專利名稱：應(yīng)用于鎖相環(huán)的自校準(zhǔn)電荷泵電路及其自校準(zhǔn)反饋電路的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及微電子學(xué)中鎖相環(huán)電荷泵電路技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種應(yīng) 用于鎖相環(huán)的自校準(zhǔn)電荷泵電路及其自校準(zhǔn)反饋電路。
背景技術(shù)：
隨著無線通信的飛速發(fā)展，通信設(shè)備的射頻收發(fā)前端對(duì)接收機(jī)的性能 要求越來越高，客觀要求射頻前端信噪比的損失越來越小。在射頻接收機(jī)的噪聲中，除熱噪聲以外，鎖相環(huán)(PLL)的相位噪聲是很重要的一部分， 相位噪聲的優(yōu)化成為鎖相環(huán)設(shè)計(jì)很關(guān)鍵的技術(shù)。引起鎖相環(huán)相位噪聲的因 素很多，包括壓控振蕩器(VCO)的相位噪聲、由于電荷泵(CP)電流適配噪 聲的雜散(spur)、由環(huán)路濾波器引入的熱噪聲等等。其中雜散是惡化射頻 接收機(jī)性能的重要原因之一，也就是說，鎖相環(huán)中電荷泵的電流匹配特性 是制約鎖相環(huán)噪聲特性的一個(gè)主要因素。通常，電荷泵采用開關(guān)電流源的結(jié)構(gòu)，如圖3(a)所示，采用單一MOS 管實(shí)現(xiàn)的電流源組成電荷泵，擺幅可以滿足軌對(duì)軌的要求，但是電流源內(nèi) 阻不夠大，因此電流隨輸出電壓的變化較大。如果泵出和泵入的電流在某 一電壓下相等，則輸出電壓改變后，電流發(fā)生改變，產(chǎn)生較大的電流失配。電流源也可以由級(jí)聯(lián)MOS管實(shí)現(xiàn)如圖3(b)。級(jí)聯(lián)MOS管實(shí)現(xiàn)的電流源比單一MOS管實(shí)現(xiàn)的電流源具有更高的內(nèi)阻，因此輸出的電流隨輸出電壓的變化要小。但是由于采用了 MOS級(jí)聯(lián)結(jié)構(gòu)，MOS管需要工作在飽和區(qū)才能等效為電流源，因此電流源的最低或作高工作電壓將由于級(jí)聯(lián)而 升高或減小，這個(gè)不適于寬擺幅輸出的電荷泵。另外有的電荷泵采用差分結(jié)構(gòu)，隨之而來的是，后繼的濾波器也需要 差分結(jié)構(gòu)，這樣實(shí)現(xiàn)的電路無論在規(guī)模和功耗上均沒有優(yōu)勢，而且性能上 的優(yōu)勢也不是很明顯。一種行之有效的辦法是對(duì)單一 MOS管實(shí)現(xiàn)的電流源組成的電荷泵增 加簡單實(shí)用的自校準(zhǔn)電路，以實(shí)現(xiàn)高性能的電荷泵。常規(guī)的做法是引入?yún)?考支路，把參考支路和電荷泵電流支路的輸出節(jié)點(diǎn)電壓作為放大器的輸 入，放大器的輸出直接調(diào)節(jié)兩條支路的電流偏置。這種電路可以近似保證 電荷泵的泵出或者泵入的電流的匹配特性不隨輸出電壓的改變而改變，但 是，這個(gè)電路存在穩(wěn)定性問題。發(fā)明內(nèi)容(一)要解決的技術(shù)問題有鑒于此，本發(fā)明的一個(gè)目的在于提供一種應(yīng)用于鎖相環(huán)的自校準(zhǔn)電 荷泵電路，以解決電荷泵電路在輸出電壓變化范圍很大時(shí)輸出電流不匹配 以及電路狀態(tài)不穩(wěn)定的問題。本發(fā)明的另一個(gè)目的在于提供一種電荷泵電路中的自校準(zhǔn)反饋電路， 以解決電荷泵電路在輸出電壓變化范圍很大時(shí)輸出電流不匹配以及電路 狀態(tài)不穩(wěn)定的問題。