專利名稱：一種電荷泵鎖相環中的電荷泵電路的制作方法
技術領域：
本實用新型涉及電荷泵鎖相環(CPPLL)，尤其涉及一種電荷泵鎖相環中的電荷泵電路，采用MOS工藝，在寬輸出電壓下實現高精度電流匹配，并且具有高預充電電流，可直接適用于射頻與模擬集成電路中電荷泵鎖相環電路的應用。
背景技術：
鎖相環(PLL)頻率綜合器電路利用反饋的原理控制輸出變量，以實現輸出信號頻率對輸入信號頻率的自動跟蹤。電荷泵鎖相環(CPPLL)是目前鎖相環電路設計的主流， 由于它有捕捉范圍寬、捕捉時間短、線性范圍大、高速低功耗等優點，被廣泛地應用于現代通信領域及射頻領域中。如圖1所示，電荷泵鎖相環(CPPLL)由鑒頻鑒相器(PFD)、電荷泵(CP)、環路濾波器(LF)、壓控振蕩器(VCO)和分頻器(Divider)五部分組成。CP電路在 CPPLL中起著非常重要的作用，其主要功能是把PFD輸出的數字控制信號，包括充電信號 (UP)和放電信號(DW)轉換為模擬信號，進而來控制VCO的輸出頻率。CP對整個環路的性能起決定性作用，其電流匹配精度、電流匹配時輸出電壓范圍、預充電電流大小直接影響環路的性能。圖1電荷泵鎖相環(CPPLL)中的CP電路，包括開關S1和S2,以及分別與之相連的充電電流源Iup和放電電流源Idw。CP輸入端接PFD的輸出信號，輸出端接LF的輸入端。 PFD檢測輸入信號REF和DIV的頻率和相位的差別，產生充電信號(UP)和放電信號(DW)， UP信號控制S1的閉合與斷開，Dff信號控制&的閉合與斷開。開關S1和&分別控制CP的充電和放電過程。開關S1閉合，開關&斷開，CP通過充電電流源Iup對LF充電，Vrtri上升； 開關&閉合，開關S1斷開，CP通過放電電流源Idw對LF進行放電，Vctrl下降；開關S” &同時閉合或同時斷開時，CP不對LF進行充電或放電，Vctrl保持不變。CP設計的核心在于使充電電流和放電電流大小相等，并且在保證這兩股電流匹配的情況下，Vctrl輸出范圍盡可能的大。另外，CP的預充電電流越大，PLL的建立時間越短。 現有的電荷泵存在充放電電流失配、電流匹配時輸出電壓變化范圍窄、預充電電流小等不足，這些因素都不同程度影響了鎖相環的性能。
發明內容本實用新型的目的是為克服現有技術不足，提供一種電荷泵鎖相環中的電荷泵電路，采用的技術方案是一種電荷泵鎖相環中的電荷泵電路，其特征在于設有自偏置電流鏡電路、充放電電路、復制電路、預充電偏置電路及軌到軌運放電路，其中自偏置電流鏡電路設有電阻R、MOS管Ml、M2、M3以及參考電流源，電阻R —端連接MOS管Ml柵極和參考電流源，參考電流源另一端連接電源VDD，電阻R另一端連接MOS管 Ml的漏極和M2的柵極，MOS管Ml的源極連接M2的漏極，MOS管M2的源極連接M3的漏極， MOS管M3的柵極接電源VDD，M3的源極接地。充放電電路設有充電開關管M4和放電開關管M8以及肌5管115』5，^6^7組成的充放電電流源，充電開關管M4柵極連接充電信號UP，M4源極接電源VDD，MOS管M5與M5， 作為充電電流源，MOS管M5與M5，的源極連接在一起并與開關管M4的漏極連接，MOS管M5 與M5’的漏極相連作為電荷泵輸出端，與鎖相環中環路濾波器輸入端連接，MOS管M5與M5’ 的漏極連接在一起并與MOS管M6的漏極連接，MOS管M6的柵極與自偏置電流鏡電路中MOS 管Ml柵極連接，MOS管M6的源極與MOS管M7的漏極連接，MOS管M7的柵極和自偏置電流鏡電路中MOS管M2的柵極相連接，MOS管M7的源極連接放電開關管M8的漏極，放電開關管M8的柵極連接放電信號DW，M8的源極接地。