CN108471307B - 电荷泵电路 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种电荷泵电路，用于锁相环系统中，其特包括电流产生单元与消除单元，所述电流产生单元包括若干场效应管，外部两开关信号及两偏置电压输入至所述电流产生单元，所述电流产生单元根据两开关信号的电平高低而为所述电荷泵产生充放电电流，所述消除单元与所述电流产生单元连接，以将所述电流产生单元中的场效应管释放的电荷释放至地。本发明的电荷泵电路消除了电荷馈通效应与电荷注入效应，进一步提高了输出电压的精准度。

Description

电荷泵电路

技术领域

本发明涉及集成电路领域，更具体地涉及一种可用于锁相环系统的电荷泵电路。

背景技术

电荷泵电路是目前主流的模拟锁相环结构的重要组成部分之一，它的存在可以使得锁相环能够同时实现对频率和相位的锁定。现有技术的电荷泵电路结构如图1所示，其由P型MOS管M1、M2，N型MOS管M3、M4,电阻R1,电容C1所构成。MOS管M1,M4的栅极分别接固定偏置电压Vb1,Vb2，而偏置电压Vb1,Vb2通常可由电流镜结构镜像得到，它们使得MOS管M1,M4工作在饱和区时，流经MOS管M1,M2的漏极的电流大小均为一固定值Icp，即可以认为MOS管M1和M4为电流大小等于Icp的直流电流源。MOS管M2,M3充当开关的作用，当MOS管M2，M3的栅极电压Sw1,Sw2均为低电平时，MOS管M2导通，MOS管M3关断,MOS管M1的漏极电流Icp通过MOS管M2和电阻R1对电容C1充电，节点Vc电位增加。当Sw1,Sw2均为高电平时，MOS管M2关断，MOS管M3导通，电容C1在MOS管M2的漏极电流Icp的作用下放电，节点Vc电位降低。当Sw1为高电平，Sw2为低电平时，MOS管M2,M3均关断，节点Vc电位保持不变。当Sw1为低电平，Sw2为高电平时，MOS管M2,M3均导通，流经MOS管M1的电流Icp会直接通过MOS管M4,不会进入电容C1，从而节点Vc电位保持不变。

而在锁相环系统中，Sw1,Sw2的高低电平状态受鉴频鉴相器所控制，当锁相环输出相位滞后时，Sw1，Sw2均为低，使得电容C1被充电，提高节点Vc的电压,增加压控振荡器VCO输出频率(假设VCO的输出频率随节点Vc电压的增加而增加)，从而提高锁相环输出相位。同理，当锁相环输出相位超前时，Sw1,Sw2均为高，使得电容C1被放电，降低节点Vc的电压，降低VCO输出频率，减少锁相环输出相位。当锁相环在相位锁定状态时,Sw1为高，Sw2为低，节点Vc电压保持不变，从而一直保持在锁定状态。而电阻R1是在锁相环系统的传输函数中引入一个零点，使得系统的稳定性更好。

但是在现有技术的电荷泵电路中，开关管的M2,M3在关断的一瞬间，储存在其沟道中的电荷会被释放到MOS管M2,M3的两端，其中一部分会被注入电容C1，使得电荷泵输出电压Vc产生误差，产生电荷注入效应；另外，由于MOS管M2,M3漏极寄生电容的存在，信号Sw1,Sw2会通过漏极寄生电容耦合到节点Vc处，使得电荷泵输出电压Vc产生误差，而产生电荷馈通效应；再有，当锁相环系统需要较小的环路带宽的时候，通常需要此电荷泵采用较大的电容C1和电阻R1，但在集成电路工艺中，较大的电容或电阻会占据大量的芯片面积，增加芯片的制造成本。

因此，有必要提供一种避免电荷馈通和电荷注入效应的改进的电荷泵电路来克服上述缺陷。

发明内容

本发明的目的是提供一种电荷泵电路，本发明的电荷泵电路消除了电荷馈通效应与电荷注入效应，进一步提高了输出电压的精准度。

为实现上述目的，本发明提供了一种电荷泵电路，用于锁相环系统中，其特包括电流产生单元与消除单元，所述电流产生单元包括若干场效应管，外部两开关信号及两偏置电压输入至所述电流产生单元，所述电流产生单元根据两开关信号的电平高低而为所述电荷泵产生充放电电流，所述消除单元与所述电流产生单元连接，以将所述电流产生单元中的场效应管释放的电荷释放至地。