為達(dá)到上述一個(gè)目的，本發(fā)明提供了一種應(yīng)用于鎖相環(huán)的自校準(zhǔn)電荷 泵電路，該自校準(zhǔn)電荷泵電路包括電流支路和自校準(zhǔn)反饋電路，所述自校 準(zhǔn)反饋電路包括參考支路、偏置支路和反饋放大器，所述參考支路和所述 電流支路的輸出節(jié)點(diǎn)分別連接所述反饋放大器的正、負(fù)輸入端，所述反饋 放大器的輸出端連接到所述偏置支路，形成閉環(huán)反饋回路。所述電流支路采用開關(guān)電流源結(jié)構(gòu)，其電流源采用單MOS晶體管實(shí)現(xiàn)，采用一對(duì)共源應(yīng)用的N型MOS和P型MOS，所述N型MOS和P 型MOS的漏極分別連接一個(gè)開關(guān)MOS晶體管。所述N型MOS和P型MOS工作于飽和區(qū)，電特性等效為電流源， 均采用長溝道器件，在不減小擺幅的情況下盡量增大電流源的內(nèi)阻，用于 降低校準(zhǔn)回路的功耗；所述開關(guān)MOS晶體管與電荷泵電路的輸出端VC之間級(jí)聯(lián)恒導(dǎo)通的 MOS管，采用小尺寸的MOS器件，用于消除開關(guān)信號(hào)對(duì)輸出節(jié)點(diǎn)的電荷 注入，直流或交流分析時(shí)所述恒導(dǎo)通的MOS管等效于導(dǎo)線。所述參考支路完全復(fù)制所述電流支路，所述參考支路包括的器件以及 器件的連接方式、版圖與所述電流支路基本相同，不同之處在于將開關(guān)信 號(hào)控制的MOS器件的柵極連接為地或者電源，使MOS開關(guān)器件處于恒導(dǎo) 通狀態(tài)。所述偏置支路包括的器件以及器件的連接方式、版圖與所述參考支路 基本相同，連接方式有所改變，釆用標(biāo)準(zhǔn)的鏡像電流源的偏置方式，用于 為電流支路和參考支路提供偏置電壓。所述電流支路、參考支路和偏置支路的電流源為電流鏡電路。所述反饋放大器采用軌對(duì)軌共模輸入范圍的電流模運(yùn)算跨導(dǎo)放大器 OTA結(jié)構(gòu)，所述軌對(duì)軌共模輸入范圍為共模輸入范圍是0 供電電壓，所述電流模OTA結(jié)構(gòu)包含兩組差分輸入電路和一組共源推挽輸出電路，兩 組差分輸入電路中的一組差分輸入管為NMOS，另一組差分輸入管為 PMOS，兩組差分對(duì)的輸出電流根據(jù)極性相加，連接到電路的輸出級(jí)，然 后經(jīng)過共源推挽放大得到輸出電壓。為達(dá)到上述另一個(gè)目的，本發(fā)明提供了一種電荷泵電路中的自校準(zhǔn)反 饋電路，該自校準(zhǔn)反饋電路包括參考支路、偏置支路和反饋放大器，所述 參考支路的輸出節(jié)點(diǎn)和電荷泵電路中電流支路的輸出節(jié)點(diǎn)分別連接所述 反饋放大器的正、負(fù)輸入端，所述反饋放大器的輸出端連接到所述偏置支 路，形成閉環(huán)反饋回路。所述參考支路完全復(fù)制電荷泵電路中的電流支路，所述參考支路包括 的器件以及器件的連接方式、版圖與所述電流支路基本相同，不同之處在 于將開關(guān)信號(hào)控制的MOS器件的柵極連接為地或者電源，使MOS開關(guān)器 件處于恒導(dǎo)通狀態(tài)。所述偏置支路包括的器件以及器件的連接方式、版圖與所述參考支路 基本相同，連接方式有所改變，采用標(biāo)準(zhǔn)的鏡像電流源的偏置方式，用于 為電流支路和參考支路提供偏置電壓(三)有益效果 從上述技術(shù)方案可以看出，本發(fā)明具有以下有益效果1、 本發(fā)明提供的這種應(yīng)用于鎖相環(huán)的自校準(zhǔn)電荷泵電路及其自校準(zhǔn) 反饋電路，通過復(fù)制電荷泵電路的電流支路作為參考支路，再引入提供電 流支路和參考支路偏置電壓的偏置支路，然后把參考支路和電流支路的輸 出端電壓作為反饋放大器的輸入，把反饋放大器的輸出連接到偏置支路 上，形成閉環(huán)反饋回路，保證了泵出或者泵入的電流的匹配特性不隨輸出 電壓的改變而改變，完全由器件工藝尺寸誤差決定輸出電流的匹配特性。 