CN112165249B - 宽输出电压范围低电流失配的电荷泵电路设计方法及应用 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了宽输出电压范围低电流失配的电荷泵电路设计方法及应用。由MOS电流镜子电路和NMOS电流镜子电路组成的电流镜电路，通过镜像偏置电流源和电流槽的电流，为电荷泵输出端提供充放电电流；MOS控制开关用于控制充放电支路的导通断开；由电压缓冲器和反馈管组成的低电平输出范围的电流补偿模块，通过检测电流镜NMOS管的栅端和漏端，获取电流镜NMOS管的电流信息，并以电流的形式补偿到电流镜PMOS管，实现低电平输出范围时的PMOS管和NMOS管的电流匹配；由电压缓冲器和反馈管组成的高电平输出范围的电流补偿模块，通过检测电流镜PMOS管的栅端和漏端，获取电流镜PMOS管的电流信息，并以电流的形式补偿到电流镜NMOS管，实现低电平输出范围时的NMOS管和PMOS管的电流匹配。

Description

宽输出电压范围低电流失配的电荷泵电路设计方法及应用
技术领域
本发明属于集成电路设计领域，具体涉及一种宽输出电压范围低电流失配的电荷泵电路设计方法及应用。
背景技术
锁相环非常广泛地应用在时钟生成电路中，无论是数字电路的信息处理还是无线射频通信的信号传输，都需要一个稳定的时钟来保证，因此低抖动低杂散的高性能锁相环电路是一直以来的研究热点。锁相环电路通常包括鉴相器、电荷泵、环路滤波器、压控振荡器和分频器。电荷泵的主要功能是将鉴相器输出的相位差值信号转换成电流，再通过环路滤波器转换成控制电压，从而控制压控振荡器的输出频率。电荷泵的电流失配会增加压控振荡器的电压波动，增大锁相环的输出抖动和参考杂散，因此设计出低电流失配的电荷泵对锁相环电路的性能有重要意义。
常见电荷泵的电路实现方式按照开关所处的位置，可分为开关位于源极、漏极和栅极三种。以上电荷泵的都有NMOS和PMOS电流源失配的问题，尤其是当电荷泵的输出电压偏离中心点时，失配将变得更大，比如当输出电压逐渐接近电源电压时，由于PMOS管有限的漏源电阻，PMOS的电流将逐渐减小，而NMOS管的电流逐渐增大，造成充放电电流的失配也逐渐增大。
为了减小电流失配问题，常用的解决方法有①采用共源共栅的结构增加输出电阻，改善电流失配问题，但由于共源共栅管需要较高的电压，造成了输出电压范围的减小；②更好的方法是用运算放大器引入负反馈，实现充放电电流的相互跟踪，极大的改善电流失配误差，但同时这种方法在电路中也引入了正反馈环路，需额外注意电路的稳定性问题，电路设计复杂度高。上述现有技术在输出电压靠近电源和地时，都仍然存在较大的电流失配，即无法实现宽输出电压范围内电荷泵的电流匹配。
发明内容
为了克服现有技术的不足，本发明提供了宽输出电压范围低电流失配的电荷泵电路设计方法及应用。
一种宽输出电压范围低电流失配的电荷泵电路设计方法，由MOS电流镜子电路和NMOS电流镜子电路组成的电流镜电路，通过镜像偏置电流源和电流槽的电流，为电荷泵输出端提供充电电流和放电电流；由单个MOS或互补开关组成MOS控制开关，放置在电荷泵的不同位置，用于控制充放电支路的导通或者断开；由电压缓冲器和反馈管组成的低电平输出范围的电流补偿模块，工作在低的输出电压范围，通过检测电流镜NMOS管的栅端和漏端，获取电流镜NMOS管的电流信息，并以电流的形式补偿到电流镜PMOS管，实现低电平输出范围时的PMOS管和NMOS管的电流匹配；由电压缓冲器和反馈管组成的高电平输出范围的电流补偿模块，工作在低的输出电压范围，通过检测电流镜PMOS管的栅端和漏端，获取电流镜PMOS管的电流信息，并以电流的形式补偿到电流镜NMOS管，实现低电平输出范围时的NMOS管和PMOS管的电流匹配。
一种采用所述的设计方法的宽输出电压范围低电流失配的电荷泵电路，包括电流镜电路、MOS控制开关、低电平输出范围的电流补偿模块、高电平输出范围的电流补偿模块；
所述的电流镜电路，包括PMOS电流镜子电路和NMOS电流镜子电路；其中PMOS电流镜子电路通过镜像偏置电流槽的电流，为电荷泵输出端提供充电电流；NMOS电流镜子电路通过镜像偏置电流源的电流，为电荷泵输出端提供放电电流；
所述的MOS控制开关，用于控制电荷泵充放电的导通或者断开；
