[發明專利]應用于鎖相環中的源極開關型電荷泵

無效

• 申請號: 200910072512.8
• 申請日: 2009-07-16
• 公開（公告）號: CN101610082A
• 公開（公告）日: 2009-12-23
• 發明（設計）人: 高志強;來逢昌;蘭金保;李艷琴;樸貞真
• 申請（專利權）人: 哈爾濱工業大學
• 主分類號: H03L7/08
• 分類號: H03L7/08
• 代理公司: 哈爾濱市松花江專利商標事務所
• 代理人: 岳泉清

技術領域

本發明涉及集成電路技術領域，特別涉及一種應用于鎖相環中的源極開關 型電荷泵。

背景技術

鎖相環在集成電路中得到了非常廣泛的應用，例如：系統級芯片中的片上 時鐘發生器、有線通信芯片中的時鐘與數據恢復電路、無線通信芯片中的頻率 合成器和調制與解調電路。常用的電荷泵型鎖相環如圖1所示，它一般由鑒頻 鑒相器、電荷泵、環路濾波器和壓控振蕩器這幾個電路模塊依次串接而成，構 成一個閉環相位負反饋系統，從而使得鎖相環的輸出信號Fvco的頻率和相位 能實時跟蹤鎖定輸入參考信號Fref的頻率和相位。

在鎖相環中，鑒頻鑒相器的功能是檢測輸入參考信號Fref與鎖相環的輸 出信號Fvco之間的頻率和相位誤差，然后輸出脈沖寬度與該誤差值大小成比 例的電荷泵充、放電控制信號UP和DN。電荷泵的功能是根據UP和DN信 號的脈沖寬度對環路濾波器進行相應時間長度的充電和放電。鎖相環系統對電 荷泵的性能要求是：電荷泵的充電電流Iup和放電電流Idn在靜態時大小應盡 量相等，在動態時它們的建立速度和關斷速度應盡量一致。這也就是說，電荷 泵不僅應盡量靜態匹配，同時也應盡量動態匹配。如果電荷泵的匹配性能不好， 則會造成在鎖定狀態下鎖相環的輸出信號Fvco與輸入參考信號Fref之間仍存 在確定的相位誤差，從而引起壓控振蕩器的控制電壓Vctrl發生周期性的波動， 進而造成鎖相環輸出信號Fvco的功率譜上出現明顯的參考雜散。

圖2是傳統的源極開關型電荷泵，其中VbN1、VbN2和VbP2是由外部 偏置電路產生的合適的偏置電壓，UP是鑒頻鑒相器輸出信號UP的反相。在 此電荷泵中，MN1、MN2、MN3、MP1、MP2和MP3分別是MN4、MN5、 MN6、MP4、MP5和MP6的m倍鏡像，因而理想情況下(即Vctrl＝VbP1時) 存在：

Idn＝m×Idnr??(1-1)

Iup＝m×Iupr??(1-2)

又因為流經由MN4、MN5和MN6所串聯而成的通路的所有電流都必定 流經由MP4、MP5和MP6所串聯而成的通路，故存在：

Idnr＝Iupr??(1-3)

由式(1-1)、式(1-2)和式(1-3)可以推知：

Idn＝m×Idnr＝m×Iupr＝Iup??(1-4)

式(1-4)說明圖2所示的傳統電荷泵在理想情況下(即Vctrl＝VbP1時)其充電 電流Iup和放電電流Idn大小相等，它因而具有完美的靜態匹配特性。但在實 際應用中，當輸入參考信號Fref的頻率變化時，壓控振蕩器的控制電壓Vctrl 會相應地變化，以使得鎖相環的輸出信號Fvco能夠與Fref保持頻率和相位同 步，這造成通常只存在Vctrl≈VbP1，因而圖2所示的傳統電荷泵的實際靜態 匹配特性為：

Idn≈m×Idnr＝m×Iupr≈Iup??(1-5)

為了減小壓控振蕩器的控制電壓Vctrl的變化所引起的靜態失配，圖2所 示的傳統電荷泵采用了級聯結構(MN2與MN3級聯以及MP2與MP3級聯)來 增大Iout端口的輸出電阻，從而減小了Vctrl變化對充電電流Iup和放電電流 Idn大小的影響，它因而仍具有較好的靜態匹配性能。

此外，圖2所示的傳統電荷泵通過增加VbP1和電源電壓之間的電容C_P減小了MP1的導通過程對VbP1的影響，從而使得充電電流Iup可以快速、平 穩地建立起來；同理，它還通過增加VbN1和地之間的電容C_N減小了MN1 的導通過程對VbN1的影響，從而使得放電電流Idn也可以快速、平穩地建立 起來。它的動態匹配性能因而也得到了一定程度的改善，但是，它仍存在以下 不足：

(1)由于NMOS管的速度通常比PMOS管的速度快，所以由NMOS管 MN1、MN2和MN3構成的放電通路的速度通常比由PMOS管MP1、MP2和 MP3構成充電通路的速度快，這造成放電電流Idn的建立速度比充電電流Iup 的快，因而會引起電荷泵的動態失配；