因此，本發(fā)明提供的這種應(yīng)用于鎖相環(huán)的自校準(zhǔn)電荷泵電路及其自校準(zhǔn)反 饋電路比常規(guī)的自校準(zhǔn)電荷泵具有輸出范圍大、電流匹配性更好的優(yōu)點(diǎn)， 同時(shí)極大增強(qiáng)了電路的穩(wěn)定性，有效地解決了電荷泵電路在輸出電壓變壓 變化范圍很大時(shí)輸出電流不匹配以及電路狀態(tài)不穩(wěn)定的問題。2、 本發(fā)明提供的這種應(yīng)用于鎖相環(huán)的自校準(zhǔn)電荷泵電路及其自校準(zhǔn)反饋電路，采用單一MOS管實(shí)現(xiàn)的電流源，保證電荷泵有很大的輸出擺 幅，確保了電荷泵輸出擺幅滿足軌對(duì)軌的要求；采用新型反饋環(huán)路對(duì)電流進(jìn)行調(diào)節(jié)，保證電流IDN跟隨IUP變化，使電流失配降至最低，確保了電流的匹配，并且新型反饋環(huán)路處于絕對(duì)穩(wěn)定狀態(tài)，不存在穩(wěn)定性問題。3、 本發(fā)明提供的這種應(yīng)用于鎖相環(huán)的自校準(zhǔn)電荷泵電路及其自校準(zhǔn) 反饋電路，反饋回路中采用共模軌對(duì)軌輸入范圍的電流模OTA，可以使反饋回路工作區(qū)間比電荷泵工作區(qū)間更大，電荷泵在工作區(qū)間的任何工作 點(diǎn)，反饋回路都可以正常工作；整個(gè)反饋回路的開環(huán)增益相當(dāng)于一級(jí)放大， 即只存在一個(gè)主極點(diǎn)，這樣的反饋回路處于絕對(duì)穩(wěn)定狀態(tài)，不用考慮穩(wěn)定 補(bǔ)償?shù)膯栴}。4、 本發(fā)明提供的這種應(yīng)用于鎖相環(huán)的自校準(zhǔn)電荷泵電路及其自校準(zhǔn)反饋電路，電路形式簡單，簡化了后繼濾波器的設(shè)計(jì)，成功用于CMOS1.6GHz的鎖相環(huán)，并體現(xiàn)了很好的性能。


圖1為本發(fā)明提供的應(yīng)用于鎖相環(huán)的自校準(zhǔn)電荷泵的電路圖； 圖2為本發(fā)明提供的共模軌對(duì)軌輸入范圍的電流模的電路圖； 圖3為現(xiàn)有技術(shù)中基本電荷泵的電路圖(a)、 (b)以及其電流-電壓特性的示意圖(C);圖4為本發(fā)明提供的電荷泵自校準(zhǔn)回路的簡化電路圖(a)以及其交流 小信號(hào)等效模型(b);圖5為本發(fā)明提供的使用和未使用自校準(zhǔn)電路的電荷泵電流特性的對(duì) 比圖。
具體實(shí)施方式
為使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點(diǎn)更加清楚明白，以下結(jié)合具體實(shí) 施例，并參照附圖，對(duì)本發(fā)明進(jìn)一步詳細(xì)說明。本發(fā)明在電荷泵開關(guān)電流源電路基礎(chǔ)上增加參考支路和偏置支路，連 同反饋放大器一起構(gòu)成一個(gè)反饋回路，確保電荷泵在輸出節(jié)點(diǎn)電壓變化時(shí) 泵出和泵入電流完全匹配，同時(shí)電路處于絕對(duì)穩(wěn)定狀態(tài)。如圖l所示，圖1為本發(fā)明提供的應(yīng)用于鎖相環(huán)的自校準(zhǔn)電荷泵的電 路圖，該自校準(zhǔn)電荷泵電路包括電流支路1和自校準(zhǔn)反饋電路2。所述自 校準(zhǔn)反饋電路2包括參考支路21、偏置支路22和反饋放大器23。所述參考支路21和所述電流支路1的輸出節(jié)點(diǎn)分別連接所述反饋放大器23的正、負(fù)輸入端，所述反饋放大23器的輸出端連接到所述偏置支路22，形成閉環(huán)反饋回路。