一種大電壓輸出擺幅低電流失配電荷泵的設(shè)計(jì)

摘要：在分析了基本鎖相環(huán)電荷泵工作機(jī)制的基礎(chǔ)上，提出一種新型的電荷泵結(jié)構(gòu)，該電荷泵在非常寬的電壓范圍內(nèi)具有很低的電流失配，解決了傳統(tǒng)電荷泵結(jié)構(gòu)所具有的電荷注入、時(shí)鐘饋通和電荷共享等問(wèn)題，并且非常容易實(shí)現(xiàn)電荷泵充放電電流的數(shù)字控制。基于SMI(：O．18 gm cMOSRF工藝庫(kù)設(shè)計(jì)的實(shí)際電路，使用Cadence工具仿真結(jié)果表明，在電源電壓2.O V時(shí)，輸出電壓為O.3～1.63 V，充放電電流最大失配率小于0.1％，電流絕對(duì)值偏移率小于O.6％，說(shuō)明這種新型電荷泵結(jié)構(gòu)具有良好的性能。
關(guān)鍵詞：鎖相環(huán)；電荷泵；電流失配；數(shù)字控制

0 引 言
CMOS電荷泵鎖相環(huán)以其高速、低抖動(dòng)、低功耗和易集成等特點(diǎn)，已廣泛用于接收機(jī)芯片、時(shí)鐘恢復(fù)電路中，如圖l所示，電荷泵對(duì)整個(gè)電荷泵鎖相環(huán)性能具有關(guān)鍵的作用，如果電荷泵的充放電電流能夠在很大的輸出電壓范圍內(nèi)具有高精度的匹配，在PLL鎖定某個(gè)頻率時(shí)，LPF提供給VCO的控制電壓將是一個(gè)常數(shù)，它將顯著降低VCO輸出頻率的抖動(dòng)，提高VCO的相位噪聲特性，并且VCO可以具有很大的調(diào)諧范圍。

l 傳統(tǒng)電荷泵工作機(jī)制
傳統(tǒng)電荷泵結(jié)構(gòu)如圖2所示。

它主要由兩個(gè)受控開(kāi)關(guān)的電流源組成，通過(guò)PFD比較Fref和Fdiv的相位，如果Fref相位超前于Fdiv，則輸出UP為高電平，DN為低電平，Iup給LPF電容充電，使得VC0的控制電壓上升，控制VCO的輸出信號(hào)頻率升高；如果Fdiv相位超前于Fref，則輸出uP為低電平，DN為高電平，LPF電容通過(guò)Idown。放電，使得VCO的控制電壓下降，控制VCO的輸出信號(hào)頻率降低；如果Fref和Fdiv的相位相同，PLL達(dá)到鎖定狀態(tài)，則UP和DN信號(hào)控制充放電電流源同時(shí)打開(kāi)或關(guān)閉，具體工作狀態(tài)如表1所示。

在電路鎖定狀態(tài)，為了消除PFD的死區(qū)，電荷泵的充放電電流源在每個(gè)周期需要同時(shí)打開(kāi)一段時(shí)間，如果這兩個(gè)電流源的電流大小不精確匹配，假設(shè)Iup大于Idown，則將有Iup。減去Idown大小的電流為L(zhǎng)PF電容充電，使得VCO的控制電壓升高，繼而使得VCO的輸出頻率發(fā)生變化，降低了輸出時(shí)鐘的噪聲性能。而在電荷泵的充放電電流同時(shí)關(guān)閉時(shí)，由于MOS管開(kāi)關(guān)的源極和漏極寄生電容以及溝道反型層中存儲(chǔ)了電荷，導(dǎo)致電荷注入到IPF的電容上，從而引起VCO輸出頻率的變化，克服電荷共享最有效的方法是在充放電開(kāi)關(guān)斷開(kāi)時(shí)用單位增益運(yùn)放將輸出電壓復(fù)制到電流源漏端。由電荷泵的非理想特性導(dǎo)致的開(kāi)關(guān)時(shí)間延時(shí)、充放電電流失配和電荷注入引起的PLL輸出信號(hào)的相位偏差為：