CN109921633B - 一种具有宽动态范围低失配特性的电荷泵电路 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种具有宽动态范围低失配特性的电荷泵电路，由偏置电路、电流镜电路、充放电电路、轨对轨运算放大器和开关控制反馈电路组成。本发明在传统源极开关型电荷泵中，增加了负反馈回路，不仅提高了稳定度，还增加了输出电压范围；并采用负反馈电路控制电荷泵结构中的运放开关时间，实现了宽动态输入范围与低失配特性，降低了电路的杂散度；本发明电路工作在1.8V电压下，可实现在0.02V～1.78V输出电压范围内充放电电流精确匹配。

Description

一种具有宽动态范围低失配特性的电荷泵电路

技术领域

本发明涉及集成电路技术领域，具体涉及一种具有宽动态范围低失配特性的电荷泵电路。

背景技术

锁相环(Phase-locked loops，PLL)是一种利用外部输入的参考信号控制环路内部振荡信号的频率和相位，实现输出信号频率对输入信号频率的自动跟踪的技术。当参考信号的频率或相位发生变化时，锁相环能够自动识别参考信号的变化，并反复调节内部震荡器的频率或者相位，使输出信号与参考信号的变化一致，达到同步的效果，这种同步效应又称之为”锁相”。锁相环的应用领域十分广泛，在无线通信技术，数字电视以及广播等领域都有涉略。随着锁相环的技术不断突破，锁相环在专用领域的类型越来越多应用领域也越来越广，其具体的应用领域包括但不限于：无线通信系统收发模块(Transceiver)、数据及时钟恢复电路(Clock and Data Recovery-CDR)、频率综合电路(Frequencysynthesizer)、跳频通信(Frequency-hopping spread spectrum-FHSS)、数字电视接收机等。

锁相环电路通常包含以下几个模块：鉴频鉴相器(PFD)模块(或鉴相器PD)，低通滤波器(LPF)模块，压控振荡器(VCO)模块以及分频器(Divider)模块。分频器作为锁相环的反馈回路，将压控振荡器输出的高频信号细分成均等的低频信号，再与参考信号作比较。鉴频鉴相器将分频器的输出信号与参考信号作比较后，将其差值送入低通滤波器，低通滤波器将差值中的高频成分滤掉，保留差值中的直流成分，将之送入压控振荡器，压控振荡器启动后级电路，根据差值对频率进行调整，将调整后的频率通过分频器输出后再次与参考信号做比较，重复上述过程直到输出频率与参考信号达到同步。鉴频鉴相器作为判断输出信号与参考信号差值的模块，对于锁相环的”锁相”十分重要。而电荷泵属于鉴频鉴相器的关键模块，影响着鉴频鉴相器的性能进而影响着锁相环的特性。电荷泵主要是把鉴频鉴相器的脉冲数字信号，通过电容的充放电转换成模拟的电压信号，通过低通滤波器后控制着压控振荡器的震荡频率。

当前为了得到宽动态输出范围以及较精确的电流匹配，常用的电荷泵结构有：电流舵开关型电荷泵、纯NMOS开关型电荷泵和源极开关型电荷泵。电流舵结构的优点是速度快，但是由于开关的漏端与输出相连，当开关开启时会有很大的过冲电流流入输出端。纯NMOS开关结构具有良好的延时匹配的优点，但是电流镜很难做到精确电流匹配的同时达到很高的速度。源极开关型具有电流过冲小，功耗低以及开关速度快的优点，但由于沟道长度调制效应和PMOS与NMOS工艺特性不同很难做到精确电流匹配。

发明内容

本发明所要解决的是现有电荷泵难以同时达到出动态范围广和电流匹配精准度高的问题，提供一种具有宽动态范围低失配特性的电荷泵电路。

为解决上述问题，本发明是通过以下技术方案实现的：

一种具有宽动态范围低失配特性的电荷泵电路，由偏置电路、电流镜电路、充放电电路、轨对轨运算放大器和开关控制反馈电路组成；所述偏置电路采用与电源电压无关的带隙基准结构，用于产生偏置电流来供给电流镜电路；所述电流镜电路由偏置电路提供偏置，产生偏置电压提供给开关控制反馈电路，同时镜像产生充放电电流提供给充放电电路；所述轨对轨运算放大器OP在控制信号Vctrl的控制下，实现开关控制反馈电路的开断；所述开关控制反馈电路采用源极负反馈的方式，保证了在固定脉冲的条件下，充放电电路的充电支路与放电支路的电流完全相同；所述充放电电路采用共源共栅结构，以提供充放电电流的匹配精度，并反馈至电流镜。