其中，電流支路l是電荷泵主體電路，參考支路21、偏置支路22和 反饋放大器23則構(gòu)成電荷泵的校準(zhǔn)電路。具有校準(zhǔn)電路的電荷泵稱為自 校準(zhǔn)電荷泵。所述電流支路1采用開關(guān)電流源結(jié)構(gòu)，其電流源采用單MOS晶體管 實(shí)現(xiàn)，采用一對(duì)共源應(yīng)用的N型MOS和P型MOS，所述N型MOS和P 型MOS的漏極分別連接一個(gè)開關(guān)MOS晶體管。所述N型MOS和P型 MOS均工作于飽和區(qū)，電特性等效為電流源，均采用長溝道器件，在不 減小擺幅的情況下盡量增大電流源的內(nèi)阻，用于降低校準(zhǔn)回路的功耗。所 述開關(guān)MOS晶體管與電荷泵電路的輸出端VC之間級(jí)聯(lián)恒導(dǎo)通的MOS 管，采用小尺寸的MOS器件，用于消除開關(guān)信號(hào)對(duì)輸出節(jié)點(diǎn)的電荷注入， 直流或交流分析時(shí)所述恒導(dǎo)通的MOS管等效于導(dǎo)線。電荷泵電流支路1采用一對(duì)共源應(yīng)用的N型MOS和P型MOS，這 兩個(gè)器件均工作于飽和區(qū)，電特性等效為電流源，在它們的漏極分別連接 一個(gè)開關(guān)MOS晶體管，這兩個(gè)開關(guān)MOS管和輸出節(jié)點(diǎn)VC之間分別級(jí)聯(lián) 恒導(dǎo)通的MOS管，主要消除開關(guān)信號(hào)對(duì)輸出節(jié)點(diǎn)的電荷注入，直流或交 流分析時(shí)這些恒導(dǎo)通的MOS器件等效于導(dǎo)線。在開關(guān)信號(hào)控制下電荷泵 可以輸出或輸入電流，把這種結(jié)構(gòu)稱為開關(guān)電流源結(jié)構(gòu)。 一般把從電源流 向到輸出節(jié)點(diǎn)的電流稱為泵出電流IUP，而把從輸出節(jié)點(diǎn)流向地的電流稱 為泵入電流IDN。提高電荷泵性能的一個(gè)主要途徑是保證泵出電流Iup和泵入電流I，的大小相等。在圖1中，電荷泵電流支路1中的MP4和MN3是共源應(yīng)用MOS器 件，等效為電流源，它們均釆用長溝道器件，在不減小擺幅的情況下盡量 增大電流源的內(nèi)阻，這樣可以降低校準(zhǔn)回路的功耗。MN7和MN6受電壓 的控制工作在開關(guān)狀態(tài)，為了減小它們的柵極電容對(duì)輸出節(jié)點(diǎn)的注入電 荷，并提高電流源的開關(guān)速度，這兩個(gè)MOS器件均采用小尺寸的MOS 器件。MP11和MN10尺寸與其相連的開關(guān)器件尺寸相同，這兩個(gè)器件處 于恒導(dǎo)通狀態(tài)，這兩個(gè)器件的引入減小MP7、 MN6柵電容注入的電荷對(duì) 輸出節(jié)點(diǎn)VC電壓的影響，這對(duì)降低鎖相環(huán)的相位噪聲大有益處。如果電路中沒有反饋回路，則電荷泵電路簡化為圖3(a)所示的結(jié)構(gòu)， 根據(jù)MOS器件的物理特性，MOS器件的源漏電流Ios隨源漏電壓Vds改 變而改變，這一特性反映了共源應(yīng)用時(shí)MOS器件的輸出電阻。 一般情況 下工作在線性區(qū)的MOS器件輸出電阻為0.1MQ的量級(jí)，而且隨輸出電壓 不同有所變化，N型MOS和P型MOS的特性類似，但是電流方向相反。 電流源MOS器件均工作于飽和區(qū)的輸出電壓范圍稱作電荷泵的工作區(qū)間，在整個(gè)工作區(qū)間內(nèi)，IuP和lDN電流之間的電流差就是電流失配， 一般 希望電流失配越小越好，即電流IlJP和lDN越接近越好，但是由于MOS器件內(nèi)阻不夠大，只能保證在某一工作點(diǎn)下的電流相等，其余工作區(qū)間存在 電流適配，如圖3(c)中所示。