较佳地，所述消除单元包括第一消除单元与第二消除单元，所述第一消除单元与第二消除单元均与所述电流产生单元连接；所述第一消除单元将所述电流产生单元中的场效应管释放的正电荷释放至地，所述第二消除单元将所述电流产生单元中的场效应管释放的负电荷释放至地。

较佳地，所述电流产生单元包括第一场效应管、第二场效应管、第三场效应管、第四场效应管、第五场效应管、第六场效应管、第七场效应管及第八场效应管；外部一开关信号输入至所述第一场效应管与第五场效应管的栅极，所述第一场效应管与第五场效应管的源极与外部电源连接，所述第一场效应管的漏极与第二场效应管的源极连接，所述第五场效应管的漏极与第六场效应管的源极连接，外部一偏置电压输入至所述第二场效应管与第六场效应管的栅极；外部另一偏置电压输入至所述第三场效应管与第七场效应管的栅极，所述第三场效应管的漏极与第二场效应管的漏极连接，并输出所述电荷泵的输出电压；所述第七场效应管的漏极与第六场效应管的漏极连接，所述第三场效应管的源极与第四场效应管的漏极连接，所述第七场效应管的源极与第八场效应管的漏极连接，外部另一开关信号输入所述第四场效应管与第八场效应管的栅极，所述第四场效应管与第八场效应管的源极均接地。

较佳地，所述第一消除单元包括第九场效应管、第十场效应管、第十一场效应管、第十二场效应管、第一电阻及第一电容；外部一开关信号输入至所述第九场效应管、第十一场效应管、第十二场效应管的栅极，所述第九场效应管的漏极与所述第一场效应管的漏极连接，其源极与所述第十场效应管的漏极连接，所述第十场效应管的源极接地，其栅极与第一电阻、第一电容的一端共同连接，所述第一电容的另一端接地；所述第十一场效应管的源极与外部电源连接，所述第十一场效应管、第十二场效应管的漏极与所述第一电阻的另一端共同连接，所述第十二场效应管的源极接地。

较佳地，所述第二消除单元包括第十三场效应管、第十四场效应管、第十五场效应管、第十六场效应管、第二电阻及第二电容；外部另一开关信号输入至所述第十四场效应管、第十五场效应管、第十六场效应管的栅极，所述第十三场效应管、第十五场效应管的源极均与外部电源连接，所述第十三场效应管的漏极与所述第十四场效应管的源极连接，其栅极与第二电阻、第二电容的一端连接，所述第二电容的另一端接地；所述第十四场效应管的漏极与第三场效应管的源极连接，所述第十五场效应管、第十六场效应管的漏极与所述第二电阻的另一端共同连接，所述第十六场效应管的源极接地。

较佳地，所述电荷泵电路还包括倍增单元，所述倍增单元与所述电流产生单元连接，以降低所述电流产生单元输出端的电阻值及电容值。

较佳地，所述倍增单元包括第三电阻、第三电容及运算放大器，所述第三电阻的一端与所述第三场效应管的漏极连接，所述第三电阻的另一端与所述运算放大器的反相输入端、输出端共同连接，所述第三电容一端与所述第七场效应管的漏极、运算放大器的正相输入端共同连接，所述第三电容的另一端接地。

较佳地，所述第一场效应管与第五场效应管为P型场效应管，所述第四场效应管与第八场效应管为N型场效应管。

与现有技术相比，本发明的电荷泵电路，通过所述电流产生单元有效地消除了电荷馈通效应对其输出电压的影响，同时，通过所述消除单元消除了电荷注入效应对对其输出电压的影响，因此，提高了电荷泵电路输出电压的精度，使得电荷泵电路的使用更加稳定可靠；另外，通过所述倍增单元使得且整个电荷泵电路所使用的电阻及电容的值都很小，大大地减小了其占用的面积，也进一步减小了整个电荷泵电路在集成电路芯片中所占用的面积，提高了芯片的集成度。

通过以下的描述并结合附图，本发明将变得更加清晰，这些附图用于解释本发明的实施例。

附图说明

图1为现有技术的电荷泵电路的结构图。

图2为本发明的电荷泵电路的结构图。

具体实施方式

现在参考附图描述本发明的实施例，附图中类似的元件标号代表类似的元件。如上所述，本发明提供了一种电荷泵电路，本发明的电荷泵电路消除了电荷馈通效应与电荷注入效应，进一步提高了输出电压的精准度。