所述的低电平输出范围的电流补偿模块，通过检测电流镜NMOS管的栅端和漏端，获取电流镜NMOS管的电流信息，并以电流的形式补偿到电流镜PMOS管，实现低电平输出范围时的PMOS管和NMOS管的电流匹配；
所述的高电平输出范围的电流补偿模块，通过检测电流镜PMOS管的栅端和漏端，获取电流镜PMOS管的电流信息，并以电流的形式补偿到电流镜NMOS管，实现低电平输出范围时的NMOS管和PMOS管的电流匹配。
所述的MOS控制开关, 按照开关所处的位置，包括开关位于源极、漏极和栅极三种。
所述的包含PMOS器件和NMOS器件均为具有源极、漏极、栅极以及体端的四端口结构。
所述的PMOS器件和NMOS器件均为金属氧化物半导体MOS晶体管。
一种电荷泵型锁相环电路 ，采用了所述的电荷泵电路。
与现有技术相比，本发明具有如下有益的技术效果：
采用了两个电流补偿电路，分别检测电流镜的NMOS管和PMOS的电流大小，并快速反馈到电流镜调节NMOS管和PMOS的电流，保证两者电流的很高的匹配精度；由于采用了上述电流补偿电路，在低电平输出电压和高电平输出电压范围内，均能保证电荷泵的充放电电流的匹配误差极小；采用了本发明的电流补偿电路后，能够提供宽的输出电压范围内极小偏差的充放电电流；采用本发明的电流补偿电路后，极大地扩展了电荷泵的输出电压工作范围，增大了锁相环等应用的应用范围和可靠性。
本发明的宽输出电压范围的低电流失配的电荷泵电路，能够在1.1V低工作电压和10mV~1.09V输出电压范围下，实现NMOS管和PMOS管的小于1%的电流匹配精度。
附图说明
图1a是原有的电荷泵电路结构示意图。
图1b根据本发明第一实施例的宽输出电压范围的低电流失配的电荷泵电路结构示意图。
图2是电荷泵的输出I-V特性曲线比较示意图；(a)原有的电荷泵电路结构；(b)本发明的宽输出电压范围的低电流失配的电荷泵电路结构；其中I1是M1的漏电流，I2是M2的漏电流。
图3是图1b中的低电平输出范围的电流补偿模块的电路104。
图4是图1b中的高电平输出范围的电流补偿模块的电路105。
图5是根据本发明第一实施例的电荷泵电路的晶体管级电路示意图。
图6是根据本发明第一实施例的电荷泵电路的晶体管级电路仿真得到的输出I-V特性曲线图。
图7是根据本发明第二实施例的宽输出电压范围的低电流失配的电荷泵电路结构，带漏端互补MOS开关的形式。
图8是根据本发明第三实施例的宽输出电压范围的低电流失配的电荷泵电路结构，带栅端MOS开关的形式。
图9是根据本发明第四实施例的宽输出电压范围的低电流失配的电荷泵电路结构，带源端MOS开关的形式。
具体实施方式
以下结合附图和实施例对本发明做进一步的说明，但是所做示例不作为对本发明的限制。
图1a是原有的电荷泵电路结构；图1b示出根据本发明第一实施例的宽输出电压范围的低电流失配的电荷泵电路结构。如图1b所示，电荷泵电路10包括电流镜子电路101和102、MOS控制开关103、低电平输出范围的电流补偿模块104、高电平输出范围的电流补偿模块105。
PMOS电流镜子电路101通过镜像电流槽Iup的电流，为电荷泵输出端提供充电电流；NMOS电流镜子电路通过镜像偏置电流源Idn的电流，为电荷泵输出端提供放电电流；MOS控制开关103，用于控制充放电支路的导通或者断开；低电平输出范围的电流补偿模块104工作在输出电压较低的范围，通过检测电流镜NMOS管的栅端vgn和漏端vdn，获取电流镜NMOS管的电流信息，并以电流的形式补偿到电流镜PMOS管，实现低电平输出范围时的PMOS管对NMOS管的电流匹配；高电平输出范围的电流补偿模块105工作在输出电压较高的范围，通过检测电流镜PMOS管的栅端vgp和漏端vdp，获取电流镜PMOS管的电流信息，并以电流的形式补偿到电流镜NMOS管，实现低电平输出范围时的NMOS管对PMOS管的电流匹配。
所述的电流镜电路101和102，包括由M1和M3组成的PMOS电流镜101、由M2和M4组成的NMOS电流镜102；其中M3的源端连接到电源；其中M3的漏端作为电流输入端与偏置电流槽IUP相连，并连接到M3的栅极、M1的栅极，和低电压输出范围的电流补偿模块；其中M1的源端连接到电源；其中M1的漏端连接到MOS控制开关；其中M4的源端连接到地；其中M4的漏端作为电流输入端与偏置电流源IDN相连，并连接到M4的栅极、M2的栅极，和高电压输出范围的电流补偿模块；其中M2的源端连接到地；其中M2的漏端连接到MOS控制开关。
