CN115118277B - 一种电荷泵、锁相环及改善锁相环参考杂散的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种电荷泵、锁相环及改善锁相环参考杂散的方法，该电荷泵为双端口负反馈结构。本电荷泵由两个环路滤波器和一个共模负反馈电路组成，同时采用不同的运算放大器来降低IUP和IDN电流的灵敏度，使得输出电压始终跟随参考电压而变化，从而使得电荷泵不受共模噪声和电源变化的影响。再使用负反馈放大，让运算放大器保持高增益，由此获得与电压输出相等的电压参考，确保IUP和IDN电流匹配，伴随着电流失配降低，静态相位偏移也会随之减少。

Description

一种电荷泵、锁相环及改善锁相环参考杂散的方法
技术领域
本发明属于电子电路领域，尤其是涉及一种电荷泵、锁相环及改善锁相环参考杂散的方法。
背景技术
电荷泵是自1980年代以来最主流的PLL结构之一。基于电荷泵的锁相环(CPPLL)广泛用于各种应用，尤其是现代通信系统。由于大系统增益、低静态相位偏移和低偏置电流的优点，CPPLL 优于锁相环 (PLL) 的其他拓扑结构；CPPLL 确保了 PLL的稳定性。
电荷泵是CPPLL 的重要组成部分，因为它在集成环路滤波器的同时高速生成信号和更新时钟脉冲。在电荷泵中，两个开关将来自鉴相器的上行和下行信号转换为电流。锁相环的性能取决于鉴相器和电荷泵优化以匹配零静态相位误差。目前，在世界范围内，锁相环的设计人员已经进行了许多研究来提高 CPPLL 系统内的电荷泵性能。
传统的电荷泵是单端的，由充放电数字输出电流源+IP和-IP组成，分别如图1所示。两个晶体管开关控制鉴相器的两个数字信号+IP和-IP。这两个开关驱动环路滤波器并将鉴相器的输出信号转换为模拟电压信号 VC，以控制和充电压控振荡器的电容或频率。
单端电荷泵是基础电路，应用广泛，但其技术有局限，其中一点就是容易出现电流失配，因此更多的应用在对性能要求不高的设计中；单端电荷泵很受欢迎，因为它们不需要额外的环路，并且可以根据开关位置分为三种样式，即漏极开关、栅极开关和源极开关。
为了设计高性能的锁相环，双极电荷泵设计已经在广泛使用，正是在这一基础上，提出了本发明。
发明内容
本发明在此的目的在于提供一种电荷泵，该电荷泵不受共模噪声和电源变化的影响，可以有效减少静态相位偏移。
为此，本发明提供的电荷泵为双端口负反馈结构，包括第一场效应管MN1、第二场效应管MN2、第三场效应管MN3、第四场效应管MN4、第五场效应管MP1、第六场效应管MP2、第七场效应管MP3、第八场效应管MP4、第一运算放大器OPA1和第二运算放大器OPA2；
第一场效应管MN1和第二场效应管MN2的源极分别用于偏置信号加载，第一场效应管MN1的漏极接第三场效应管MN3的源极，栅极接地，起到ESD保护作用，第一场效应管MN1的漏极还作为参考电压点A；第三场效应管MN3的漏极和第五场效应管MP1的漏极连接且作为偏置信号加载点F，第三场效应管MN3和第五场效应管MP1的栅极分别与各自的漏极连接；第五场效应管MP1的源极接第七场效应管MP3的漏极，第七场效应管MP3的源极接地，栅极用于偏置信号加载，第五场效应管MP1的源极还作为参考电压点C；
第二场效应管MN2的漏极接第四场效应管MN4的源极，第四场效应管MN4的漏极和第六场效应管MP2的漏极连接且作为输出点，第六场效应管MP2的源极接所述第八场效应管MP4的漏极，所述第八场效应管MP4的源极接地；第二场效应管MN2和第八场效应管MP4的栅极分别用于电流IUP、IDN加载；
