專利名稱：一種電荷泵鎖相環(huán)中的電荷泵電路的制作方法
技術領域：
本實用新型涉及電荷泵鎖相環(huán)(CPPLL)，尤其涉及一種電荷泵鎖相環(huán)中的電荷泵電路，采用MOS工藝，在寬輸出電壓下實現(xiàn)高精度電流匹配，并且具有高預充電電流，可直接適用于射頻與模擬集成電路中電荷泵鎖相環(huán)電路的應用。
背景技術：
鎖相環(huán)(PLL)頻率綜合器電路利用反饋的原理控制輸出變量，以實現(xiàn)輸出信號頻率對輸入信號頻率的自動跟蹤。電荷泵鎖相環(huán)(CPPLL)是目前鎖相環(huán)電路設計的主流， 由于它有捕捉范圍寬、捕捉時間短、線性范圍大、高速低功耗等優(yōu)點，被廣泛地應用于現(xiàn)代通信領域及射頻領域中。如圖1所示，電荷泵鎖相環(huán)(CPPLL)由鑒頻鑒相器(PFD)、電荷泵(CP)、環(huán)路濾波器(LF)、壓控振蕩器(VCO)和分頻器(Divider)五部分組成。CP電路在 CPPLL中起著非常重要的作用，其主要功能是把PFD輸出的數(shù)字控制信號，包括充電信號 (UP)和放電信號(DW)轉換為模擬信號，進而來控制VCO的輸出頻率。CP對整個環(huán)路的性能起決定性作用，其電流匹配精度、電流匹配時輸出電壓范圍、預充電電流大小直接影響環(huán)路的性能。圖1電荷泵鎖相環(huán)(CPPLL)中的CP電路，包括開關S1和S2,以及分別與之相連的充電電流源Iup和放電電流源Idw。CP輸入端接PFD的輸出信號，輸出端接LF的輸入端。 PFD檢測輸入信號REF和DIV的頻率和相位的差別，產生充電信號(UP)和放電信號(DW)， UP信號控制S1的閉合與斷開，Dff信號控制&的閉合與斷開。開關S1和&分別控制CP的充電和放電過程。開關S1閉合，開關&斷開，CP通過充電電流源Iup對LF充電，Vrtri上升； 開關&閉合，開關S1斷開，CP通過放電電流源Idw對LF進行放電，Vctrl下降；開關S” &同時閉合或同時斷開時，CP不對LF進行充電或放電，Vctrl保持不變。CP設計的核心在于使充電電流和放電電流大小相等，并且在保證這兩股電流匹配的情況下，Vctrl輸出范圍盡可能的大。另外，CP的預充電電流越大，PLL的建立時間越短。 現(xiàn)有的電荷泵存在充放電電流失配、電流匹配時輸出電壓變化范圍窄、預充電電流小等不足，這些因素都不同程度影響了鎖相環(huán)的性能。
發(fā)明內容本實用新型的目的是為克服現(xiàn)有技術不足，提供一種電荷泵鎖相環(huán)中的電荷泵電路，采用的技術方案是一種電荷泵鎖相環(huán)中的電荷泵電路，其特征在于設有自偏置電流鏡電路、充放電電路、復制電路、預充電偏置電路及軌到軌運放電路，其中自偏置電流鏡電路設有電阻R、MOS管Ml、M2、M3以及參考電流源，電阻R —端連接MOS管Ml柵極和參考電流源，參考電流源另一端連接電源VDD，電阻R另一端連接MOS管 Ml的漏極和M2的柵極，MOS管Ml的源極連接M2的漏極，MOS管M2的源極連接M3的漏極， MOS管M3的柵極接電源VDD，M3的源極接地。充放電電路設有充電開關管M4和放電開關管M8以及肌5管115』5，^6^7組成的充放電電流源，充電開關管M4柵極連接充電信號UP，M4源極接電源VDD，MOS管M5與M5， 作為充電電流源，MOS管M5與M5，的源極連接在一起并與開關管M4的漏極連接，MOS管M5 與M5’的漏極相連作為電荷泵輸出端，與鎖相環(huán)中環(huán)路濾波器輸入端連接，MOS管M5與M5’ 的漏極連接在一起并與MOS管M6的漏極連接，MOS管M6的柵極與自偏置電流鏡電路中MOS 管Ml柵極連接，MOS管M6的源極與MOS管M7的漏極連接，MOS管M7的柵極和自偏置電流鏡電路中MOS管M2的柵極相連接，MOS管M7的源極連接放電開關管M8的漏極，放電開關管M8的柵極連接放電信號DW，M8的源極接地。