一种用于锁相环的匹配型电荷泵电路

摘要

本发明公开了一种用于锁相环的匹配型电荷泵电路，其结构包括按比例偏置电路、电流复制电路、下沉恒流源电路、上拉恒流源电路和开关电路；按比例偏置电路将外部基准电流按比例放大；电流复制电路把NMOS电流镜中的电流严格复制给PMOS电流镜；下沉恒流源电路用于为后级负载放电；上拉恒流源电路用于为后级负载充电；开关电路用于控制充放电电流源的开通和切断。本发明提供的用于锁相环的匹配型电荷泵电路，按比例偏置电路的偏置电流镜像比例，取决于电阻R0、R1之间的电阻值之比，相对传统结构更加精确可靠；并且不受工艺角和温度变化的影响，精确控制电荷泵锁相环的环路参数；较好的消除了一般电荷泵设计中存在的电荷共享效应。

说明书

技术领域

本发明涉及电荷泵锁相环（CPPLL），尤其涉及一种用于锁相环的匹配型电荷泵电路，实现了电路的高匹配性，可以显著降低锁相环系统的相位噪声。

背景技术

CMOS电荷泵锁相环电路（Charge Pump Phase-locked Loop, CPPLL）具有高速、低功耗、低抖动、低成本和易集成等优点，在频率合成、时钟恢复等电路中被广泛采用。作为电荷泵锁相环里的一个关键模块，电荷泵电路的电流匹配特性直接关系到CPPLL的近端相位噪声性能。如何进一步提高电荷泵的电流匹配特性，一直是电荷泵设计和研究的焦点。

理想的电荷泵结构如图1所示，其功能是将鉴频鉴相器（PFD）输出的UP和DOWN信号转换为模拟的连续变化的电压信号，用以调谐控制压控制振荡器（VCO）的振荡皮率。当PFD输出的UP输出信号起主导作用时，电荷泵中的电流源I_up对环路滤波器进行充电，VCO的压控端电压升高，VCO的振荡频率也为之相应改变；反之，DOWN信号主导时，电荷泵中的电流源I_down对环路滤波器进行放电，VCO的压控电压信号降低。相对于第一种情况，理想电荷泵的输出信号应该保持在一个固定的直流电位上，VCO的振荡频率也不再发生变化，理想的电荷泵电路应当具备完美的充放电电流匹配特性。

但是常见的电荷泵电路实际结构存在时钟馈通、电荷共享等多种非理想效应，电荷泵上拉电流和下沉电流之间难以达到理想情况下的完美匹配，电路匹配特性远远达不到理想中的匹配状态。

发明内容

本发明的目的在于针对以上问题，提供一种用于锁相环的匹配型电荷泵电路，通过增加反馈辅助电路，精确控制电流镜像比例，使电荷上拉和下沉电流精准匹配，能够大幅减小电路中非理想效应的新型电荷泵电路。该电路结构能够通过提高电荷泵电流匹配特性，降低电荷泵电路中的非理想效应，显著抑制CPPLL中相位噪声（某一给定频率偏移处信号功率与信号总功率的比值）及杂散（有用频带内的无用信号）的产生，提高电荷泵锁相环的相位噪声性能，最终使CPPLL得到谐波分量更低的输出信号。

为达到上述目的，本发明采取的技术方案是：提供一种用于锁相环的匹配型电荷泵电路，其特征在于：包括按比例偏置电路、电流复制电路、下沉恒流源电路、上拉恒流源电路和开关电路；其中，

所述按比例偏置电路将外部基准电流按比例放大，生成电荷泵电路所需的偏置电流；所述按比例偏置电路由第一运算放大器OPA1及负反馈电路组成；所述按比例偏置电路的输入端接外部基准电流源；所述按比例偏置电路的输出端与电流复制电路的输入端连接；所述第一运算放大器OPA1的正输入端和负输入端分别与负反馈电路的电阻R0、R1连接；