第一运算放大器OPA1的正极作为参考端，接第一场效应管MN1的漏极，负极作为反馈端与第二场效应管MN2的漏极连接，输出端接第四场效应管MN4的栅极；
第二运算放大器OPA2的正极作为参考端，接第五场效应管MP1的源极，负极作为反馈端与第八场效应管MP4的漏极连接，输出端接第六场效应管MP2的栅极；
第一运算放大器OPA1的输出电压适应栅极偏置电压提供给第七场效应管MP3 和第八场效应管MP4；第二运算放大器OPA2用于降低电流IUP和电流IDN的灵敏度，使第一运算放大器OPA1和第二运算放大器OPA2负极的电压将始终跟随正极电压，电荷泵输出电压始终跟随参考电压而变化，输出不受共模噪声和电源变化而变化，保证输出电压的稳定。
本发明另一方面提供了一种锁相环，该锁相环包括本发明所提供的电荷泵。
本发明第三方面提供了一种改善锁相环参考杂散的方法，该方法改善的锁相环包括：
鉴相器PFD，基于参考信号Ref IN和射频输出信号RF out的反馈信号输出误差脉冲信号；
电荷泵CP，基于误差脉冲信号输出恒定控制电流；
环路滤波器，用于将电荷泵输出的恒定控制电流积分得到稳定的控制电压；
压控振荡器VCO，以及分频器，用于在输出信号RF out的反馈信号的频率超过鉴相器PFD的最高工作频率时，对射频输出信号RF out的反馈信号进行1/N分频，降低至鉴相器PFD的工作频率区间；
该方法通过调整电荷泵输出的电流达到改善锁相环参考杂散的目的；所述电荷泵为本发明提供的电荷泵，该电荷泵通过第一运算放大器OPA1和第二运算放大器OPA2使输出电压始终跟随参考电压而变化，输出不受共模噪声和电源变化而变化，保证输出电压的稳定。
采用本技术方案所能达到的有益效果至少包括：
1）本电荷泵由两个环路滤波器和一个共模负反馈电路组成，同时采用不同的运算放大器来降低IUP和IDN电流的灵敏度，使得输出电压始终跟随参考电压而变化，从而使得电荷泵不受共模噪声和电源变化的影响。再使用负反馈放大，让运算放大器保持高增益，由此获得与电压输出相等的电压参考，确保IUP和IDN电流匹配，伴随着电流失配降低，静态相位偏移也会随之减少。
2）本电荷泵采用的双端口差分+负反馈，电荷泵电源优化，降低了或消除了电流失配，同时减少了静态相位偏移(体现为相位误差减少)，被用于构建锁相环时，降低了锁相环的参考杂散，从而使锁相环具备更优越的杂散性能。
附图说明
图1为本发明记载的传统的单端电荷泵的电路结构图；
图2为本发明记载的锁相环的原理图；
图3为本发明记载的电荷泵的电路结构图之一；
图4为本发明记载的电荷泵的电路结构图之二；
图5为未采用本公开的电荷泵的锁相环杂散性能测试结果图；
图6为采用本公开的电荷泵的锁相环杂散性能测试结果图。
具体实施方式
现在将参考附图更全面地描述示例性实施例。然而，示例性实施例能够以多种形式实施，且不应被理解为限于在此阐述的实施方式；相反，提供这些实施方式使得本公开将全面和完整，并将示例性实施例的构思全面地传达给本领域的技术人员。在图中，为了清晰，可能会夸大部分元件的尺寸或加以变形。在图中相同的附图标记表示相同或类似的结构，因而将省略它们的详细描述。
此外，所描述的特征、结构或特性可以以任何合适的方式结合在一个或更多实施例中。在下面的描述中，提供许多具体细节从而给出对本公开的实施例的充分理解。然而，本领域技术人员将意识到，可以实践本公开的技术方案而没有所述特定细节中的一个或更多，或者可以采用其它的方法、元件等。在其它情况下，不详细示出或描述公知结构、方法或者操作以避免模糊本公开的各方面。
