CN212231424U - 消除电流失配的电荷泵及锁相环电路 - Google Patents

Abstract

本实用新型揭示了一种消除电流失配的电荷泵及锁相环电路，所述电荷泵包括第一电流源、第一MOS管、第二MOS管、第三MOS管、运算放大器、第一开关、第二开关、第三开关及第四开关；第一电流源的输出端分别连接第一MOS管的栅极、第一MOS管的漏极、第三MOS管的栅极，第一MOS管的源极接地，第三MOS管的源极接地；第三MOS管的漏极分别连接所述第一开关的第二端、第二开关的第二端；第二MOS管的漏极分别连接第三开关的第一端、第四开关的第一端，第二MOS管的栅极连接所述运算放大器的输出端。本实用新型提出的消除电流失配的电荷泵及锁相环电路，可有效减小沟道长度调制效应对电流造成的失配；同时此电荷泵电路从原理上避免了电流源制造偏差带来的电流失配。

Description

消除电流失配的电荷泵及锁相环电路

技术领域

本实用新型属于电子电路技术领域，涉及一种电荷泵，尤其涉及一种消除电流失配的电荷泵及锁相环电路。

背景技术

锁相环电路广泛应用于各种电路中，在模拟电路中可以用于产生射频时钟信号，在数字电路中可以用于产生数字电路的参考时钟。电荷泵锁相环以其高性能，低功耗的特点，成为了一种经典的锁相环实现方式。

电荷泵是电荷泵锁相环中的一个核心模块。电荷泵搭配鉴频鉴相器一起工作，将环路的误差信号提取出，由环路滤波器进行进一步处理。电荷泵的性能对锁相环的整体性能有着显著影响：

(1)电荷泵的电流失配是锁相环输出杂散的来源之一；

(2)电荷泵的电流失配会造成鉴频鉴相器和电荷泵的非线性，这种非线性会将电路中的高频噪声混叠到低频，从而影响锁相环的噪声特性；

(3)电荷泵的噪声是整个锁相环噪声的一个重要组成部分；

(4)电荷泵正常工作时的输出电压范围决定了压控振荡器的输入调节范围。

传统解决电荷泵电流失配的方法中，电荷泵电流失配主要有两个来源，其一是MOS管的沟道长度调制效应，另一个是电流源的随机失配。

下面用图1所示电荷泵说明电流失配来源。在PLL电路中，vctrl电压由于VCO电路的工艺角偏差不可能和vbiasp电压相等，由于沟道长度调制效应，流过MN2和MN3的漏级电流会不一样。同样的道理，流过MP1和MP2的漏级电流也会不一样。而流过MN2和MP1的漏级的电流是一样的。如果vctrl电压比vbiasp电压低，那么流过MN3漏级电流比流过MN2漏级电流小，流过MP2漏级电流比流过MP1漏级电流大，又因为流过MN2漏级电流和流过MP1漏级电流相等，那么流过MP2漏级电流会大于流过MN3漏级电流。

在理想情况下，如果vctrl电压和vbiasp电压相等，沟道长度调制效应此时不会带来电流失配。此时MN2和MN3在制造时的非理想效应会造成电流失配：MN2和MN3会存在制造误差，即使MN2和MN3两个MOS管四端口电压都相等，流过MN2和MN3的漏级电流也会存在失配；同样MP1和MP2的漏级电流也会存在失配。

为了减小电荷泵电流建立时间，目前主流结构是采用电流舵式电荷泵。其中op是一个运算放大器，其作用是使得vdummy电压和vctrl电压相等。这种结构同样也会有上述两个电流失配来源。

有两种常用的方法可以用来减小电荷泵电流失配，下面分别论述其原理以及优缺点。

(1)利用共源共栅结构减小电流失配。

图3是一种利用共源共栅结构减小电流失配的电荷泵，其中MN2，MN3电流源漏级与共栅管MN4，MN5的源级相连，这样的结构减小了MN2和MN3漏级电流由于沟道长度调制效应引入的失配。这种结构的优点主要有两个，没有引入额外环路从而引起稳定性问题，没有引入额外噪声源影响电荷泵噪声。这种结构的主要缺点有三个，共栅管的加入减小了vctrl的电压变化范围；需要额外的偏置电路提供vcasn电压和vcasp电压；在深亚微米工艺中共源共栅结构对输出阻抗提升受限，电流失配改善程度受限。