所述电流复制电路把下沉恒流源电路中的电流严格复制给上拉恒流源电路，保证了电流复制的精准性；所述电流复制电路由第二运算放大器OPA2及电压钳位反馈电路组成；所述电流复制电路的输出端与电荷泵电路的输出端连接；

所述下沉恒流源电路用于为后级负载放电；所述下沉恒流源电路的栅端输入与按比例偏置电路中的第一运算放大器OPA1的输出端连接；所述下沉恒流源电路的输出端与电荷泵电路的输出端连接；

所述上拉恒流源电路用于为后级负载充电；所述上拉恒流源电路的输入端与电流复制电路中的第二运算放大器OPA2的输出端连接；所述上拉恒流源电路的输出端与电荷泵电路的输出端连接；

所述开关电路用于控制充放电电流源的开通和切断。

所述负反馈电路还包括MOS管MN0、MN1、MN2和参考电流源I_cp；；所述参考电流源I_cp的输入端接电源；所述参考电流源I_cp的输出端、电阻R0、MOS管MN0的漏端顺次连接；所述MOS管MN0和MN2的源端接地；所述MOS管MN0和MN2的栅端接高电平；所述MOS管MN2的漏端、电阻R1、MOS管MN1的源端顺次连接；所述第一运算放大器OPA1的输出端与MOS管MN1的栅端连接；所述MOS管MN1的漏端为按比例偏置电路的输出端。

所述第一运算放大器OPA1为基于PMOS输入的运算放大器。

所述电压钳位反馈电路包括电阻R2、R3，电容C0，MOS管MP0、MP1、MP2、MP3；所述MOS管MP1的漏端与MOS管MN1的漏端连接；所述MOS管MP1的源端与MOS管MP0的漏端连接；所述MOS管MP0的栅端接低电平；所述MOS管MP0和MP2的源端接电源；所述MOS管MP2的栅端接开关输入信号UP1；所述MOS管MP2的漏端和MOS管MP3的源端连接；所述MOS管MP3的漏端与电荷泵的输出端OUT连接；所述第二运算放大器OPA2的正输入端与MOS管MP1的漏端连接；所述第二运算放大器OPA2的负输入端与电阻R3一端连接；所述电阻R3的另一端与电荷泵的输出端OUT连接；所述第二运算放大器OPA2的输出端同时与MOS管MP1和MP3的栅端连接；所述电容C0的一端与第二运算放大器OPA2的输出端连接，另一端与电阻R2的一端连接；所述电阻R2的另一端与第二运算放大器OPA2的正输入端连接。

所述第二运算放大器OPA2为轨到轨运算放大器。

所述下沉恒流源电路由N路NMOS电流镜构成，其中N≥1；所述第N路NMOS电流镜包括电阻R_N+3和MOS管MN_2N+1；所述MOS管MN_2N+1的源端与电阻R_N+3的一端连接；所述MOS管的漏端与电荷泵的输出端OUT连接；所述电阻R_N+3的另一端与开关电路中的MOS管MN_2N+2的漏端连接。

所述上拉恒流源电路由N路PMOS电流镜构成，其中N≥1；所述第N路PMOS电流镜包括MOS管MP_2N+1；所述MOS管MP_2N+1的源端与开关电路中的MOS管MP_2N的漏端连接；所述MOS管MP_2N+1的漏端与电荷泵的输出端OUT连接。

所述开关电路由N路NMOS开关管和N路PMOS开关管构成，其中N≥1；第N路NMOS开关管包括MOS管MN_2N+2；所述第N路PMOS开关管包括MOS管MP_2N；所述MOS管MP_2N的源端接电源；所述MOS管MN_2N+2的源端接地。