锁相环是一个相位跟踪系统，其之所以能够实现相位跟踪，是因为锁相环是一个以时钟频率信号为输入信号及以时钟频率信号为输出信号负反馈电路。可以让输出时钟频率信号经由反馈系统来与输入时钟信号频率来达到锁相环的相位自动锁定。
基于电荷泵的锁相环(CPPLL)由于大系统增益、低静态相位偏移和低偏置电流的优点被广泛用于各种应用，尤其是现代通信系统，CPPLL 优于锁相环 (PLL) 的其他拓扑结构。
请参照图2，基于电荷泵的锁相环包括：
鉴相器PFD，基于参考信号Ref IN和射频输出信号RF out的反馈信号输出误差脉冲信号，分别为上行信号up和下行信号down；
电荷泵CP，基于误差脉冲信号输出恒定控制电流；
环路滤波器Loop Filter，用于将电荷泵输出的恒定控制电流积分得到稳定的控制电压，实现精确控制压控振荡器VCO输出频率，可以是有源环路滤波器，也可以是无源环路滤波器；
压控振荡器VCO，以及分频器，用于在输出信号RF out的反馈信号的频率超过鉴相器PFD的最高工作频率时，对射频输出信号RF out的反馈信号进行1/N分频，降低至鉴相器PFD的工作频率区间。
在理想的电荷泵CP中，电流的充电和放电是相等和匹配的，电流转换为电压，以便通过环路滤波器调谐压控振荡器 (VCO)。然而，实际上，电荷泵CP引入了具有非理想性的静态相位误差，而不是预期的完美零相位误差。因此，这种非理想行为会在电荷泵CP和鉴相器PFD 之间产生差异，从而直接导致整个锁相环PLL系统的性能欠佳。
为了表示锁相环PLL的有效性、效率和高性能的衡量标准，需要一个电荷泵CP 值。锁相环PLL品质因数是鉴相器的归一化相位噪声基底。电荷泵CP缺陷可以通过电流变化、电流失配、电荷共享、电荷注入和时序失配的水平来评估。上述缺陷会直接决定锁相环PLL 的参考杂散，也称为动态抖动。
本公开的锁相环的参考杂散Pr满足以下关系：
Figure DEST_PATH_IMAGE001
Figure 666974DEST_PATH_IMAGE002
式中，
Figure 796604DEST_PATH_IMAGE003
是相位误差，
Figure DEST_PATH_IMAGE004
是流过电荷泵CP的电流，R是环路滤波器的电阻测量值，
Figure 548660DEST_PATH_IMAGE005
是压控振荡器VCO的增益，N是分频值，
Figure DEST_PATH_IMAGE006
是鉴相器PFD的参考频率，
Figure 26914DEST_PATH_IMAGE007
是环路滤波器中极点的频率。
相位误差定义为重要时序中的误差，抖动源位于使用电荷泵CP 的锁相环中。相位误差的减少有助于精确控制锁相环动态。参考杂散 Pr 与相位误差
Figure 825106DEST_PATH_IMAGE003
和环路带宽 (
Figure DEST_PATH_IMAGE008
)成正比，即可以通过提高参考频率 (
Figure 961689DEST_PATH_IMAGE006
) 或降低环路带宽 （
Figure 787825DEST_PATH_IMAGE008
）来降低相位误差 (
Figure 577927DEST_PATH_IMAGE003
) ，从而达到改善锁相环参考杂散的目的。
本公开中，以调整电荷泵输出的电流达到改善锁相环参考杂散的目的，对此本公开对电荷泵CP结构进行了改进，采用了双端口差分+负反馈结构，双端口差分不受共模噪声和电源变化的影响，负反馈放大器有助于降低电流失配，可以减少静态相位偏移。