(2)利用运算放大器减小电流失配。

图4是一种利用运算放大器减小电荷泵电流失配的电路。在下面电路中，运算放大器op1 使得vdummy电压和vctrl电压近似相等，运算放大器op2使得vbias电压和vdummy电压近似相等。对于电流源MN2和MN3，其漏级电压近似相等，这样对于MN2和MN3，沟道长度调制效应也近似相同，MN2和MN3漏级电流由于沟道长度调制效应引入的失配减小。同样的道理， MP1和MP2的电流失配也减小。而MN2漏级电流和MP1漏级电流相等，这样MN3漏级电流和MP2漏级电流失配也减小了。这种结构的优点主要有两个，没有额外消耗电路的电压裕度，对沟道长度调制效应引入的电流失配改善比共源共栅结构更好。这种结构的缺点主要有三个， op2会引入额外的噪声，op2会消耗额外的电流，要加入额外补偿电容消除不稳定风险。

有鉴于此，如今迫切需要设计一种新的电荷泵，以便克服现有电荷泵存在的上述至少部分缺陷。

实用新型内容

本实用新型提供一种消除电流失配的电荷泵及锁相环电路，可有效减小沟道长度调制效应对电流造成的失配。

为解决上述技术问题，根据本实用新型的一个方面，采用如下技术方案：

一种消除电流失配的电荷泵，所述电荷泵包括：第一电流源、第一MOS管、第二MOS管、第三MOS管、运算放大器、第一开关、第二开关、第三开关及第四开关；

所述第一电流源的输出端分别连接第一MOS管的栅极、第一MOS管的漏极、第三MOS管的栅极，第一MOS管的源极接地，所述第三MOS管的源极接地；所述第三MOS管的漏极分别连接所述第一开关的第二端、第二开关的第二端；

所述第二MOS管的漏极分别连接第三开关的第一端、第四开关的第一端，所述第二MOS 管的栅极连接所述运算放大器的输出端；

所述运算放大器的正相输入端分别连接第三开关的第二端、第一开关的第一端，所述运算放大器的反相输入端连接所述第四开关的第二端、第二开关的第一端、参考电压。

作为本实用新型的一种实施方式，所述电荷泵还包括第二电流源，所述第二电流源的输出端连接第二MOS管的漏极。

作为本实用新型的一种实施方式，所述第一MOS管为NMOS管。

作为本实用新型的一种实施方式，所述第三MOS管为NMOS管。

作为本实用新型的一种实施方式，所述第二MOS管为PMOS管。

作为本实用新型的一种实施方式，所述第三MOS管为N电流源，所述第二MOS管为P电流源；所述运算放大器分别连接所述第三MOS管及第二MOS管；

所述运算放大器比较P电流源和N电流源的电流，运算放大器的输出连接所述第二MOS 管，向所述第二MOS管反馈栅极偏置电压，使得P电流源电流和N电流源电流相等。

根据本实用新型的另一个方面，采用如下技术方案：

一种消除电流失配的锁相环电路，所述锁相环电路包括：鉴频鉴相器、上述的电荷泵、环路滤波器、压控振荡器及反馈回路分频器；所述鉴频鉴相器、电荷泵、环路滤波器、压控振荡器及反馈回路分频器形成一环路。

作为本实用新型的一种实施方式，所述鉴频鉴相器用以向所述电荷泵发送控制其第一开关、第二开关、第三开关及第四开关工作的控制信号；

所述鉴频鉴相器能控制所述第一开关及第三开关打开、第二开关及第四开关关闭，同时能控制所述第一开关及第三开关关闭、第二开关及第四开关打开。

作为本实用新型的一种实施方式，在锁相环锁定后，每个参考时钟周期电荷泵向环路滤波器注入的电荷与电荷泵从环路滤波器抽取的电荷相等。

本实用新型的有益效果在于：本实用新型提出的消除电流失配的电荷泵及锁相环电路，可有效减小沟道长度调制效应对电流造成的失配；同时此电荷泵电路从原理上避免了电流源制造偏差带来的电流失配。此电荷泵不消耗额外的电压裕度，消耗电流比传统电流舵电荷泵更小。