所述的MOS控制开关电路103，包括PMOS管M5和NMOS管M6；其中M5的源端连接到PMOS电流镜101的M1的漏端；其中M5的漏端连接到电流输出端；其中M5的栅端连接到开关控制端UP，由控制信号UP控制M5 MOS开关的闭合和断开；其中M6的源端连接到NMOS电流镜102的M2的漏端；其中M6的漏端连接到电流输出端；其中M6的栅端连接到开关控制端DN，由控制信号DN控制M6 MOS开关的闭合和断开。
所述的低电平输出范围的电流补偿模块104，如图3所示，包括一个电压缓冲器和MOS管M7、M8和M9，用于检测电流镜102的NMOS管M2的栅端电压信号vgn和漏端电压信号vdn，并提供一个补偿电流Icomp2；栅端电压信号Vgn连接到M7的栅端；漏端电压信号vdn连接到电压缓冲器的输入端；电压缓冲器的输出端连接到M7的源端；M7的漏端连接到M8的漏端，并连接到M8和M9的栅端；M8和M9的源端都连接到电源；M9的漏端连接到输出端Icomp2。
其中低电平输出范围的电流补偿模块104在非低电平输出范围时，电流镜102的NMOS管M2处于饱和区，其栅端电压信号vgn和漏端电压信号vdn满足：vgn-vtn <vdn，vtn是NMOS管的阈值电压；则图3中的M7管处于截止区，补偿电流Icomp2=0，则低电平输出范围的电流补偿电路104停止工作。
其中低电平输出范围的电流补偿模块104在低电平输出范围时，电流镜102的NMOS管M2处于线性区，栅端电压信号vgn和漏端电压信号vdn满足：vgn-vtn > vdn，所以图3中的M7管处在饱和区工作，所以补偿电流大小为：
Figure 31234DEST_PATH_IMAGE002
；其中为了反馈电流镜102的NMOS管M2的电流，使得M7的宽长比与M2保持一致则：
Figure 246184DEST_PATH_IMAGE004
。
所述的高电平输出范围的电流补偿模块105，如图4所示，包括一个电压缓冲器和MOS管M10、M11和M12，用于检测电流镜101的PMOS管M1的栅端电压信号vgp和漏端电压信号vdp，并提供一个补偿电流Icomp1；栅端电压信号Vgp连接到M10的栅端；漏端电压信号vdp连接到电压缓冲器的输入端；电压缓冲器的输出端连接到M10的源端；M10的漏端连接到M11的漏端，并连接到M11和M12的栅端；M11和M12的源端都连接到地；M12的漏端连接到输出端Icomp1。
其中高电平输出范围的电流补偿模块105工作在非高电平输出范围时，电流镜101的PMOS管M1处于饱和区，其栅端电压信号vgp和漏端电压信号vdp满足：vdd-vgp-|vtp| <vdd-vdp，其中vdd是电源电压，vtp是PMOS管的阈值电压；所以图4中的M10管处在截止区，所以补偿电流Icomp1=0，则高电平输出范围的电流补偿电路105停止工作。
其中高电平输出范围的电流补偿模块105在高电平输出范围，电流镜101的PMOS管M1处于线性区，其栅端电压信号vgp和漏端电压信号vdp满足： vdd-vgp-|vtp| > vdd-vdp，所以图4中的M10管处在饱和区工作，所以补偿电流大小为：
Figure 631029DEST_PATH_IMAGE006
；
其中为了反馈电流镜101的PMOS管M1的电流，使得M10的宽长比与M1保持一致则：
Figure 927360DEST_PATH_IMAGE008
。
如图1b所示本发明的第一实施例所示，本发明的电荷泵工作在低输出电压范围时，高电压输出范围的电流补偿模块105停止工作，ICOMP1=0；低电压输出范围的电流补偿模块104开始工作，
Figure 14134DEST_PATH_IMAGE009
，补偿电流ICOMP2反馈到电流镜子电路101；电流镜子电路101的M3和M1的漏电流都减少为Iup-Icomp2，即M1的漏电流为：
Figure 111403DEST_PATH_IMAGE010
；
由于电荷泵处于低输出电压范围，电流镜102的M2处于线性区，漏电流为
