CN107294528B - 一种应用于锁相环的电荷泵电路 - Google Patents

一种应用于锁相环的电荷泵电路 Download PDF

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Abstract

本发明公开一种应用于锁相环的电荷泵电路，由主电荷泵模块、补偿电荷泵模块和控制模块组成。主电荷泵模块和补偿电荷泵模块的结构相同，并呈镜像地设置在控制模块的输入端侧和输出端侧。其中主电荷泵模块由运算放大器OP1和MOS管M1‑M8构成；MOS管M1的源极接电源VDD，MOS管M1的漏极接MOS管M3源极；补偿电荷泵模块由MOS管M9‑M16的MOS管和运算放大器OP2构成。本发明即保留了传统电荷泵较宽的电压输出范围及较高的充放电电流匹配度，同时又减小了由于沟道长度调制的影响所产生的充放电电流相对于理想电流的偏离。本发明结构简单，易于集成，适合高性能要求的锁相环应用。

Description

一种应用于锁相环的电荷泵电路
技术领域
本发明涉及集成电路设计技术领域，具体涉及一种应用于锁相环的电荷泵电路。
背景技术
在现代通信系统，电荷泵锁相环是频率合成器及时钟信号恢复系统中最重要的模块，其性能的好坏直接决定频率合成器和时钟信号恢复系统的性能。对于锁相环中的电荷泵来说，充放电电流的不匹配将会产生相位噪声，所以要求电荷泵有较高的充放电电流匹配度，在此基础上要保证宽的电压输出范围。此外，由于沟道长度调制的原因，电荷泵的充放电电流大小会随着锁相环控制电压而变化，即电荷泵的电流将会偏离理想值。充放电电流的偏离较大时，将会影响锁相环的性能，故而减小由于沟道长度调制而引起的电流偏离也十分重要。传统的电荷泵有着较好的充放电电流匹配度和较宽的电压输出范围，但控制电压较大或者较小时，电流的偏离较大。而现有的电荷泵在解决了充放电电流偏离较大的问题时却有着较差的充放电电流匹配度或者电压输出范围。
发明内容
本发明所要解决的是现有电荷泵无法同时兼顾电流匹配度、电压输出范围及沟道长度调制带来的电流相对于理想值的偏离的问题，提供一种应用于锁相环的电荷泵电路。
为解决上述问题，本发明是通过以下技术方案实现的：
一种应用于锁相环的电荷泵电路，包括电荷泵本体，所述电荷泵本体由主电荷泵模块、补偿电荷泵模块和控制模块组成。
主电荷泵模块由运算放大器OP1和MOS管M1-M8构成；MOS管M1的源极接电源VDD，MOS管M1的漏极接MOS管M3源极；MOS管M5的源极接电源VDD，MOS管M5的漏极与MOS管M7的源极相连，MOS管M5的栅极接地；MOS管M3的栅极和MOS管M7的栅极同时接由运算放大器OP1的输出端；MOS管M3和MOS管M4的漏极与运算放大器OP1的反相输入端相接；MOS管M7和MOS管M8的漏极与运算放大器OP1的同相输入端相接；MOS管M2的漏极接MOS管M4的源极相连，MOS管M2的源极接地；MOS管M6的漏极与MOS管M8的源极相连，MOS管M6的源极接地；MOS管M4栅极和MOS管M8的栅极接外部偏置电压BIAS信号；MOS管M6的栅极与电源VDD相连；
补偿电荷泵模块由MOS管M9-M16的MOS管和运算放大器OP2构成；MOS管M9的源极接电源VDD，MOS管M9的漏极接MOS管M11的源极；MOS管M13的源极接电源VDD，MOS管M13的漏极接MOS管M15的源极，MOS管M13的栅极接地；MOS管M11的栅极和MOS管M15的栅同时接运算放大器OP2的输出端；MOS管M11和MOS管M12的漏极与运算放大器OP2的反相输入端相连；MOS管M15和MOS管M16的漏极与运算放大器OP2的同相输入端相连；MOS管M10的漏极接MOS管M12的源极相连，MOS管M10的源极接地；MOS管M14的漏极与MOS管M16的源极相连，MOS管M14的源极接地；MOS管M12栅极和MOS管M16的栅极接外部偏置电压BIAS信号；MOS管M14的栅极与电源VDD相连；
