出更稳定。该电荷泵电路工作在1V工作电压下，可实现在0～0.96V输出电压范围内充放电电流精确匹配，并在0.04V～0.95V输出电压范围内充放电电流有极高的平坦度。

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CMOS工艺，通过设计线性区电流镜在很宽的输出电压范围内实现高精度电流匹配和高电流平坦度，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。电荷泵(CP)电路在CPPLL中起着非常重要的作用，其主要功能是把鉴频鉴相器(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，进而来控制压控振荡器(VCO)的输出频率。电荷泵(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和充放电电流的平坦度直接影响环路的性能。

图1是已知的目前主流的电荷泵锁相环(CPPLL)中的电荷泵(CP)电路，其中：M19是PMOS管的充电开关，M27对应NMOS放电开关。充放电共用一个电流源，由电阻R，M16、M17，M23、M25，M24、M26共同构成自偏置共源共栅电流镜提供。M18、M22、M24、M26、M28是用来保证电荷泵电流匹配的复制电路，尺寸方面，M18＝M19、M22＝M20、M24＝M23、M26＝M25、M28＝M27，在共源共栅电流镜中，复制电路的放电电流I2与充电电流I3相等，并等于核心电路放电电流I1，即I1＝I2＝I3。M20、M22是充电电流管，栅极受误差运放控制，将充电电流I4强拉到与复制电路充电流I3一致，以维持充放电流的匹配：I1＝I4。该电荷泵(CP)结构中虽然在充放电电路以及复制电路中加入了共源共栅结构，目的是增加输出阻抗，尽量使充放电电流大小在很宽的输入电压范围内保持恒定，但是由于电流漏的MOS管M23、M25都工作在饱和区，使得充放电电流在输出电压小的时候(小于0.4V)不能达到设计要求的值，这种结构限制了电荷泵的有效匹配范围，即压控振荡器(VCO)的可调范围。

电荷泵(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_ctrl输出范围尽可能的大。另外，为了使压控振荡器(VCO)有更高的可调范围，需要电荷泵(CP)在宽的匹配范围内同时保证充放电电流的平坦，即很宽的范围内，充放电电流既匹配又恒定。匹配精度、匹配范围、电流的平坦度、以及动态匹配特性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：包括线性区电流镜、充放电电路、复制电路、轨到轨运放电路OP1、RC补偿电路以及两个用于改善动态特性的电容C1及C2，其中：

线性区电流镜包括参考电流源I_ref、NMOS管M0、M9以及轨到轨运放电路OP2，NMOS管M9的栅极和漏极互连并连接参考电流源I_ref的输出端，参考电流源I_ref的输入端连接电源VDD，NMOS管M9的源极连接NMOS管M0的漏极，NMOS管M0的源极接地，NMOS管M0的栅极连接电源VDD，轨到轨运放电路OP2的正输入端接NMOS管M0的漏级；

充放电电路包括充电开关PMOS管M15和放电开关NMOS管M4、PMOS管M11、NMOS管M8与M2构成的充放电电流源以及用以改善动态特性的PMOS管M13和NMOS管M6；PMOS管M15的栅极连接充电信号UP，PMOS管M15的源极接电源VDD，PMOS管M15的漏极与PMOS管M13的源、漏极以及PMOS管M11的源极连接在一起，PMOS管M13的栅极连接充电信号UP的反向信号UP，PMOS管M11的漏极与NMOS管M8的漏极连接并作为电荷泵的输出端OUT连接到锁相环中环路滤波器输入端；NMOS管M8的源极与NMOS管M6的漏、源极以及NMOS管M4的漏极连接在一起，NMOS管M4的栅极连接放电信号DW，NMOS管M6的栅极连接放电信号DW的反向信号NMOS管M4的源极连接NMOS管M2的漏极，NMOS管M2的源极接地，NMOS管M2的栅极连接电源VDD；

