CN204928798U - 一种动态充放电电流匹配电荷泵电路 - Google Patents
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Abstract
本实用新型公开了一种应用于电荷泵锁相环的动态充放电电流匹配的电荷泵电路。该电荷泵电路包括:主电荷泵、辅助电荷泵、偏置电路和环路滤波器电路。主电荷泵包括:由M7、M8、R1、R2、R3、Ibias2和M5、M6、R4、R5、R6、Ibias1组成的全摆幅转低压摆幅信号差分放大器,以及由M1、M2、M3、M4、M9、M12组成的传统电荷泵。辅助电荷泵包括:由M26、M27、R7、R8、R9、Ibias3和M24、M25、R10、R11、R12、Ibias4组成的全摆幅转低压摆幅信号差分放大器,由M19、M20、M21、M22、M23、M13组成的传统电荷泵,以及由M10、M11、M12、C组成的电流源。通过信号全摆幅转低压摆幅信号差分放大器,降低差分信号电压的摆幅,提高电荷泵开关管的速度。通过辅助电荷泵实现放电电流对充电电流的动态跟随,保证了充放电电流动态匹配。本实用新型特别适合宽频带锁相环工作时对电荷泵动态匹配的要求。
Description
技术领域
本实用新型属于集成电路设计技术领域。具体涉及一种应用于电荷泵锁相环的动态充放电电流匹配的电荷泵电路。
背景技术
电荷泵锁相环(CP-PLL)广泛地应用于大规模数字电路的时钟信号产生和高速数据传输中的时钟恢复。电荷泵(CP)是锁相环中的关键模块。它的功能是将来自于鉴频鉴相器(PFD)的UP和DOWN的脉冲信号通过环路滤波器转化为模拟信号Vctrl。电荷泵输出的模拟信号Vctrl作为压控振荡器(VCO)的输入,控制压控振荡器的振荡频率。当PLL锁定在某个固定频率时,电荷泵的输出电压Vctrl要尽可能的稳定。这个电压的微小的波动都将导致PLL输出信号的相位噪声和周期抖动。因此,设计一个能产生稳定输出电压的电荷泵在PLL的设计中是十分重要的。
当PLL处于锁定状态时,PFD的输入存在一个很小的静态相偏差,此时,UP和DN信号同时产生一些周期的窄复位脉冲,使电荷泵的两个开关同时导通,如果电荷泵电流匹配很好,即Iup=Idn,那么控制电压Vctrl仍然保持不变,PLL保持良好的锁定状态。如果CP的电流不匹配,控制电压Vctrl将有微小的波动,导致PLL的输出信号产生抖动和相位噪声。所以,电荷泵充放电电流的匹配对PLL的性能产生重要的影响。另外,由于MOS开关的非理想特性,如开关管电荷注入和时钟馈通,都会在控制电压Vctrl上引起波动,导致PLL的输出信号的相位噪声。所以,只能尽量减少不匹配电流和提高电荷泵开关速度来减少PLL的相位误差。为了解决以上问题,本实用新型设计了一种新颖结构的电荷泵电路,该电路具有良好动态的电流匹配性和较高的开关速度。
实用新型内容
本实用新型旨在克服上述技术缺陷,目的是提供一种新颖结构的电荷泵电路,该电路具有良好动态的电流匹配性和较高的速度。
动态充放电电流匹配电荷泵电路包括:偏置电路、主电荷泵、辅助电荷泵和环路滤波器电路。主电荷泵包括:UP信号全摆幅转低压摆幅信号差分放大器,DOWN信号全摆幅转低压摆幅信号差分放大器和传统电荷泵。辅助电荷泵包括:UP信号全摆幅转低压摆幅信号差分放大器,DOWN信号全摆幅转低压摆幅信号差分放大器、传统电荷泵和电流镜。
所述的偏置电路包括PMOS器件M14和NMOS器件M15、M16、M17、M18;其中,M14源极接电源Vdd,栅极与漏极相连,再分别于M9、M23的栅极和M17的漏极相连;M17的栅极分别接M15的栅极和漏极,源极接M18的漏极;M15的漏极和栅极还接输入电流带隙电流,源极分别接M16的漏极、栅极和M18的栅极;M16、M18源极都接地线。
