專利名稱：一種可解決電荷分配和電流失配問題的電荷泵的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種可解決電荷分配和電流失配問題的電荷泵，用于鎖相環(huán)(PLL)中。
背景技術(shù)：
在圖1鎖相環(huán)(PLL)中，相位/頻率鑒別器(PFD)輸入的信號(hào)分別是參考時(shí)鐘和 除法器輸出的時(shí)鐘，PFD通過對(duì)兩個(gè)信號(hào)的頻率和相位進(jìn)行比較，產(chǎn)生誤差信號(hào)UP和DN，誤 差信號(hào)通過電荷泵和環(huán)路濾波器就可以生成用來控制壓控震蕩器(VCO)輸出頻率的直流 控制電壓VCTRL。這是一個(gè)自動(dòng)反饋系統(tǒng)，當(dāng)這一反饋系統(tǒng)鎖定時(shí)，REF_CLK = DIV_CLK = 0UT_CLK/M,也就實(shí)現(xiàn)了通過一個(gè)低頻信號(hào)產(chǎn)生一個(gè)高頻信號(hào)的目的。作為PLL系統(tǒng)中一個(gè) 非常關(guān)鍵的組成部分，電荷泵的設(shè)計(jì)通常會(huì)遇到兩個(gè)重要問題電荷分配和電流失配。圖1中當(dāng)UP = 1時(shí)，Ml處于截止?fàn)顟B(tài)，Nl點(diǎn)連接電流源，用來實(shí)現(xiàn)電流源的晶體 管通常面積較大，因此寄生電容也比較大，這樣就會(huì)有大量的電荷積聚在m點(diǎn)。在Mi處于 截止?fàn)顟B(tài)時(shí)VCTRL的電壓會(huì)受鎖相環(huán)控制而產(chǎn)生變化，當(dāng)UP信號(hào)由高變低時(shí)，Ml導(dǎo)通，在 導(dǎo)通的瞬間，如果VCTRL的電壓和m點(diǎn)的電壓不相等，就必然會(huì)導(dǎo)致VCTRL和m兩點(diǎn)之間 的電荷進(jìn)行重新分配，這種電荷重新分配的結(jié)果就是在VCTRL電壓產(chǎn)生波紋，這種波紋會(huì) 使VCO信號(hào)出現(xiàn)不規(guī)則抖動(dòng)，從而嚴(yán)重?fù)p害輸出時(shí)鐘的噪聲性能。在M2和N2 —端也存在 相同的問題，這就是電荷泵的電荷分配問題。此外，隨著VCTRL電壓的變化，Ml、M2和用來實(shí)現(xiàn)上下兩個(gè)電流源的晶體管的Vds 都會(huì)發(fā)生變化，由于實(shí)際應(yīng)用中晶體管的輸出阻抗不可能是無窮大，輸出特性曲線必然存 在一定的斜率，因此針對(duì)不同的VCTRL電壓，電荷泵的充電電流Iup和放電電流Idn就不可 能完全相等和匹配，這就是所謂的電流失配問題。電流失配會(huì)在PLL系統(tǒng)中產(chǎn)生靜態(tài)偏移， 這種靜態(tài)偏移同樣會(huì)影響系統(tǒng)的噪聲性能。

發(fā)明內(nèi)容
為了解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明提供了一種可解決電荷分配和電流失配問題的電荷泵。本發(fā)明解決其技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案是一種可解決電荷分配和電流失配問 題的電荷泵，設(shè)有電荷泵核心電路，包括由第六PMOS管、第七PMOS管和第八NMOS管、第九NMOS管 組成的差分電荷泵輸入結(jié)構(gòu)，所述第六PMOS管、第七PMOS管的源極與第一 PMOS管的漏極 相連，所述第八NMOS管、第九NMOS管的源極與第一 NMOS管的漏極相連，第六PMOS管、第八 NMOS管的漏極連接于運(yùn)算放大器的正輸入端上，其運(yùn)輸放大器的負(fù)輸入端和輸出端短接并 與第七PMOS管、第九NMOS管的漏極連接；電流復(fù)制反饋電路，其第三NMOS管的柵極與運(yùn)算放大器的正輸入端連接，第三 PMOS管的源、柵極分別與第一 PMOS管、第二 PMOS管的源、柵極連接，第五NMOS管的刪、源極分別與第一 NMOS管、第二 NMOS管的刪、源極端連接，第四NMOS管的柵極連接于第五PMOS 管的漏極，所述第三PMOS管及第四PMOS管的漏、柵極都短接，并且第四PMOS管的源極和第 六NMOS管的柵極接電源；以及刪、源極與第一 NMOS管的刪、源極相連接的第七NMOS管，所述第七NMOS管的 漏、柵極接外部電流源。進(jìn)一步的所述第一 PMOS管和第二 PMOS管的尺寸相同，第一 NMOS管和第二 NMOS 管的尺寸相同。本發(fā)明不僅不會(huì)在VCTRL上產(chǎn)生波紋抖動(dòng)，還可以實(shí)現(xiàn)完美的充放電電流匹配， 并且結(jié)構(gòu)簡單，操作方便。