附图说明

图1为现有一电荷泵的电路示意图。

图2为现有一电流舵电荷泵的电路示意图。

图3为现有一共源共栅电流舵电荷泵的电路示意图。

图4为现有一电流舵电荷泵的电路示意图。

图5为本实用新型一实施例中电荷泵的电路示意图。

图6为本实用新型一实施例中锁相环电路的电路示意图。

图7为本实用新型一实施例中电荷泵的电路示意图。

具体实施方式

下面结合附图详细说明本实用新型的优选实施例。

为了进一步理解本实用新型，下面结合实施例对本实用新型优选实施方案进行描述，但是应当理解，这些描述只是为进一步说明本实用新型的特征和优点，而不是对本实用新型权利要求的限制。

该部分的描述只针对几个典型的实施例，本实用新型并不仅局限于实施例描述的范围。相同或相近的现有技术手段与实施例中的一些技术特征进行相互替换也在本实用新型描述和保护的范围内。

本实用新型揭示了一种消除电流失配的电荷泵，图5为本实用新型一实施例中电荷泵的电路示意图；请参阅图5，所述电荷泵包括：第一电流源、第一MOS管MN1、第二MOS管MP2、第三MOS管MN3、运算放大器op3、第一开关sw1、第二开关sw2、第三开关sw3及第四开关sw4。

所述第一电流源的输出端分别连接第一MOS管MN1的栅极、第一MOS管MN1的漏极、第三MOS管MN3的栅极，第一MOS管MN1的源极接地，所述第三MOS管MN3的源极接地；所述第三MOS管MN3的漏极分别连接所述第一开关sw1的第二端、第二开关sw2的第二端。

所述第二MOS管MP2的漏极分别连接第三开关sw3的第一端、第四开关sw4的第一端，所述第二MOS管MP2的栅极连接所述运算放大器op3的输出端；

所述运算放大器op3的正相输入端分别连接第三开关sw3的第二端、第一开关sw1的第一端，所述运算放大器op3的反相输入端连接所述第四开关sw4的第二端、第二开关sw2的第一端、参考电压。

在本实用新型的一实施例中，所述第一MOS管及第三MOS管为NMOS管，所述第二MOS管为PMOS管；当然，第一MOS管MN1、第二MOS管MP2、第三MOS管MN3的类型也可以为其他类型。

如图5所示，所述第三MOS管为N电流源，所述第二MOS管为P电流源；所述运算放大器分别连接所述第三MOS管及第二MOS管；所述运算放大器比较P电流源和N电流源的电流，运算放大器的输出连接所述第二MOS管，向所述第二MOS管反馈栅极偏置电压，使得P电流源电流和N电流源电流相等。

本实用新型提出的电荷泵，可消除电荷泵电流失配，与传统电荷泵相比，在电压裕度，电荷泵所消耗电流以及电流匹配程度上都有明显优势。

本方法的核心思想是直接比较P电流源和N电流源的电流，利用运算放大器的负反馈机理使得P电流源电流和N电流源电流相等。

如图5所示，该电路中MN3是N电流源，其栅极偏置电压来源于二极管形式连接的MN1。 P电流源MP2的栅极偏置电压由运算放大器op3提供。此电荷泵电路中的运算放大器会使得 vdummy电压和vctrl电压相等。

在第一开关sw1和第三开关sw3闭合，第二开关sw2和第四开关sw4断开时，流过MN3漏级电流IdsN3_a和流过MP2漏级电流IdsP2_a相等。MN3和MP2的漏级电压为vdummy。

在第一开关sw1和第三开关sw3关断，第二开关sw2和第四开关sw4闭合时，流过MN3的漏级电流为IdsN3_b。IdsN3_b与IdsN3_a的差别是由于这两种情况下MN3漏级电压由vdummy 变为vctrl，沟道长度调制效应导致电流会有失配。又因为运算放大器op3的存在，vdummy 电压和vctrl电压相等，所以IdsN3_b和IdsN3_a相等。