Figure 819596DEST_PATH_IMAGE011
，也可以写成：
Figure 711329DEST_PATH_IMAGE012
；
其中电流镜102的M2和M4宽长比相等，所以
Figure 255705DEST_PATH_IMAGE013
，所以M2的漏电流为：
Figure 156665DEST_PATH_IMAGE014
。
其中电荷泵中有：
Figure 984943DEST_PATH_IMAGE015
；所以M1和M2的漏电流相等，即：
Figure 437790DEST_PATH_IMAGE017
；能够实现在低输出电压范围工作时的电流匹配。
如图1b所示本发明的第一实施例所示，本发明的电荷泵工作在高输出电压范围时，低电压输出范围的电流补偿模块104停止工作，Icomp2=0；低电压输出范围的电流补偿模块105开始工作，
Figure 984309DEST_PATH_IMAGE018
，补偿电流Icomp1反馈到电流镜子电路102；电流镜子电路102的M4和M2的漏电流都减少为Idn-Icomp1，即M2的漏电流为：
Figure 688960DEST_PATH_IMAGE019
。
由于处于低输出电压范围，电流镜101的M1处于线性区，漏电流为：
Figure 122478DEST_PATH_IMAGE020
，也可以写成：
Figure DEST_PATH_IMAGE021
。
其中电流镜101的M3和M1宽长比相等，所以：
Figure 28117DEST_PATH_IMAGE022
，所以M1的漏电流为：
Figure 780041DEST_PATH_IMAGE023
。
其中电荷泵有：
Figure 288383DEST_PATH_IMAGE024
；所以M1和M2的漏电流相等，即：
Figure 560095DEST_PATH_IMAGE026
；能够实现在高输出电压范围工作时的电流匹配。
作为对比，如图1a所示是原电荷泵的电路结构，其充放电电流分别为M1的漏电流I1、M2的漏电流I2；电流I1和I2随输出电压Vcp的的I-V曲线如图2(a)所示，可以看出电流I1和I2在低电压范围和高电压范围内的匹配很差；当采用本发明电荷泵的电流补偿电路后，如图1b所示，能够很好地解决上述问题；采用本发明后，电流I1和I2随输出电压Vcp的的I-V曲线如图2(b)所示，可以看出在低电压范围和高电压范围内都能够实现很好的电流匹配，匹配精度可以控制在1%以内。
图5示出根据本发明第一实施例的电荷泵电路的晶体管级电路示意图。其中M1、M3组成PMOS电流镜子电路；其中M2、M4组成NMOS电流镜子电路；其中M5、M6组成MOS控制开关；其中M7、M8、M9和电压缓冲器组成低输出电压范围的电流补偿电路；其中M10、M11、M12和电压缓冲器组成高低输出电压范围的电流补偿电路。
图6示出电荷泵的输出I-V特性曲线，是根据图5所示的本发明第一实施例的电荷泵电路的晶体管级电路在EDA工具Cadence的spectre仿真器下得到的电流I1和I2随输出电压Vcp的I-V曲线的仿真结果，该结果表明：在1.1V低电源电压和10mV~1.09V输出电压范围下， PMOS管M1的漏电流I1和NMOS管M2的漏电流I2能够实现小于1%的电流匹配精度。
图7示出根据本发明第二实施例的电荷泵电路的结构示意图。与第一实施例对比，其采用了电流镜漏端接法的互补MOS控制开关201；互补MOS控制开关201包含一个电压缓冲器、MOS管M13、M14、M15和M16；M13和M14的源端连接，并连接到电流镜的M1的漏端；M13的栅端连接到开关控制信号UPB；M14的栅端连接到开关控制信号UPA，其中UPA与UPB相位相反；M15和M15的源端连接，并连接到电流镜的M2的漏端；M15的栅端连接到开关控制信号DNB；M16的栅端连接到开关控制信号DNA，其中DNA与DNB相位相反；电压缓冲器的输入连接到输出端，并连接到M14和M16的漏端；电压缓冲器的输出连接到输出的镜像端，并连接到M13和M15的漏端。
互补MOS控制开关201能够保持输出的充放电电流的快速开关，提高电荷泵的高频工作性能；本发明第二实施例的电荷泵也能够在宽的输出电压范围里，实现很好的电流匹配，能够实现小于1%的电流失配。
