[發明專利]一種低電壓電荷泵鎖相環中高性能電荷泵電路

有效

• 申請號: 201310326987.1
• 申請日: 2013-07-30
• 公開（公告）號: CN103390998A
• 公開（公告）日: 2013-11-13
• 發明（設計）人: 羅彥彬;甘業兵;錢敏;陳妙萍;馬成炎
• 申請（專利權）人: 江蘇物聯網研究發展中心
• 主分類號: H02M3/07
• 分類號: H02M3/07
• 代理公司: 無錫市大為專利商標事務所 32104
• 代理人: 曹祖良

技術領域

本發明涉及一種電路結構，尤其是一種低電壓電荷泵鎖相環中高性能電荷泵電路，屬于集成電路的技術領域。

背景技術

電荷泵鎖相環是射頻鎖相環中最常用的一種鎖相環結構，如圖1所示為現有常用的電荷泵鎖相環結構，工作時各種非理想效應將會疊加在一起將會惡化鎖相環的特性。電荷泵（CP）在鎖相環中的作用是將鑒頻鑒相器（PFD）輸出的數字控制信號（UP，DN）通過對環路濾波器的電容充放電轉化為控制壓控振蕩器（VCO）的模擬控制信號。電荷泵在環路中對鎖相環的性能起到了決定性的作用：電荷泵的充放電電流的不匹配，開關的電荷共享、電荷注入和時鐘饋通效應等都會使環路濾波器的輸出電壓發生變化，變化的壓控電壓會對控制壓控振蕩器（VCO）進行頻率調制，惡化鎖相環的相位噪聲性能。

隨著微電子技術向納米方向發展，要求集成電路的工作電壓也越來越低，而傳統的采用cascode結構的電荷泵電路由于管子的疊加，為使管子工作于飽和區，電流匹配范圍將會進一步縮小，滿足不了控制壓控振蕩器（VCO）的壓控電壓范圍的要求，因此常規的cascode結構的電荷泵將不再適用于低電壓電荷泵鎖相環。

如圖3所示，為不采用cascode結構的常規電荷泵結構。由于65nm或更小尺寸的晶體管溝道調制效應非常明顯，如圖4的仿真結果可知，溝道調制效應非常明顯，能達到設計要求的1%電流匹配范圍極小。在低電壓工作下，過窄的電壓調諧范圍對寬帶壓控振蕩器的壓力已經很大，如果電荷泵充放電電流的匹配范圍繼續減小，將會進一步的減小壓控振蕩器可用的電壓范圍，增大其設計壓力。

低電壓鎖相環中的電荷泵設計核心是：在保證充放電匹配的條件下，輸出電壓的匹配范圍越寬越好，同時在整個靜態電流匹配范圍內，充放電電流大小保持一致有利于鎖相環性能的提高，動態電流匹配性能良好。現在低電壓下使用較多的電荷泵結構在很多專利和學術論文中已發表：電路中使用了一個運算放大器，一條充放電電路，一條電流復制電路。使用了一個運算放大器即可達到擴大電流匹配的范圍，減少電荷泵的電荷共享、電荷注入等非理想因素，降低鎖相環的毛刺。但是使用一個運算放大器但是在整個匹配范圍內，由于65nm及以下工藝，晶體管的溝道調制效應非常明顯，在不同的輸出電壓Vctrl下，充放電的電流大小不一樣，對環路濾波器的充放電時間不一樣，使得鎖相環的鎖定時間在不同的壓控電壓下有差異，會影響鎖相環的相位噪聲性能。

發明內容

本發明的目的是克服現有技術中存在的不足，提供一種低電壓電荷泵鎖相環中高性能電荷泵電路，其結構緊湊，能擴大電流匹配的范圍，動態電流匹配性能好，穩定性能高，適應范圍廣，安全可靠。

按照本發明提供的技術方案，所述低電壓電荷泵鎖相環中高性能電荷泵電路，包括充放電電路及與所述充放電電路匹配連接的電流復制電路；所述充放電電路包括第一充放電支路及第二充放電支路，電流復制電路包括第一電流復制支路及第二電流復制支路；第一電流復制支路、第二電流復制支路、第一充放電支路及第二充放電支路與用于提供偏置電壓的偏置電路連接；第二電流復制支路、第一充電放電支路與第一軌到軌運算放大器連接，第一電流復制支路、第二充放電支路與第二軌到軌運算放大器連接，第一軌到軌運算放大器的輸出端與第一軌到軌運算放大器同相輸入端間通過第一密勒補償電路連接，第二軌到軌運算放大器的輸出端與第二軌到軌運算放大器的同相輸入端通過第二密勒補償電路連接，第一軌到軌運算放大器的反相端與第二軌到軌運算放大器的反相端連接，第二充放電支路與第一電流復制支路的電流比值與第一充放電支路與第二電流復制支路的電流比值相等。

所述第一電流復制支路包括處于常導通狀態的第一傳輸門及第二傳輸門；第一傳輸門的第一傳輸端與電源VDD連接，第一傳輸門的第二傳輸端通過第一電流鏡與第二電流鏡連接，第二電流鏡的輸出端與第二傳輸門的第一傳輸端連接，第二傳輸門的第二傳輸端接地，第一電流鏡與偏置電路的輸出端連接；

第二電流復制支路包括處于常導通狀態的第三傳輸門及第四傳輸門；第三傳輸門的第一傳輸端與電源VDD連接，第三傳輸門的第二傳輸端通過第三電流鏡與第四電流鏡連接，第四電流鏡的輸出端與第四傳輸門的第一傳輸端連接，第四傳輸門的第二傳輸端接地，第四電流鏡與偏置電路的輸出端連接；

第一充放電支路包括第五傳輸門及第六傳輸門，第五傳輸門的第一傳輸端與電源VDD連接，第五傳輸門的第二傳輸端通過第五電流鏡與第六電流鏡連接，第六電流鏡的輸出端與第六傳輸門的第一傳輸端連接，第六傳輸門的第二傳輸端接地，第六電流鏡與偏置電路的輸出端連接；