[發明專利]一種消除電荷共享的電荷泵電路

有效

• 申請號: 201210595900.6
• 申請日: 2012-12-28
• 公開（公告）號: CN103916007B
• 公開（公告）日: 2017-08-11
• 發明（設計）人: 陳森;李羅生
• 申請（專利權）人: 華大半導體有限公司
• 主分類號: H02M3/07
• 分類號: H02M3/07
• 代理公司: 暫無信息
• 代理人: 暫無信息

技術領域

本發明涉及一種可解決電荷共享問題的電荷泵，用于鎖相環(Phase locked loop，PLL)電路中。

背景技術

鎖相環是把輸出相位和輸出相位進行比較的反饋系統，這一系統最早在1930年被提出，而且很快在電子學和通信領域中廣泛的應用。圖1是鎖相環的系統框圖，主要由四部分構成：鑒頻鑒相器(PFD)/電荷泵(CP)、環路濾波器(LPF)、壓控振蕩器(VCO)、分頻器(DIVIDER)。鑒頻鑒相器用于比較兩路輸入信號的相位差，并相應地啟動電荷泵，當環路開始工作時，壓控振蕩器通過分頻器后的輸出頻率可能遠離參考時鐘頻率，鑒頻鑒相器和電荷泵改變壓控振蕩器控制電壓，使分頻器的輸出頻率接近參考時鐘頻率。當鑒頻鑒相器的兩路信號頻率足夠接近時，鑒頻鑒相器被當作鑒相器使用，進行相位鎖定。當相位差降低到零并且電荷泵不再對環路濾波器進行充放電時，環路就鎖定了。

由于電荷泵的非理想效應，即使在鎖相環環路鎖定的情況下，壓控振蕩器的控制電壓也會存在一定的紋波，這些紋波對壓控振蕩器起調制作用，使得輸出波形不再是周期性的。圖2給出了一個鎖相環電路中電荷泵的實現電路，其中包括：M1和M4為電流源，M2和M3作為開關。Q_A經過一級反相，這樣當Q_A變高時，M2導通。由于充電電流由PMOS管M1提供，放電電流由NMOS管M4提供，因為兩種電流源的工作狀態不相關，所以兩路電流源很難匹配，這種電流不匹配會引起控制點電壓V_cout周期性充放電，產生周期性的毛刺信號。由于開關管M2、M3存在柵漏電容，開關信號會耦合到控制點電壓V_cout，柵漏電容越大則耦合越強，這種由于時鐘信號耦合引起的控制電壓變化被稱為時鐘饋通，這種非理想效應同樣也會引起控制點電壓的變化，從而導致周期性毛刺信號的產生。電荷泵中的另外一個重要的非理想效應是電荷共享問題，由于電流源M1、M4存在一定的電容，在M2與M3都關斷的情況下，M1使X節點充電到VDD，M4使Y節點放電到GND。在下一個相位比較瞬間，開關管M2、M3均導通，從而使得X節點下降，Y節點上升，如果忽略在開關管上的電壓降，則有X節、Y節和控制點電壓V_cout均相等，如果相位誤差為零，充電電流源和放電電流源完全匹配，且X節和Y節點電容完全相等，此時也不能保證X節和Y節點電壓變化量相等。當控制點電壓V_cout較高時，X節點變化量較大而Y節點變化量較小，這兩者變化的差額需要由控制點上的電容C來補充，這就導致了控制點電壓V_cout的波動，從而導致輸出時鐘頻率的波動。

發明內容

為了解決這種由于電荷共享引起的控制電壓紋波，同時減少充電電流源和放電電流源的失配，針對目前鎖相環電路中電荷泵電路的不足，本發明的目的是提供一種用于消除電荷共享，并具有低失配優點的電荷泵電路。本發明適用于電荷泵鎖相環電路。

消除電荷共享的低失配電荷泵電路至少包括：消除上拉支路電荷共享的11支路和消除下拉支路電荷共享的12支路。消除上拉支路電荷共享的11支路包括一個開關管3、單位增益放大器5和一個電流源9，其中開關管3的源極，電流源7的輸出端和開關管1的源極三點均連接在x點處；開關管3的漏極與單位增益放大器5的輸出以及電流源9的輸入三端均連接在一起；電流源9的輸出端接到GND上；單位增益放大器5的差分輸入端中一端接在電荷泵的輸出端VC處。消除下拉支路電荷共享的12支路包括一個開關管4、單位增益放大器6和一個電流源10，其中電流源10的輸入端和電流源7的輸入端均接到電源VDD上；電流源10的輸出端與單位增益放大器6的輸出端以及開關管4的漏極三端均連接在一起；開關管4的源極與開關管2的源極以及電流源8的輸入端三端均連接在Y點處；單位增益放大器6的差分輸入端中一端接在電荷泵的輸出端VC處。電荷泵的主電流支路包括電流源7、開關管1、開關管2和電流源8，其中開關管1的漏極和開關管2的漏極，以及單位增益放大器5的差分輸入端中一端和增益放大器6的差分輸入端中一端共四條支路全部連接到電荷泵的輸出端VC處。開關管1受UPB信號控制，開關管2受DW信號控制，開關管3受UP信號控制，開關管4受DWB信號控制。11支路的控制信號UP和1的控制信號UPB互為差分對，12支路的控制信號DWB和2的控制信號DW互為差分對。其中電流源10完全復制電荷泵電路中7支路的電流；電流源9完全復制電荷泵電路中8支路的電流。