CN110968146A - 一种用于锁相回路的电荷帮浦电路 - Google Patents

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吴俊宽
戴宏彦
周和陞
陈昱谕
林君豫
徐锦花
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    • G05F3/02—Regulating voltage or current
    • G05F3/08—Regulating voltage or current wherein the variable is dc
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Abstract

本发明涉及锁相回路技术领域，尤其涉及一种用于锁相回路的电荷帮浦电路，该电荷帮浦电路在原有上电流源、下电流源、上开关和下开关的基础上还设置匹配上开关、匹配下开关和运算放大器，所述运算放大器的同相输入端连接于上开关和下开关之间，运算放大器的反向输入端与其输出端短接，此时运算放大器构成运放电压追随电路，使得运算放大器的同向输入端电压与输出端电压一样，使得上开关在导通和不导通之间切换时上电流的值不变，不产生额外瞬时电荷；或者使得下开关在导通和不导通之间切换时下电流的值不变，不产生额外瞬时电荷，从而提升电荷帮浦的质量和稳定性。

Description

一种用于锁相回路的电荷帮浦电路
技术领域
本发明属于锁相回路技术领域，尤其涉及一种用于锁相回路的电荷帮浦电路。
背景技术
锁相回路就是锁定相位的环路，一种典型的反馈控制电路，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。一般的锁相回路如说明书附图1所示，其中包含相位频率侦测器 (Phase andFrequency Detector,PFD)、电荷帮浦(Charge Pump,CP)、回路滤波器(Loop Pass Filter,LPF)、电压控制震荡器(Voltage Controlled Oscillator,VCO)及除频器 (FrequencyDivider)。操作上除频器会将电压控制震荡器的输出降频后产生讯号 FFB，相位频率侦测器会针对参考频率FREF及反馈频率FFB产生领先讯号(UP) 及落后讯号(DN)，电荷帮浦再将此讯号转成电荷注入回路滤波器后控制震荡器。最后锁相回路将操作于一稳定状态，输出频率为除频器倍率乘上输入频率。
在高质量频率应用中，电荷帮浦的质量与稳定性显着特别重要。任何电荷帮浦造成的误差都会透过电压控制震荡器影响输出频率的相噪。说明书附图2为传统电荷帮浦设计，由一电流源(IREF)镜像至上电流(IUP)下电流(IDN)两组输出电流源，并以上开关(SWUP)以及下开关(SWDN)控制。其中上开关以及下开关之控制讯号直接由前一级的相位频率侦测器提供。此设计的缺点为在上开关以及下开关导通瞬间，上电流以及下电流必须由完全关闭状态启动至开启状态，无法瞬间提供稳定的镜像电流，造成输出电荷的误差，产生输出频率的相噪。
而在US10199933B2的专利中，如说明书附图3所示，利用一额外开关组(618， 639)让上电流(128)以及下电流(132)在上开关(112)以及下开关(116)没有导通的时候可以持续启动，并将电流流至额外的路径(614,626)。此设计的问题主要是在上开关(112)以及下开关(116)导通以及没有导通时的两条路径没有匹配，以至于在上开关(112)以及下开关(116)导通以及没有导通两情况下的配置不一致，造成切换电流路径时仍会有额外的扰动电流注入至输出。
发明内容
本发明的目的在于提供一种用于锁相回路的电荷帮浦电路，以解决上述背景技术中提成的问题。
为了实现上述目的，该发明提供一种用于锁相回路的电荷帮浦电路，包括上电流源、下电流源、上开关和下开关，所述上电流源一端连接电压，另一端连接上开关，所述下电流源一端接地，另一端连接下开关，其中上开关和下开关连接在一起，并且从上开关和下开关之间引出传向电荷帮浦后一级回路滤波器的输出电流，其中上开关和下开关由电荷帮浦前一级的相位频率侦测器控制，所述电荷帮浦电路还包括锁定辅助电路，用以上开关在导通和不导通之间切换时上电流的值不变，不产生额外瞬时电荷；或者用以下开关在导通和不导通之间切换时下电流的值不变，不产生额外瞬时电荷。
作为本发明一种用于锁相回路的电荷帮浦电路的进一步改进，所述锁定辅助电路包括匹配上开关、匹配下开关和运算放大器，所述匹配上开关一端与上电流源连接，另一端与运算放大器的输出端连接，所述匹配下开关一端与下电流源连接，另一端与运算放大器的输出端连接，所述运算放大器的同相输入端连接于上开关和下开关之间，运算放大器的反向输入端与其输出端短接，此时运算放大器构成运放电压追随电路，使得运算放大器的同向输入端电压与输出端电压一样。
作为本发明一种用于锁相回路的电荷帮浦电路的进一步改进，所述匹配上开关和匹配下开关由电荷帮浦前一级的相位频率侦测器控制，并且控制匹配上开关和匹配下开关的讯号分别为控制上开关和下开关的反向讯号，上开关关闭时，匹配上开关闭合，上开关闭合时，匹配上开关关闭；下开关关闭时，匹配下开关闭合，下开关闭合时，匹配下开关关闭