圖1為鎖相環(huán)電路示意圖。圖2為電荷泵核心電路。圖3為采用了復(fù)制反饋電流源和單位增益運(yùn)算放大器結(jié)合的電路圖。圖4為本發(fā)明的電路圖。圖中1、第一 PMOS管；2、第二 PMOS管；3、第三PMOS管；4、第四PMOS管；5、第五 PMOS管；6、運(yùn)算放大器；7、第一 NMOS管；8、第二 NMOS管；9、第三NMOS管；10、第四NMOS管； 11、第五NMOS管；12、第六NMOS管；13、第七NMOS管；14、第六PMOS管；15、第七PMOS管；16、 第八NMOS管；17、第九NMOS管。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明進(jìn)一步說明。圖2的電路結(jié)構(gòu)可以用來解決電荷分配的問題，如圖2所示，其內(nèi)部設(shè)有運(yùn)算放大 器，所述運(yùn)算放大器的正輸入端和輸出端分別與差分電荷泵輸入結(jié)構(gòu)的兩個(gè)支路連接，并 且其負(fù)輸入端與輸出端短接以組成單位增益緩沖器。PFD輸出信號(hào)采用差分形式，當(dāng)UP = high時(shí)，Ml處于截止?fàn)顟B(tài)，但是UPB = low,M4則處于導(dǎo)通狀態(tài)，因此附點(diǎn)電壓和VCTRLDUM 的電壓始終相等，由于圖2中的運(yùn)算放大器的采用的是單位增益緩沖器的連接方式，使得 無論VCTRL如何改變，VCTRLDUM的電壓都跟隨VCTRL變化，也就是說，在任何狀態(tài)下，Ni、 VCTRLDUM和VCTRL的電壓都保持相等，因此當(dāng)UP信號(hào)由高變低時(shí)，VCTRL和m兩點(diǎn)之間由 于電壓相同，不會(huì)產(chǎn)生電荷的重新分配，也就不會(huì)在VCTRL上產(chǎn)生波紋抖動(dòng)。而電流失配的問題主要是由于隨著VCTRL電壓的變化，晶體管的Vds都會(huì)發(fā)生變 化，因此造成電荷泵的充電電流Iup和放電電流Idn不可能完全相等和匹配。圖3中采用 了復(fù)制反饋電流源和單位增益運(yùn)算放大器相結(jié)合的方式，可以有效地解決這一問題。如圖 3所示，如果M4 = M8，M4和M8的偏置電流是相等的，也就是Idn = Irp0其中Irp既流過 M8也流過M5。當(dāng)VCTRL變化時(shí)，運(yùn)算放大器迫使Vx跟隨VCTRL，因此Ml和M5的偏置電壓 Vgs和Vds會(huì)始終相等，這樣只要Ml = M5，Irp就始終等于Iup。所以即使Vctrl不斷變 化，也可以保證Iup = Irp = Idn。用這種方法，電荷泵就實(shí)現(xiàn)了完美的充放電電流匹配。圖4是本發(fā)明的電路圖。其包括電荷泵核心電路，包括由第六PMOS管14、第七 PMOS管15和第八NMOS管16、第九NMOS管17組成的差分電荷泵輸入結(jié)構(gòu)，所述第六PMOS管14、第七PMOS管15的源極與第一 PMOS管1的漏極相連，所述第八匪OS管16、第九匪OS 管17的源極與第一 NMOS管7的漏極相連，第六PMOS管14、第八NMOS管16的漏極連接于 運(yùn)算放大器6的正輸入端上，其運(yùn)輸放大器6的負(fù)輸入端和輸出端短接并與第七PMOS管 15、第九NMOS管17的漏極連接；電流復(fù)制反饋電路，其第三NMOS管9的柵極與運(yùn)算放大器 6的正輸入端連接，第三PMOS管3的源、柵極分別與第一 PMOS管1、第二 PMOS管2的源、柵 極連接，第五NMOS管11的刪、源極分別與第一 NMOS管7、第二 NMOS管8的刪、源極端連接， 第四NMOS管10的柵極連接于第五PMOS管5的漏極，所述第三PMOS管3及第四PMOS管4 的漏、柵極都短接，并且第四PMOS管4的源極和第六NMOS管12的柵極接電源；以及刪、源 極與第一 NMOS管7的刪、源極相連接的第七NMOS管13，所述第七NMOS管13的漏、柵極接 外部電流源。