專利名稱：電荷泵電路的制作方法
技術領域：
本發明屬于集成電路技術領域，具體涉及一種電荷泵鎖相環中的電荷泵電路的設計。
背景技術：
鎖相環的概念是20世紀30年代提出的，之后很快應用于電子學和通信領域。電荷泵鎖相環(Charge Pump Phase-Locked Loop, CPPLL)是目前鎖相環電路設計的主流,具有捕捉范圍寬、捕捉時間短、線性范圍大、高速低功耗等優點，因此被廣泛應用于現在通信以及射頻領域中。鎖相環(PLL)是把輸出信號和輸入信號的相位相比較的反饋系統。圖I為典型 的電荷泵鎖相環系統，包括鑒頻鑒相器(PFD)、電荷泵(CP)、環路濾波器(LF)、壓控振蕩器(VC0)、分頻器(MMD)等模塊。CP電路在CPPLL中起著非常重要的作用，它將PFD電路輸出 的數字控制信號，包括充、放電控制信號UP、DOWN轉換為模擬信號，進而來控制VCO的輸出頻率，實現鎖相的功能。此處的模擬信號主要有兩個要求1、紋波小；2、線性度好。這就要求CP電路要滿足兩個條件I、充、放電電流相等；2、在一定范圍內，充、放電電流保持恒定。在實際應用中，CP電路受到溝道長度調制效應、電荷共享、電荷注入等非理想因素的制約，存在嚴重的電流源電流失配，這是影響環路性能的主要因素。現有的第一種電荷泵電路如圖2所示，包括PMOS電流鏡MP1、MP3，NMOS電流鏡麗2、MN4，PMOS開關管MP4，NMOS開關管麗3，偏置電路，鑒頻鑒相器的輸出控制信號UP、DOWN以及電荷泵電容Ccp，主體電路可分為支路I、支路2。偏置電路為后級電路提供偏置電壓和電流，11/12按照一定比例鏡像參考電流Iref。鑒頻鑒相器的輸出控制信號UP控制MP4的導通與關斷，DOWN控制麗3的導通與關斷，當UP、DOWN為低時MP4導通、麗3關斷，Ich鏡像Il對電容充電，當UP、DOWN為高時MP4關斷、麗3導通，Idis鏡像12對電容放電，當MP4、MN3同時關斷時，電容C不進行放電或者充電，Vcp維持不變。該電路的缺點在于1、電流鏡電流失配問題由于溝道調制效應，PMOS電流鏡MP3和NMOS電流鏡MN4的Vds不相等，例如Vcp為高時，MP4、麗3的漏極電壓為高，則Ich〈Idis，那么在復位脈沖期間，MP4、麗3都開啟，此時電容C就會釋放電荷，Vcp會跟著降低，不會維持不變，這會對下級電路造成影響。2、電荷共享問題電流鏡MP3管、MN4管分別靠近電源和地，漏極存在一定的電容，假設開關管MP4、MP3都斷開，那么MP3管使節點Y充電到VDC，MN4管使節點X放電到零電位。在下一個相位比較瞬間，若開關管MP4、MP3都開啟，節點X的電位上升，節點Y的電位下降，如果忽略開關管MP4、MP3上的電壓降，則VX=VY=Vcp,即使CX=CY，VX的變化量也不一定等于VY的變化量，這兩者之差由Ccp提供，從而導致Ccp上電壓的跳動。圖3中可以明顯看出Ich和Idis不相等。由于鑒頻鑒相器內部環路的延遲，其輸出信號UP和DOWN會有很窄的復位脈沖，雖然復位脈沖可起到消除死區的作用，但會使得PM0S、NMOS開關管同時導通，如果這時充、放電電流不相等，電荷泵電容Ccp上的凈電流不為零，使得Ccp的電位在每個周期都有固定的變化，鎖相環路為了保持鎖定，就會在輸入、輸出之間產生相位誤差。現有的第二種電荷泵電路如圖4所示，包括PMOS電流鏡MP2、MP4, NMOS電流鏡麗3、麗5，PMOS開關管MP3，NMOS開關管麗5，偏置電路麗I、麗2，鑒頻鑒相器的輸出控制信號UP、D0WN以及電荷泵電容Ccp，主體電路可分為支路I、支路2。該電路可以看作第一種電荷泵電路的改進，第一增添了跨導運算放大器，通過反饋作用使得X、Y兩點電位相等，從而實現了充、放電電流相等；第二 交換了開關管和電流鏡的位置，解決了電荷共享問題，但是從圖5的波形圖可以看出，該泵電路Ich=Idis,但是Ich、Idis隨輸出電壓變化，因此沒有實現充、放電電流恒定。