復制電路是充放電電路結構的復制，設有與充電開關管M4相對應的充電開關管 M9、與MOS管M5、M5，相對應的MOS管M10、M10，、與MOS管M6、M7相對應的MOS管M11、M12 以及與放電開關管M8相對應的放電開關管M13，相對應的晶體管尺寸對應相等，充電開關管M9的源極連接電源VDD，M9柵極接地，MOS管M10、M10，的源極連接M9的漏極，MOS管 M10、M10，的漏極連接MOS管Mll的漏極，Mll的柵極連接自偏置電流鏡電路中MOS管Ml的柵極，MOS管Mll的源極連接MOS管M12的漏極，M12的柵極連接自偏置電流鏡電路中MOS 管M2的柵極，M12的源極連接放電開關管M13的漏極，M13的柵極接電源VDD，M13的源極接地。預充電偏置電路設有MOS管M14、M15、M16、M17、M18，MOS管M14的源極接電源 VDD, M14的柵極接地，M14的漏極接MOS管M15源極，M15的柵極與漏極連接在一起并與充放電電路MOS管M5’以及復制電路MOS管M10，的柵極連接，M15的漏極連接MOS管M16的漏極，M16的柵極連接自偏置電流鏡MOS管Ml的柵極，M16的源極連接MOS管M17的漏極， M17的柵極連接自偏置電流鏡MOS管M2的柵極，M17的源極連接MOS管M18的漏極，M18的柵極接電源VDD，M18的源極接地。軌到軌運放電路的負輸入端連接電荷泵的輸出端即充放電電路中MOS管M6的漏極，軌到軌運放電路的正輸入端連接復制電路中MOS管Mll的漏極，軌到軌運放電路的輸出端與充放電電路MOS管M5的柵極以及復制電路MOS管MlO的柵極連接在一起。軌到軌運放電路的輸出端還串聯(lián)一電阻&及電容Cc后連接軌到軌運放電路的正輸入端。本實用新型的優(yōu)點及顯著效果(1)電荷泵的充電電流源采用兩個MOS管M5和M5，組成結構，M5的柵極由軌到軌運放的輸出端偏置，M5’的柵極由預充電偏置電路偏置，通過這樣的連接增加一個預充電支路，提高電荷泵預充電電流，縮短電荷泵鎖相環(huán)的建立時間，克服了現(xiàn)有電荷泵預充電電流小所導致電荷泵鎖相環(huán)建立時間長的不足。(2)充放電流匹配精度是電荷泵設計中最重要的指標，也是電荷泵設計的難點。本發(fā)明采用軌到軌運放的輸入端跨接于充放電電路和復制電路之間，運放輸出端連接充電電流源M5和MlO的柵極，采用這種結構，軌到軌運放的高增益保證運放的兩輸入端電位相等， 使得電荷泵的充放電流匹配，運放的高增益保證了電流匹配的高精度。(3)電荷泵充放電流匹配時輸出電壓范圍會影響壓控振蕩器的調諧范圍。本發(fā)明采用軌到軌運放，軌到軌運放具有寬輸入電壓范圍，這保證了電荷泵電流匹配時的寬輸出電壓范圍，克服了現(xiàn)有電荷泵結構存在電流匹配時輸出電壓窄的問題。(4)應用自偏置電流鏡結構，由于MOS管Ml和M2增加了電流鏡的輸出阻抗，為此提高電流鏡電流復制的精確度以及輸出電流的平穩(wěn)度。
4[0016](5)電路結構簡單可靠，功耗低，易于集成。
圖1是已知的電荷泵鎖相環(huán)(CPPLL)的框圖及電荷泵的結構圖；圖2是本實用新型電荷泵原理電路圖；圖3是圖2中已知的寬輸入電壓高增益軌到軌運放的電路原理圖。
具體實施方式
參看圖2，本實用新型電荷泵鎖相環(huán)中的電荷泵電路包括自偏置電流鏡1、充放電電路2、復制電路3、預充電偏置電路4和軌到軌運放電路A。其中自偏置電流鏡電路1設有電阻R、M0S管M1、M2、M3以及參考電流源，電阻R — 端連接MOS管Ml柵極和參考電流源I,ef，參考電流源Iref另一端連接電源VDD，電阻R另一端連接MOS管Ml的漏極和M2的柵極，MOS管Ml的源極連接M2的漏極，MOS管M2的源極連接M3的漏極，MOS管M3的柵極接電源VDD，M3的源極接地。充放電電路2設有充電開關管M4和放電開關管M8以及MOS管M5、M5，、M6、M7組成的充放電電流源，充電開關管M4柵極連接充電信號UP, M4源極接電源VDD，MOS管M5與 M5，作為充電電流源，MOS管M5與M5’的源極連接在一起并與開關管M4的漏極連接，MOS 管M5與M5’的漏極相連作為電荷泵CP輸出端，與鎖相環(huán)中環(huán)路濾波器LF輸入端連接，MOS 管M5與M5，的漏極連接在一起并與MOS管M6的漏極連接，MOS管M6的柵極與自偏置電流鏡電路中MOS管Ml柵極連接，MOS管M6的源極與MOS管M7的漏極連接，MOS管M7的柵極和自偏置電流鏡電路中MOS管M2的柵極相連接，MOS管M7的源極連接放電開關管M8的漏極，放電開關管M8的柵極連接放電信號DW，M8的源極接地。