所述主电荷泵中的UP信号全摆幅转低压摆幅信号差分放大器包括NMOS器件M7、M8、电阻R1、R2、R3和电流源Ibias2。R1一端接电源,另一端接R2、R3,R2和R3的另一端分别接M8和M7的漏极,M7和M8的源极都接电流源Ibias2,电流源的另一端接地。UP和UPB为差分信号输入端,分别与M8、M7的栅极相连。
所述主电荷泵中的DOWN信号全摆幅转低压摆幅信号差分放大器包括PMOS器件M5、M6、电阻R4、R5、R6和电流源Ibias1。电流源Ibias1一端接电源Vdd,另一端接M5、M6的源极,M5、M6的漏极分别与电阻R5、R4相连,R4、R5的另一端与电阻R6相连,R6的另一端与地相连。DN和DNB为差分信号输入端,分别与M5、M6的栅极相连。
所述主电荷泵中的传统电荷泵包括NMOS管M1、M2、M12和PMOS管M3、M4、M9。M9栅极与M14管的栅极和漏极相连,形成充电电流源。M9管源极与电源Vdd连接,M9管漏极与M3、M4的源极相连,M4漏极接地,栅极接M8的漏极。M3的栅极连接M7的漏极,M3的漏极接M1的漏极,同时接滤波器的电阻R和电容C2。M1、M2的源极与放电电流源管M12的漏极相连,M2的漏极与电源Vdd相连,栅极与M6漏极相连,M1栅极与M5漏极相连。
所述辅助电荷泵包括UP信号全摆幅转低压摆幅信号差分放大器,DOWN信号全摆幅转低压摆幅信号差分放大器、传统电荷泵和电流镜。辅助电荷泵主要实现放电电流对充电电流的跟随,即当充电电流源的PMOS管的漏极电压随着不同频率所要求的压控电压Vctrl不同时,充电电流Iup将变化,此时,放电电流Idn也将跟随Iup变化,使Idn=Iup,实际上是一个复制充电电流的电路。
所述辅助电荷泵中的UP信号全摆幅转低压摆幅信号差分放大器包括NMOS器件M26、M27、电阻R7、R8、R9和电流源Ibias3。R7一端接电源,另一端接R8、R9,R8和R9的另一端分别接M27和M26的漏极,M27和M26的源极都接电流源Ibias3,电流源的另一端接地。UP和UPB为差分信号输入端,分别与M27、M26的栅极相连。
所述辅助电荷泵中的DOWN信号全摆幅转低压摆幅信号差分放大器包括PMOS器件M24、M25、电阻R10、R11、R12和电流源Ibias4。电流源Ibias4一端接电源Vdd,另一端接M24、M25的源极,M24、M25的漏极分别与电阻R11、R10相连,R10、R11的另一端与电阻R12相连,R12的另一端与地相连。UP和UPB为差分信号输入端,分别与M24、M25的栅极相连。
所述辅助电荷泵中的传统电荷泵包括NMOS管M19、M20、M13和PMOS管M21、M22、M23。M23栅极与M14管的栅极和漏极相连,形成充电电流源。M23管源极与电源Vdd连接,M23管漏极与M21、M22的源极相连,M22漏极接地,栅极接M27的漏极。M21的栅极连接M26的漏极,M21的漏极接M19的漏极,同时接电容C和M10的栅极。M19、M20的源极与M13的漏极相连,M20的漏极与电源Vdd相连,栅极与M25漏极相连,M19栅极与M24漏极相连。
所述辅助电荷泵电流镜包括NMOS管M10、M11、M12。M10的漏极接电源Vdd,源极接M11的漏极和栅极,栅极接电容C。M11的栅极与M12和M13栅极相连,源极接地。M12的源极接地,漏极与M1、M2的源极相连。
显然,此种电流的匹配是动态的匹配,而非传统电荷泵的静态匹配。传统电荷泵的静态匹配是指充放电电流源在静态时调好到Idn=Iup,但随着Vctrl的变化,会导致充放电电流不等。而本实用新型中提出的电路,克服了传统电荷泵这一缺点,特别适合宽频带PLL工作时对电荷泵动态匹配的要求。
主辅电荷泵电路UP和DOWN信号全摆幅转低压摆幅信号差分放大器的作用是降低差分信号电压摆幅,提高电荷泵开关管的速度。
