CN1430120A - 输出电压范围甚宽的电荷泵 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及的是一种能够在很宽的输出电压范围内提供或正或负的恒定电流的电荷泵装置。一个对称的转换系统根据预定的阈值(Vref)或激活和正电流源相关的第一运算放大器(AOP1)或激活与负电流源相关的第二运算放大器(AOP2)。第一运算放大器是用来在装置的输出电压接近于供电电压(VDD)时恢复生成正电流的电流镜象(M2、M1)的行为，而第二运算放大器是用来在装置的输出电压接近于地(GND)时恢复生成负电流的电流镜象(M4、M3)的行为。由此可以使装置的输出电流总保持恒定且等于某个参考值(Iref)。
Description
技术领域
本发明是关于能在地和供电电压之间提供有很宽的输出电压范围的电荷泵。
背景技术
根据本发明的这种电荷泵，特别使伺服锁相环电压控制的振荡器有最大的调节范围，因此在无线电传输系统中有特别好的应用。
电荷泵是在伺服锁相环中常用的一种装置，特别用在相位比较器和环路滤波器之间。伺服锁相环或PLL(即“phase locked loop”)实际上是由伺服相位振荡器以及相位比较器和相应的滤波器构成的一种装置。
伺服相位振荡器是用来提供一个信号，这个信号的相位伺服于参考信号的相位。这涉及到一个压控振荡器，振荡器的输出信号被提供给相位比较器。振荡器可能出现的误差电压是用低通滤波器消除的，用以减弱可能的干扰，将这种误差电压提供到振荡器的可变元件以便消除相位差。
这样，电荷泵的作用是根据相位比较器所提供的信号向环路滤波器注入或从中提取一个恒定的电流。为此，电荷泵是由一个构成镜象电流源的模块构成的，特别是其中有生成正电流的第一电流源和生成负电流的第二电流源，以能按照对称系统来控制输出电流。第一电流源是用来根据相位比较器提供的信号向环路滤波器注入恒定电流，而第二电源是用来根据相位比较器提供的信号从环路滤波器中取出恒定电流。不管环路滤波器的电压有多大，每个电流源都应该是恒定不变的。这就意味着所能够提供的电流是恒定的，其值等于在尽可能大的输出电压范围内的参考值。然而，在一些特殊的运行条件下，就会有一个问题：当电荷泵的输出电压接近于电荷泵的供电电压(或地)时，构成生成正电流(或负电流)的电流源的晶体管就进入线性区，这就使电流的复制产生错误，而且输出的电流就不再保持在参考值。
在欧洲专利申请号为EP0778510的专利中描述了一种用现有技术解决这个问题的方案，这种方案在于利用共阴共栅电流源，这份文献是有关能够生成在宽输出电压范围内正负电流相等的对称双向电流源。它所生成的正、负电流还和参考电流严格相等。这种采用现有技术的装置中具有共阴共栅的第一电流源和第二电流源，其中的每一个都和电流镜象耦合，以能在地和供电电压之间从最小输出电压到最大输出电压分别提供一个正的或负的恒定的参考电流。
于是，这种方案提出使用具有高的内阻抗电流源，然而，增加电流源的内阻抗就使其所提供的电流随两极间的电压变化不敏感。
这种对装置的输出阻抗的改善甚至可以达到所要达到的目标，即用一个共阴共栅的电流源便获得在很宽的输出电压范围内的或正或负的恒定参考电流。
然而，使用共阴共栅源要求工作时的供电电压要高于使用单个电源时的供电电压。由于这样的共阴共栅源在实际上中要利用二个晶体管而不是一个，根据这份现有技术的文献，所用的最小的供电电压为3伏，这种根据现有技术妨碍了以低供电电压运行。事实上，在这种情况下，用低于前述的供电电压的低电压运行，便使电流的复制很差，因为这样不能够将晶体管置于好的运行状态，即处于饱和状态。处于饱和状态的特征是有足够大的漏极-源极电压。
还有一些其它已知的不同共阴共栅电流源方案，然而在这些方案中，并未考虑到正电流源和负电流源间的电流适应性，这种正电流源和负电流源间的不适应现象便在用伺服运行方式的振荡器的输出频率中产生强的寄生振荡。
发明内容
因此，本发明的目的在于除去前面描述的现有技术的缺陷，并由此提出一种电荷泵，这种电荷泵能够在很宽的输出电压范围内运行，在整个的输出电压范围内提供一个分别是正的或负的恒定电流，电流值等于参考电流的值，以使一个伺服锁相环的压控振荡器的调节范围最大化。