發明內容
本發明的目的是為了解決上述電荷泵電路沒有實現充、放電電流恒定的問題，提出了一種電荷泵電路。 本發明的技術方案是一種電荷泵電路，具體包括啟動單元、閾值基準單元、電流鏡單元和運算放大器，具體連接關系是所述啟動單元為閾值基準單元和電流鏡單元提供啟動電壓，所述運算放大器的輸出端分別與閾值基準單元的輸入端和電流鏡單元的第一輸入端相連；所述閾值基準單元的輸出端與運算放大器的正向輸入端相連，所述電流鏡單元的輸出端與運算放大器的負向輸入端相連并作為所述電荷泵電路的輸出端，所述電流鏡單元的第二輸入端作為所述電荷泵電路的輸入端。本發明的有益效果相比第一種電荷泵電路，本發明的電荷泵電路解決了充、放電電流匹配問題和電荷共享問題；相比現有的第二種電荷泵電路，本發明的電荷泵電路是直接將運算放大器用在閾值基準單元和電流鏡單元之間，而不是將運算放大器用兩個電流鏡單元之間，這樣保持了電容的充、放電電流的恒定，從而解決了充、放電電流變化的問題，使得電荷泵電容電壓線性變化，可更精確的控制對電容的充、放電；本發明的電荷泵電路結構簡單，易于集成，且充放電電流源匹配精度高，適合于低壓低功耗應用。
圖I為電荷泵鎖相環系統結構示意圖。圖2為現有的第一種電荷泵電路結構示意圖。圖3為現有的第一種電荷泵電路結構輸出電壓、電流波形示意圖。圖4為現有的第二種電荷泵電路結構示意圖。圖5為現有的第二種電荷泵電路輸出電壓、電流波形示意圖。圖6為本發明的電荷泵電路結構示意圖。圖7為本發明的電荷泵電路具體實現示意圖。圖8為本發明的電荷泵電路輸出電壓、電流波形示意圖。
具體實施例方式以下結合附圖和具體實施方式
對本發明作進一步的說明。本發明的電荷泵電路如圖6所示，電荷泵電路,具體包括啟動單元、閾值基準單元、電流鏡單元和運算放大器0TA，具體連接關系是所述啟動單元為閾值基準單元和電流鏡單元提供啟動電壓，所述運算放大器的輸出端分別與閾值基準單元的輸入端和電流鏡單元的第一輸入端相連；所述閾值基準單元的輸出端與運算放大器的正向輸入端相連，所述電流鏡單元的輸出端與運算放大器的負向輸入端相連并作為所述電荷泵電路的輸出端，所述電流鏡單元的第二輸入端作為所述電荷泵電路的輸入端。可以看出這里的閾值基準單元提供恒定電流，電流鏡單元鏡像閾值基準單元的恒定電流，運算放大器能夠保證閾值基準單元電流和電流鏡單元電流精確相等。圖7給出了本發明的一種實現形式，下面對三個子單元分別進行闡述。啟動單元包括電阻RUNMOS管麗I、麗2，其中，麗2管為二極管連接形式，麗2管的柵極接到麗I管的柵極和電阻Rl的一端，麗2管的源極接到地，電阻Rl的另一端和麗I管的漏極接到外部的電源電壓VDC，麗I管的源極作為啟動單元的輸出端。閾值基準單元具體包括PM0S管MP1、MP2、MP3、MP4，NMOS管MN3、MN4和MN5，電阻 R2，其中，PMOS管MPl的柵極、MP3的柵極均短接到地，MPl的源極、MP3的源極均接到外部的電源電壓VDC，PMOS管MPl的漏極接到MP2的源極，PMOS管MP3的漏極接到PMOS管MP4的源極，PMOS管MP2的柵極和MP4的柵極相連接作為所述閾值基準單元的輸入端，PMOS管MP2的漏極接到NMOS管麗3的漏極，麗3管的柵極接到MN4管的源極和電阻R2的一端，MN4管的柵極并作為閾值基準單元的啟動輸入端，MP4管的漏極接到MN4管的漏極并作為閾值基準單元的輸出端，R2的另一端接到麗5管的漏極，麗5管的源極接到地、柵極接到外部的電源電壓VDC。電流鏡單元具體包括PM0S管MP5、MP6，NMOS管MN6、MN7和電阻R3，其中，PMOS管MP5的源極接到外部的電源電壓VDC，MP5的漏極接到MP6的源極，MP6的漏極接到MN6的漏極并作為所述電流鏡單元第一輸入端和輸出端，MN6的柵極作為所述電流鏡單元的啟動輸入端，MN6的源極接到電阻R3的一端，R3的另一端接到麗7管的漏極，麗7管的源極接到地，MP5的柵極和MN7的柵極連接在一起并作為所述電流鏡單元第二輸入端。