復制電路是充放電電路結構的復制，設有與充電開關管M4相對應的充電開關管 M9、與MOS管M5、M5，相對應的MOS管M10、M10，、與MOS管M6、M7相對應的MOS管M11、M12 以及與放電開關管M8相對應的放電開關管M13，相對應的晶體管尺寸對應相等，充電開關管M9的源極連接電源VDD，M9柵極接地，MOS管M10、M10，的源極連接M9的漏極，MOS管 M10、M10，的漏極連接MOS管Mll的漏極，Mll的柵極連接自偏置電流鏡電路中MOS管Ml的柵極，MOS管Mll的源極連接MOS管M12的漏極，M12的柵極連接自偏置電流鏡電路中MOS 管M2的柵極，M12的源極連接放電開關管M13的漏極，M13的柵極接電源VDD，M13的源極接地。預充電偏置電路設有MOS管M14、M15、M16、M17、M18，MOS管M14的源極接電源 VDD, M14的柵極接地，M14的漏極接MOS管M15源極，M15的柵極與漏極連接在一起并與充放電電路MOS管M5’以及復制電路MOS管M10，的柵極連接，M15的漏極連接MOS管M16的漏極，M16的柵極連接自偏置電流鏡MOS管Ml的柵極，M16的源極連接MOS管M17的漏極， M17的柵極連接自偏置電流鏡MOS管M2的柵極，M17的源極連接MOS管M18的漏極，M18的柵極接電源VDD，M18的源極接地。軌到軌運放電路的負輸入端連接電荷泵的輸出端即充放電電路中MOS管M6的漏極，軌到軌運放電路的正輸入端連接復制電路中MOS管Mll的漏極，軌到軌運放電路的輸出端與充放電電路MOS管M5的柵極以及復制電路MOS管MlO的柵極連接在一起。軌到軌運放電路的輸出端還串聯一電阻&及電容Cc后連接軌到軌運放電路的正輸入端。本實用新型的優點及顯著效果(1)電荷泵的充電電流源采用兩個MOS管M5和M5，組成結構，M5的柵極由軌到軌運放的輸出端偏置，M5’的柵極由預充電偏置電路偏置，通過這樣的連接增加一個預充電支路，提高電荷泵預充電電流，縮短電荷泵鎖相環的建立時間，克服了現有電荷泵預充電電流小所導致電荷泵鎖相環建立時間長的不足。(2)充放電流匹配精度是電荷泵設計中最重要的指標，也是電荷泵設計的難點。本發明采用軌到軌運放的輸入端跨接于充放電電路和復制電路之間，運放輸出端連接充電電流源M5和MlO的柵極，采用這種結構，軌到軌運放的高增益保證運放的兩輸入端電位相等， 使得電荷泵的充放電流匹配，運放的高增益保證了電流匹配的高精度。(3)電荷泵充放電流匹配時輸出電壓范圍會影響壓控振蕩器的調諧范圍。本發明采用軌到軌運放，軌到軌運放具有寬輸入電壓范圍，這保證了電荷泵電流匹配時的寬輸出電壓范圍，克服了現有電荷泵結構存在電流匹配時輸出電壓窄的問題。(4)應用自偏置電流鏡結構，由于MOS管Ml和M2增加了電流鏡的輸出阻抗，為此提高電流鏡電流復制的精確度以及輸出電流的平穩度。
4[0016](5)電路結構簡單可靠，功耗低，易于集成。
圖1是已知的電荷泵鎖相環(CPPLL)的框圖及電荷泵的結構圖；圖2是本實用新型電荷泵原理電路圖；圖3是圖2中已知的寬輸入電壓高增益軌到軌運放的電路原理圖。
具體實施方式
參看圖2，本實用新型電荷泵鎖相環中的電荷泵電路包括自偏置電流鏡1、充放電電路2、復制電路3、預充電偏置電路4和軌到軌運放電路A。其中自偏置電流鏡電路1設有電阻R、M0S管M1、M2、M3以及參考電流源，電阻R — 端連接MOS管Ml柵極和參考電流源I,ef，參考電流源Iref另一端連接電源VDD，電阻R另一端連接MOS管Ml的漏極和M2的柵極，MOS管Ml的源極連接M2的漏極，MOS管M2的源極連接M3的漏極，MOS管M3的柵極接電源VDD，M3的源極接地。充放電電路2設有充電開關管M4和放電開關管M8以及MOS管M5、M5，、M6、M7組成的充放電電流源，充電開關管M4柵極連接充電信號UP, M4源極接電源VDD，MOS管M5與 M5，作為充電電流源，MOS管M5與M5’的源極連接在一起并與開關管M4的漏極連接，MOS 管M5與M5’的漏極相連作為電荷泵CP輸出端，與鎖相環中環路濾波器LF輸入端連接，MOS 管M5與M5，的漏極連接在一起并與MOS管M6的漏極連接，MOS管M6的柵極與自偏置電流鏡電路中MOS管Ml柵極連接，MOS管M6的源極與MOS管M7的漏極連接，MOS管M7的柵極和自偏置電流鏡電路中MOS管M2的柵極相連接，MOS管M7的源極連接放電開關管M8的漏極，放電開關管M8的柵極連接放電信號DW，M8的源極接地。