作为本发明一种用于锁相回路的电荷帮浦电路的进一步改进，所述上电流源和下电流源由参考电流源镜像得到。
作为本发明一种用于锁相回路的电荷帮浦电路的进一步改进，所述上开关、下开关、匹配上开关、匹配下开关均为晶体管。
该发明一种用于锁相回路的电荷帮浦电路的有益效果，在上开关或下开关在断开时，将上电流或下电流维持在开启状态，从而可以避免在上开关或下开关在闭合的瞬间造成的输出电荷误差，从而提升电荷帮浦的质量和稳定性。
附图说明
图1为本发明背景技术中锁相回路的结构示意图；
图2为本发明背景技术中传统电荷帮浦的电路图；
图3为本发明背景技术中所引用专利中的电荷帮浦的电路图；
图4为本发明的电荷帮浦的电路图；
图中：1、相位频率侦测器，2、电荷帮浦，3、回路滤波器，4、电压控制震荡器，401、切换频率电容，5、除频器，6、运算放大器。
具体实施方式
以下结合实施例和实验例对本发明作进一步的阐述，所述的实施例和实验例仅为本发明一部分的实施例和实验例，这些实施例和实验例仅用于解释本发明，对本发明的范围并不构成任何限制。
一种用于锁相回路的电荷帮浦电路，包括上电流源IUP、下电流源IDN、上开关SWUP、匹配上开关SWUPX、下开关SWDN、匹配下开关SWDNX和运算放大器6，所述上电流源IUP和下电流源IDN由参考电流源IREF镜像得到，其中上电流源IUP一端连接电压，另一端连接上开关SWUP，下电流源IDN一端接地，另一端连接下开关SWDN，匹配上开关SWUPX一端与上电流源IUP连接，另一端与运算放大器6的输出端连接，所述匹配下开关SWDNX一端与下电流源IDN连接，另一端与运算放大器6的输出端连接，所述运算放大器6的同相输入端连接于上开关SWUP和下开关SWDN之间，运算放大器6的反向输入端与其输出端短接。
所述上开关SWUP、下开关SWDN、匹配上开关SWUPC、匹配下开关SWDNX 由电荷帮浦2前一级的相位频率侦测器1控制，上开关SWUP、下开关SWDN由相位频率侦测器1发出的讯号直接控制，而匹配上开关SWUPX以及匹配下开关 SWDNX分别由相位频率侦测器1用以控制上开关SWUP以及下开关SWDN的反向讯号控制。对于上电流源IUP来说：当上开关SWUP关闭时，匹配上开关SWUPX 为开启状态，此时上电流源IUP经由匹配上开关SWUPX流出；当上开关SWUP 开启时，匹配上开关SWUPX为关闭状态，此时上电流源IUP经由上开关SWUP 流出至电荷帮浦2后一级的回路滤波器3。对于下电流源IDN来说：当下开关 SWDN关闭时，匹配下开关SWDNX为开启状态，此时电流经由匹配下开关 SWDNX流至下电流源IDN；当下开关SWDN开启时，匹配下开关SWDNX为关闭状态，此时电流经由回路滤波器4流回至下电流源IDN。如上述所说，在所有情况下上开关SWUP以及下开关SWDN均有电流路径，因此上开关SWUP以及下开关SWDN皆能维持在开启状态。
其中，电流的主路径由上开关SWUP和下开关SWDN组成，匹配上开关 SWUPX和匹配下开关SWDNX组成电流的匹配镜像路径，而主路径的中上开关 SWUP和下开关SWDN的交点，以及匹配镜像路径中匹配上开关SWUPX和匹配下开关SWDNX的交点称之为镜像点；由于运算放大器6的反向输入端与其输出端直接短接在一起，从而构成运放电压追随电路，使得运算放大器6的同向输入端电压与输出端电压一样，则匹配镜像路径和运放电压追随电路共同构成电流的锁定辅助电路。具体的，由于主路径以及镜像路径的匹配架构，加上由运算放大器6锁定的镜像点电压一致，因此在电流由上电流源IUP切换流至主路径以及匹配镜像路径时操作点不改变，切换过程中不产生额外瞬时电荷。电流经由下电流源IDN切换流至主路径以及匹配镜像路径时操作点不改变，切换过程中不产生额外瞬时电荷。上述的操作点所指为上电流源IUP以及下电流源IDND晶体管的各项直流操作参数，流操作参数包含其闸级电压、源级电压、汲级电压。
所以相比传统的由上电流源IUP、下电流源IDN、上开关SWUP和下开关 SWDN组成的电荷帮浦电路，仅仅有电流通过的由上开关SWUP和下开关组成的主路径，不能在上开关SWUP以及下开关SWDN导通的瞬间，让上电流以及下电流必须由完全关闭状态启动至开启状态，无法瞬间提供稳定的镜像电流，而本回路在此基础上增加了由匹配上开关SWUPX和匹配下开关SWDNX组成的匹配镜像路径，以及运放电压追随电路，可以让上开关SWUP以及下开关SWDN皆维持在开启状态，从而避免在上开关SWUP以及下开关SWDN在闭合的瞬间造成的输出电荷误差，提升电荷帮浦1的质量和稳定性。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围内，当可利用上述揭示的技术内容作出些许更动或修饰为等同变化的等效实施例，但凡是未脱离本发明技术方案内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。