顯然不增加自校準(zhǔn)反饋回路的電荷泵不滿足要求，因此電路引入一個(gè) 閉環(huán)反饋回路，反饋回路包括三部分，參考支路21、偏置支路22和反饋 放大器23。完全復(fù)制電流支路1的參考支路21的所有器件以及連接方式、甚至 版圖都幾乎與電流支路1相同，不同的是把開關(guān)信號(hào)控制的MOS器件的 柵極連接為地或者電源，使它們處于恒導(dǎo)通狀態(tài)。在圖1中，參考支路21 完全復(fù)制電流支路l，除了對(duì)應(yīng)的開關(guān)器件處于恒導(dǎo)通狀態(tài)以外，其他器件的工作狀態(tài)均與電流支路1相同，即MP6、 MN5的柵極分別連接GND 和VDD。在復(fù)制過程中，不僅僅是電路圖，在芯片實(shí)現(xiàn)時(shí)，版圖也時(shí)完 全相同的，這樣可以保證在它們的物理特性完全一致，只要VM和VC電 壓相同，就可以實(shí)現(xiàn)電荷泵的電流匹配，這一點(diǎn)是自校準(zhǔn)電荷泵的關(guān)鍵技術(shù)之一。偏置支路22幾乎與參考支路21相同，連接上稍做修改，可以提供偏 置電壓，這樣，三條支路的電流源稱為電流鏡電路。參考支路21和電荷 泵電流支路l的輸出節(jié)點(diǎn)分別連接放大器的正、負(fù)輸入端，把放大器的輸 出連接到偏置支路22，形成閉環(huán)反饋回路。在圖1中，偏置支路22也同 樣復(fù)制參考支路21，除MN1的連接方式之外，其他完全一致。MN1的柵 極連接漏極，是標(biāo)準(zhǔn)的鏡像電流源的偏置方式，這種連接方式的輸出電阻 等效為器件跨導(dǎo)的倒數(shù)，這個(gè)電阻比較小，是實(shí)現(xiàn)反饋回路穩(wěn)定性的關(guān)鍵。 只有降低這個(gè)電阻，反饋回路的兩級(jí)開環(huán)增益采用變成一級(jí)，電路才能由 條件穩(wěn)定轉(zhuǎn)變?yōu)榻^對(duì)穩(wěn)定，其中的理論分析可以參考前面小信號(hào)等效電路 的分析。所述閉環(huán)反饋回路中，電流模運(yùn)算跨導(dǎo)放大器(OTA)包含兩組差分 輸入電路和一組共源推挽輸出電路，兩組差分輸入電路中的一組差分輸入 管為NMOS，另一組差分輸入管為PMOS，兩組差分對(duì)的輸出電流根據(jù)極性相加，連接到電路的輸出級(jí)，然后經(jīng)過共源推挽放大得到輸出電壓，這 樣的OTA的共模輸入范圍幾乎是0 電源電壓。共模軌對(duì)軌輸入范圍的電流模OTA的電路如圖2所示，電流模OTA 的輸入級(jí)采用兩個(gè)差分輸入電路，對(duì)應(yīng)圖2中的(1)和(2)。輸入電路中一個(gè)使用NMOS作為輸入對(duì)管，共模電壓輸入范圍近似為(V化+Veff,畫os + Veff,IBN) VDD;另一個(gè)使用PMOS作為輸入對(duì)管，共模電壓輸入范圍近似為 0 (VDD-|VTp|-|Veff. PM0S|-|Veff. IBP|)。 Veff.麗。s/Veff. PM0S是麗OS/PMOS輸 入管的過驅(qū)動(dòng)電壓，Veff, IBN/Veff, !BP是實(shí)現(xiàn)IBN/IBP電流源的MOS管的過 驅(qū)動(dòng)電壓。把(1)和(2)兩個(gè)電路輸出的電流根據(jù)極性相加，并連接到電路的 輸出級(jí)的偏置管，如圖2中電路(3)所示，然后經(jīng)過一級(jí)共源推挽放大得到 輸出電壓。放大器的電壓增益隨共模輸入范圍不同而不同，可以近似用下式表不式中r。是推挽輸出級(jí)的等效輸出電阻，g^/g威是輸入PMOS/NMOS器件 的跨導(dǎo)值。