复制电路是充放电电路结构的复制，包括与充电开关PMOS管M15相对应的PMOS管M14、与充电电流源PMOS管M11相对应的PMOS管M10、与放电电流源NMOS管M8对应的NMOS管M7，与NMOS管M2对应的NMOS管M1、与放电开关NMOS管M4对应的NMOS管M3、与PMOS管M13对应的PMOS管M12以及与NMOS管M6对应的NMOS管M5，所有相对应的晶体管尺寸对应相等；PMOS管M14的栅极接地，PMOS管M14的源极连接电源VDD，PMOS管M14的漏极与PMOS管M12的源、漏极以及PMOS管M10的源极连接在一起，PMOS管M12的栅极连接电源VDD，PMOS管M10的栅极连接充放电电路中PMOS管M11的栅极，PMOS管M10的漏极与NMOS管M7的漏极连接，NMOS管M7的栅极与充放电电路中NMOS管M8的栅极、线性区电流镜中轨到轨运放电路OP2的输出端连接在一起并通过电容C2接地，NMOS管M7的源极与NMOS管M5的漏、源极以及NMOS管M3的漏极连接在一起，NMOS管M5的栅极接地，NMOS管M3的栅极连接电源VDD，NMOS管M3的源极连接NMOS管M1的漏极以及线性区电流镜中轨到轨运放电路OP2的负输入端，NMOS管M1的源极接地，NMOS管M1的栅极连接线性区电流镜中NMOS管M0的栅极并连接电源VDD；

轨到轨运放电路OP1的负输入端连接充放电电路中NMOS管M8的漏极即电荷泵的输出端OUT，轨到轨运放电路OP1的正输入端连接复制电路中NMOS管M7的漏极，轨到轨运放电路OP1的输出端与充放电电路中PMOS管M11的栅极以及复制电路中PMOS管M10的栅极连接在一起并通过电容C1连接电源VDD；

RC补偿电路包括电阻R_C和电容C_C，电阻R_C的一端连接轨到轨运放电路OP1的正输入端，电阻R_C的另一端连接电容C_C的一端，电容C_C的另一端连接接轨到轨运放电路OP1的输出端。

本发明的优点及显著效果：

(1)本发明通过设计线性区电流镜保证了电荷泵在很宽的输出电压范围内充放电电流匹配且电流平坦。其中线性区电流镜电路通过运放OP2的共模负反馈作用，使M0的漏极电压和复制电路中M1的漏极电压相等，这种结构使得电流镜和复制电路的电流可以完全镜像，由于M0和M1都工作在线性区，使得很低的输出电压即可保证充放电电流达到设计要求的值，扩大了充放电流平坦时输出电压范围，同时，OP2可以使复制电路的输出阻抗倍增，进一步保证了充放电电流的平坦度。

(2)充放电流匹配精度高。本发明采用轨到轨运放OP1的输入端跨接于充放电电路和复制电路之间，OP1的输出端与充放电电路MOS管M11的栅极以及复制电路MOS管M10的栅极连接在一起，轨到轨运放的高增益保证运放的两输入端电位相等，让充放电电路和复制电路的电流完全一致，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)电容C1、C2的应用使运放的输出更稳定，保证充放电电流源MOS管的栅极电压稳定，同时MOS管M5、M6、M12、M13的应用减小了电荷共享效应，保证了电荷泵有更好的动态性能，减小了环路杂散。

(4)电路结构简单可靠，功耗低，易于集成。

附图说明

图1是已知的目前主流的电荷泵锁相环(CPPLL)中的电荷泵结构图；

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OP1、OP2的电路原理图；

图4是本发明(b)与现有技术(a)两种结构的电流匹配前仿真结果对比。

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线性区电流镜1、充放电电路3、复制电路2、轨到轨运放电路OP1、RC补偿电路和电容C1、C2。

线性区电流镜1包括参考电流源I_ref、NMOS管M0、M9以及轨到轨运放电路OP2(与OP1结构相同，均为已知电路)NMOS管M9的栅极和漏极互连并连接参考电流源I_ref的输出端，参考电流源I_ref的输入端连接电源VDD，NMOS管M9的源极连接NMOS管M0的漏极，NMOS管M0的源极接地，NMOS管M0的栅极连接电源VDD，轨到轨运放电路OP2的正输入端接NMOS管M0的漏级；

