CN113534883B - 一种带电流源具有补偿功能的电荷泵电路 - Google Patents

一种带电流源具有补偿功能的电荷泵电路 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种带电流源具有补偿功能的电荷泵电路，包括PMOS管M1‑M6，NMOS管M7‑M16，电阻R1‑R13，三级管Q1，Q2，还包括EN端口，VDD端口，GND端口，Vcpout端口，EN是电荷泵电路工作使能端，VDD端口是电荷泵电源输入，GND端口是电荷泵电源地，Vcpout端口是电荷泵电路输出端口，电路主要分成五个模块，其中I1与I5相同，是电流基准模块，I2与I4电路相同，为电流补偿模块，I3为电流镜与充放电模块。本发明电路自身会产生一个随温度变化很小的基准电流，同时对因为沟道长度调制效应所产生的充放电电流失配的问题进行了补偿，经过补偿以后，最终得到的电荷泵充放电电流可以达到比较小的失配。

Description

一种带电流源具有补偿功能的电荷泵电路
技术领域
本发明涉及集成电路领域，尤其适用于二型锁相环电路。
技术背景
在过去几十年，计算机、通信、卫星导航、物联网等技术不断发展和涌现，对频率源的信号质量、功耗、速度等提出了更高的要求。锁相环(PLL)作为现代集成电路(IC) 中的关键模块，为芯片中的收发电路和模数转换器提供一个精准的本振和时钟信号，要保 证PLL输出时钟的精度，构成PLL的所有电路模块都需具有高精度的特点，其中PLL的锁 定精度与电荷泵的充放电电流匹配度息息相关，电荷泵充放电电流不匹配，会导致最终 PLL的输出时钟频率无法精确的锁定到期望的频率处。
但是现在使用的电荷泵电路未能考虑到此方面，没有采取相应的措施来降低它的失配 与噪声，但是随着集成电路的发展，对时钟芯片的速度与精度都提出了新的要求，在现在 的背景下，如果还不考虑到失配对芯片时钟输出造成的影响，那么得到的时钟信号质量不 足以满足其他系统的要求，所以本次发明主要是针对由于沟道长度调制效应对充放电电流 失配方面的影响，同时还设计了一个简单的电流源来为电荷泵提供偏置电流。
发明内容
为了克服现在电路设计的不足，本发明设计了一种具有补偿沟道长度调制效应功能的 电荷泵电路。
具有补偿作用的电荷泵电路，包括PMOS管M1-M6，NMOS管M7-M16，电阻R1-R13，三级管Q1，Q2，还包括EN端口，VDD端口，GND端口，Vcpout端口，其中EN是电荷泵电路 工作使能端，VDD端口是电荷泵电源输入，GND端口是电荷泵电源地，Vcpout端口是电荷 泵电路输出端口。
电路主要分成五个模块，其中I1与I5相同，都是电流基准模块，I2与I4电路相同，都为电流补偿模块，I3为电流镜与充放电模块。
I1为电流基准模块，所述PMOS管M1源极接电源VDD端，PMOS管M1栅极接EN端， PMOS管M1漏极接电阻R1正端。
所述电阻R1正端接PMOS管漏极，电阻R1负端接三级管Q1集电极以及NMOS管M7 栅极与NMOS管M14漏极。
所述三级管Q1基极接NMOS管M13漏端以及电阻R3正端与NMOS管M7源极，三级管 Q1发射极接电阻R2正端，三级管Q1集电极接电阻R1负端以及NMOS管M7栅极与MOS管M14漏极。
所述电阻R2正端接三级管Q1发射极，R2负端接GND端。
所述NMOS管M13源极接GND端，NMOS管M13栅极接EN端，NMOS管M13漏极接三级 管Q1基极以及电阻R3正端与NMOS管M7源极。
所述NMOS管M14源极接GND端，NMOS管M14栅极接EN端，NMOS管M14漏极接三级 管Q1集电极以及电阻R1负端与NMOS管M7栅极。
所述NMOS管M7源极接电阻R3正端以及三级管Q1基极与NMOS管M13漏极，NMOS管 M7栅极接NMOS管M14漏极以及电阻R1负端与三级管Q1集电极，NMOS管M7漏极接PMOS 管M2栅极以及PMOS管M2漏极与PMOS管M3栅极与NMOS管M8漏极。