请参考图2，图2为本发明的电荷泵电路的结构图。如图所示，本发明的电荷泵电路用于锁相环系统中，其包括电流产生单元与消除单元，所述电流产生单元包括若干场效应管，外部两开关信号sw1、sw2及两偏置电压vb1、bv2输入至所述电流产生单元，所述电流产生单元根据两开关信号sw1、sw2的电平高低而为所述电荷泵产生充放电电流，以实现所述电荷泵的功能；所述消除单元与所述电流产生单元连接，以将所述电流产生单元中的场效应管释放的电荷释放至地。更进一步地，在本发明中，所述消除单元包括第一消除单元与第二消除单元，所述第一消除单元与第二消除单元均与所述电流产生单元连接；所述第一消除单元将所述电流产生单元中的场效应管释放的正电荷释放至地，所述第二消除单元将所述电流产生单元中的场效应管释放的负电荷释放至地。从而通过所述消除单元消除了由场效应管释放的正、负电荷所引起的电荷泵电路中的电荷馈通效应与电荷注入效应，提高了电荷泵电路输出电压的精准度。

具体地，请再结合参考图2，作为本发明的优选实施例，所述电流产生单元包括第一场效应管M1、第二场效应管M2、第三场效应管M3、第四场效应管M4、第五场效应管M5、第六场效应管M6、第七场效应管M7及第八场效应管M8；外部一开关信号sw1输入至所述第一场效应管M1与第五场效应管M5的栅极，所述第一场效应管M1与第五场效应管M5的源极与外部电源VDD连接，所述第一场效应管M1的漏极与第二场效应管M2的源极连接，所述第五场效应管M5的漏极与第六场效应管M6的源极连接，外部一偏置电压vb1输入至所述第二场效应管M2与第六场效应管M6的栅极；外部另一偏置电压vb2输入至所述第三场效应管M3与第七场效应管M7的栅极，所述第三场效应管M3的漏极与第二场效应管M2的漏极连接，并输出所述电荷泵的输出电压；所述第七场效应管M7的漏极与第六场效应管M6的漏极连接，所述第三场效应管M3的源极与第四场效应管M4的漏极连接，所述第七场效应管M7的源极与第八场效应管M8的漏极连接，外部另一开关信号sw2输入所述第四场效应管m4与第八场效应管m8的栅极，所述第四场效应管m4与第八场效应管m8的源极均接地。在本发明中，所述电流产生单元根据外部两开关信号Sw1,Sw2的电平高低为电荷泵产生充放电电流；其中，所述第二场效应管M2、第三场效应管M3、第六场效应管M6及第七场效应管M7构成一直流电流源，而该直流电流源直接与电荷泵电路的输出节点vc直接相连，从而使得，作为开关管的第一场效应管M1、第四场效应管M4、第五场效应管M5、第八场效应管M8栅极的高速开关信号sw1、sw2与输出节点vc之间的交流耦合通路将被第二场效应管M2、第三场效应管M3、第六场效应管M6、第七场效应管M7隔绝，使得高速开关信号sw1、sw2无法耦合至输出节点vc上，从而可以避免其产生的电荷馈通效应对电荷泵输出节点电压精度的影响。