为此，本发明在电荷泵内用一电压比较器，用来激活(或在不需要时退激活)一个由运算放大器构成的系统，这个运算放大器能够使电荷泵的输出电流取预定的参考值。
更确切地说，已经看到，当电荷泵的输出电压接近供电电压(或地的电压)时，生成正电流(或负电流)的电流源晶体管便进入线性区，并由此而使电流的复制变形。
第一运算放大器(或第二运算放大器)和第一比较器(或第二比较器)相联系，就能迫使生成正电流(或负电流)的与电流源镜象的晶体管和电流源的晶体管处于相同的运行状态，例如处于线性区，用以恢复电流镜象，并使输出电流保持在参考值。
这就涉及到要实现一个对称转换系统，这个转换系统根据预定的阈值激活分别与正电流源或负电流源中的这个或那个相联系的一个或另一个运算放大器，当电荷泵的输出电压接近于供电电压时，两个放大器中的一个就来恢复生成正电流的电流镜的行为；而当电荷泵的输出电压接近于地的电压时，则另一个放大器就恢复生成负电流的电流反射镜的行为，这样，使得电荷泵的输出电流在尽可能大的电压范围内总是恒定，并且与参考值相等。
本发明的方案能够获得的输出电压范围比用共阴共栅电源所获得的电压输出范围还要宽，同时还精确地控制晶体管的输出电流，使这个晶体管在生成正电流的电源(称“高”电源)和生成负电流的电源(称“低”电源)的线性方式中切换。
这种方案还减小了在“高”电流源和“低”电流源间生成低输出电压和高输出电压的失配现象，并因此降低了用伺服运行方式进行的压控振荡器输出的参考频率中的寄生振荡，因为在这个方案中使用了一个完全对称的切换系统。
因此，本发明涉及到一个在供电电压和接地电压之间有极性的电荷泵，其中有一个与复制镜象电流的晶体管相联系的第一电流源，还有一个与复制镜象电流的晶体管相联系的第二电流源。述及的第一电流源和第二电流源分别在电荷泵输出电压范围内提供正恒定参考电流或负恒定参考电流，电荷泵输出电压范围在地和供电电压间的最小输出电压直到最大的输出电压之间变化，这种电荷泵的特征在于其中还有第一运算放大器和第二运算放大器，当述及的电荷泵的输出电压变得大于或是小于预定的阈值时，述及的第一放大器便被第一比较器激活或退激活，用来迫使与第一电流源镜象的晶体管或处于线性运行区或处于饱和区。
当述及的电荷泵的输出电压小于或是大于预定的阈值时，述及的第二放大器就相应地被第二比较器激活或是退激活，用来迫使与第二电流源成镜象的晶体管分别处于线性运行区或饱和区。
附图说明
在后面作为示例的描述中将会更清楚地看到本发明的别的特征和优越性，后面的描述并非是限制性的，而且要参考唯一的附图：
--图1，这里根据本发明的电荷泵的装置的电路图。
具体实施方式
图1示出一个根据本发明的电荷泵，其中特别详细地示出了一个在供电电压VDD和地GND之间的双极性电流源。这个构成电荷泵的双向电流源是根据CMOS(英格兰-撒克逊语“Complementary Metal OxydeSemieonductor”的缩写)技术实现的。
述及的电荷泵中有一条第一支路，它是由一个连成二极管的P型MOS晶体管M9、生成参考电流Iref的电流源1，以及接成二极管的N型MOS晶体管M10串联构成的。
电荷泵中的第二条支路是由第一MOS晶体管M8，第二MOS晶体管M11以及它们之间的结点2、还有第三个电流复制MOS晶体管M2串联而成。晶体管M2和构成正电流源的MOS晶体管M1构成镜象。
于是，晶体管M8的源极接地GND，而它的栅极和第一条支路中的接成二极管的MOS晶体管M10的栅极相接。晶体管M2的源极和供电电压VDD相接，其漏极和晶体管M11的源极相接。晶体管M8和M11的漏极都接在它们之间的结点2上，晶体管11的栅极的极性或为供电电压VDD，或为地GND。
第三条支路是由第一MOS晶体管M7，第二MOS晶体管M12以及它们之间的结点3、还有第三个电流复制MOS晶体管M4串联而成。晶体管M4和构成负电流源的MOS晶体管M3组成电流镜象。M7的源极和供电电压VDD连接，而其栅极和第一条支路中的接成二极管的MOS晶体管M9的栅极相连接。电流复制晶体管M4的源极接地GND，而其漏极和M12的源极相接。晶体管M12和M7的漏极都和它们之间的结点3相接。至于M12的栅极的极性或为供电电压VDD，或为地。