低压摆幅差分信号使主电荷泵电路中M1、M2、M3、M4和辅助电荷泵电路中M19、M20、M21、M22工作于截止或饱和状态,当场效应管工作于饱和区时,分别与电流源的MOS管串联,形成串联结构的电流源,提高了输出阻抗,使电流源趋于理想。
附图说明
图1传统差分电荷泵电路图。
图2本实用新型中动态充放电电流匹配电荷泵电路。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本实用新型做进一步的描述,并非对本实用新型保护范围的限制。
图1所示为传统差分电荷泵电路。此电路特点是上下充放电电流源在开关M1或M3不导通时,可通过开关M2或M4的导通,继续保持不断流,为下一次M1或M3的快速导通创造条件。但是,由于UP、DN、UPB和DNB端与PFD输出的全摆幅信号直接相连,MOS管的栅压的变化从Vdd到0V,栅压的快速变化会使电流源的MOS管漏极电流产生尖峰,导致Vctrl的波动。另外,由于M1、M2、M3、M4都工作在开关状态,沟道电荷注入和时钟馈通等MOS开关的非理想特性都会在Vctrl上引起波动,导致PLL输出的抖动。
此电路还存在一个电流匹配的问题,特别是当压控振荡器工作在一个振荡频率较大范围,即Vctrl的变化范围宽时,作为充放电电流源的PMOS管和NMOS管的漏源电压会随着Vctrl的变化而变化,这是一个动态的过程,充放电电流源在不同的Vctrl值所得到的电流是不等的且充放电电流很难匹配。
图2所示为本实用新型一种动态充放电电流匹配电荷泵电路包括:偏置电路、主电荷泵、辅助电荷泵和环路滤波器电路。主电荷泵包括:UP信号全摆幅转低压摆幅信号差分放大器,DOWN信号全摆幅转低压摆幅信号差分放大器和传统电荷泵。辅助电荷泵包括:UP信号全摆幅转低压摆幅信号差分放大器,DOWN信号全摆幅转低压摆幅信号差分放大器、传统电荷泵和电流镜。
所述的偏置电路包括PMOS器件M14和NMOS器件M15、M16、M17、M18;其中,M14源极接电源Vdd,栅极与漏极相连,再分别于M9、M23的栅极和M17的漏极相连;M17的栅极分别接M15的栅极和漏极,源极接M18的漏极;M15的漏极和栅极还接输入电流带隙电流,源极分别接M16的漏极、栅极和M18的栅极;M16、M18源极都接地线。
所述主电荷泵中的UP信号全摆幅转低压摆幅信号差分放大器包括NMOS器件M7、M8、电阻R1、R2、R3和电流源Ibias2。R1一端接电源,另一端接R2、R3,R2和R3的另一端分别接M8和M7的漏极,M7和M8的源极都接电流源Ibias2,电流源的另一端接地。UP和UPB为差分信号输入端,分别与M8、M7的栅极相连。
所述主电荷泵中的DOWN信号全摆幅转低压摆幅信号差分放大器包括PMOS器件M5、M6、电阻R4、R5、R6和电流源Ibias1。电流源Ibias1一端接电源Vdd,另一端接M5、M6的源极,M5、M6的漏极分别与电阻R5、R4相连,R4、R5的另一端与电阻R6相连,R6的另一端与地相连。DN和DNB为差分信号输入端,分别与M5、M6的栅极相连。
所述主电荷泵中的传统电荷泵包括NMOS管M1、M2、M12和PMOS管M3、M4、M9。M9栅极与M14管的栅极和漏极相连,形成充电电流源。M9管源极与电源Vdd连接,M9管漏极与M3、M4的源极相连,M4漏极接地,栅极接M8的漏极。M3的栅极连接M7的漏极,M3的漏极接M1的漏极,同时接滤波器的电阻R和电容C2。M1、M2的源极与放电电流源管M12的漏极相连,M2的漏极与电源Vdd相连,栅极与M6漏极相连,M1栅极与M5漏极相连。
所述辅助电荷泵包括UP信号全摆幅转低压摆幅信号差分放大器,DOWN信号全摆幅转低压摆幅信号差分放大器、传统电荷泵和电流镜。
所述辅助电荷泵中的UP信号全摆幅转低压摆幅信号差分放大器包括NMOS器件M26、M27、电阻R7、R8、R9和电流源Ibias3。R7一端接电源,另一端接R8、R9,R8和R9的另一端分别接M27和M26的漏极,M27和M26的源极都接电流源Ibias3,电流源的另一端接地。UP和UPB为差分信号输入端,分别与M27、M26的栅极相连。