所述电阻R3正端接三级管Q1基极以及NMOS管M7源极与NMOS管M13漏极，电阻R3 负端接GND端。
所述电阻R10正端接电源VDD端，电阻R10负端接NMOS管M2源极。
所述PMOS管M2源极接电阻R10负端，PMOS管M2栅极接PMOS管M2漏极以及PMOS 管M3栅极与NMOS管M7漏极与NMOS管M8漏极。
I2为补偿模块，所述NMOS管M8源极接电阻R4正端，NMOS管M8栅极接NMOS管M9 漏极以及Vcpout端口与PMOS管M3漏极，NMOS管M8漏极接PMOS管M2栅极以及PMOS管 M2漏极与PMOS管M3栅极与NMOS管M7漏极。
所述电阻R4正端接NMOS管M8源极，电阻R4负端接GND端。
I3为电流镜模块，电阻R11正端接电源VDD端，电阻R11负端接PMOS管M3源极。
PMOS管M3源极接电阻R11负端，PMOS管M3栅极接PMOS管M2漏极以及PMOS管M2 栅极与NMOS管M7漏极与NMOS管M8漏极，PMOS管M3漏极接NMOS管M9漏极以及Vcpout 端口与NMOS管M8栅极。
NMOS管M9源极接电阻R5正端，NMOS管M9栅极接NMOS管M10栅极以及NMOS管M10 漏极，NMOS管M9漏极接PMOS管M3漏极以及Vcpout端口与NMOS管M8栅极。
电阻R5正端接NMOS管M9源极，电阻R5负端接GND端。
电阻R12正端接电源VDD端，电阻R12负端接PMOS管M4源极。
PMOS管M4源极接电阻R12负端，PMOS管M4栅极接PMOS管M5漏极以及PMOS管M5 栅极与NMOS管M11漏极与NMOS管M12漏极，PMOS管M4漏极接NMOS管M10漏极以及NMOS 管M10栅极与NMOS管M9栅极。
NMOS管M10源极接电阻R6正端，NMOS管M10栅极接NMOS管M10漏极以及NMOS管 M9栅极与PMOS管M4漏极。
电阻R6正端接NMOS管M10源极，电阻R6负端接GND端。
I4同样为电流补偿模块，NMOS管M11源极接电阻R7正端，NMOS管M11栅极接GND 端，NMOS管M11漏极接PMOS管M5栅极以及PMOS管M5漏极与PMOS管M4栅极与NMOS管 M12漏极。
电阻R7正端接NMOS管M11源极，电阻R7负端接GND端。
I5为电流源模块，电阻R13正端接电源VDD端，电阻R13负端接PMOS管M5源极。
PMOS管M5源极接电阻R13负端，PMOS管M5栅极接PMOS管M5漏极以及PMOS管M4 栅极与NMOS管M11漏极与NMOS管M12漏极。
NMOS管M12源极接电阻R8正端以及三级管Q2基极与NMOS管M16漏极，NMOS管M12 栅极接NMOS管M15漏极以及电阻R14负端与三级管Q2集电极，NMOS管M12漏极接PMOS 管M5栅极以及PMOS管M5漏极与PMOS管M4栅极与NMOS管M11漏极。
电阻R8正端接三级管Q2基极以及NMOS管M12源极与NMOS管M16漏极，电阻R8负 端接GND端。
NMOS管M15源极接GND端，NMOS管M15栅极接EN端，NMOS管M15漏极接三级管Q2 集电极以及电阻R14负端与NMOS管M12栅极。
NMOS管M16源极接GND端，NMOS管M16栅极接EN端，NMOS管M16漏极接三级管Q2 基极以及电阻R8正端与NMOS管M12源极。
PMOS管M6源极接电源VDD端，PMOS管M6栅极接EN端，PMOS管M6漏极接电阻R14 正端。
电阻R14正端接PMOS管漏极，电阻R14负端接三级管Q2集电极以及NMOS管M12栅 极与NMOS管M15漏极。
三级管Q2基极接NMOS管M16漏端以及电阻R8正端与NMOS管M12源极，三级管Q2 发射极接电阻R9正端，三级管Q1集电极接电阻R14负端以及NMOS管M12栅极与MOS管 M15漏极。
电阻R9正端接三级管Q2发射极，R9负端接GND端。