本发明提供的用于锁相环的匹配型电荷泵电路具有以下有益效果：

1、按比例偏置电路的偏置电流镜像比例，取决于电阻R0、R1之间的电阻值之比；在芯片物理版图的设计中，电阻间的匹配比MOS的宽长比匹配更加精确可靠，并且不受工艺角和温度变化的影响；这一设计有利于精确控制电荷泵上拉和下沉电流的大小，进而精确控制CPPLL的环路参数；

2、电流复制电路采用运算放大器构成的反馈结构将电荷泵输出点电压和复制电路的输入节点电压一致钳位，保证了PMOS电流镜构成的上拉恒流源电路和NMOS电流镜构成的下沉恒流源电路中的多路电流镜像MOS管处于同样的偏置状态。各路电流镜像比例满足严格的匹配特性。较好的消除了一般电荷泵设计中存在的电荷共享效应；

3、上拉恒流源电路和下沉恒流源电路中的镜像MOS管在共同的偏置状态下避免了采用共源共栅电流镜的一般结构，使电荷泵电压输出得到更宽的摆幅范围；

4、开关电路设计在电流镜像MOS管的源端位置更加有利于改善电荷泵输出阻抗，减小开关电流毛刺效应。

附图说明

图1为传统电荷泵电路的原理图；

图2为用于锁相环的匹配型电荷泵电路结构；

图3为用于锁相环的匹配型电荷泵电路里第一运算放大器电路结构；

图4为用于锁相环的匹配型电荷泵电路里第二运算放大器电路结构。

具体实施方式

下面结合附图及实施例对本发明进行详细的描述，但它们不是对本发明的进一步限制。

如图2所示，本发明公开的用于锁相环的匹配型电荷泵电路，包括按比例偏置电路、电流复制电路、下沉恒流源电路、上拉恒流源电路和开关电路；其中，

按比例偏置电路用于将外部基准电流按比例放大，生成电荷泵电路所需的偏置电流，按比例偏置电路由第一运算放大器OPA1及负反馈电路组成；按比例偏置电路的输入端接电源；按比例偏置电路的输出端与电流复制电路的输入端连接；负反馈电路包括电阻R0、R1；第一运算放大器OPA1的正输入端和负输入端分别与电阻R0、R1连接形成节点1、节点2；负反馈电路还包括MOS管MN0、MN1、MN2和参考电流源I_cp；参考电流源I_cp的输入端接电源；参考电流源I_cp的输出端、电阻R0、MOS管MN0的漏端顺次连接；MOS管MN0和MN2的源端接地； MOS管MN0和MN2的栅端接高电平；MOS管MN2的漏端、电阻R1、MOS管MN1的源端顺次连接；第一运算放大器OPA1的输出端与MOS管MN1的栅端连接形成节点3；MOS管MN1的漏端为按比例偏置电路的输出端。

第一运算放大器OPA1为基于PMOS输入的运算放大器。如图3所示，第一运算放大器OPA1包括输入偏置电流Ib，输入差分对PMOS管MP0′、MP1′，套筒式共源共栅输出级MP2′、 MP3′、MP4′、MP5′、MN0′、MN1′、MN2′、MN3′。在本实施例中，按比例偏置电路中的MOS管MN0 和MN2具有相同的器件尺寸，是处于常开状态的NMOS开关管，与控制下沉恒流源的NMOS开关电路中的NMOS开关管尺寸一致，保持良好的电路匹配特性，并具有很小的导通电阻；第一运算放大器OPA1和NMOS管MN1构成一组负反馈回路，将节点1和节点2的电压钳位在相同的直流电平上，因此， 流经电阻R0和R1的电流之比就完全取决于电阻R0和R1的阻值之比。该偏置方式对比一般设计中采用比例镜像电流源的偏置方式，牺牲了电路设计复杂度，得到了匹配性能更好，比例关系不随工艺和温度变化按比例偏置电路。