更进一步地，在本发明的优选实施例中，所述第一消除单元包括第九场效应管M9、第十场效应管M10、第十一场效应管M11、第十二场效应管M12、第一电阻R1及第一电容C1；外部一开关信号sw1输入至所述第九场效应管M9、第十一场效应管M11、第十二场效应管M12的栅极，所述第九场效应管M9的漏极与所述第一场效应管M1的漏极连接，其源极与所述第十场效应管M10的漏极连接，所述第十场效应管M10的源极接地，其栅极与第一电阻R1、第一电容C1的一端共同连接，所述第一电容C1的另一端接地；所述第十一场效应管M11的源极与外部电源VDD连接，所述第十一场效应管M11、第十二场效应管M12的漏极与所述第一电阻R1的另一端共同连接，所述第十二场效应管M12的源极接地。且，所述第二消除单元包括第十三场效应管M13、第十四场效应管M14、第十五场效应管M15、第十六场效应管M16、第二电阻R2及第二电容C2；外部另一开关信号sw2输入至所述第十四场效应管M14、第十五场效应管M15、第十六场效应管M16的栅极，所述第十三场效应管M13、第十五场效应管M15的源极均与外部电源VDD连接，所述第十三场效应管M13的漏极与所述第十四场效应管M14的源极连接，其栅极与第二电阻R2、第二电容C2的一端连接，所述第二电容C2的另一端接地；所述第十四场效应管M14的漏极与第三场效应管M3的源极连接，所述第十五场效应管M15、第十六场效应管M16的漏极与所述第二电阻R2的另一端共同连接，所述第十六场效应管M16的源极接地。在本发明中，所述第一消除单元针对的是P型MOS开关管第一场效应管M1、第五场效应管M5的正电荷(空穴)注入效应，所述第二消除单元针对的是N型MOS开关管第四场效应管M4、第八场效应管M8的负电荷(电子)注入效应；两个消除单元的工作原理相同。下面仅以第一消除单元1为例，说明本发明消除单元对开关管电荷进行消除的工作原理；具体地，当开关信号sw1由低电平转换为高电平时，N型MOS管第九场效应管M9瞬间导通，而所述第十一场效应管M11、第十二场效应管M12组成反相器，此时由第十一场效应管M11、第十二场效应管M12组成的反相器的输出节点v1的电压变为低电平；同时，由第一电阻R1、第一电容C1所构成的低通滤波器所具有的延时效应，反相器输出节点v1的低电平输出信号将在一定延时过后才传递到第十场效应管M10的栅极处，使得第十场效应管M10截止；在该低电平未传递到第十场效应管M10的栅极之前，第十场效应管M10会一直保持导通状态,从而为第一场效应管M1、第五场效应管M5的漏极提供了一个短时间的到地的通路；而当开关信号sw1由低变高时，第一场效应管M1、第五场效应管M5沟道中的正电荷(P型MOS管沟道中为空穴)，会通过第九场效应管M9、第十场效应管M10所提供的短时间的到地通路释放到地，而不是释放到电荷泵输出节点vc处，从而避免了沟道注入效应对电荷泵输出电压精度的影响，提高了电荷泵电路输出电压的精度。第二消除单元则是消除了第四场效应管M4、第八场效应管M8沟道中的负电荷对电荷泵输出电压精度的影响，原理与第一消除单元相同，在此不再赘述。

作为本发明的优选实施方式，所述电荷泵电路进一步的还包括一倍增单元，且所述倍增单元与所述电流产生单元连接，以降低所述电流产生单元输出端的电阻值及电容值。具体地，所述倍增单元包括第三电阻R3、第三电容C3及运算放大器OP1，所述第三电阻R3的一端与所述第三场效应管M3的漏极连接，所述第三电阻R3的另一端与所述运算放大器OP1的负相输入端、输出端共同连接，所述第三电容C3一端与所述第七场效应管M7的漏极、运算放大器OP1的正相

输入端共同连接，所述第三电容C3的另一端接地。其中，所述倍增单元的工作过程为：

首先，设定电荷泵电路的输出电压Vc为

其中，R0、C0为图1中电阻及电容的值，Icp为充放电电流，也即为M1、M4的偏置电流。

设定第二场效应管M2与第六场效应管M6的宽长比为a，第三场效应管M3与第七场效应管M7的宽长比为b，且a/b＝k；且使得在偏置电压vb1,vb2的作用下，分别产生大小为Icp1＝M*Icp(Icp1为第二场效应管M2、第三场效应管M3产生的充放电电流)、Icp2＝Icp/N(Icp2为第六场效应管M6、第七场效应管M7产生的充放电电流)的电流，k＝M*N。电流Icp2直接进入第三电容C3，使得第三电容C3上端节点电压变为Vx＝Icp2*(s*C3)该节点Vx的电压同样为运算放大器OP1的正输入端。由于运算放大器OP1的虚短作用(运算放大器具有较大的开环增益，使得其在闭环状态下，正负输入端电位基本相同，等效于短路)，其负相输入端的节点电压同样为Vx。电流Icp1经过第三电阻R3，使得第三电阻R3两端电压为Icp1*R3，因此该电荷泵输出节点电压Vc满足：

从上式可以得出，当R3＝R0/M，C3＝C0/N时，上式的输出电压Vc与现有技术的相同。因此本发明的电荷泵电路只需要现有技术中M分之一的电阻和N分之一的电容即可得到同样的输出电压。而，为了获得较大的M和N的值只需要提高k值即可，也即调节第二场效应管M2、第六场效应管M6、第三场效应管M3及第七场效应管M7的宽长比。因此通过本发明的所述倍增单元可以大大减少电荷泵电路的中所需要的电阻和电容，也即减小了电阻与电容占用的面积，从而降低电荷泵电路的整体面积。