本发明电荷泵结构，不需要外部额外的电流偏置，电路自身会产生一个随温度变化很 小的基准电流，同时对因为沟道长度调制效应所产生的充放电电流失配的问题进行了补 偿，经过补偿以后，最终得到的电荷泵充放电电流可以达到比较小的失配。
附图说明
图1为带补偿的电荷泵电路。
图2为补偿后的充放电电流。
图3为补偿前的充放电电流。
具体实施方式
如图1所示，第一部分基准电流模块I1，主要由PMOS管M1，M2与NMOS管M7，M13，M14，以及电阻R1，R2，R3组成，其中M1，M2，M13，M14起到的作用使能作用，当端口EN 信号为低电平时，电路使能，开始进行工作，当使能信号为高电平，电路关断，并进行工 作。
该电流基准工作的原理是：假设流过R1电阻的电流为I1，流过R3的电流为I3，那么有：
Figure BDA0003040564960000041
Figure BDA0003040564960000042
将两式联立起来可得，
Figure BDA0003040564960000043
电源电压不随温度变化， 在确定的晶体管以及源漏电流下，过驱动电压VOD为常数，那么可以得到
Figure BDA0003040564960000044
同时由于VBE与VTH都与温度成负相关，那么可以 通过选取合适的比例，然后通过仿真验证可以得到一条很好的基本不随温度变化的电流曲线，电流的绝对值大小可以通过等比例调整R1与R2的值，或者改变R3的阻值来得到设计 中需要的电流大小，通过简单的这几个管子便得到了与温度无关的电流，同时基准电流电 路采用负反馈的形式，实现了M7管子源极电压的稳定，例如当M7电压升高，流过R1的 电流增大，那么M7的栅极电压降低，也会使得M7的源极电压降低，从而形成反馈环路， 一旦电路开始工作，那么M7的源极电压会被负反馈环路钳位到一个固定的值，我们就可 以得到一个不随温度变化的电流基准。
第二部分I2是电荷泵电流的补偿部分，第三部分I3是电荷泵电流镜与充放电结构。 传统的电荷泵结构不考虑沟道调制效应，未加补偿，那么就会造成电荷泵输出电流的失配， 因为随着Vcpout的增大，M3的源漏电压会减小，那么电流源就会减小，M9的源漏电压会 增大，使得电流漏增大，那么就会导致电荷泵的充放电电流不匹配，反之亦然，这样就会导致锁相环的压控振荡器的控制电压不能随着鉴频鉴相器的结果来变化，最终使得锁相环不能锁定到一个精确的值，造成输出时钟信号抖动变大。本次发明针对此问题，采取了 I2此种补偿结构，将M8的漏极与M7的漏极接一起，源极与R4的正极连接，栅极接到输 出端口Vcpout处，R4的负极接地，当输出电压Vcpout为VDD/2时，假设Vcpout的变化 量电压为△Vcpout，那么根据饱和区电流公式
Figure BDA0003040564960000051
可得 充放电电流的变化量分别为
Figure BDA0003040564960000052
Figure BDA0003040564960000053
此时采用源跟随器结构的补偿电路的晶体管M8的栅源 电压的变化量近似为△Vcpout，那么此时补偿电流的的大小为
Figure BDA0003040564960000054
假设此时晶体管 M3与M2比例为a，M4与M5尺寸的比例为b，M9与M10尺寸的比例为c，有a＝b*c，那么 补偿电流折算到电荷泵的放电端的变化量为
Figure BDA0003040564960000055
只要令：
Figure BDA0003040564960000056
当晶体管比例确定，工艺确定，可以通过动态调整晶体管M2，M3，M9，M10的宽长比，以 及R4的大小使得等式成立，最终达到补偿的目的。
在上述的过程中，我们只考虑到在输出端口Vcpout变化时的补偿情况，未考虑在Vcpout等于VDD/2时，电荷泵充放电电流的失配情况，针对此种情况，我们通过电阻R5， R6，R11，R12来减小在输出电压值为VDD/2时的电流失配，具体实现方式为：当Vcpout 电压为VDD/2，假设此时电荷泵充放电电流失配值为△I，只需调整R11与R5的阻值大小 来调整M3与M9的源漏电压值，使得在输出Vcpout电压值为VDD/2时，此时的失配值最小， 当确定好电阻R11与R5的阻值大小后，根据电流镜的比例，也可以确定此时其余补偿电 路与电流镜电路的电阻阻值。