值得注意的是，电阻R0、R1的器件选型应当在工艺库中选择物理版图尺寸较大的低值电阻，以提高匹配精度、减小电阻热噪声对电路噪声性能的影响并进一步提高电荷泵电路的输出摆幅。按比例偏置电路中的第一运算放大器OPA1可以选择多种结构，但是其输入幅度范围必须能够满足低压要求，输出电压幅度必须能够使NMOS镜像恒流源中的镜像管工作在饱和区。根据以上要求，如图3所示，采用PMOS管输入的套筒式运算放大器是比较符合设计要求的结构选择，套筒式结构带来的高直流增益也更够帮助运算放大器更好的实现电压钳位。

电流复制电路把下沉恒流源电路中的电流严格复制给上拉恒流源电路，保证了电流复制的精准性；电流复制电路由第二运算放大器OPA2及电压钳位反馈电路组成；电流复制电路的输出端与电荷泵电路的输出端连接；电压钳位反馈电路包括电阻R2、R3，电容C0，MOS管MP0、MP1、MP2、MP3；MOS管MP1的漏端与MOS管MN1的漏端连接；MOS管MP1的源端与MOS管MP0的漏端连接；MOS管MP0的栅端接低电平；MOS管MP0和MP2的源端接电源；MOS管MP2的栅端接开关输入信号UP1；MOS管MP2的漏端和MOS管MP3的源端连接；MOS管MP3的漏端与电荷泵的输出端OUT连接；第二运算放大器OPA2的正输入端与MOS管MP1的漏端连接；第二运算放大器OPA2的负输入端与电阻R3一端连接；电阻R3的另一端与电荷泵的输出端OUT连接；第二运算放大器OPA2的输出端同时与MOS管MP1和MP3的栅端连接形成节点4；电容C0的一端与第二运算放大器OPA2的输出端连接，另一端与电阻R2的一端连接；电阻R2的另一端与第二运算放大器OPA2的正输入端连接。

电流复制电路中的MOS管MP0、MP2是具有相同尺寸的PMOS开关管，MP0处于常开的导通状态，使MOS管MN1和MP1源、漏端流过电流大小的绝对值保持一致。MP1和MP3 具有相同的器件尺寸，保持1：1最佳镜像比例，第二运算放大器OPA2和MOS管MP1构成负反馈环路，将第二运算放大器OPA2正负输入端电压钳位在相同的直流电平上，也就是MOS管MP1和MP3的栅端直接相连，漏端电压一致钳位，源端所接的开关管具有相同的器件类型和具体尺寸。所以当MOS管MP2栅端信号为高电平时，该支路关断，MOS管MP3几乎没有电流流过；当MOS管MP2栅端信号为低电平时，MOS管MP2和MP0同时导通，MOS管MP1和MP3构成的镜像电流源严格匹配，也就是说MOS管MN1和MP3源、漏端流过电流大小的绝对值同样保持一致，精确完成电流复制。

电流复制电路中的环路反馈较为复杂，第二运算放大器OPA2与MOS管MP1构成负反馈环路，第二运算放大器OPA2与MOS管MP3则构成正反馈环路。由于负反馈环路一直处于导通状态，而正反馈环路仅仅在开关管MP2处于导通状态时才启动正反馈所以在增加环路补偿后，整体电路才不会产生振荡。电容C0和电阻R2就是起到环路补偿的作用。电阻R3几乎没有电流流过，两端电压保持一致，R3相对于电荷泵输出有一定的滤波作用。

第二运算放大器OPA2为轨到轨运算放大器，其详细电路如图4所示。与第一运算放大器OPA1相比较，在结构上，新增了输入偏置电流Ib2′和输入差分对NMOS管MN0″、MN1″；在性能上，第二运算放大器OPA2以增加了电流消耗和电路复杂度为代价，实现了轨到轨的电压输入范围，以满足电荷泵电路输出的大摆幅要求。