由上述可知，本发明的电荷泵电路，有效地消除了电荷馈通效应及电荷注入效应对其输出电压的影响，提高了电荷泵电路输出电压的精度，使得电荷泵电路的使用更加稳定可靠；且整个电荷泵电路所使用的电阻及电容的值都很小，大大地减小了其占用的面积，也进一步减小了整个电荷泵电路在集成电路芯片中所占用的面积，提高了芯片的集成度。

以上结合最佳实施例对本发明进行了描述，但本发明并不局限于以上揭示的实施例，而应当涵盖各种根据本发明的本质进行的修改、等效组合。

Claims (7)

1.一种电荷泵电路，用于锁相环系统中，其特征在于，包括电流产生单元与消除单元，所述电流产生单元包括若干场效应管，外部两开关信号及两偏置电压输入至所述电流产生单元，所述电流产生单元根据两开关信号的电平高低而为所述电荷泵产生充放电电流，所述消除单元与所述电流产生单元连接，以将所述电流产生单元中的场效应管释放的电荷释放至地；所述消除单元包括第一消除单元与第二消除单元，所述第一消除单元与第二消除单元均与所述电流产生单元连接；所述第一消除单元将所述电流产生单元中的场效应管释放的正电荷释放至地，所述第二消除单元将所述电流产生单元中的场效应管释放的负电荷释放至地。

2.如权利要求1所述的电荷泵电路，其特征在于，所述电流产生单元包括第一场效应管、第二场效应管、第三场效应管、第四场效应管、第五场效应管、第六场效应管、第七场效应管及第八场效应管；外部一开关信号输入至所述第一场效应管与第五场效应管的栅极，所述第一场效应管与第五场效应管的源极与外部电源连接，所述第一场效应管的漏极与第二场效应管的源极连接，所述第五场效应管的漏极与第六场效应管的源极连接，外部一偏置电压输入至所述第二场效应管与第六场效应管的栅极；外部另一偏置电压输入至所述第三场效应管与第七场效应管的栅极，所述第三场效应管的漏极与第二场效应管的漏极连接，并输出所述电荷泵的输出电压；所述第七场效应管的漏极与第六场效应管的漏极连接，所述第三场效应管的源极与第四场效应管的漏极连接，所述第七场效应管的源极与第八场效应管的漏极连接，外部另一开关信号输入所述第四场效应管与第八场效应管的栅极，所述第四场效应管与第八场效应管的源极均接地。

3.如权利要求2所述的电荷泵电路，其特征在于，所述第一消除单元包括第九场效应管、第十场效应管、第十一场效应管、第十二场效应管、第一电阻及第一电容；外部一开关信号输入至所述第九场效应管、第十一场效应管、第十二场效应管的栅极，所述第九场效应管的漏极与所述第一场效应管的漏极连接，其源极与所述第十场效应管的漏极连接，所述第十场效应管的源极接地，其栅极与第一电阻、第一电容的一端共同连接，所述第一电容的另一端接地；所述第十一场效应管的源极与外部电源连接，所述第十一场效应管、第十二场效应管的漏极与所述第一电阻的另一端共同连接，所述第十二场效应管的源极接地。

4.如权利要求2所述的电荷泵电路，其特征在于，所述第二消除单元包括第十三场效应管、第十四场效应管、第十五场效应管、第十六场效应管、第二电阻及第二电容；外部另一开关信号输入至所述第十四场效应管、第十五场效应管、第十六场效应管的栅极，所述第十三场效应管、第十五场效应管的源极均与外部电源连接，所述第十三场效应管的漏极与所述第十四场效应管的源极连接，其栅极与第二电阻、第二电容的一端连接，所述第二电容的另一端接地；所述第十四场效应管的漏极与第三场效应管的源极连接，所述第十五场效应管、第十六场效应管的漏极与所述第二电阻的另一端共同连接，所述第十六场效应管的源极接地。

5.如权利要求2-4任一项所述的电荷泵电路，其特征在于，还包括倍增单元，所述倍增单元与所述电流产生单元连接，以降低所述电流产生单元输出端的电阻值及电容值。

6.如权利要求5所述的电荷泵电路，其特征在于，所述倍增单元包括第三电阻、第三电容及运算放大器，所述第三电阻的一端与所述第三场效应管的漏极连接，所述第三电阻的另一端与所述运算放大器的反相输入端、输出端共同连接，所述第三电容一端与所述第七场效应管的漏极、运算放大器的正相输入端共同连接，所述第三电容的另一端接地。

7.如权利要求2所述的电荷泵电路，其特征在于，所述第一场效应管与第五场效应管为P型场效应管，所述第四场效应管与第八场效应管为N型场效应管。

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