所述偏置电路包括MOS管M1～M6和电阻R1；MOS管M1的源极和MOS管M2的源极均与电源VDD连接；MOS管M1的栅极、MOS管M2的栅极、MOS管M1的漏极和MOS管M3的漏极相连后，形成偏置电路的输出端，并与电流镜电路的输入端连接；MOS管M2的漏极、MOS管M4的漏极、MOS管M3的栅极和MOS管M4的栅极相连；MOS管M3的源极与MOS管M5的漏极连接；MOS管M4的源极、MOS管M6的漏极、MOS管M5的栅极和MOS管M6的栅极相连；MOS管M6的源极连接地端GND；MOS管M5的源极经电阻R1与地端GND连接。

所述电流镜电路包括M7～M20；MOS管M7的源极、MOS管M8的源极、MOS管M11的源极、MOS管M12的源极、MOS管M16的源极、MOS管M17的源极、MOS管M10的栅极和MOS管M20的栅极均与电源VDD连接；MOS管M7的栅极、MOS管M8的栅极、MOS管M11的栅极、MOS管M12的栅极、MOS管M15的栅极、MOS管M7的漏极和MOS管M15的栅极相连后，形成电流镜电路的一输出端，并与偏置电路的输出端和开关控制反馈电路的一输入端连接；MOS管M8的漏极、MOS管M9的漏极和MOS管M9的栅极相连后，形成电流镜电路的另一输出端，并与开关控制反馈电路的另一输入端连接；MOS管M9的源极与MOS管M10的漏极相连；MOS管M13与M14栅极互连之后与其漏极相连，MOS管M12的漏极、MOS管M13和漏极、MOS管M13的栅极和MOS管M14的栅极相连；MOS管M15的源极与M16的漏极连接；MOS管M14的漏极和MOS管M15的漏极连接；MOS管M17的漏极和MOS管M18的源极连接；MOS管M20的漏极和MOS管M19的源极连接；MOS管M10的源极、MOS管M13的源极、MOS管M14的源极、MOS管M20的源极、MOS管M16的栅极和MOS管M17的栅极均与地端GND连接；MOS管M18的漏极和MOS管M19的漏极相连后，形成电流镜电路的又一输出端，并与开关控制反馈电路的又一入端连接；MOS管M18的栅极形成电流镜电路的充电反馈端，并与充充电电路的充电反馈端连接；MOS管M19的栅极形成电流镜电路的放电反馈端，并与充放电电路的充电反馈端连接。

所述的开关控制反馈电路包括施密特触发器SCH、反相器INV、传输门TG1～TG4和电容C1～C2；传输门TG1的一端形成开关控制反馈电路的一输入端，并与电流镜电路的一输出端连接；传输门TG3的一端形成开关控制反馈电路的另一输入端，并与电流镜电路的另一输出端连接；施密特触发器SCH的输入端，形成开关控制反馈电路的又一输入端，并与电流镜电路的又一输出端和轨对轨运算放大器0P的同相输入端；轨对轨运算放大器0P的反相输入端接控制信号Vctrl；施密特触发器SCH的输出端连接反相器INV的输入端、传输门TG2的控制端和传输门TG3的控制端，反相器INV的输出端连接传输门TG1的控制端和传输门TG4的控制端；传输门TG2的一端与传输门TG4的一端相连，并连接轨对轨运算放大器0P的输出端；传输门TG1的另一端、传输门TG2的另一端和电容C1的一端相连后，形成开关控制反馈电路的充电控制端，并与充放电电路的充电反馈端连接；电容C1的另一端连接电源VDD；传输门TG3的另一端、传输门TG4的另一端和电容C2的一端相连后，形成开关控制反馈电路的放电控制端，并与充放电电路的放电反馈端连接；电容C2的另一端连接地端GND。

所述充放电电路包括MOS管M21～M24；MOS管M21的栅极接充电信号UPB，MOS管M21的源极与电源VDD连接，MOS管M21的漏极与MOS管M22的源极相连；MOS管M22管的漏极和MOS管M23的漏极接控制信号Vctrl；MOS管M24的栅极连接放电信号DN，MOS管M24的源极接与地端GND连接，MOS管M24的漏极与MOS管M23的源极相连；MOS管M22的栅极形成充放电电路的充电反馈端，并与电流镜电路的充电反馈端和开关控制反馈电路的充电控制端连接；MOS管M23的栅极形成充放电电路的放电反馈端，并与电流镜电路的放电反馈端和开关控制反馈电路的放电控制端连接。