请参照图3，本公开的电荷泵CP包括第一场效应管MN1、第二场效应管MN2、第三场效应管MN3、第四场效应管MN4、第五场效应管MP1、第六场效应管MP2、第七场效应管MP3、第八场效应管MP4、第一运算放大器OPA1和第二运算放大器OPA2。
其中，第一场效应管MN1和第二场效应管MN2的源极分别用于偏置信号加载，第一场效应管MN1的漏极接第三场效应管MN3的源极，栅极接电路地，起到ESD保护作用，第一场效应管MN1的漏极还作为参考电压点A；第三场效应管MN3的漏极和第五场效应管MP1的漏极连接且作为偏置信号加载点F，第三场效应管MN3和第五场效应管MP1的栅极分别与各自的漏极连接；第五场效应管MP1的源极经第七场效应管MP3接地，第五场效应管MP1的源极还作为参考电压点C。
第二场效应管MN2的漏极接第四场效应管MN4的源极，第四场效应管MN4的漏极和第六场效应管MP2的漏极连接且作为输出点，第六场效应管MP2的源极经第八场效应管MP4接地；第二场效应管MN2和第八场效应管MP4的栅极分别用于电流IUP、IDN加载。
第一运算放大器OPA1的正极作为参考端，接第一场效应管MN1的漏极，负极作为反馈端与第二场效应管MN2的漏极连接，输出端接第四场效应管MN4的栅极；第二运算放大器OPA2的正极作为参考端，接第五场效应管MP1的源极，负极作为反馈端与第八场效应管MP4的漏极连接，输出端接第六场效应管MP2的栅极。
本电荷泵CP中，第一运算放大器OPA1的输出电压适应栅极偏置电压提供给第七场效应管MP3和第八场效应管MP4；第二运算放大器OPA2用于降低电流IUP和电流IDN的灵敏度，使第一运算放大器OPA1和第二运算放大器OPA2负极的电压将始终跟随正极电压，电荷泵输出电压始终跟随参考电压而变化，输出不受共模噪声和电源变化而变化，保证输出电压的稳定。
该电荷泵CP中第一运算放大器OPA1 的采用，将在宽电压摆幅的输出范围内提供良好的电流匹配，第一运算放大器OPA1 的增益必须保持较高，基于电荷泵CP的输出电压VCP和第一运算放大器OPA1的参考电压VREF之间产生的误差，第一运算放大器OPA1 的输出电压适应栅极偏置电压 MP3 和 MP4。
第二运算放大器OPA2的采用，用于有不同的电压放大器来降低IUP和IDN电流的灵敏度，此时两个运放负极处的电压将始终跟随正极电压，这样就可以使得输出电压始终跟随参考电压而变化，从而使得CP不受共模噪声和电源变化的影响。
请参照图4，本公开的电荷泵还包括用于控制参考电压点A的参考电压、参考电压点C的参考电压和偏置信号加载点F的偏置信号的控制电路。该控制电路包括场效应管M1、场效应管M2、场效应管M6、场效应管M4、场效应管M7、场效应管M8、场效应管M9、场效应管M12、场效应管M13和场效应管M11；场效应管M1和场效应管M2的栅极作为第一输入端用于信号加载，源极分别用于偏置信号加载；场效应管M1的漏极接场效应管M7的源极，场效应管M7的漏极接场效应管M9的漏极，场效应管M9的源极接场效应管M12的漏极，场效应管M12的源极接地；场效应管M7的栅极接场效应管M4的栅极，并接场效应管M4的漏极，场效应管M4的漏极接场效应管M8的漏极，场效应管M8的源极接地，场效应管M8和场效应管M9的栅极作为第二输入端用于自偏置信号加载。
场效应管M12和场效应管M13的栅极作为第三输入端用于信号加载，源极分别接地；场效应管M6与场效应管M2构成镜像管对，场效应管M6的栅极接参考电压点A，漏极接场效应管M11的漏极；场效应管M11与场效应管M13构成镜像管对，场效应管M11的栅极接参考电压点C。