由于電荷泵電路的自校準(zhǔn)功能對(duì)放大器的放大增益要求不嚴(yán) 格，只要保證0到VDD放大器均有足夠的增益，電荷泵就能完成自校準(zhǔn) 功能，所以放大器的增益隨共模輸入范圍變化對(duì)電荷泵的自校準(zhǔn)功能幾乎 沒有影響。在鎖相環(huán)鎖定時(shí)，電荷泵工作的一個(gè)特性就是VC電壓幾乎不變，因 為電荷泵的輸出節(jié)點(diǎn)VC后繼連接的是環(huán)路濾波器，濾波器的特性是保證 VC節(jié)點(diǎn)電壓的穩(wěn)定，至于這點(diǎn)電壓究竟是多高，取決于鎖相環(huán)的整體特性和應(yīng)用。在分析時(shí)，可以認(rèn)為這一點(diǎn)交流接地，即虛地。為了便于理解， 把恒導(dǎo)通的MOS器件用導(dǎo)線代替，用理想開關(guān)替代開關(guān)MOS晶體管，則簡化后的新型自校準(zhǔn)電路中的反饋回路如圖4(a)所示，它的交流小信號(hào)模 型如圖4(b)所示。另外一個(gè)重要性質(zhì)是，由于參考支路21的VM節(jié)點(diǎn)沒有其他電流通 路(OTA輸入電阻無窮大)，則無論VM電壓怎樣變化，MP2和MN2的漏 源電流lDS都相等。假設(shè)UP和DN兩個(gè)開關(guān)均閉合，此時(shí)如果VM〈VC， 放大器反相放大，則輸出節(jié)點(diǎn)電壓VB降低，由于共源應(yīng)用的MN2等效 為一個(gè)壓控電流源，VB的降低導(dǎo)致壓控電流源輸出電流，結(jié)果是VM升 高，直至VM二VC為至。反之，當(dāng)VM〉VC時(shí)，反饋回路也同樣導(dǎo)致VM二VC。 MP2和MP3 的柵極連接在一起，源極均連接電源，加上漏極電壓又相等，所以這兩個(gè) MOS器件的工作條件完全相同，在設(shè)計(jì)時(shí)，參考支路21時(shí)復(fù)制的電流支 路l，因此MP2和MP3器件尺寸也完全相同，那么根據(jù)MOS器件的物理特性，它們的源漏電流lDS也相等。同理，MN2禾BMN3的源漏電流Ir)s也相等。另外根據(jù)前面的論述， MP2和MN2的漏源電流Ids相等，所以最終結(jié)果就是在任何情況下， MN2、 MN3、 MP2、 MP3這四個(gè)器件的漏源電流IDS都相等。如此以來， 經(jīng)過反饋回路的校準(zhǔn)，電荷泵輸出電流完全達(dá)到了匹配。分析反饋回路的穩(wěn)定性時(shí)，需要借助圖4(b)的交流小信號(hào)模型。首先 把環(huán)路在任意節(jié)點(diǎn)斷開，進(jìn)行開路的頻率特性分析，假設(shè)從圖4(b)中打"X"處斷開，則放大器增益為<formula>formula see original document page 15</formula>^。是放大器輸出電阻。由于/ = 1很小，它的增益非常低，這樣以來，節(jié)點(diǎn)VB上的寄生電容都可 以忽略。壓控電流源的增益為dm,腦，，廣，則反饋環(huán)路的開環(huán)增益為4 = ^.4 "v.t^l ，V，主極點(diǎn)只有 一 個(gè) =^^c,，根據(jù)控制原理，這樣的環(huán)路絕對(duì)穩(wěn)定。使用和未使用本發(fā)明提供的自校準(zhǔn)電路的電荷泵性能對(duì)比如圖5所 示，電荷泵均采用2.5V電源供電。圖中，虛線是在不同控制電壓VC下， 電荷泵的泵出電流IuP，很顯然由于電流源內(nèi)阻不夠高，在工作區(qū)間(即VC 為0.2~2.3V的區(qū)間)，電流Iup隨VC電壓上升而下降，體現(xiàn)了 PMOS的物理特性。未使用自校準(zhǔn)電路的電荷泵的泵入電流lDN對(duì)應(yīng)圖中的細(xì)實(shí)線，在工作區(qū)間電流I，隨VC電壓上升而上升，體現(xiàn)的是NMOS物理特性。 