与现有技术相比，本发明具有如下特点：

1、采用负反馈电路控制电荷泵结构中的运放开关时间，实现了宽动态输入范围与低失配特性，降低了电路的杂散度；

2、在传统源极开关型电荷泵中，增加了负反馈回路，不仅提高了稳定度，还增加了输出电压范围；

3、电流镜电路与充放电电路可以有效的减少沟道长度效应带来的电流失配，提高充放电电路的匹配精度，同时平坦度也得到一定的提高；

4、本发明电路工作在1.8V电压下，可实现在0.02V～1.78V输出电压范围内充放电电流精确匹配。

附图说明

图1为一种具有宽动态范围低失配特性的电荷泵电路的原理框图。

图2为低压区电路匹配特性。

图3为高压区电路匹配特性。

图4为整体电路电流匹配仿真图。

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，对本发明进一步详细说明。

一种具有宽动态范围低失配特性的电荷泵电路，如图1所示，由偏置电路、电流镜电路、充放电电路、轨对轨运算放大器和开关控制反馈电路组成。

所述偏置电路用于产生偏置电流来供给电流镜电路。在本发明中，偏置电路由MOS管M1、M2、M3、M4、M5、M6以及电阻R1组成。其中M1、M2为PMOS管，源极都与电压VDD相连，栅极相连之后与M1的漏极接在一起，M3、M4、M5、M6为NMOS管，M3、M4栅极相连之后与M4的漏极连在一起，其漏极分别于M1、M2的漏极相连，其源极分别与M5、M6的漏极相连，M5、M6的栅极相连之后再与M6的漏极连接。M5的源极通过R1连接到地端GND，实现了调整电阻R1来调整支路电流的目的，M6的源极直接连到GND地端，组成带隙基准偏置结构。偏置电路采用与电源电压VDD无关的带隙基准结构，提供偏置电流再与轨对轨运算放大器相连，实现了电荷泵的精确匹配，并给后级充放电电路提供电流，控制充放电电路的充放电。

所述电流镜电路由偏置电路提供偏置，并镜像产生充放电电流和偏置电压。在本发明中，电流镜电路由MOS管M7-M20组成。其中PMOS管有：M7、M8、M11、M12、M15、M16、M17、M18，NMOS管有：M9、M10、M13、M14、M19、M20。MOS管M7、M8、M11、M12、M16、M17的源极接到电压VDD，栅极均与偏置模块相连后连接到复制支路和放电支路上；M7，M8的栅极相连后连接到M7的漏极，等效为一个恒流源。M8的漏极与M9的漏极连接后再与其栅极相连通过开关网络连接到复制支路和充电支路上，其源极与M10的漏极相连，M10的源极连到地端GND，栅极连到电源VDD。M11、M12的栅极互联之后与M11的漏极连接，同时与偏置电路相连，M12的漏极与M13的漏极相连，M13的栅极与M14栅极相连后与M13的漏极连接，两者的源极均与地端GND相连。M11、M12、M13、M14四个MOS管等效为一个恒流源。M14的漏极与M15的漏极相连，M15的栅极与偏置电路连接后又与开关电路相连，其源极连接到M16的漏极上，M16的栅极接到地端GND上。M17、M18作为复制单元，能够镜像的复制M15，M16支路上的电流，M18的栅极不仅与开关电路相连，同时还连接到充电单元，控制充电单元的充电时间。同理M19、M20镜像复制M9，M10支路上的电流，M19的漏极与M18的漏极相连，同时还与运算放大器的负极以及触发器相连；其栅极连接开关电路后又与M23的栅极相连，控制放电单元。电流镜电路能够将前级电路的电流镜像复制，在电流镜模块与充放电模块之间加入了负反馈网络，可以很好的实现充放电电流的匹配。

所述开关控制反馈电路采用源极负反馈的方式，确保充放电电路与镜像偏置支路相同，保证了在固定脉冲的条件下，充电支路与放电支路的电流完全相同，提高了电荷泵的匹配精度。在本发明中，开关控制反馈电路由施密特触发器SCH、反相器INV、传输门TG1～TG4和电容C1-C2组成。传输门TG1、TG3一端连接在偏置电路与充放电电路上，一端连接在复制电路和充放电电路上；TG2一端通过电容C1连接到电源VDD，另一端连接到运算放大器的输出端；TG4一端通过电容C2连接到地端GND，另一端连接到运算放大器的输出端。