外部鉴频鉴相器输出的UP信号分为2路，一路直接接控制模块的第一输入端IN1，另一路经一反相器INV后接MOS管M1的栅极；外部鉴频鉴相器输出的DOWN信号直接接MOS管M2的栅极和控制模块的第三输入端IN3；控制模块的第二输入端IN2、运算放大器OP1的反相输入端、运算放大器OP2的反相输入端相接后，形成电荷泵本体的输出端VOUT；控制模块的第一输出端V1接MOS管M9的栅极；控制模块的第二输出端V2接MOS管M10的栅极。
上述方案中，MOS管M1、MOS管M3、MOS管M5、MOS管M7、MOS管M9、MOS管M11、MOS管M13和MOS管M15为PMOS管；MOS管M2、MOS管M4、MOS管M6、MOS管M8、MOS管M10、MOS管M12、MOS管M14和MOS管M16为NMOS管。
上述方案中，控制模块由异或门I1、同或门I2、异或门I3、或门I4和与门I5构成；异或门I3的第一输入端A和同或门I2的第二输入端B相连后，形成控制模块的第一输入端IN1；异或门I1的第二输入端B形成控制模块的第二输入端IN2；异或门I1的第一输入端A、同或门I2的第一输入端A和异或门I3的第二输入端B相连后，形成控制模块的第三输入端IN3；异或门I1的输出端Y接或门I4的第二输入端B和与门I5的第一输入端A；同或门I2的输出端Y接或门I4的第一输入端A；异或门I3的输出端Y接与门I5的第二输入端B；或门I4的输出端形成控制模块的第一输出端V1，与门I5输出端形成控制模块的第二输出端V2。
上述方案中，运算放大器OP1和运算放大器OP2的结构完全相同。
上述方案中，运算放大器OP1和运算放大器OP2均由电阻R、电容C和MOS管MO1-MO14构成；MOS管MO1、MO2、MO7和MO12的源极接电源VDD；MOS管MO1的漏极和栅极共接后与MOS管MO3的漏极及MOS管MO2、MO7和MO12的栅极相连；MOS管MO4的栅极和漏极共接后与MOS管MO2的漏极及MOS管MO3和MO14的栅极相连；MOS管MO3的源极接MOS管MO5的漏极；MOS管MO6的栅极和漏极共接后与MOS管MO4的源极及MOS管MO5的栅极相连；MOS管MO7、MO8和MO9的漏极连接；MOS管MO8的栅极形成运算放大器的反相输入端，MOS管MO9的栅极形成运算放大器的同相输入端；MOS管MO10的漏极和栅极共接后与MOS管MO8的源极及MOS管MO11的栅极相连；MOS管MO11的漏极、MOS管MO13栅极与MOS管MO9和MOS管MO14的源极相接；MOS管MO14的漏极连接电容C的一端；电容C的另一端与MOS管MO12和MO13的漏极相连后，形成运算放大器的输出端；MOS管MO5的源极经电阻R接地，MOS管MO6、MO10、MO11和MO13的源极接地。
与现有技术相比，本发明即保留了传统电荷泵较宽的电压输出范围及较高的充放电电流匹配度，同时又减小了由于沟道长度调制带来的充放电电流相对于理想电流的偏离。本发明结构简单，易于集成，适合高性能要求的锁相环应用。
附图说明
图1为一种应用于锁相环的电荷泵电路的电路原理图。
图2为控制模块的原理图。
图3为运算放大器的原理图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。
一种应用于锁相环的电荷泵电路，如图1所示，由主电荷泵模块、补偿电荷泵模块和控制模块组成。主电荷泵模块和补偿电荷泵模块的结构相同，并呈镜像地设置在控制模块的输入端侧和输出端侧。