本公开控制电路还包括场效应管M3，其源极用于信号加载，栅极接地，漏极接场效应管M4的源极，起ESD保护作用。
本公开控制电路还包括场效应管M10，其漏极接场效应管M8源极，栅极用于信号加载，源极接地。
结合图4所示的电荷泵结构，锁相环工作状态下，在PFD(鉴频鉴相器)中产生的误差信号UP和DN分别经M1和M12的G极(栅极)端口进入，自偏置(self-bias)电压信号则作用于M8和M9的G极(栅极)，与M4和M7组成的管对共同用于实现对节点E处的电压控制，因为节点E和F直接连通，所以，始终有VE=VF。M2和M6，M11和M13分别构成两组镜像的管对。在OPA1和OPA2的作用下，节点B和D处的电压将不得不分别跟随节点A和C处的电压。此时，流经节点B的电流IUP和流经节点D的电流IDN的值的摆幅将快速变小，直至相等且稳定，且能被精细控制，最后，稳定后的电流由节点G流向LPF，经由环路滤波器的积分特性，将电流积分为可精细控制的电压，用于控制压控振荡器，从而实现对VCO的相位锁定。
本公开中，电荷泵CP双端口差分漏极模型，可确保充电电流和放电电流具备更精确的值，通过这种方式，CP可以输出高电流，此时MN4和MP2将保持在饱和区，栅极自身更小的寄生电容和长沟道器件可以获得更好的匹配。有源运算放大器，可以有效克服电流共享的不足，降低电流失配。
本电荷泵将双端口、差分输入信号、运放负反馈放大三者相结合，直接从根本改善锁相环参考杂散，从而为设计高性能锁相环打下基础。
为了更好地说明本公开的锁相环采用本公开的电荷泵CP具有更好地的参考杂散性能，在此采用常规的信号源分析仪分别对未采用本公开的电荷泵的锁相环及采用本公开的电荷泵的锁相环进行杂散性能进行测试，测试结果分别如图5（未采用本公开的电荷泵的锁相环）、图6（采用本公开的电荷泵的锁相环）所示。
由图5、图6所示可以得出，采用该设计方法后，将原有的参考杂散性能，从-60dBc提升到-100dBc。
本公开已由上述相关实施例加以描述，然而上述实施例仅为实施本公开的范例。必需指出的是，已揭露的实施例并未限制本公开的范围。相反，在不脱离本公开的精神和范围内所作的变动与润饰，均属本公开的专利保护范围。

Claims (8)

1.一种电荷泵，其特征在于，该电荷泵为双端口负反馈结构，包括第一场效应管MN1、第二场效应管MN2、第三场效应管MN3、第四场效应管MN4、第五场效应管MP1、第六场效应管MP2、第七场效应管MP3、第八场效应管MP4、第一运算放大器OPA1和第二运算放大器OPA2；
第一场效应管MN1和第二场效应管MN2的源极分别用于偏置信号加载，第一场效应管MN1的漏极接第三场效应管MN3的源极，栅极接地，起到ESD保护作用，第一场效应管MN1的漏极还作为参考电压点A；第三场效应管MN3的漏极和第五场效应管MP1的漏极连接且作为偏置信号加载点F，第三场效应管MN3和第五场效应管MP1的栅极分别与各自的漏极连接；第五场效应管MP1的源极接第七场效应管MP3的漏极，第七场效应管MP3的源极接地，栅极用于偏置信号加载，第五场效应管MP1的源极还作为参考电压点C；
第二场效应管MN2的漏极接第四场效应管MN4的源极，第四场效应管MN4的漏极和第六场效应管MP2的漏极连接且作为输出点，第六场效应管MP2的源极接所述第八场效应管MP4的漏极，所述第八场效应管MP4的源极接地；第二场效应管MN2和第八场效应管MP4的栅极分别用于电流IUP、IDN加载；
第一运算放大器OPA1的正极作为参考端，接第一场效应管MN1的漏极，负极作为反馈端与第二场效应管MN2的漏极连接，输出端接第四场效应管MN4的栅极；