可以看出，電荷泵電路的輸入端即電流鏡單元的第二輸入端接鑒頻鑒相器的輸出控制信號，一般情況下，輸出控制信號的高電平為電源電壓5V,低電平為OV ;電容Ccp作為電荷泵電容，電荷泵電路的輸出電壓信號就是電容Ccp上的電壓Vcp。本領域的技術人員應該意識到，上述三個子單元只是本發明的示例，在具體應用到本發明所提出的電荷泵電路時，可以分開使用，即可以只使用某一個或兩個子單元，均不影響本發明的實現。在此以圖7所示的實施例來說明本發明電路的工作原理和工作過程。首先說明本發明的電荷泵電路解決電荷共享問題的原理圖7中本發明電路中改變了電流鏡和開關管的位置，電流鏡漏極的電容和電荷泵電路電容Ccp在同一節點，這樣就兩個電流鏡漏極電容的電壓變化量相等，也就避免了電荷共享問題。圖7中本發明電路中添加了 0TA，隨著輸出電壓Vcp的升高，即Y點電位升高，由于存在溝道長度調制效應，Ich會降低。OTA的負輸入端升高，其輸出端降低，此時OTA的正輸入端還未來得及變化，即MP4管的柵極電壓降低，MP4管的漏源電壓不變，則電流13升高，此時電流14也會跟著升高，MN4的柵源電壓不變，則漏極電壓會升高，最終OTA的正負輸入端電壓相等，即在保證MP2管、MP4管、麗3管、MN4管工作在飽和區的范圍內，使X、Y節點處電位相等。當鑒頻鑒相器輸出信號為低時，支路3上MP5開關管導通、MN7開關管關斷，MP4管的柵極與MP6管的柵極有相同的偏置，漏極由OTA鉗位，所以Ich=I3=I4，又MN4管的柵極與MN6管的柵極有相同的偏置，且源極電位相同，所以Idis=I4，這樣就實現了 Ich=Idis。PMOS管MP1、MP3，且柵極接地，NMOS管麗5，且柵極接電源電壓，以及支路3上電阻R3都是為了匹配充放電電路，使電路結構完全對稱，電流更精確的鏡像，增加輸出擺幅。最后說明的是本發明實現充、放電電流恒定的原理，對比圖5和圖8中的波形圖可以很明顯的看出現有的第二種電荷泵電路Ich=Idis但是IcKIdis隨輸出電壓變化，本發明所述的電荷泵電路實現了 Ich=Idis=constant。根據等式Vcp=Q/C=I At/C可知Vcp正比于充/放電電流，如果充、放電電流恒定就可更精確地控制Ccp上的電壓。對比圖4中現有的電荷泵電路，該電路將OTA用到電流鏡支路I和支路2之間，使得X、Y點電位相同，Ich=Idis=Il/I2。11/12鏡像Iref，若X點電位恒定，那么Il就是恒定的，但實際情況是電容Ccp上的電壓(即Y點電位)會變化、導致X點電位隨Y點電位變化，支路I上電流鏡管的源漏電壓變化，使得11/12變化，那么 Ich.Idis就變化。圖7中本發明所述的電荷泵電路，該電路將OTA用到閾值基準電路的支路2和電流鏡電流(支路3)之間，使得X、Y點電位相同，Ich=Idis=I3/I4, 13/14由基準電路產生，可認為是和定值，這樣就實現了在保證閾值基準電路中MP2管、MP4管、麗3管、MN4管工作在飽和區的前提下Ich=Idi s=constant。綜上可以看出，相比第一種電荷泵電路，本發明的電荷泵電路解決了充、放電電流匹配問題和電荷共享問題；相比現有的第二種電荷泵電路，本發明的電荷泵電路是直接將運算放大器用在閾值基準單元和電流鏡單元之間，而不是將運算放大器用兩個電流鏡單元之間，這樣保持了電容的充、放電電流的恒定，從而解決了充、放電電流變化的問題，使得電荷泵電容電壓線性變化，可更精確的控制對電容的充、放電；本發明的電荷泵電路結構簡單，易于集成，且充放電電流源匹配精度高，適合于低壓低功耗應用。本領域的普通技術人員將會意識到，這里所述的實施例是為了幫助讀者理解本發明的原理，應被理解為發明的保護范圍并不局限于這樣的特別陳述和實施例。凡是根據上述描述做出各種可能的等同替換或改變，均被認為屬于本發明的權利要求的保護范圍。