主电荷泵模块由运算放大器OP1及MOS管M1-M8构成。MOS管M1、MOS管M3、MOS管M5和MOS管M7为PMOS管；MOS管M2、MOS管M4、MOS管M6、MOS管M8为NMOS管。MOS管M1的源极接电源VDD，漏极接MOS管M3源极，栅极与反相器INV的输出相连，反相器INV输入接来自于鉴频鉴相器(PFD)输出的UP信号，UP信号用于控制电荷泵充电。MOS管M2的源极接地，漏极接MOS管M4的源极，栅极接来自于鉴频鉴相器输出的DOWN信号，DOWN信号用于控制电荷泵放电。MOS管M3、M4漏极相接并输出VOUT信号，VOUT信号即为锁相环的控制电压。偏置电压BIAS接MOS管M4栅极为电荷泵提供偏置。MOS管M3的栅极接由运算放大器OP1输出的反馈信号。MOS管M5的源极接电源VDD，漏极与MOS管M7的源极相连，栅极接地以保证该PMOS管导通。MOS管M6的源极接地，漏极与MOS管M8的源极相连，栅极与电源VDD相连以保证该NMOS管导通。MOS管M7、MOS管M8的漏极相连接，MOS管M8的栅极接偏置电压BIAS，MOS管M7的栅极接运算放大器OP1的输出的反馈信号。运算放大器OP1的+端接节点1，-端接节点2。
补偿电荷泵模块与主电荷泵模块结构完全相同，由MOS管M9-M16及运算放大器OP2构成，但对应MOS管的尺寸与主电荷泵不同，以产生较小的电流。MOS管M9、MOS管M11、MOS管M13和MOS管M15为PMOS管；MOS管M10、MOS管M12、MOS管M14和MOS管M16为NMOS管。MOS管M9源极接电源VDD，漏极接MOS管M11的源极，栅极接由控制模块输出的控制信号V1。MOS管M10的源极接地，漏极接MOS管M12的源极，栅极接由控制模块输出的控制信号V2。MOS管M11与MOS管M12的漏极相连，并与VOUT相连。MOS管M11的栅极接运算放大器OP2输出的反馈信号，MOS管M12的栅极接偏置电压BIAS。MOS管M13源极接电源VDD，漏极接MOS管M15的源极，栅极接地。MOS管M14的源极接地，漏极接MOS管M16的源极，栅极接电源VDD。MOS管M15与MOS管M16的漏极相连接,MOS管M15的栅接由运算放大器OP2的输出信号，MOS管M16的栅极接偏置电压BIAS。运算放大器OP2的-端接节点3，+端接节点4。
控制模块由CMOS管MOS门电路组成，即由异或门I1、同或门I2、异或门I3、或门I4和与门I5构成。其中IN1接异或门I3的输入A和同或门I2的输入B。IN2接异或门I1的输入B。IN3接异或门I1的输入A、异或门I3的输入B和同或门I2的输入A。IN1、IN2、IN3为控制模块的输入。异或门I1的输出Y接或门I4的输入B和与门I5的输入A。同或门I2的输出Y接或门I4的输入A。异或门I3的输出Y接与门I5的输入B。或门I4输出V1，与门I5输出V2。V1、V2为控制模块的输出。来自鉴频鉴相器的UP信号接入控制模块的IN3，DOWN信号接入IN1，电荷泵的输出VOUT接入IN2。参见图2。
运算放大器OP1和OP2均使用的是一个两级运放，且结构相同，两者均由电阻R、电容C和MOS管MO1-MO14构成。其中MOS管MO1-MOS管MO6及电阻R构成了一个电流源，为后级提供偏置。MOS管MO1的源极接电源VDD，漏极与栅极相连再与MOS管MO3漏极相连，MOS管MO3的源极接MOS管MO5的漏极，栅极接MOS管MO4的栅极。MOS管MO5的栅极接MOS管MO6的栅极，源极接电阻，电阻的另一端接GND。MOS管MO2的源极接电源VDD，漏极接MOS管MO4的漏极，栅极接MOS管MO1的栅极。MOS管MO4的栅漏相接，源极接到MOS管MO6的漏极。MOS管MO6的源极接GND，栅极与漏极相接。MOS管MO7-MOS管MO11构成了两级运放的第一级。其中MOS管MO7源极接VDD，栅极接MOS管MO1的栅极，漏极分别接入MOS管MO8、MOS管MO9的漏极，MOS管MO8的栅极接输入电压V-，源极接MOS管MO10的漏极。