第二运算放大器OPA2的正极作为参考端，接第五场效应管MP1的源极，负极作为反馈端与第八场效应管MP4的漏极连接，输出端接第六场效应管MP2的栅极；
第二运算放大器OPA2用于降低电流IUP和电流IDN的灵敏度，使第一运算放大器OPA1和第二运算放大器OPA2负极的电压将始终跟随正极电压，电荷泵输出电压始终跟随参考电压而变化，输出不受共模噪声和电源变化而变化，保证输出电压的稳定。
2.根据权利要求1所述的电荷泵，其特征在于，还包括用于控制参考电压点A的参考电压、参考电压点C的参考电压和偏置信号加载点F的偏置信号的控制电路。
3.根据权利要求2所述的电荷泵，其特征在于，所述控制电路包括场效应管M1、场效应管M2、场效应管M6、场效应管M4、场效应管M7、场效应管M8、场效应管M9、场效应管M12、场效应管M13和场效应管M11；场效应管M1和场效应管M2的栅极作为第一输入端用于信号加载，源极分别用于偏置信号加载；场效应管M1的漏极接场效应管M7的源极，场效应管M7的漏极接场效应管M9的漏极，场效应管M9的源极接场效应管M12的漏极，场效应管M12的源极接地；场效应管M7的栅极接场效应管M4的栅极，并接场效应管M4的漏极，场效应管M4的漏极接场效应管M8的漏极，场效应管M8的源极接地，场效应管M8和场效应管M9的栅极作为第二输入端用于自偏置信号加载；
场效应管M12和场效应管M13的栅极作为第三输入端用于信号加载，源极分别接地；
场效应管M6与场效应管M2构成镜像管对，场效应管M6的栅极接参考电压点A，漏极接场效应管M11的漏极；场效应管M11与场效应管M13构成镜像管对，场效应管M11的栅极接参考电压点C。
4.根据权利要求3所述的电荷泵，其特征在于，还包括场效应管M3，其源极用于信号加载，栅极接地，漏极接场效应管M4的源极，起ESD保护作用。
5.根据权利要求3所述的电荷泵，其特征在于，还包括场效应管M10，其漏极接场效应管M8源极，栅极用于信号加载，源极接地。
6.一种锁相环，其特征在于，该锁相环包括权利要求1-5任意一项所述的电荷泵。
7.根据权利要求6所述的锁相环，其特征在于，还包括：
鉴相器PFD，基于参考信号Ref IN和射频输出信号RF out的反馈信号输出误差脉冲信号；
环路滤波器，用于将电荷泵输出的恒定控制电流积分得到稳定的控制电压；
压控振荡器VCO，以及分频器，用于在输出信号RF out的反馈信号的频率超过鉴相器PFD的最高工作频率时，对射频输出信号RF out的反馈信号进行1/N分频，降低至鉴相器PFD的工作频率区间。
8.一种改善锁相环参考杂散的方法，其特征在于，该方法改善的锁相环包括：
鉴相器PFD，基于参考信号Ref IN和射频输出信号RF out的反馈信号输出误差脉冲信号；
电荷泵CP，基于误差脉冲信号输出恒定控制电流；
环路滤波器，用于将电荷泵输出的恒定控制电流积分得到稳定的控制电压；
压控振荡器VCO，以及分频器，用于在输出信号RF out的反馈信号的频率超过鉴相器PFD的最高工作频率时，对射频输出信号RF out的反馈信号进行1/N分频，降低至鉴相器PFD的工作频率区间；
该方法通过调整电荷泵输出的电流达到改善锁相环参考杂散的目的；所述电荷泵为权利要求1-5任意一项所述的电荷泵，该电荷泵通过第一运算放大器OPA1和第二运算放大器OPA2使输出电压始终跟随参考电压而变化，输出不受共模噪声和电源变化而变化，保证输出电压的稳定。
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