Claims (5)

1.一种用于锁相回路的电荷帮浦电路，包括上电流源、下电流源、上开关和下开关，所述上电流源一端连接电压，另一端连接上开关，所述下电流源一端接地，另一端连接下开关，其中上开关和下开关连接在一起，并且从上开关和下开关之间引出传向电荷帮浦后一级回路滤波器的输出电流，其中上开关和下开关由电荷帮浦前一级的相位频率侦测器控制，其特征在于：所述电荷帮浦电路还包括锁定辅助电路，用以上开关在导通和不导通之间切换时上电流的值不变，不产生额外瞬时电荷；或者用以下开关在导通和不导通之间切换时下电流的值不变，不产生额外瞬时电荷。
2.根据权利要求1所述一种用于锁相回路的电荷帮浦电路，其特征在于：所述锁定辅助电路包括匹配上开关、匹配下开关和运算放大器，所述匹配上开关一端与上电流源连接，另一端与运算放大器的输出端连接，所述匹配下开关一端与下电流源连接，另一端与运算放大器的输出端连接，所述运算放大器的同相输入端连接于上开关和下开关之间，运算放大器的反向输入端与其输出端短接，此时运算放大器构成运放电压追随电路，使得运算放大器的同向输入端电压与输出端电压一样。
3.根据权利要求2所述一种用于锁相回路的电荷帮浦电路，其特征在于：所述匹配上开关和匹配下开关由电荷帮浦前一级的相位频率侦测器控制，并且控制匹配上开关和匹配下开关的讯号分别为控制上开关和下开关的反向讯号，上开关关闭时，匹配上开关闭合，上开关闭合时，匹配上开关关闭；下开关关闭时，匹配下开关闭合，下开关闭合时，匹配下开关关闭。
4.根据权利要求3所述一种用于锁相回路的电荷帮浦电路，其特征在于：所述上电流源和下电流源由参考电流源镜像得到。
5.根据权利要求4所述一种用于锁相回路的电荷帮浦电路，其特征在于：所述上开关、下开关、匹配上开关、匹配下开关均为晶体管。
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