[發明專利]一種基于并聯反饋的電荷泵

有效

• 申請號: 201310461993.8
• 申請日: 2013-09-30
• 公開（公告）號: CN103490626A
• 公開（公告）日: 2014-01-01
• 發明（設計）人: 朱光;朱瑾;刁盛錫;林福江
• 申請（專利權）人: 中國科學技術大學
• 主分類號: H02M3/07
• 分類號: H02M3/07
• 代理公司: 北京科迪生專利代理有限責任公司 11251
• 代理人: 楊學明

技術領域

本發明涉及電荷泵的技術領域，具體涉及一種基于并聯反饋的電荷泵。

背景技術

在通信系統中，時鐘信號是最關鍵的信號之一，其往往由頻率綜合器提供，其性能的好壞直接決定了信號傳輸的質量。比如，如果頻率綜合器的輸出頻譜有較大的雜散（spur），這個雜散可以將非信號頻段的噪聲變頻到信道內，與要傳輸的信號重疊，惡化信噪比（SNR），而這個噪聲又很難濾除。所以抑制頻率綜合器的輸出雜散是非常重要的。

頻率綜合器的輸出頻譜雜散是由于壓控振蕩器（VCO）的控制信號中有周期性的波動，通過壓控振蕩器的積分效果，轉換為新的頻率成分，即為雜散。雜散是由鑒頻鑒相器（PFD）和電荷泵（CP）的非線性造成的，包括時序偏移，漏電流和電流失配等等，其中電流失配對雜散的影響最為嚴重，因此電荷泵的電流失配是一項重要的性能指標。電荷泵的電流失配程度是在輸出電壓范圍內定義的，即輸出電壓范圍小，電流失配低；輸出電壓范圍大，電流失配也大。輸出電壓范圍是電荷泵的另一個關鍵性能指標，大的輸出電壓范圍可以降低壓控振蕩器對控制電壓的增益，利于提高頻率綜合器噪聲性能。所以電荷泵的設計目標是電流失配小，電壓輸出范圍大。

引起電流失配的原因是溝道長度調制效應，其導致輸出電流不能完美的復制參考電流，因而造成電流失配。為了減輕或消除電流失配，很多技術被發明。例如通過長溝道晶體管來減輕溝道長度調制效應，通過共源共柵結構（cascode）來提高電荷泵的輸出阻抗，降低輸出電壓對輸出電流的影響，這樣的工作有很多，例如圖2是W.Rhee在1999年提出的一種高性能電荷泵（【1】W.Rhee,“Design?of?high?performance?CMOS?charge?pumps?in?phase?locked?loop,”Proc.IEEE?Int.Symp.Circuits?Syst.,May1999,pp.545-548）。共柵共源結構在提高輸出阻抗的同時，由于場效應管的堆疊，造成電荷泵的輸出電壓范圍降低。由于場效應管閾值電壓的降低速度低于電源電壓的降低速度，所以對于先進工藝，這種結構就會造成輸出電壓范圍大大降低的問題。圖3是J-S?Lee等發明的一種新的電荷泵結構（【2】J-S?Lee?et?al.,“Charge?pump?with?perfect?current?matching?characteristics?in?phase-locked?loops,”Electron.Lett.,vol.36,no.23,pp.1907-1908,Nov.2000）。此電路通過高增益運算放大器將輸出電壓與參考支路的電流源漏端電壓鉗位在一起，使得輸出支路精確拷貝參考支路，因而電流失配極低。夸張一點，這個電路消除了電流失配，卻產生了四方面問題。一是運放引入了額外的功耗；二是運放的輸出噪聲將引入到輸出電流中，使得電荷泵的噪聲性能惡化；三是運放的有效輸入范圍決定了電荷泵的輸出范圍，如果通過措施拓寬運放的有效輸入范圍，則進一步增加額外功耗；四是運放的設計提高了電路設計的復雜度。圖4是T-H?Lin等提出的在傳統電荷泵基礎上改進的新結構，通過引入并聯場效應管反饋電阻來減低溝道長度調制效應的影響（【3】T-H?Lin?et?al.,“Dynamic?Current-Matching?Charge?Pump?and?Gated-Offset?Linearization?Technique?for?Delta-Sigma?Fractional-N?PLLs,”IEEE.Trans.Circuits?Syst.I,vol.56,no.25,pp.877–885,May2009）。例如對于輸出電流I_dn，當沒有場效應管反饋電阻的時候，輸出電流隨輸出電壓的上升而上升。而場效應管反饋電阻的值隨著輸出電壓的增加而減小，使得輸出電流源的柵電壓降低，從而減輕或者抵消溝道長度調制效應。對于I_up亦是如此。此結構僅僅通過引入場效應管即可降低電流泵的失配，同時代價非常的小，是很好的進步。但是此電路的問題在于，只有在場效應管反饋電阻開啟之后才開始起作用。對于I_dn，較小的輸出電壓時輸出電流依然很小；對于I_up，較大的輸出電壓時輸出電流也依然很小。所以即使反饋電阻抵消了溝道長度調制效應，在較小和較大輸出電壓處，I_dn和I_up的失配依然不會很小，換句話說，場效應管反饋電阻結構的電荷泵的輸出范圍并沒有較大提高。再深入分析一下，可以發現，反饋電阻只作用在了I_dn曲線的高輸出電壓端和I_up曲線的低輸出電壓端，本發明就是在此基礎上對參考電流源的開關引入并聯反饋電阻，從而達到提高I_dn曲線在低輸出電壓端和I_up曲線在高輸出電壓端電流的作用，使得I_dn和I_up曲線在較大范圍內平坦，提高了一定匹配精度下的輸出電壓范圍。