用同样分析方法可以得知，IdsP2_b和IdsP2_a相等。这样就能够得到在电荷泵工作时的电流IdsN3_b和IdsP2_b相等，沟道长度调制效应引入的失配被抑制。

图1中传统电荷泵由于制造偏差，MN2和MN3漏级电流会有失配，第一MOS管MP1和第二 MOS管MP2漏级电流也会有失配，但是在本实用新型所提出的结构中，由于没有这种电流镜存在，所以也没有制造偏差造成的失配。

图7为本实用新型一实施例中电荷泵的电路示意图；请参阅图7，在本实用新型的一实施例中，所述电荷泵还包括第二电流源，所述第二电流源的输出端连接第二MOS管的漏极。

本实用新型也不局限图5中所示的P电流产生方法，也可以如图7所示，P电流源由第二MOS管MP2和第二电流源I0共同提供。此电路的主要优点由两个，第一可以用噪声更小的电流源I0为电荷泵提供电流，从而使得整个电路噪声更小；第二可以减小MP2电流之后，op3 所消耗的电流可以更小，更适合低功耗应用。

本实用新型并不局限于所给出的电荷泵的CMOS实现方式，也可应用于由BJT实现的电荷泵。本实用新型所提出的电荷泵不局限于由二极管连接的NMOS管为N电流源提供栅极电压，由运算放大器为P电流源提供栅极电压；也包括由二极管连接的PMOS管为P电流源提供栅极电压，由运算放大器为N电流源提供栅极电压。本实用新型提出的电荷泵不局限于用在锁相环中的电荷泵。

本实用新型还揭示一种消除电流失配的锁相环电路，图6为本实用新型一实施例中锁相环电路的电路示意图；在本实用新型的一实施例中，所述锁相环电路包括：鉴频鉴相器PFD、上述的电荷泵CP、环路滤波器LF、压控振荡器VCO及反馈回路分频器FBDV；所述鉴频鉴相器 PFD、电荷泵CP、环路滤波器LF、压控振荡器VCO及反馈回路分频器FBDV形成一环路。

在本实用新型的一实施例中，所述鉴频鉴相器PFD用以向所述电荷泵发送控制其第一开关sw1、第二开关sw2、第三开关sw3及第四开关sw4工作的控制信号；所述鉴频鉴相器PFD 能控制所述第一开关sw1及第三开关sw3打开、第二开关sw2及第四开关sw4关闭，同时能控制所述第一开关sw1及第三开关sw3关闭、第二开关sw2及第四开关sw4打开。

如图6所示，其中up和upb为互补信号，dn和dnb为互补信号。在锁相环锁定后，每个参考时钟周期电荷泵向环路滤波器注入的电荷与电荷泵从环路滤波器抽取的电荷相等。假设流过第二MOS管MP2漏级的电流为I_dsP2，流过第三MOS管MN3漏级的电流为I_dsN3；sw4闭合时间为t_p，sw2闭合时间为t_n，可以得到公式(1)：

I_dsP2×t_p＝I_dsN3×t_n (1)

第二MOS管MP2和第三MOS管MN3每个周期(一个周期时间记为T)内向vdummy点注入和抽取的电荷也相等，这样可以得到公式(2)：

I_dsP2×(T-t_p)＝I_dsN3×(T-t_n) (2)

由公式(1)和(2)可以得到：I_dsP2＝I_dsN3。此公式说明第三MOS管MN3漏级电流和第二MOS管MP2漏级电流相等，又根据上文分析，在电流舵电流切换时，因为第三MOS管MN3 和第二MOS管MP2漏级电压相等，从而也消除了沟道长度调制效应带来的电流失配。