第四条支路，或称输出支路，是由第一MOS晶体管M1构成的，这个晶体管的源极和供电电压VDD连接，而其栅极是和第二支路中的电流复制MOS晶体管M2的栅极连接，这样构成电流镜象，以在其漏极上对参考电流Iref进行复制，这个漏极上的正电流I+是在第一公共结点4生成的。因此，晶体管M1就担负正电流源的职能。
在第四条支路中还有第二MOS晶体管M3，其源极接地，其栅极和复制电流MOS晶体管M4的栅极相连接，这样构成电流镜象，以在其漏极上复制参考电流Iref，这个漏极上的负电流I_是在第二公共结点5生成的。因此，这个晶体管M3就担当负电流源的职能。
切换装置SW中有构成第一子支路的互补MOS晶体管对M13和M14以及构成第二子支路的互补MOS晶体管对M15和M16，在第二对MOS晶体管之间有结点7，担负着向环路滤波器和压控振荡器输出的电荷泵输出结点的职能。这两条子支路在两个公共结上4和5之间并联。两对互补的晶体管对都是由控制信号控制的，分别为UP、DNN和UPN、DN，用来选择由电荷泵向输出结点7提供的电流是正电流I+，还是负电流I-。
在这个电荷泵中还有第一运算放大器AOP1，其负输入和电荷泵的输出结点7相连，其正输入和第二支路的中间结点2相连接，其输出置于和正电流源M1的栅极有相同电势。
这个运算放大器AOP1是由第一比较器COMP1和担负转换器的功能的MOS晶体管M5激活(或退激活)的。
在这个电荷泵中还有第二运算放大器AOP2，其负输入和这个电荷泵的输出结点7连接，其正输入是和第三支路的中间结点3相连接，而其输出则置于和负电流源M3的栅极有相同电势。
至于放大器AOP2的激活(相应的退激活)则是由构成转换器的MOS晶体管M6和第二比较器COMP2实现的。
因此，在根据本发明的电荷泵中有第一电流镜象电路，它是由接成二极管的MOS晶体管M10、MOS晶体管M8、MOS晶体管M2，以及MOS晶体管M1组成，它复制参考电流Iref，用来在输出MOS晶体管M1的漏极上将正电流I+恒定在I+＝Iref。
第二电流镜象则是由接成二极管的MOS晶体管M9、MOS晶体管M7、MOS晶体管M4、MOS晶体管M3构成，它复制参考电流Iref，以将在输出MOS晶体管M3的漏极上的负电流I-恒定在I-＝Iref。
第一电流源M1和电流复制晶体管M2连接，这样就能够将正的恒定的参考电流Iref提供到电荷泵的输出结点7上。而第二电流源M3和电流复制晶体管M4连接，用来在输出结点7上施以负的恒定参考电流Iref。
值得强调指出，正是输出处的环路滤波器(图中未画出)控制着电荷泵的输出结点7处的电势。
现在来看一个根据本发明的电荷泵的运行的示例，使用“低”电流源，即用负电流源M3。电流I-就从环路滤波器引出。在这种条件下，用作变换器的晶体管M16导通，并将等效于供电电压VDD的信号DN加到M16的栅极上。
前面描述的系统是完全对称的，因此对于后面描述的“高”电流源，即正电流源M1的描述可以完全同样进行。
于是，当输出电压低时(接近于地的电位)，则晶体管M3的漏极—源极电压小于饱和电压，且晶体管M3就在线性区内摆动(bascule)，复制电流晶体管M4仍处于饱和区，因此复制电流Iref变形。如果没有本发明通过相应的比较器COMP2和运算放大器AOP2所实施的机制，则流径负电流源M3的电流就迅速下降，这个电流是由M3的漏极-源极电压决定的。
如果迫使晶体管M4也处于和M3相同的状态，即迫使其处于在线性运行区摆动，则恢复参考晶体管M4和电流源M3之间的电流镜象，M4和M3的栅极、源极和漏极间的电势就又恢复到完全相同，这就是严格的运算放大器AOP2的作用。
当晶体管M12和处导通状态的具有转换功能的晶体管M16以相同的方式取值，并由栅极电压VDD控制，则M4的漏极电势应该随公共结点5的电势伺服，这便导致了将第三条支路上的中间结点3的电势伺服于电荷泵的输出结点7的电势上。这种伺服是由运算放大器AOP2来实现的，当电荷泵的输出电压低过某一个预定的阈值，例如可将这阈值取作VDD/2，则这个运算放大器AOP2便由比较器COMP2激活。