可以看出，大約VC在1V時(shí)電流相等，達(dá)到匹配，而VC的電壓偏離匹 配點(diǎn)越多，電流之間的差值越大，最大差值約為3.5uA，約是電流的7%。圖5中的粗實(shí)現(xiàn)對(duì)應(yīng)的電流是自校準(zhǔn)電路的電荷泵的泵入電流IDN， 即自校準(zhǔn)后的泵入電流?？梢悦黠@看出，自校準(zhǔn)后的I，在工作區(qū)間嚴(yán)格 按照IuP的變化而變化，說明自校準(zhǔn)電路起到了應(yīng)有的功能，而且在工作 區(qū)間內(nèi)，電流的最大誤差不到0.2uA，僅僅為電流的0.4%。體現(xiàn)了自校準(zhǔn) 電路優(yōu)良的性能。綜上所述，型自校準(zhǔn)電路可以成功解電荷泵設(shè)計(jì)中的難題首先自校 準(zhǔn)電路要求電荷泵電流源采用共源應(yīng)用的單MOS管，這樣可以保證電荷 泵有很大的輸出擺幅；自校準(zhǔn)電路采用反饋回路保證電流I，跟隨Iup變化， 使電流失配降至最低；反饋回路中采用共模軌對(duì)軌輸入范圍的電流模OTA，可以使反饋回路工作區(qū)間比電荷泵工作區(qū)間更大，電荷泵在工作區(qū) 間的任何工作點(diǎn)，反饋回路都可以正常工作；整個(gè)反饋回路的開環(huán)增益相 當(dāng)于一級(jí)放大，即只存在一個(gè)主極點(diǎn)，這樣的反饋回路處于絕對(duì)穩(wěn)定狀態(tài)， 不用考慮穩(wěn)定補(bǔ)償?shù)膯栴}。以上所述的具體實(shí)施例，對(duì)本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和有益效果進(jìn)行 了進(jìn)一步詳細(xì)說明，所應(yīng)理解的是，以上所述僅為本發(fā)明的具體實(shí)施例而 已，并不用于限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)，所做的任何修 改、等同替換、改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。
權(quán)利要求
1. 一種應(yīng)用于鎖相環(huán)的自校準(zhǔn)電荷泵電路，其特征在于，該自校準(zhǔn)電荷泵電路包括電流支路和自校準(zhǔn)反饋電路，所述自校準(zhǔn)反饋電路包括參考支路、偏置支路和反饋放大器，所述參考支路和所述電流支路的輸出節(jié)點(diǎn)分別連接所述反饋放大器的正、負(fù)輸入端，所述反饋放大器的輸出端連接到所述偏置支路，形成閉環(huán)反饋回路。
2、 根據(jù)權(quán)利要求l所述的應(yīng)用于鎖相環(huán)的電荷泵電路，其特征在于， 所述電流支路采用開關(guān)電流源結(jié)構(gòu)，其電流源采用單MOS晶體管實(shí)現(xiàn)， 采用 一對(duì)共源應(yīng)用的N型MOS和P型MOS ，所述N型MOS和P型MOS 的漏極分別連接一個(gè)開關(guān)MOS晶體管。
3、 根據(jù)權(quán)利要求2所述的應(yīng)用于鎖相環(huán)的電荷泵電路，其特征在于， 所述N型MOS和P型MOS工作于飽和區(qū)，電特性等效為電流源，均采 用長溝道器件，在不減小擺幅的情況下盡量增大電流源的內(nèi)阻，用于降低 校準(zhǔn)回路的功耗；所述開關(guān)MOS晶體管與電荷泵電路的輸出端VC之間級(jí)聯(lián)恒導(dǎo)通的 MOS管，采用小尺寸的MOS器件，用于消除開關(guān)信號(hào)對(duì)輸出節(jié)點(diǎn)的電荷 注入，直流或交流分析時(shí)所述恒導(dǎo)通的MOS管等效于導(dǎo)線。