所述辅助电荷泵中的DOWN信号全摆幅转低压摆幅信号差分放大器包括PMOS器件M24、M25、电阻R10、R11、R12和电流源Ibias4。电流源Ibias4一端接电源Vdd,另一端接M24、M25的源极,M24、M25的漏极分别与电阻R11、R10相连,R10、R11的另一端与电阻R12相连,R12的另一端与地相连。UP和UPB为差分信号输入端,分别与M24、M25的栅极相连。
所述辅助电荷泵中的传统电荷泵包括NMOS管M19、M20、M13和PMOS管M21、M22、M23。M23栅极与M14管的栅极和漏极相连,形成充电电流源。M23管源极与电源Vdd连接,M23管漏极与M21、M22的源极相连,M22漏极接地,栅极接M27的漏极。M21的栅极连接M26的漏极,M21的漏极接M19的漏极,同时接电容C和M10的栅极。M19、M20的源极与M13的漏极相连,M20的漏极与电源Vdd相连,栅极与M25漏极相连,M19栅极与M24漏极相连。
所述辅助电荷泵电流镜包括NMOS管M10、M11、M12。M10的漏极接电源Vdd,源极接M11的漏极和栅极,栅极接电容C。M11的栅极与M12和M13栅极相连,源极接地。M12的源极接地,漏极与M1、M2的源极相连。
实用新型中动态充放电电流匹配电荷泵电路的特点如下:
首先,为了加快电荷泵的开关速度,主辅电荷泵电路加入UP和DOWN信号全摆幅转低压摆幅信号差分放大器,它作用是降低差分信号电压的摆幅,有利于提高电荷泵开关管的速度。
其次,低压摆幅差分信号使主电荷泵电路中M1、M2、M3、M4和辅助电荷泵电路中M19、M20、M21、M22工作于截止或饱和状态,当场效应管工作于饱和区时,分别与电流源的MOS管串联,形成串联结构的电流源,提高了输出阻抗,使电流源趋于理想。
另外,加入辅助电荷泵主要实现放电电流对充电电流的动态跟随,即当充电电流源的PMOS管的漏极电压随着不同频率所要求的压控电压Vctrl不同时,充电电流Iup将变化,此时,放电电流Idn也将跟随Iup变化,使Idn=Iup,实际上是一个复制充电电流的电路,这样保证了充放电电流匹配。
显然,此种电流的匹配是动态的匹配,而非传统电荷泵的静态匹配。传统电荷泵的静态匹配是指充放电电流源在静态时调好到Idn=Iup,但随着Vctrl的变化,会导致充放电电流不等。而本实用新型中提出的电路,克服了传统电荷泵这一缺点,特别适合宽频带PLL工作时对电荷泵动态匹配的要求。
Claims (4)
1.一种动态充放电电流匹配电荷泵电路,包括:主电荷泵电路(1)、辅助电荷泵电路(2)、环路滤波器电路(3)和偏置电路(4),其特征在于:
所述主电荷泵电路(1)中的UP信号全摆幅转低压摆幅信号差分放大器包括NMOS器件M7、M8、电阻R1、R2、R3和电流源Ibias2,R1一端接电源,另一端接R2和R3,R2和R3的另一端分别接M8和M7的漏极,M7和M8的源极都接电流源Ibias2,电流源的另一端接地,UP和UPB为差分信号输入端,分别与M8、M7的栅极相连;
所述主电荷泵电路(1)中的DOWN信号全摆幅转低压摆幅信号差分放大器包括PMOS器件M5、M6、电阻R4、R5、R6和电流源Ibias1,电流源Ibias1一端接电源Vdd,另一端接M5、M6的源极,M5、M6的漏极分别与电阻R5、R4相连,R4、R5的另一端与电阻R6相连,R6的另一端与地相连,DN和DNB为差分信号输入端,分别与M5、M6的栅极相连;