復制電路3是充放電電路2結構的復制，設有與充電開關管M4相對應的充電開關管M9、與MOS管M5、M5，相對應的MOS管MlO、MlO，、與MOS管M6、M7相對應的MOS管Ml 1、 M12以及與放電開關管M8相對應的放電開關管M13，相對應的晶體管尺寸對應相等，充電開關管M9的源極連接電源VDD，M9柵極接地，MOS管M10、M10，的源極連接M9的漏極，MOS管 M10、M10，的漏極連接MOS管Mll的漏極，Mll的柵極連接自偏置電流鏡電路1中MOS管Ml 的柵極，MOS管Mll的源極連接MOS管M12的漏極，M12的柵極連接自偏置電流鏡電路1中 MOS管M2的柵極，M12的源極連接放電開關管M13的漏極，M13的柵極接電源VDD，M13的源極接地。保證了主體電路2和復制電路3中充放電流的匹配性。預充電偏置電路4設有MOS管M14、M15、M16、M17、M18，MOS管M14的源極接電源 VDD, M14的柵極接地，M14的漏極接MOS管M15源極，M15的柵極與漏極連接在一起并與充放電電路MOS管M5，以及復制電路MOS管M10，的柵極連接，M15的漏極連接MOS管M16的漏極，M16的柵極連接自偏置電流鏡MOS管Ml的柵極，M16的源極連接MOS管M17的漏極， M17的柵極連接自偏置電流鏡MOS管M2的柵極，M17的源極連接MOS管M18的漏極，M18的柵極接電源VDD，M18的源極接地。軌到軌運放電路A的負輸入端X點作為電荷泵的輸出端即充放電電路中MOS管M6 的漏極，軌到軌運放電路的正輸入端Y點連接復制電路中MOS管Mll的漏極，軌到軌運放電路的輸出端與充放電電路MOS管M5的柵極以及復制電路MOS管MlO的柵極連接在一起，軌到軌運放電路的輸出端還串聯(lián)一電阻&及電容Cc后連接軌到軌運放電路的正輸入端Y點。 軌到軌運放A和M5構成一個正反饋環(huán)路，軌到軌運放A和MlO構成一個負反饋環(huán)路，電阻 &及電容C。對負反饋環(huán)路進行密勒補償，增加環(huán)路的穩(wěn)定性，防止運放震蕩。軌到軌運放電路A為已知電路，可采用《中國集成電路》2008第5期P63，權進國，張獻英著《軌到軌輸入輸出范圍運算放大器的噪聲分析和優(yōu)化》參考圖一之電路如圖3所示，圖3省略了原圖運放VblVb2Vb3的具體偏置電路，實際應用中可以利用MOS管來代替圖3中的電流源Ib。上述電荷泵電路中，自偏置電流鏡1中的R、M1、M2與充放電電路中M6，M7構成一個自偏置共源共柵電流鏡、與復制電路3中Ml 1，M12構成另一個自偏置共源共柵電流鏡。 根據(jù)電流鏡鏡像原理，參考電流源通過電流鏡結構，分別按比例鏡像得到Idw、I。因為充放電電路2和復制電路3采用同一個參考電流源Iref，又因為M6、Mll尺寸相同，M7、M12 尺寸相同，所以Idw= I10因為MOS管M5、M10的柵極都是由軌到軌運放A輸出端偏置，MOS 管M5’、M10’的柵極都與M15的柵極相連，且由于軌到軌運放A的高增益，鉗制電位Vx = VY，所以Iup = 12。此外因為運放的輸入端沒有電流流入，所以I1 = 12。根據(jù)上述分析，可以推出Iup = Idw,即CP的充放電流匹配。軌到軌運放在寬輸入電壓范圍內能保持高增益， 由此擴大了 CP電流匹配時輸出電壓的范圍。預充電偏置電路4中，M17，M18與自偏置電流鏡電路R、M1、M2與構成又一個電流鏡，鏡像參考電流源Iref得到Ibia。當CP的輸出電壓為 OV時，預充電偏置電路4偏置充放電電路M5，和M10，的柵極，由M5，和M10，為CP提供預充電電流。預充電電流的大小取決于鏡像電流Ibia的大小。此結構的電荷泵具有高預充電電流值，高預充電電流對環(huán)路濾波器進行迅速充電，縮短鎖相環(huán)工作時的建立時間。因此， 通過增加預充電偏置電路4解決了 CP結構中存在低預充電電流的問題。通過仿真表明，本實用新型所設計的CP電路在輸出電壓匹配范圍為0. 13V 1.65V (工作電壓為1.8V)，電流匹配精度為0.01%，預充電電流為70 μ A (CP充放電流為 100 μ A)，本設計結構簡單，易于集成，適合高性能要求的鎖相環(huán)應用。