所述的轨对轨运算放大器通过比较运算放大器OP两个输入端的电压从而控制开关电路的关断，消除开关延迟产生的纹波进而影响电路的参考杂散，使得电荷泵的参考杂散降低，提高电路的稳定性。

所述充放电电路采用共源共栅的结构增加了输出阻抗，提高了电荷泵的电流匹配精度。充放电电路由MOS管M21-M24组成。PMOS管M21和M22构成充电支路。M21栅极接充电信号UPB，源极与电源VDD连接，漏极与MOS管M22的源极相连；M22管的栅极与M18的栅极以及电容、开关电路TG2，TG1相连，其漏极连接到运算放大器的输入端Vctrl以及M23的漏极。M21,M22采用共源共栅的连接方式，增加了输出阻抗，提高了电荷泵的电流匹配精度。NMOS管M23和M24构成放电支路。M24的栅极连接放电信号DN，通过源极接到地端GND上，漏极与M23的源极相连。M23的栅极接到M19的栅极以及电容，开关电路TG4，TG3上，漏极与运算放大器的输入端Vctrl相连。共源共栅结构的充电支路和放电支路提高了充放电电流的匹配精度，而开关电压反馈网络可以使电荷泵电路在电流精确匹配的情况下只需一个运算放大器就能实现轨到轨的输出动态范围。同时电荷共享主要由开关位置确定，通过选择合适的开关位置可以减少电荷共享，采用源极开关型电荷泵的电荷共享对参考杂散的影响很小，可以忽略不计，提高电路的稳定性。

本发明在源极开关型电荷泵的基础上增加了负反馈结构，该结构能够解决源极开关型电荷泵的由于沟道长度调制效应和PMOS与NMOS工艺特性不同很难做到精确电流匹配的问题，同时保留了源极开关型具有电流过冲小，功耗低以及开关速度快的优点。当采用TSMC 0.18um工艺，且电源电压为1.8V时，电荷泵输出电压范围为0.02V～1.78V。在锁相环处于锁定状态下，当Vctrl工作在低压区时，通过运放OP的钳位作用，Vx＝Vctrl，Vx经过施密特触发器，SWB＝1，反向器输出SW＝0，使得传输门TG2、TG3导通，TG1、TG4截止，此时的电荷泵低压区的电流匹配如图2所示。当Vctrl工作在高压区时，此时SWB＝0，反相器输出SW＝1，使得传输门TG1、TG4导通，TG2、TG3截止，此时的电荷泵高压区的电流匹配如图3所示。通过电压反馈网络，使得电荷泵电路在电流精确匹配的情况下只需一个运算放大器就实现了轨到轨的输出动态范围。为了测试电荷泵电路充放电电流的匹配精度，仿真利用直流扫描方法，使电荷泵输入端电压Vctrl从0～1.8V进行扫描，获得电路充放电电流的匹配性能，如图4所示，在保证电荷泵电流匹配精度<1％的前提下拓宽了电荷泵的输出动态范围，接近轨到轨电压。

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 (4)