權利要求
1.一種電荷泵電路，具體包括啟動單元、閾值基準單元、電流鏡單元和運算放大器，具體連接關系是所述啟動單元為閾值基準單元和電流鏡單元提供啟動電壓，所述運算放大器的輸出端分別與閾值基準單元的輸入端和電流鏡單元的第一輸入端相連；所述閾值基準單元的輸出端與運算放大器的正向輸入端相連，所述電流鏡單元的輸出端與運算放大器的負向輸入端相連并作為所述電荷泵電路的輸出端，所述電流鏡單元的第二輸入端作為所述電荷泵電路的輸入端。
2.根據權利要求I所述的電荷泵電路，其特征在于，所述啟動單元包括第一電阻、第一NMOS管、第二 NMOS管，其中，第二 NMOS管管為二極管連接形式，第二 NMOS管的柵極接到第一NMOS管的柵極和第一電阻的一端，第二NMOS管的源極接到地，第一電阻的另一端和第一NMOS管的漏極接到外部的電源電壓，第一 NMOS管的源極作為所述啟動單元的輸出端。
3.根據權利要求I所述的電荷泵電路，其特征在于，所述閾值基準單元具體包括第一PMOS管、第二 PMOS管、第三PMOS管、第四PMOS管，第三NMOS管、第四NMOS管和第五NMOS管，第二電阻，其中，第一 PMOS管的柵極、第三PMOS管的柵極均短接到地，第一 PMOS管的源極、第三PMOS管的源極均接到外部的電源電壓，第一 PMOS管的漏極接到第二 PMOS管的源極，第三PMOS管的漏極接到第四PMOS管的源極，第二 PMOS管的柵極和第四PMOS管的柵極相連接并作為所述閾值基準單元的輸入端，第二 PMOS管的漏極接到第三NMOS管的漏極，第三NMOS管的柵極接到第四NMOS管的源極和第二電阻的一端，第四NMOS管的柵極并作為閾值基準單元的啟動輸入端，第四PMOS管的漏極接到第四NMOS管的漏極并作為閾值基準單元的輸出端，第二電阻的另一端接到第五NMOS管的漏極，第五NMOS管的源極接到地、柵極接到外部的電源電壓。
4.根據權利要求I所述的電荷泵電路，其特征在于，所述電流鏡單元具體包括第五PMOS管、第六PMOS管，第六NMOS管、第七NMOS管和第三電阻，其中，第五PMOS管的源極接到外部的電源電壓，第五PMOS管的漏極接到第六PMOS管的源極，第六PMOS管的漏極接到第六NMOS管的漏極并作為所述電流鏡單元第一輸入端和輸出端，第六NMOS管的柵極作為所述電流鏡單元的啟動輸入端，第六NMOS管的源極接到第三電阻的一端，第三電阻的另一端接到第七NMOS管的漏極，第七NMOS管的源極接到地，第五PMOS管的柵極和第七NMOS管的柵極連接在一起并作為所述電流鏡單元第二輸入端。
全文摘要
本發明公開了一種電荷泵電路，具體包括啟動單元、閾值基準單元、電流鏡單元和運算放大器，具體連接關系是所述啟動單元為閾值基準單元和電流鏡單元提供啟動電壓，所述運算放大器的輸出端分別與閾值基準單元的輸入端和電流鏡單元的第一輸入端相連；所述閾值基準單元的輸出端與運算放大器的正向輸入端相連，所述電流鏡單元的輸出端與運算放大器的負向輸入端相連并作為所述電荷泵電路的輸出端，所述電流鏡單元的第二輸入端作為所述電荷泵電路的輸入端。本發明的電路直接將運算放大器用在閾值基準單元和電流鏡單元之間，而不是將運算放大器用兩個電流鏡單元之間，保持了電容的充、放電電流的恒定，使得電荷泵電容電壓線性變化。
文檔編號H02M3/07GK102739043SQ20121020137
公開日2012年10月17日 申請日期2012年6月19日 優先權日2012年6月19日
發明者彭宜建, 方健, 李源, 楊毓俊, 臧凱旋, 袁同偉, 谷洪波, 賈姚瑤, 陶垠波 申請人:電子科技大學