所述主电荷泵电路(1)中的传统电荷泵包括NMOS管M1、M2、M12和PMOS管M3、M4、M9,M9栅极与M14管的栅极和漏极相连,形成充电电流源,M9管源极与电源Vdd连接,M9管漏极与M3、M4的源极相连,M4漏极接地,栅极接M8的漏极,M3的栅极连接M7的漏极,M3的漏极接M1的漏极,同时接滤波器的电阻R和电容C2,M1、M2的源极与放电电流源管M12的漏极相连,M2的漏极与电源Vdd相连,栅极与M6漏极相连,M1栅极与M5漏极相连;
所述辅助电荷泵电路(2)中的UP信号全摆幅转低压摆幅信号差分放大器包括NMOS器件M26、M27、电阻R7、R8、R9和电流源Ibias3,R7一端接电源,另一端接R8和R9,R8和R9的另一端分别接M27和M26的漏极,M27和M26的源极都接电流源Ibias3,电流源的另一端接地,UP和UPB为差分信号输入端,分别与M27、M26的栅极相连;
所述辅助电荷泵电路(2)中的DOWN信号全摆幅转低压摆幅信号差分放大器包括PMOS器件M24、M25、电阻R10、R11、R12和电流源Ibias4;电流源Ibias4一端接电源Vdd,另一端接M24、M25的源极,M24、M25的漏极分别与电阻R11、R10相连,R10、R11的另一端与电阻R12相连,R12的另一端与地相连。UP和UPB为差分信号输入端,分别与M24、M25的栅极相连;
所述辅助电荷泵电路(2)中的传统电荷泵包括NMOS管M19、M20、M13和PMOS管M21、M22、M23;M23栅极与M14管的栅极和漏极相连,形成充电电流源,M23管源极与电源Vdd连接,M23管漏极与M21、M22的源极相连,M22漏极接地,栅极接M27的漏极,M21的栅极连接M26的漏极,M21的漏极接M19的漏极,同时接电容C和M10的栅极,M19、M20的源极与M13的漏极相连,M20的漏极与电源Vdd相连,栅极与M25漏极相连,M19栅极与M24漏极相连;
所述辅助电荷泵(2)电流镜包括NMOS管M10、M11和M12,M10的漏极接电源Vdd,源极接M11的漏极和栅极,栅极接电容C,M11的栅极与M12和M13栅极相连,源极接地,M12的源极接地,漏极与M1、M2的源极相连。
2.根据权利要求1所述动态充放电电流匹配电荷泵电路,其特征在于:主辅电荷泵电路UP和DOWN信号全摆幅转低压摆幅信号差分放大器的作用是降低差分信号电压摆幅,提高电荷泵开关管的速度。
3.根据权利要求1所述动态充放电电流匹配电荷泵电路,其特征在于:低压摆幅差分信号使主电荷泵电路(1)中M1、M2、M3、M4和辅助电荷泵电路(2)中M19、M20、M21、M22工作于截止或饱和状态,当场效应管工作于饱和区时,分别与电流源的MOS管串联,形成串联结构的电流源,提高了输出阻抗,使电流源趋于理想。
4.根据权利要求1所述动态充放电电流匹配电荷泵电路,其特征在于:辅助电荷泵电路实现放电电流对充电电流的跟随,即当充电电流源的PMOS管的漏极电压随着不同频率所要求的控制电压Vctrl不同时,充电电流Iup将变化,此时,放电电流Idn也将跟随Iup变化,使Idn=Iup,实际上是一个复制充电电流的电路,此种电流的匹配是动态的匹配。
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Date | Code | Title | Description |
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C14 | Grant of patent or utility model | ||
GR01 | Patent grant | ||
CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee | ||
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Granted publication date: 20151230 Termination date: 20160630 |