復制電路3是充放電電路2結構的復制，設有與充電開關管M4相對應的充電開關管M9、與MOS管M5、M5，相對應的MOS管MlO、MlO，、與MOS管M6、M7相對應的MOS管Ml 1、 M12以及與放電開關管M8相對應的放電開關管M13，相對應的晶體管尺寸對應相等，充電開關管M9的源極連接電源VDD，M9柵極接地，MOS管M10、M10，的源極連接M9的漏極，MOS管 M10、M10，的漏極連接MOS管Mll的漏極，Mll的柵極連接自偏置電流鏡電路1中MOS管Ml 的柵極，MOS管Mll的源極連接MOS管M12的漏極，M12的柵極連接自偏置電流鏡電路1中 MOS管M2的柵極，M12的源極連接放電開關管M13的漏極，M13的柵極接電源VDD，M13的源極接地。保證了主體電路2和復制電路3中充放電流的匹配性。預充電偏置電路4設有MOS管M14、M15、M16、M17、M18，MOS管M14的源極接電源 VDD, M14的柵極接地，M14的漏極接MOS管M15源極，M15的柵極與漏極連接在一起并與充放電電路MOS管M5，以及復制電路MOS管M10，的柵極連接，M15的漏極連接MOS管M16的漏極，M16的柵極連接自偏置電流鏡MOS管Ml的柵極，M16的源極連接MOS管M17的漏極， M17的柵極連接自偏置電流鏡MOS管M2的柵極，M17的源極連接MOS管M18的漏極，M18的柵極接電源VDD，M18的源極接地。軌到軌運放電路A的負輸入端X點作為電荷泵的輸出端即充放電電路中MOS管M6 的漏極，軌到軌運放電路的正輸入端Y點連接復制電路中MOS管Mll的漏極，軌到軌運放電路的輸出端與充放電電路MOS管M5的柵極以及復制電路MOS管MlO的柵極連接在一起，軌到軌運放電路的輸出端還串聯一電阻&及電容Cc后連接軌到軌運放電路的正輸入端Y點。 軌到軌運放A和M5構成一個正反饋環路，軌到軌運放A和MlO構成一個負反饋環路，電阻 &及電容C。對負反饋環路進行密勒補償，增加環路的穩定性，防止運放震蕩。軌到軌運放電路A為已知電路，可采用《中國集成電路》2008第5期P63，權進國，張獻英著《軌到軌輸入輸出范圍運算放大器的噪聲分析和優化》參考圖一之電路如圖3所示，圖3省略了原圖運放VblVb2Vb3的具體偏置電路，實際應用中可以利用MOS管來代替圖3中的電流源Ib。上述電荷泵電路中，自偏置電流鏡1中的R、M1、M2與充放電電路中M6，M7構成一個自偏置共源共柵電流鏡、與復制電路3中Ml 1，M12構成另一個自偏置共源共柵電流鏡。 根據電流鏡鏡像原理，參考電流源通過電流鏡結構，分別按比例鏡像得到Idw、I。因為充放電電路2和復制電路3采用同一個參考電流源Iref，又因為M6、Mll尺寸相同，M7、M12 尺寸相同，所以Idw= I10因為MOS管M5、M10的柵極都是由軌到軌運放A輸出端偏置，MOS 管M5’、M10’的柵極都與M15的柵極相連，且由于軌到軌運放A的高增益，鉗制電位Vx = VY，所以Iup = 12。此外因為運放的輸入端沒有電流流入，所以I1 = 12。根據上述分析，可以推出Iup = Idw,即CP的充放電流匹配。軌到軌運放在寬輸入電壓范圍內能保持高增益， 由此擴大了 CP電流匹配時輸出電壓的范圍。預充電偏置電路4中，M17，M18與自偏置電流鏡電路R、M1、M2與構成又一個電流鏡，鏡像參考電流源Iref得到Ibia。當CP的輸出電壓為 OV時，預充電偏置電路4偏置充放電電路M5，和M10，的柵極，由M5，和M10，為CP提供預充電電流。預充電電流的大小取決于鏡像電流Ibia的大小。此結構的電荷泵具有高預充電電流值，高預充電電流對環路濾波器進行迅速充電，縮短鎖相環工作時的建立時間。因此， 通過增加預充電偏置電路4解決了 CP結構中存在低預充電電流的問題。通過仿真表明，本實用新型所設計的CP電路在輸出電壓匹配范圍為0. 13V 1.65V (工作電壓為1.8V)，電流匹配精度為0.01%，預充電電流為70 μ A (CP充放電流為 100 μ A)，本設計結構簡單，易于集成，適合高性能要求的鎖相環應用。