4、 根據(jù)權(quán)利要求l所述的應(yīng)用于鎖相環(huán)的電荷泵電路，其特征在于， 所述參考支路完全復(fù)制所述電流支路，所述參考支路包括的器件以及器件 的連接方式、版圖與所述電流支路基本相同，不同之處在于將開關(guān)信號(hào)控 制的MOS器件的柵極連接為地或者電源，使MOS開關(guān)器件處于恒導(dǎo)通狀態(tài)。
5、 根據(jù)權(quán)利要求l所述的應(yīng)用于鎖相環(huán)的電荷泵電路，其特征在于， 所述偏置支路包括的器件以及器件的連接方式、版圖與所述參考支路基本 相同，連接方式有所改變，采用標(biāo)準(zhǔn)的鏡像電流源的偏置方式，用于為電 流支路和參考支路提供偏置電壓。
6、 根據(jù)權(quán)利要求2、 4或5中任一權(quán)利要求所述的應(yīng)用于鎖相環(huán)的電 荷泵電路，其特征在于，所述電流支路、參考支路和偏置支路的電流源為 電流鏡電路。
7、 根據(jù)權(quán)利要求l所述的應(yīng)用于鎖相環(huán)的電荷泵電路，其特征在于， 所述反饋放大器采用軌對(duì)軌共模輸入范圍的電流模運(yùn)算跨導(dǎo)放大器OTA結(jié)構(gòu)，所述軌對(duì)軌共模輸入范圍為共模輸入范圍是o 供電電壓，所述電流模OTA結(jié)構(gòu)包含兩組差分輸入電路和一組共源推挽輸出電路，兩組差分 輸入電路中的一組差分輸入管為NMOS，另一組差分輸入管為PMOS，兩 組差分對(duì)的輸出電流根據(jù)極性相加，連接到電路的輸出級(jí)，然后經(jīng)過共源 推挽放大得到輸出電壓。
8、 一種電荷泵電路中的自校準(zhǔn)反饋電路，其特征在于，該自校準(zhǔn)反 饋電路包括參考支路、偏置支路和反饋放大器，所述參考支路的輸出節(jié)點(diǎn) 和電荷泵電路中電流支路的輸出節(jié)點(diǎn)分別連接所述反饋放大器的正、負(fù)輸 入端，所述反饋放大器的輸出端連接到所述偏置支路，形成閉環(huán)反饋回路。
9、 根據(jù)權(quán)利要求8所述的電荷泵電路中的自校準(zhǔn)反饋電路，其特征在于，所述參考支路完全復(fù)制電荷泵電路中的電流支路，所述參考支路包 括的器件以及器件的連接方式、版圖與所述電流支路基本相同，不同之處在于將開關(guān)信號(hào)控制的MOS器件的柵極連接為地或者電源，使MOS開關(guān)器件處于恒導(dǎo)通狀態(tài)。
10、根據(jù)權(quán)利要求8所述的電荷泵電路中的自校準(zhǔn)反饋電路，其特征在于，所述偏置支路包括的器件以及器件的連接方式、版圖與所述參考支 路基本相同，連接方式有所改變，采用標(biāo)準(zhǔn)的鏡像電流源的偏置方式，用 于為電流支路和參考支路提供偏置電壓。
全文摘要
本發(fā)明涉及微電子學(xué)中鎖相環(huán)電荷泵電路技術(shù)領(lǐng)域，公開了一種應(yīng)用于鎖相環(huán)的自校準(zhǔn)電荷泵電路，其特征在于，該自校準(zhǔn)電荷泵電路包括電流支路1和自校準(zhǔn)反饋電路2，所述自校準(zhǔn)反饋電路2包括參考支路21、偏置支路22和反饋放大器23，所述參考支路21和所述電流支路1的輸出節(jié)點(diǎn)分別連接所述反饋放大器23的正、負(fù)輸入端，所述反饋放大器23的輸出端連接到所述偏置支路22，形成閉環(huán)反饋回路。本發(fā)明同時(shí)公開了一種電荷泵電路中的自校準(zhǔn)反饋電路2。利用本發(fā)明，解決了電荷泵電路在輸出電壓變化范圍很大時(shí)輸出電流不匹配以及電路狀態(tài)不穩(wěn)定的問題。
文檔編號(hào)H03L7/08GK101222226SQ20071006337
公開日2008年7月16日 申請日期2007年1月10日 優(yōu)先權(quán)日2007年1月10日
發(fā)明者杜占坤, 杰 陳 申請人:中國科學(xué)院微電子研究所