充放电电路3设有充电开关PMOS管M15和放电开关NMOS管M4、PMOS管M11、NMOS管M8、M2组成的充放电电流源以及用以改善动态特性的PMOS管M13和NMOS管M6，充电开关管M15栅极连接充电信号UP，M14源极接电源VDD，M11作为充电电流源，M11的源极与开关管M15的漏极连接，M11的漏极作为电荷泵输出端，与锁相环中环路滤波器输入端连接，M11的漏极同时与M8的漏极连接，M8的源极与放电开关管M4的漏极连接，M4的栅极连接放电信号DW，M4的源极接M2的漏极，M2的栅极接电源VDD，M2的源极接地，M13的源极和漏极连接到一起接开关管M15的漏极，M13的栅极接充电信号UP的反向信号M6的源极和漏极连接到一起接开关管M4的漏极M6的栅极接放电信号DW的反向信号

复制电路2是充放电电路结构的复制，设有与充电开关管M15相对应的M14、与充电电流源M11相对应的M10、与放电电流源M8对应的M7、与M2对应的M1以及与放电开关管M4相对应的M3、用以改善动态特性的与M13对应的M12，与M6对应的M5。相对应的晶体管尺寸对应相等，M14的栅极接地，M3栅极接电源VDD，M12的栅极接电源VDD，M5的栅极接地，其他连接关系是充放电电路的完全复制。

轨到轨运放电路OP1的负输入端连接电荷泵的输出端即充放电电路中MOS管M8的漏极，OP1的正输入端连接复制电路中MOS管M7的漏极，OP1的输出端与充放电电路MOS管M11的栅极以及复制电路MOS管M10的栅极连接在一起。

RC补偿电路中的R_C一端接OP1的正输入端另一端接电容C_C的一端，电容C_C的另一端接OP1的输出端，另外两个用来改善动态特性的电容C1一端接OP1的输出，另一端接电源VDD、C2一端接OP2的输出，一端接地。

轨到轨运放OP1和M11构成一个正反馈环路，轨到轨运放OP1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OP1和OP2为完全相同的已知电路，可参考文献“刘华珠，黄海云，宋瑞.低功耗轨至轨CMOS运算放大器设计.集成电路设计与应用，2011.6，36(6)”中所示的电路结构。

图3为OP1、OP2的具体电路，实际应用中可以利用MOS管来代替图3中的电流源I_op、I_on，其中，V_b0、V_b1、V_b2、V_b3、V_b4为固定偏置，V-为运放电路OP1、OP2的负输入端，V+为运放电路OP1、OP2的正输入端，V_out为运放电路OP1、OP2的输出端，PMOS管M43、M44的尺寸比例为1:3，NMOS管M45、M46的尺寸比例为1:3。

参照图2，电荷泵电路中，线性区电流镜1中的M0工作在线性区，通过运放OP2的钳位作用使M0的漏极电位与复制电路2中M1的漏极电位相同，由于M0、M1的栅极接电源电压VDD，源极接地，这样就可以把电流镜电路中的参考电流源按比例精确复制到复制电路2中。由于M0、M1尺寸较大且栅极接VDD，很小的漏极电压即可使复制电路中的电流达到设计要求值(本次设计电荷泵(CP)的充放电电流为100μA)。传统电荷泵中电流镜的MOS管工作在饱和区，输出电压达到一定值时MOS管才进入饱和区，从而使输出电压的可用范围受到限制，而本次发明解决了这个问题。由于运放OP1的钳位作用使V_X＝V_Y，同时M10和M11的栅压相同，所以I_up＝I₂，M7和M8的栅压相同，所以I_dw＝I₁。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。OP2可以使复制电路的输出阻抗倍增，进一步保证了充放电电流的平坦度。

如图4，I_DW为放电电流，I_UP为充电电流，Vout为电荷泵的输出电压。通过仿真表明，与现有技术(a)相比，本发明所设计的电荷泵电路(b)在输出电压匹配范围为0～0.95V(工作电压为1V，CP充放电流为100μA)，电流失配<0.01％，更重要的是，在0.04V～0.95V的极宽范围内保证充放电电流的基本稳定在100μA(变化小于1％)，动态性能良好。同时本设计的电荷泵结构简单，易于集成，适合高性能要求的锁相环应用。