在本实用新型的一实施例中，在锁相环锁定后，每个参考时钟周期电荷泵向环路滤波器注入的电荷与电荷泵从环路滤波器抽取的电荷相等。

在小数锁相环中，在每一个周期内，由于差分积分调制器的存在，电流源通过第二开关 sw2和第四开关sw4向vctrl抽取和注入的电荷数量不相等。但是由于vctrl点直流电压在环路锁定后不会发生变化，所以在多个周期内，电流源通过开关sw2和sw4抽取和注入的电荷数量相等。由于vdummy点直流电压也保持恒定，所以电流源通过sw1和sw3抽取和注入的电荷数量相等。用同样的分析方法可以得到与整数锁相环相同的结论。

综上所述，本实用新型提出的消除电流失配的电荷泵及锁相环电路，可有效减小沟道长度调制效应对电流造成的失配；同时此电荷泵电路从原理上避免了电流源制造偏差带来的电流失配。此电荷泵不消耗额外的电压裕度，消耗电流比传统电流舵电荷泵更小。

以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。

这里本实用新型的描述和应用是说明性的，并非想将本实用新型的范围限制在上述实施例中。实施例中所涉及的效果或优点可因多种因素干扰而可能不能在实施例中体现，对于效果或优点的描述不用于对实施例进行限制。这里所披露的实施例的变形和改变是可能的，对于那些本领域的普通技术人员来说实施例的替换和等效的各种部件是公知的。本领域技术人员应该清楚的是，在不脱离本实用新型的精神或本质特征的情况下，本实用新型可以以其它形式、结构、布置、比例，以及用其它组件、材料和部件来实现。在不脱离本实用新型范围和精神的情况下，可以对这里所披露的实施例进行其它变形和改变。

Claims (9)

1.一种消除电流失配的电荷泵，其特征在于，所述电荷泵包括：第一电流源、第一MOS管、第二MOS管、第三MOS管、运算放大器、第一开关、第二开关、第三开关及第四开关；

所述第一电流源的输出端分别连接第一MOS管的栅极、第一MOS管的漏极、第三MOS管的栅极，第一MOS管的源极接地，所述第三MOS管的源极接地；所述第三MOS管的漏极分别连接所述第一开关的第二端、第二开关的第二端；

所述第二MOS管的漏极分别连接第三开关的第一端、第四开关的第一端，所述第二MOS管的栅极连接所述运算放大器的输出端；

所述运算放大器的正相输入端分别连接第三开关的第二端、第一开关的第一端，所述运算放大器的反相输入端连接所述第四开关的第二端、第二开关的第一端、参考电压。

2.根据权利要求1所述的电荷泵，其特征在于：

所述电荷泵还包括第二电流源，所述第二电流源的输出端连接第二MOS管的漏极。

3.根据权利要求1所述的电荷泵，其特征在于：

所述第一MOS管为NMOS管。

4.根据权利要求1所述的电荷泵，其特征在于：

所述第二MOS管为PMOS管。

5.根据权利要求1所述的电荷泵，其特征在于：

所述第三MOS管为NMOS管。

6.根据权利要求1所述的电荷泵，其特征在于：

所述第三MOS管为N电流源，所述第二MOS管为P电流源；所述运算放大器分别连接所述第三MOS管及第二MOS管；

所述运算放大器比较P电流源和N电流源的电流，运算放大器的输出连接所述第二MOS管，向所述第二MOS管反馈栅极偏置电压，使得P电流源电流和N电流源电流相等。

7.一种消除电流失配的锁相环电路，其特征在于，所述锁相环电路包括：鉴频鉴相器、权利要求1至5任一所述的电荷泵、环路滤波器、压控振荡器及反馈回路分频器；所述鉴频鉴相器、电荷泵、环路滤波器、压控振荡器及反馈回路分频器形成一环路。

8.根据权利要求7所述的锁相环电路，其特征在于：

所述鉴频鉴相器用以向所述电荷泵发送控制其第一开关、第二开关、第三开关及第四开关工作的控制信号；

所述鉴频鉴相器能控制所述第一开关及第三开关打开、第二开关及第四开关关闭，同时能控制所述第一开关及第三开关关闭、第二开关及第四开关打开。

9.根据权利要求7所述的锁相环电路，其特征在于：

在锁相环锁定后，每个参考时钟周期电荷泵向环路滤波器注入的电荷与电荷泵从环路滤波器抽取的电荷相等。

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