1.一种具有宽动态范围低失配特性的电荷泵电路，其特征是，由偏置电路、电流镜电路、充放电电路、轨对轨运算放大器和开关控制反馈电路组成；

所述偏置电路采用与电源电压无关的带隙基准结构，用于产生偏置电流来供给电流镜电路；

所述电流镜电路由偏置电路提供偏置，产生偏置电压提供给开关控制反馈电路，同时镜像产生充放电电流提供给充放电电路；

所述轨对轨运算放大器OP在控制信号Vctrl的控制下，实现开关控制反馈电路的开断；

所述开关控制反馈电路采用源极负反馈的方式，保证了在固定脉冲的条件下，充放电电路的充电支路与放电支路的电流完全相同；所述的开关控制反馈电路包括施密特触发器SCH、反相器INV、传输门TG1～TG4和电容C1～C2；传输门TG1的一端形成开关控制反馈电路的一输入端，并与电流镜电路的一输出端连接；传输门TG3的一端形成开关控制反馈电路的另一输入端，并与电流镜电路的另一输出端连接；施密特触发器SCH的输入端，形成开关控制反馈电路的又一输入端，并与电流镜电路的又一输出端和轨对轨运算放大器0P的同相输入端；轨对轨运算放大器0P的反相输入端接控制信号Vctrl；施密特触发器SCH的输出端连接反相器INV的输入端、传输门TG2的控制端和传输门TG3的控制端，反相器INV的输出端连接传输门TG1的控制端和传输门TG4的控制端；传输门TG2的一端与传输门TG4的一端相连，并连接轨对轨运算放大器0P的输出端；传输门TG1的另一端、传输门TG2的另一端和电容C1的一端相连后，形成开关控制反馈电路的充电控制端，并与充放电电路的充电反馈端连接；电容C1的另一端连接电源VDD；传输门TG3的另一端、传输门TG4的另一端和电容C2的一端相连后，形成开关控制反馈电路的放电控制端，并与充放电电路的放电反馈端连接；电容C2的另一端连接地端GND；

所述充放电电路采用共源共栅结构，以提供充放电电流的匹配精度，并反馈至电流镜。

2.根据权利要求1所述的一种具有宽动态范围低失配特性的电荷泵电路，其特征是，所述偏置电路包括MOS管M1～M6和电阻R1；

MOS管M1的源极和MOS管M2的源极均与电源VDD连接；MOS管M1的栅极、MOS管M2的栅极、MOS管M1的漏极和MOS管M3的漏极相连后，形成偏置电路的输出端，并与电流镜电路的输入端连接；MOS管M2的漏极、MOS管M4的漏极、MOS管M3的栅极和MOS管M4的栅极相连；MOS管M3的源极与MOS管M5的漏极连接；MOS管M4的源极、MOS管M6的漏极、MOS管M5的栅极和MOS管M6的栅极相连；MOS管M6的源极连接地端GND；MOS管M5的源极经电阻R1与地端GND连接。

3.根据权利要求1所述的一种具有宽动态范围低失配特性的电荷泵电路，其特征是，所述电流镜电路包括M7～M20；

MOS管M7的源极、MOS管M8的源极、MOS管M11的源极、MOS管M12的源极、MOS管M16的源极、MOS管M17的源极、MOS管M10的栅极和MOS管M20的栅极均与电源VDD连接；MOS管M7的栅极、MOS管M8的栅极、MOS管M11的栅极、MOS管M12的栅极、MOS管M15的栅极、MOS管M7的漏极和MOS管M15的栅极相连后，形成电流镜电路的一输出端，并与偏置电路的输出端和开关控制反馈电路的一输入端连接；MOS管M8的漏极、MOS管M9的漏极和MOS管M9的栅极相连后，形成电流镜电路的另一输出端，并与开关控制反馈电路的另一输入端连接；MOS管M9的源极与MOS管M10的漏极相连；MOS管M13与M14栅极互连之后与其漏极相连，MOS管M12的漏极、MOS管M13和漏极、MOS管M13的栅极和MOS管M14的栅极相连；MOS管M15的源极与M16的漏极连接；MOS管M14的漏极和MOS管M15的漏极连接；MOS管M17的漏极和MOS管M18的源极连接；MOS管M20的漏极和MOS管M19的源极连接；MOS管M10的源极、MOS管M13的源极、MOS管M14的源极、MOS管M20的源极、MOS管M16的栅极和MOS管M17的栅极均与地端GND连接；MOS管M18的漏极和MOS管M19的漏极相连后，形成电流镜电路的又一输出端，并与开关控制反馈电路的又一入端连接；MOS管M18的栅极形成电流镜电路的充电反馈端，并与充充电电路的充电反馈端连接；MOS管M19的栅极形成电流镜电路的放电反馈端，并与充放电电路的充电反馈端连接。

4.根据权利要求1所述的一种具有宽动态范围低失配特性的电荷泵电路，其特征是，所述充放电电路包括MOS管M21～M24；

MOS管M21的栅极接充电信号UPB，MOS管M21的源极与电源VDD连接，MOS管M21的漏极与MOS管M22的源极相连；MOS管M22管的漏极和MOS管M23的漏极接控制信号Vctrl；MOS管M24的栅极连接放电信号DN，MOS管M24的源极接与地端GND连接，MOS管M24的漏极与MOS管M23的源极相连；MOS管M22的栅极形成充放电电路的充电反馈端，并与电流镜电路的充电反馈端和开关控制反馈电路的充电控制端连接；MOS管M23的栅极形成充放电电路的放电反馈端，并与电流镜电路的放电反馈端和开关控制反馈电路的放电控制端连接。