下沉恒流源电路用于为后级负载放电；下沉恒流源电路的栅端输入与按比例偏置电路中的节点3（也即第一运算放大器OPA1）连接；下沉恒流源电路的输出端与电荷泵电路的输出端连接；下沉恒流源电路由N路NMOS电流镜构成，其中N≥1；所述第N路NMOS电流镜包括电阻R_N+3和MOS管MN_2N+1；所述MOS管MN_2N+1的源端与电阻R_N+3的一端连接；所述MOS管的漏端与电荷泵的输出端OUT连接；所述电阻R_N+3的另一端与开关电路中的MOS管MN_2N+2的漏端连接；NMOS管MN3、MN5、MN7…MN_2N+1的栅端接节点3。N路NMOS电流镜的MN3、MN5、MN7…MN_2N+1与MOS管MN1尺寸相同，一样从节点3得到相同的栅端电压，源端接相同的负载后同样通过开关管进行控制，漏端输出。

上拉恒流源电路用于为后级负载充电；上拉恒流源电路的输入端与电流复制电路中的节点4（也即第二运算放大器OPA2的输出端）连接；上拉恒流源电路的输出端与电荷泵电路的输出端连接；；上拉恒流源电路由N路PMOS电流镜构成，其中N≥1；第N路PMOS电流镜包括MOS管MP_2N+1；MOS管MP_2N+1的源端与开关电路中的MOS管MP_2N的漏端连接；MOS管MP_2N+1的漏端与电荷泵的输出端OUT连接；PMOS管MP3、MP5、MP7…MP_2N+1的栅端接节点4。N路PMOS电流镜的MP3、MP5、MP7…MP_2N+1与MOS管MP1尺寸相同，一样从节点4得到相同的栅端电压，源端接开关管控制，漏端输出。

电流镜最好保持1：1的最佳镜像比例。每路恒流源的电流取值不宜取值太小，当其取值太小时需要很多路电流镜并联才能满足环路要求的电荷泵电流大小，而每路恒流源的实际版图都需要占据一定面积，取自节点3和4的栅端电压控制信号可能在较长的传输路径中有所损耗，造成电流镜像比例失配，也导致电荷泵电流实际大小与设计值之间的差异；每路恒流源的电流取值也不宜取值过大，当其取值过大时，本发明就失去了设计多路恒流源的意义。这是由于工艺、温度、版图、加工等各个环节都存在影响电路匹配特性的随机因素，最终实际测试得到的电荷泵匹配特性往往低于仿真值。一般设计中仿真情况满足1%左右失配的电荷泵电路，在实际测试时失配一般都在10%左右，严重影响CPPLL的相噪和杂散性能。而设计多路恒流源就为控制以上随机因素提供了可能，NMOS电流镜和PMOS电流镜不再必须遵守一一对应的设计规则，设计者可以通过来源于前级鉴频鉴相器的控制信号UP1、UP2、UP3…UP_N和DN1、DN2、DN3…DN_N是否导通来控制某一支路仅仅存在上拉电流或者下沉电流，又或者二者同时存在。通过以上方法，可以把实际测试的电荷泵失配控制在1/N以内，根据设计经验，N的取值一般在8到16之间较为适宜。

开关电路用于控制充放电电流源的开通和切断；开关电路由N路NMOS开关管和N路PMOS开关管构成，其中N≥1；第N路NMOS开关管包括MOS管MN_2N+2；所述第N路PMOS开关管包括MOS管MP_2N；所述MOS管MP_2N的源端接电源；所述MOS管MN_2N+2的源端接地。

电流镜和开关管是电荷泵电路中重要的噪声来源，所以电流镜镜像管往往具有较大的器件尺寸并尽量保持1：1的最佳镜像比例。而开关管MP2、MP4、MP6…MP_2N的器件选型和器件尺寸一致，MN4、MN6、MN8…MN_2N+2的器件选型和器件尺寸一致，以此保证所有的镜像管在导通情况下处于相同的偏置状态。