其中電荷泵核心電路與圖2的結(jié)構(gòu)相同，用運(yùn)放來消除電荷共享，其他部分則 和圖3中的結(jié)構(gòu)相似，只不過圖3中的放大器被圖4中的差分對(duì)所取代。通過這個(gè)差分放 大器，反饋電路使得Vx的電壓跟隨VCTRL，因而實(shí)現(xiàn)Iup = Irp = Idn。
需要強(qiáng)調(diào)的是以上僅是本發(fā)明的較佳實(shí)施例而已，并非對(duì)本發(fā)明作任何形式上 的限制，凡是依據(jù)本發(fā)明的技術(shù)實(shí)質(zhì)對(duì)以上實(shí)施例所作的任何簡單修改、等同變化與修飾， 均仍屬于本發(fā)明技術(shù)方案的范圍內(nèi)。
權(quán)利要求
一種可解決電荷分配和電流失配問題的電荷泵，其特征是所述電荷泵設(shè)有電荷泵核心電路，包括由第六PMOS管(14)、第七PMOS管(15)和第八NMOS管(16)、第九NMOS管(17)組成的差分電荷泵輸入結(jié)構(gòu)，所述第六PMOS管(14)、第七PMOS管(15)的源極與第一PMOS管(1)的漏極相連，所述第八NMOS管(16)、第九NMOS管(17)的源極與第一NMOS管(7)的漏極相連，第六PMOS管(14)、第八NMOS管(16)的漏極連接于運(yùn)算放大器(6)的正輸入端上，其運(yùn)輸放大器(6)的負(fù)輸入端和輸出端短接并與第七PMOS管(15)、第九NMOS管(17)的漏極連接；電流復(fù)制反饋電路，其第三NMOS管(9)的柵極與運(yùn)算放大器(6)的正輸入端連接，第三PMOS管(3)的源、柵極分別與第一PMOS管(1)、第二PMOS管(2)的源、柵極連接，第NMOS管(11)的刪、源極分別與第一NMOS管(7)、第二NMOS管(8)的刪、源極端連接，第四NMOS管(10)的柵極連接于第五PMOS管(5)的漏極，所述第三PMOS管(3)及第四PMOS(4)管的漏、柵極都短接，并且第四PMOS管(4)的源極和第六NMOS管(12)的柵極接電源；以及刪、源極與第一NMOS管(7)的刪、源極相連接的第七NMOS管(13)，所述第七NMOS管(13)的漏、柵極接外部電流源。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的可解決電荷分配和電流失配問題的電荷泵，其特征是所述 第一 PMOS管(1)和第二 PMOS管(2)的尺寸相同，第一 NMOS管(7)和第二 NMOS管(8)的 尺寸相同。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種可解決電荷分配和電流失配問題的電荷泵。設(shè)有電荷泵核心電路，包括由第六PMOS管、第七PMOS管和第八NMOS管、第九NMOS管組成的差分電荷泵輸入結(jié)構(gòu)、第一PMOS管、第一NMOS管以及運(yùn)算放大器；電流復(fù)制反饋電路，第三NMOS管的柵極與運(yùn)算放大器的正輸入端連接，第三PMOS管的源、柵極分別與第一PMOS管、第二PMOS管的源、柵極連接，第五NMOS管的刪、源極分別與第一NMOS管、第二NMOS管的刪、源極端連接，第四NMOS管的柵極連接于第五PMOS管的漏極，所述第三PMOS管及第四PMOS管的漏、柵極都短接；以及刪、源極與第一NMOS管的刪、源極相連接的第七NMOS管。本發(fā)明不僅不會(huì)在VCTRL上產(chǎn)生波紋抖動(dòng)，還可以實(shí)現(xiàn)完美的充放電電流匹配，并且結(jié)構(gòu)簡單，操作方便。
文檔編號(hào)H02M3/07GK101895192SQ20101024185
公開日2010年11月24日 申請(qǐng)日期2010年7月30日 優(yōu)先權(quán)日2010年7月30日
發(fā)明者孫禮中, 梅海濤 申請(qǐng)人:蘇州科山微電子科技有限公司