MOS管MO9的栅极接入输入电压V+，源极接入MOS管MO11的漏极。MOS管MO10栅漏相接，源极接GND。MOS管MO11的栅极接MOS管MO10的栅极，源极接GND。MOS管MO12、MOS管MO13构成了运算放大器的第二级。其中MOS管MO12的源极接电源VDD，栅极接MOS管MO1的栅极，漏极接MOS管MO13的漏极并输出VOP_OUT。MOS管MO13的源极接GND，栅极接MOS管MO9的源极。电容C为密勒补偿电容，其中电容C的一端接VOP_OUT，另一端接MOS管MO14的漏极，MOS管MO14源极接MOS管MO9的源极，栅极接MOS管MO2的漏极。参见图3。
整个电荷泵电路由三个模块构成：主电荷泵模块、补偿电荷泵模块、控制模块。其中，主电荷泵模块有着较高的充放电电流匹配度和较宽的电压输出范围，但是由于沟道长度调制的影响，其电流会在电压输出范围内随着控制电压的增加而增加，即在控制电压较小或较大时，主电荷泵模块的电流相对于理想值有较大的偏离，且当控制电压较小时，主电荷泵模块的电流低于预设值，当控制电压较大时，主电荷泵模块的电流高于预设值。补偿电荷泵模块的目的为产生较小的电流。控制模块控制主电荷泵模块电流和补偿电荷泵模块电流相加减，产生整个电荷泵电路的输出：
当UP信号为1，DOWN信号为0时，主电荷泵模块的电流为充电电流。当VOUT低于异或门的翻转值时，此时控制模块的输出V1及V2为0，补偿电路的电流为充电电流，则两电流相加。反之当VOUT高于异或门翻转值时，此时控制模块中的V1及V2为1，补偿电路的电流为放电电流，则两电流相减。当UP信号为0，DOWN信号为1时，主电荷泵的电流为放电电流。当VOUT低于异或门的翻转值时，此时控制模块中的V1和V2为1，补偿电路的电流为放电电流，则两电流相加。反之，当VOUT高于异或门的翻转值时，此时控制模块中的V1和V2为0，补偿电路的电流为充电电流，则两电流相减。当UP与DOWN同为0或同为1时，V1为1，V2为0，则补偿电荷泵被关断。这样，通过主电荷泵模块的电流与补偿电荷泵模块的电流相加减，使整个电荷泵电路将产生较小偏离的电流。
通过cadence的仿真表明，本发明的电荷泵充放电电流相对于理想电流的偏离比传统电荷泵的电流的偏离减小了约30％，即减小了沟道长度调制带来的影响。同时，该电荷泵还有着较高的充放电电流匹配度及较宽的电压输出范围。本发明结构简单，易于集成，适合高性能要求的锁相环应用。
需要说明的是，尽管以上本发明所述的实施例是说明性的，但这并非是对本发明的限制，因此本发明并不局限于上述具体实施方式中。在不脱离本发明原理的情况下，凡是本领域技术人员在本发明的启示下获得的其它实施方式，均视为在本发明的保护之内。

Claims (5)

1.一种应用于锁相环的电荷泵电路，包括电荷泵本体，其特征是，所述电荷泵本体由主电荷泵模块、补偿电荷泵模块和控制模块组成；
主电荷泵模块由运算放大器OP1和MOS管M1-M8构成；MOS管M1的源极接电源VDD，MOS管M1的漏极接MOS管M3源极；MOS管M5的源极接电源VDD，MOS管M5的漏极与MOS管M7的源极相连，MOS管M5的栅极接地；MOS管M3的栅极和MOS管M7的栅极同时接由运算放大器OP1的输出端；MOS管M3和MOS管M4的漏极与运算放大器OP1的反相输入端相接；MOS管M7和MOS管M8的漏极与运算放大器OP1的同相输入端相接；MOS管M2的漏极接MOS管M4的源极相连，MOS管M2的源极接地；MOS管M6的漏极与MOS管M8的源极相连，MOS管M6的源极接地；MOS管M4栅极和MOS管M8的栅极接外部偏置电压BIAS信号；MOS管M6的栅极与电源VDD相连；