權利要求1.一種電荷泵鎖相環中的電荷泵電路，其特征在于設有自偏置電流鏡電路、充放電電路、復制電路、預充電偏置電路及軌到軌運放電路，其中自偏置電流鏡電路設有電阻R、M0S管M1、M2、M3以及參考電流源，電阻R —端連接MOS 管Ml柵極和參考電流源，參考電流源另一端連接電源VDD，電阻R另一端連接MOS管Ml的漏極和M2的柵極，MOS管Ml的源極連接M2的漏極，MOS管M2的源極連接M3的漏極，MOS 管M3的柵極接電源VDD，M3的源極接地；充放電電路設有充電開關管M4和放電開關管M8以及MOS管M5、M5，、M6、M7組成的充放電電流源，充電開關管M4柵極連接充電信號UP，M4源極接電源VDD，MOS管M5與M5，作為充電電流源，MOS管M5與M5，的源極連接在一起并與開關管M4的漏極連接，MOS管M5與 M5’的漏極相連作為電荷泵輸出端，與鎖相環中環路濾波器輸入端連接，MOS管M5與M5’的漏極連接在一起并與MOS管M6的漏極連接，MOS管M6的柵極與自偏置電流鏡電路中MOS管 Ml柵極連接，MOS管M6的源極與MOS管M7的漏極連接，MOS管M7的柵極和自偏置電流鏡電路中MOS管M2的柵極相連接，MOS管M7的源極連接放電開關管M8的漏極，放電開關管 M8的柵極連接放電信號DW，M8的源極接地；復制電路是充放電電路結構的復制，設有與充電開關管M4相對應的充電開關管M9、與 MOS管M5、M5’相對應的MOS管M10、M10’、與MOS管M6、M7相對應的MOS管M11、M12以及與放電開關管M8相對應的放電開關管M13，相對應的晶體管尺寸對應相等，充電開關管M9的源極連接電源VDD，M9柵極接地，MOS管M10、M10，的源極連接M9的漏極，MOS管M10、M10， 的漏極連接MOS管Mil的漏極，Mil的柵極連接自偏置電流鏡電路中MOS管Ml的柵極，MOS 管Mll的源極連接MOS管M12的漏極，M12的柵極連接自偏置電流鏡電路中MOS管M2的柵極，M12的源極連接放電開關管M13的漏極，M13的柵極接電源VDD，M13的源極接地；預充電偏置電路設有MOS管M14、M15、M16、M17、M18，MOS管M14的源極接電源VDD，M14 的柵極接地，M14的漏極接MOS管M15源極，M15的柵極與漏極連接在一起并與充放電電路 MOS管M5，以及復制電路MOS管M10，的柵極連接，M15的漏極連接MOS管M16的漏極，M16 的柵極連接自偏置電流鏡MOS管Ml的柵極，M16的源極連接MOS管M17的漏極，M17的柵極連接自偏置電流鏡MOS管M2的柵極，M17的源極連接MOS管M18的漏極，M18的柵極接電源 VDD, M18的源極接地；軌到軌運放電路的負輸入端連接電荷泵的輸出端即充放電電路中MOS管M6的漏極，軌到軌運放電路的正輸入端連接復制電路中MOS管Mll的漏極，軌到軌運放電路的輸出端與充放電電路MOS管M5的柵極以及復制電路MOS管MlO的柵極連接在一起。
2.根據權利要求1所述的電荷泵鎖相環中的電荷泵電路，其特征在于軌到軌運放電路的輸出端還串聯一電阻&及電容Cc后連接軌到軌運放電路的正輸入端。
專利摘要一種電荷泵鎖相環中的電荷泵電路，設有自偏置電流鏡電路、充放電電路、復制電路、預充電偏置電路及軌到軌運放電路，自偏置電流鏡電路設有電阻R、3個MOS管以及參考電流源。充放電電路設有充、放電開關管以及4個MOS管組成的充放電電流源。復制電路是充放電電路結構的復制，相對應的晶體管尺寸對應相等。預充電偏置電路設有5個MOS管，軌到軌運放電路的輸入端跨接于充放電電路和復制電路之間，輸出端連接電荷泵充電電流源。
文檔編號H03L7/08GK202043096SQ201120068390
公開日2011年11月16日 申請日期2011年3月16日 優先權日2011年3月16日
發明者李智群, 王志功, 鄭爽爽 申請人:東南大學