综上，本发明提出了一种带电流基准的可补偿电荷泵电路，最终可以实现在不同的工 艺下，输出低失配，且随温度变化很小的电荷泵电流，提高了锁相环在高低温环境下电荷 泵电流绝对值发生改变的问题，也解决了由于沟道长度调制效应所导致的电荷泵充放电电 流不匹配的问题，帮助实现锁相环准确锁定的目标。
电流基准模块I1，根据VBE与VTH的温度系数关系得到不随温度变化的电流基准，同时 通过晶体管源极负反馈的形式来稳定电阻上电压的大小来保证得到准确的电流值。
电流补偿模块I2，通过电荷泵输出节点Vcpout对由于沟道长度调制效应所导致的充 放电电流不匹配问题进行补偿，通过合理设置补偿电阻R4的大小来实现对沟道长度调制 效应的抵消。

Claims (1)

1.一种带电流源具有补偿功能的电荷泵电路，包括PMOS管M1-M6，NMOS管M7-M16，电阻R1-R13，三级管Q1，Q2，还包括EN端口，VDD端口，GND端口，Vcpout端口，其特征在于，EN是电荷泵电路工作使能端，VDD端口是电荷泵电源输入，GND端口是电荷泵电源地，Vcpout端口是电荷泵电路输出端口，电路包括五个模块，其中I1与I5相同，是电流源模块，I2与I4电路相同，为电流补偿模块，I3为电流镜模块；
I1为电流源模块，PMOS管M1源极接电源VDD端，PMOS管M1栅极接EN端，PMOS管M1漏极接电阻R1正端，电阻R1负端接三级管Q1集电极以及NMOS管M7栅极与NMOS管M14漏极，三级管Q1基极接NMOS管M13漏极以及电阻R3正端与NMOS管M7源极，三级管Q1发射极接电阻R2正端，R2负端接GND端，NMOS管M13源极接GND端，NMOS管M13栅极接EN端，NMOS管M14源极接GND端，NMOS管M14栅极接EN端，NMOS管M7漏极接PMOS管M2栅极以及PMOS管M2漏极与PMOS管M3栅极与NMOS管M8漏极，电阻R3负端接GND端，电阻R10正端接电源VDD端，电阻R10负端接NMOS管M2源极；
I2为电流补偿模块，NMOS管M8源极接电阻R4正端，NMOS管M8栅极接NMOS管M9漏极以及Vcpout端口与PMOS管M3漏极，NMOS管M8漏极接PMOS管M2栅极以及PMOS管M2漏极与PMOS管M3栅极与NMOS管M7漏极，电阻R4负端接GND端；
I3为电流镜模块，电阻R11正端接电源VDD端，电阻R11负端接PMOS管M3源极，NMOS管M9源极接电阻R5正端，NMOS管M9栅极接NMOS管M10栅极与NMOS管M10漏极以及PMOS管M4漏极，电阻R5负端接GND端，电阻R12正端接电源VDD端，电阻R12负端接PMOS管M4源极，PMOS管M4栅极接PMOS管M5漏极以及PMOS管M5栅极与NMOS管M11漏极与NMOS管M12漏极，PMOS管NMOS管M10源极接电阻R6正端，电阻R6负端接GND端；
I4同样为电流补偿模块，NMOS管M11源极接电阻R7正端，NMOS管M11栅极接GND端，电阻R7负端接GND端；
I5为电流源模块，电阻R13正端接电源VDD端，电阻R13负端接PMOS管M5源极，NMOS管M12源极接电阻R8正端以及三级管Q2基极与NMOS管M16漏极，NMOS管M12栅极接NMOS管M15漏极以及电阻R14负端与三级管Q2集电极，电阻R8负端接GND端，NMOS管M15源极接GND端，NMOS管M15栅极接EN端，NMOS管M16源极接GND端，NMOS管M16栅极接EN端，PMOS管M6源极接电源VDD端，PMOS管M6栅极接EN端，PMOS管M6漏极接电阻R14正端；
三级管Q2发射极接电阻R9正端；R9负端接GND端。
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