补偿电荷泵模块由MOS管M9-M16的MOS管和运算放大器OP2构成；MOS管M9的源极接电源VDD，MOS管M9的漏极接MOS管M11的源极；MOS管M13的源极接电源VDD，MOS管M13的漏极接MOS管M15的源极，MOS管M13的栅极接地；MOS管M11的栅极和MOS管M15的栅同时接运算放大器OP2的输出端；MOS管M11和MOS管M12的漏极与运算放大器OP2的反相输入端相连；MOS管M15和MOS管M16的漏极与运算放大器OP2的同相输入端相连；MOS管M10的漏极接MOS管M12的源极相连，MOS管M10的源极接地；MOS管M14的漏极与MOS管M16的源极相连，MOS管M14的源极接地；MOS管M12栅极和MOS管M16的栅极接外部偏置电压BIAS信号；MOS管M14的栅极与电源VDD相连；
外部鉴频鉴相器输出的UP信号分为2路，一路直接接控制模块的第一输入端IN1，另一路经一反相器INV后接MOS管M1的栅极；外部鉴频鉴相器输出的DOWN信号直接接MOS管M2的栅极和控制模块的第三输入端IN3；控制模块的第二输入端IN2、运算放大器OP1的反相输入端、运算放大器OP2的反相输入端相接后，形成电荷泵本体的输出端VOUT；控制模块的第一输出端V1接MOS管M9的栅极；控制模块的第二输出端V2接MOS管M10的栅极。
2.根据权利要求1所述的一种应用于锁相环的电荷泵电路，其特征是，MOS管M1、MOS管M3、MOS管M5、MOS管M7、MOS管M9、MOS管M11、MOS管M13和MOS管M15为PMOS管；MOS管M2、MOS管M4、MOS管M6、MOS管M8、MOS管M10、MOS管M12、MOS管M14和MOS管M16为NMOS管。
3.根据权利要求1所述的一种应用于锁相环的电荷泵电路，其特征是，控制模块由异或门I1、同或门I2、异或门I3、或门I4和与门I5构成；异或门I3的第一输入端A和同或门I2的第二输入端B相连后，形成控制模块的第一输入端IN1；异或门I1的第二输入端B形成控制模块的第二输入端IN2；异或门I1的第一输入端A、同或门I2的第一输入端A和异或门I3的第二输入端B相连后，形成控制模块的第三输入端IN3；异或门I1的输出端Y接或门I4的第二输入端B和与门I5的第一输入端A；同或门I2的输出端Y接或门I4的第一输入端A；异或门I3的输出端Y接与门I5的第二输入端B；或门I4的输出端形成控制模块的第一输出端V1，与门I5输出端形成控制模块的第二输出端V2。
4.根据权利要求1所述的一种应用于锁相环的电荷泵电路，其特征是，运算放大器OP1和运算放大器OP2的结构完全相同。
5.根据权利要求4所述的一种应用于锁相环的电荷泵电路，其特征是，运算放大器OP1和运算放大器OP2均由电阻R、电容C和MOS管MO1-MO14构成；MOS管MO1、MO2、MO7和MO12的源极接电源VDD；MOS管MO1的漏极和栅极共接后与MOS管MO3的漏极及MOS管MO2、MO7和MO12的栅极相连；MOS管MO4的栅极和漏极共接后与MOS管MO2的漏极及MOS管MO3和MO14的栅极相连；MOS管MO3的源极接MOS管MO5的漏极；MOS管MO6的栅极和漏极共接后与MOS管MO4的源极及MOS管MO5的栅极相连；MOS管MO7、MO8和MO9的漏极连接；MOS管MO8的栅极形成运算放大器的反相输入端，MOS管MO9的栅极形成运算放大器的同相输入端；MOS管MO10的漏极和栅极共接后与MOS管MO8的源极及MOS管MO11的栅极相连；MOS管MO11的漏极、MOS管MO13栅极与MOS管MO9和MOS管MO14的源极相接；MOS管MO14的漏极连接电容C的一端；电容C的另一端与MOS管MO12和MO13的漏极相连后，形成运算放大器的输出端；MOS管MO5的源极经电阻R接地，MOS管MO6、MO10、MO11和MO13的源极接地。
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