Claims (1)

1.一种电荷泵锁相环中的电荷泵电路，其特征在于：包括线性区电流镜、充放电电路、复制电路、轨到轨运放电路OP1、RC补偿电路以及两个用于改善动态特性的电容C1及C2，其中：

线性区电流镜包括参考电流源I_ref、NMOS管M0、M9以及轨到轨运放电路OP2，NMOS管M9的栅极和漏极互连并连接参考电流源I_ref的输出端，参考电流源I_ref的输入端连接电源VDD，NMOS管M9的源极连接NMOS管M0的漏极，NMOS管M0的源极接地，NMOS管M0的栅极连接电源VDD，轨到轨运放电路OP2的正输入端接NMOS管M0的漏级；

充放电电路包括充电开关PMOS管M15和放电开关NMOS管M4、PMOS管M11、NMOS管M8与M2构成的充放电电流源以及用以改善动态特性的PMOS管M13和NMOS管M6；PMOS管M15的栅极连接充电信号UP，PMOS管M15的源极接电源VDD，PMOS管M15的漏极与PMOS管M13的源、漏极以及PMOS管M11的源极连接在一起，PMOS管M13的栅极连接充电信号UP的反向信号PMOS管M11的漏极与NMOS管M8的漏极连接并作为电荷泵的输出端OUT连接到锁相环中环路滤波器输入端；NMOS管M8的源极与NMOS管M6的漏、源极以及NMOS管M4的漏极连接在一起，NMOS管M4的栅极连接放电信号DW，NMOS管M6的栅极连接放电信号DW的反向信号NMOS管M4的源极连接NMOS管M2的漏极，NMOS管M2的源极接地，NMOS管M2的栅极连接电源VDD；

复制电路是充放电电路结构的复制，包括与充电开关PMOS管M15相对应的PMOS管M14、与充电电流源PMOS管M11相对应的PMOS管M10、与放电电流源NMOS管M8对应的NMOS管M7，与NMOS管M2对应的NMOS管M1、与放电开关NMOS管M4对应的NMOS管M3、与PMOS管M13对应的PMOS管M12以及与NMOS管M6对应的NMOS管M5，所有相对应的晶体管尺寸对应相等；PMOS管M14的栅极接地，PMOS管M14的源极连接电源VDD，PMOS管M14的漏极与PMOS管M12的源、漏极以及PMOS管M10的源极连接在一起，PMOS管M12的栅极连接电源VDD，PMOS管M10的栅极连接充放电电路中PMOS管M11的栅极，PMOS管M10的漏极与NMOS管M7的漏极连接，NMOS管M7的栅极与充放电电路中NMOS管M8的栅极、线性区电流镜中轨到轨运放电路OP2的输出端连接在一起并通过电容C2接地，NMOS管M7的源极与NMOS管M5的漏、源极以及NMOS管M3的漏极连接在一起，NMOS管M5的栅极接地，NMOS管M3的栅极连接电源VDD，NMOS管M3的源极连接NMOS管M1的漏极以及线性区电流镜中轨到轨运放电路OP2的负输入端，NMOS管M1的源极接地，NMOS管M1的栅极连接线性区电流镜中NMOS管M0的栅极并连接电源VDD；

轨到轨运放电路OP1的负输入端连接充放电电路中NMOS管M8的漏极即电荷泵的输出端OUT，轨到轨运放电路OP1的正输入端连接复制电路中NMOS管M7的漏极，轨到轨运放电路OP1的输出端与充放电电路中PMOS管M11的栅极以及复制电路中PMOS管M10的栅极连接在一起并通过电容C1连接电源VDD；

RC补偿电路包括电阻R_C和电容C_C，电阻R_C的一端连接轨到轨运放电路OP1的正输入端，电阻R_C的另一端连接电容C_C的一端，电容C_C的另一端连接接轨到轨运放电路OP1的输出端。