權利要求1.一種電荷泵鎖相環(huán)中的電荷泵電路，其特征在于設有自偏置電流鏡電路、充放電電路、復制電路、預充電偏置電路及軌到軌運放電路，其中自偏置電流鏡電路設有電阻R、M0S管M1、M2、M3以及參考電流源，電阻R —端連接MOS 管Ml柵極和參考電流源，參考電流源另一端連接電源VDD，電阻R另一端連接MOS管Ml的漏極和M2的柵極，MOS管Ml的源極連接M2的漏極，MOS管M2的源極連接M3的漏極，MOS 管M3的柵極接電源VDD，M3的源極接地；充放電電路設有充電開關管M4和放電開關管M8以及MOS管M5、M5，、M6、M7組成的充放電電流源，充電開關管M4柵極連接充電信號UP，M4源極接電源VDD，MOS管M5與M5，作為充電電流源，MOS管M5與M5，的源極連接在一起并與開關管M4的漏極連接，MOS管M5與 M5’的漏極相連作為電荷泵輸出端，與鎖相環(huán)中環(huán)路濾波器輸入端連接，MOS管M5與M5’的漏極連接在一起并與MOS管M6的漏極連接，MOS管M6的柵極與自偏置電流鏡電路中MOS管 Ml柵極連接，MOS管M6的源極與MOS管M7的漏極連接，MOS管M7的柵極和自偏置電流鏡電路中MOS管M2的柵極相連接，MOS管M7的源極連接放電開關管M8的漏極，放電開關管 M8的柵極連接放電信號DW，M8的源極接地；復制電路是充放電電路結構的復制，設有與充電開關管M4相對應的充電開關管M9、與 MOS管M5、M5’相對應的MOS管M10、M10’、與MOS管M6、M7相對應的MOS管M11、M12以及與放電開關管M8相對應的放電開關管M13，相對應的晶體管尺寸對應相等，充電開關管M9的源極連接電源VDD，M9柵極接地，MOS管M10、M10，的源極連接M9的漏極，MOS管M10、M10， 的漏極連接MOS管Mil的漏極，Mil的柵極連接自偏置電流鏡電路中MOS管Ml的柵極，MOS 管Mll的源極連接MOS管M12的漏極，M12的柵極連接自偏置電流鏡電路中MOS管M2的柵極，M12的源極連接放電開關管M13的漏極，M13的柵極接電源VDD，M13的源極接地；預充電偏置電路設有MOS管M14、M15、M16、M17、M18，MOS管M14的源極接電源VDD，M14 的柵極接地，M14的漏極接MOS管M15源極，M15的柵極與漏極連接在一起并與充放電電路 MOS管M5，以及復制電路MOS管M10，的柵極連接，M15的漏極連接MOS管M16的漏極，M16 的柵極連接自偏置電流鏡MOS管Ml的柵極，M16的源極連接MOS管M17的漏極，M17的柵極連接自偏置電流鏡MOS管M2的柵極，M17的源極連接MOS管M18的漏極，M18的柵極接電源 VDD, M18的源極接地；軌到軌運放電路的負輸入端連接電荷泵的輸出端即充放電電路中MOS管M6的漏極，軌到軌運放電路的正輸入端連接復制電路中MOS管Mll的漏極，軌到軌運放電路的輸出端與充放電電路MOS管M5的柵極以及復制電路MOS管MlO的柵極連接在一起。
2.根據(jù)權利要求1所述的電荷泵鎖相環(huán)中的電荷泵電路，其特征在于軌到軌運放電路的輸出端還串聯(lián)一電阻&及電容Cc后連接軌到軌運放電路的正輸入端。
專利摘要一種電荷泵鎖相環(huán)中的電荷泵電路，設有自偏置電流鏡電路、充放電電路、復制電路、預充電偏置電路及軌到軌運放電路，自偏置電流鏡電路設有電阻R、3個MOS管以及參考電流源。充放電電路設有充、放電開關管以及4個MOS管組成的充放電電流源。復制電路是充放電電路結構的復制，相對應的晶體管尺寸對應相等。預充電偏置電路設有5個MOS管，軌到軌運放電路的輸入端跨接于充放電電路和復制電路之間，輸出端連接電荷泵充電電流源。
文檔編號H03L7/08GK202043096SQ201120068390
公開日2011年11月16日 申請日期2011年3月16日 優(yōu)先權日2011年3月16日
發(fā)明者李智群, 王志功, 鄭爽爽 申請人:東南大學