事实上，COMP2在其“-”输入处接收到电荷泵的输出电压，且将等于预定的阈值的参考电压Vref2加到“+”输入处。当输出电压低于阈值Vref2时，COMP2就激活AOP2，而且运算放大器AOP2就作用于其输出处，以迫使在与结点3相连的“+”输入处取与结点7相连的“-”输入处的电势。
于是，运算放大器AOP2就能在电荷泵的输出电压低于某个预定的阈值时总是保持参考晶体管M4和电流源晶体管M3的栅极-源极电压和漏极-源极电压相同。这两个晶体管就处在相同的线性运行状态，而且输出电流I-为恒值且等于Iref。因而这种电荷泵就能用非饱和的晶体管以最好的方式工作在低的输出电压处，因为它的机构能够很好的复制参考电流，并能使电流源M3及其镜象M4保持在相同的状态。
当输出电压高出阈值Vref2时，比较器COMP2就使放大器AOP2退激活，并使用作变换器的晶体管M6恢复导通。由此比较器COMP2就能保证晶体管M7在电荷泵的输出电压高时处于正确的饱和状态。
这样不管电荷泵的输出电压是多少，M7的漏极-源极电流总是等于参考电流。
用比较器COMP1和运算放大器AOP1就实现有关“高”电流源，或正电流源M1的类似于前面描述的运行。在这种情况下，当电荷泵的输出电压高于参考电压Vref1时，比较器COMP1便激活运算放大器AOP1。参考电压Vref1等于某一个预定的阈值，例如VDD/2。事实上，当电荷泵的输出电压高时(接近于VDD)，晶体管M1就在线性区摆动，放大器AOP1就能够迫使镜象电流复制晶体管M7运行于同一状态。
根据本发明的电荷泵可以在比使用现有技术的电荷泵有更大的输出范围的条件下获得或正或负的恒定的参考电流，因为这种电荷泵可以在晶体管未达到饱和的情况下工作。类似的结果证明：从对应于地的大于200mv(毫伏)的最小输出电压到对应于小于200mV的供电电压的最大输出电压的范围内它都能保证电流恒定。在电荷泵输出处的电流在一个更大的电压范围内保持恒定的可能性使得能够导引位于电荷泵后面的压控振荡器有更大的电压范围，因而增大了振荡器的输出的频率变化范围。
而且，本发明使用了一个完全对称的转换系统，用以根据预定的阈值激活运算放大器AOP1和AOP2中的这个或那个。使用这种系统就能在环路受到干扰时减小正电流源M1和负电流源M3之间的不适应现象，而M1和M3间不适应性的减小就能减小在振荡器输出处测得的参考频率中的寄生振荡。
最后，根据本发明的电荷泵可以使供电电压下降约2.5V(伏特)，因为其中使用的电流源不是共栅共阴源。
Claims (4)
1.在供电电压(VDD)与地(GND)间带有极性的电荷泵，其中的第一电流源(M1)和镜象的电流复制晶体管(M2)连接，第二电流源M3和镜象电流复制晶体管(M4)连接，述及的第一电流源和第二电流源在电荷泵从地(GND)到供电电压(VDD)间从最小输出电压直到最大输出电压间的宽电压输出范围内分别提供正的(I+)和负的(I-)恒定的参考电流(Iref)，述及的电荷泵的特征在于其中还有第一运算放大器(AOP1)和第二运算放大器(AOP2)，在电荷泵的输出电压大于或者小于某一个预定的阈值(Vref)时，述及的第一运算放大器(AOP1)便为第一比较器(COMP1)激活或退激活，以便迫使与第一电流源(M1)镜象的晶体管(M2)处于线性运行区或饱和区。
而述及的第二运算放大器是在电荷泵的输出电压小于或者大于述及的预定的阈值时被第二比较器(COMP2)激活或者退激活的，用以迫使和第二电流源(M3)成镜象的晶体管(M4)处于线性运行区或者饱和区。
2.根据权利要求1的电荷泵，其特征在于其中还有一个转换装置(SW)，在这个转换装置中有互补的第一对MOS晶体管(M13、M14)和第二对互补的MOS晶体管(M15、M16)并联，这两对互补的晶体管是由控制信号(UP、DNN、UPN、DN)所控制，用来选择电荷泵提供的输出是正电流(I+)还是负电流(I-)。
3.根据权利要求1或2的电荷泵，其特征在于预定的这个电荷泵输出的电压的阈值取值为供电电压被2除(VDD/2)。
4.伺服锁相环中有一环路滤波器和一压控振荡器，其特征在于这个伺服锁相环将根据前面权利要求中任一条的电荷泵施于这个滤波器和这个振荡器所构成的组件的上游。
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