图8示出根据本发明第三实施例的电荷泵电路的结构示意图。与第一实施例对比，其采用了电流镜栅端接法的MOS控制开关301和302；MOS控制开关301包含MOS管M17；M17的栅端与开关控制信号UP连接；M17的漏端与M1的栅端连接；M17的源端与电源连接；MOS控制开关302包含MOS管M18；M18的栅端与开关控制信号DN连接；M18的漏端与M2的栅端连接；M18的源端与地连接。
MOS控制开关301和302能够从源端实现充放电电流的开关控制；本发明第三实施例的电荷泵能够在宽的输出电压范围里，实现很好的电流匹配，能够实现小于1%的电流失配。
图9示出根据本发明第四实施例的电荷泵电路的结构示意图。与第一实施例对比，其采用了电流镜源端端接法的MOS控制开关401和402； MOS控制开关401包含MOS管M19和M20；M19的栅端与开关控制信号UP连接；M19的漏端与M1的源端连接；M19的源端与电源连接；M20的栅端与地连接；M20的漏端与M3的源端连接；M20的源端与电源连接。
MOS控制开关402包含MOS管M21和M22；M21的栅端与开关控制信号DN连接；M21的漏端与M2的源端连接；M21的源端与地连接；M22的栅端与电源连接；M22的漏端与M4的源端连接；M22的源端与地连接。
MOS控制开关401和402能够从源端实现充放电电流的开关控制；本发明第三实施例的电荷泵能够在宽的输出电压范围里，实现很好的电流匹配，能够实现小于1%的电流失配。

Claims (6)

1.一种宽输出电压范围低电流失配的电荷泵电路设计方法，其特征在于：由PMOS电流镜电路和NMOS电流镜电路组成的电流镜电路，通过镜像偏置电流源和电流槽的电流，为电荷泵输出端提供充电电流和放电电流；由单个MOS或互补开关组成MOS控制开关，放置在PMOS电流镜和NMOS电流镜电路中的PMOS管和NMOS管的源极、漏极或栅极，用于控制充放电支路的导通或者断开；由电压缓冲器和反馈管组成的低电平输出范围的电流补偿模块，工作在低的输出电压范围，通过检测电流镜NMOS管的栅端和漏端，获取电流镜NMOS管的电流信息，并以电流的形式补偿到电流镜PMOS管，实现低电平输出范围时的PMOS管和NMOS管的电流匹配；由电压缓冲器和反馈管组成的高电平输出范围的电流补偿模块，工作在高的输出电压范围，通过检测电流镜PMOS管的栅端和漏端，获取电流镜PMOS管的电流信息，并以电流的形式补偿到电流镜NMOS管，实现高电平输出范围时的NMOS管和PMOS管的电流匹配。
2.一种采用如权利要求1所述的设计方法的宽输出电压范围低电流失配的电荷泵电路，其特征在于：包括电流镜电路、MOS控制开关、低电平输出范围的电流补偿模块、高电平输出范围的电流补偿模块；
所述的电流镜电路，包括PMOS电流镜电路和NMOS电流镜电路；其中PMOS电流镜电路通过镜像偏置电流槽的电流，为电荷泵输出端提供充电电流；NMOS电流镜电路通过镜像偏置电流源的电流，为电荷泵输出端提供放电电流；
所述的MOS控制开关，用于控制电荷泵充放电的导通或者断开；
所述的低电平输出范围的电流补偿模块，通过检测电流镜NMOS管的栅端和漏端，获取电流镜NMOS管的电流信息，并以电流的形式补偿到电流镜PMOS管，实现高电平输出范围时的PMOS管和NMOS管的电流匹配；
所述的高电平输出范围的电流补偿模块，通过检测电流镜PMOS管的栅端和漏端，获取电流镜PMOS管的电流信息，并以电流的形式补偿到电流镜NMOS管，实现低电平输出范围时的NMOS管和PMOS管的电流匹配。
3.如权利要求2所述的电荷泵电路，其特征在于：所述的MOS控制开关, 按照开关所处的位置，包括开关位于源极、漏极和栅极三种。
4.如权利要求2所述的电荷泵电路，其特征在于：所述的包含PMOS器件和NMOS器件均为具有源极、漏极、栅极以及体端的四端口结构。
5.如权利要求2所述的电荷泵电路，其特征在于：所述的PMOS器件和NMOS器件均为金属氧化物半导体MOS晶体管。
6.一种电荷泵型锁相环电路，其特征在于：采用了如权利要求2-5任一项所述的电荷泵电路。
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