一種新型低電荷共享電荷泵電路

1、引言

目前，電荷泵鎖相環(huán)是所有鎖相環(huán)中最受關(guān)注的一種，例如它在射頻的頻率合成器、數(shù)字電路中的時鐘產(chǎn)生以及時鐘恢復(fù)電路中都被廣泛采用，這主要是因為電荷泵鎖相環(huán)具有良好的跟蹤能力和捕獲能力。研究開發(fā)性能良好的電荷泵鎖相環(huán)有著重要的現(xiàn)實意義[1]。同時，CMOS工藝具有工作電壓范圍寬、靜態(tài)功耗低、抗干擾能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，是當(dāng)今集成電路制造業(yè)的主流工藝[2]。因此，使用CMOS工藝設(shè)計的鎖相環(huán)路應(yīng)用范圍越來越廣，而電荷泵是電荷泵鎖相環(huán)里面除VCO外最重要的電路模塊，而電流失配、電荷共享、過沖和時鐘饋通等現(xiàn)象一直限制著電荷泵性能的提高[3]，因此研究性能良好的電荷泵有非常重要的現(xiàn)實意義。

2、傳統(tǒng)電荷泵

2．1基本原理

圖l是典型的電荷泵結(jié)構(gòu)。此處電荷泵為兩個受鑒頻鑒相器(PFD)輸出信號控制的開關(guān)電流源，它與后面的環(huán)路濾波器共同作用，將PFD的邏輯信號轉(zhuǎn)化為電壓信號，該電壓信號進(jìn)而調(diào)節(jié)壓控振蕩器的振蕩頻率[4]。

當(dāng)鑒頻鑒相器輸出電壓信號UP為高時，電荷泵上端開關(guān)導(dǎo)通，電荷泵將以電流Ip對濾波器充電。

當(dāng)鑒頻鑒相器輸出電壓信號DN為高，打開電荷泵下端開關(guān)，電荷泵以電流Ip對濾波器放電。因為這種結(jié)構(gòu)的鑒頻鑒相器通過電流充、放電來改變低通濾波器的電壓Vout所以對Vout電壓幅值沒有限制。因此電荷泵鎖相環(huán)的捕獲范圍很寬，直接由壓控振蕩器能夠工作的頻率范圍來決定。同時，當(dāng)電荷泵上下的開關(guān)都關(guān)斷時，低通濾波器的電壓可以保持Vout不變，而且UP和DN信號表征的是輸入與輸出之間的相差，UP和DN均為低電平說明鑒頻鑒相器的輸出相差為0。所以，這種結(jié)構(gòu)的電荷泵和鑒頻鑒相器具有鎖定時相差為0的優(yōu)點(diǎn)。

當(dāng)鑒頻鑒相器和電荷泵一同使用時，電路結(jié)構(gòu)如圖2所示。電路有充電、放電和保持三種狀態(tài)。當(dāng)QA=QB=0時，K1和K2關(guān)斷，保持Vout不變。如果QA為高，QB為低，電容Cp通過I1充電。反之，如果QA為低，QB為高，Cp通過I2放電。因此，如果A超前B，QA連續(xù)產(chǎn)生脈沖，Vout值逐漸升高，呈階梯形。I1和I2就分別為上述的UP和DOWN電流，通常取一樣的值[5]。雖然電路能正常工作，但也產(chǎn)生了下述的電荷共享問題。

2．2"電荷共享"問題

電荷泵的"電荷共享"是電荷泵的主要問題之一，問題來源于電流源漏端所存在的一定的電容間。其原理如圖3所示，開關(guān)S1和S2都斷開，那么M1使結(jié)點(diǎn)X放電到零電位，M2使結(jié)點(diǎn)Y充電到VDD。在下一個相位比較瞬間，開關(guān)S1和S2都導(dǎo)通，從而Vx的電壓上升，Vy電壓下降，如果忽略在開關(guān)S1和S2上的電壓降，則有Vx一Vy一Vcont(圖b)，如果相位誤差為零，而且且ID1=｜ID2｜，則在開關(guān)導(dǎo)通時，Vcont值將發(fā)生跳變。此時即使Cx=CY，VX和VY的變化量也不相等。例如，若Vcont比較高，則Vx變化量大而Vy變化量較小。這兩者變化的差額必須由Cp來提供，從而導(dǎo)致Vcont跳動[7]。

3. 抑制"電荷共享"的方法

上述電荷共享現(xiàn)象可以通過"自舉"（bootstrapping）的辦法來消除[8]。

如圖4所示，其思路就是在相位比較完后，將VX和VY的電位"固定"到Vcont。當(dāng)S1和S2斷開時，S3和S4導(dǎo)通，再用單位增益放大器將結(jié)點(diǎn)X和Y的電位保持在Vcont，在下一個相位比較瞬間，S1和S2導(dǎo)通，S3和S4斷開，這時候VX和VY的電位都等于Vcont，所以在CP和X點(diǎn)、Y點(diǎn)的電容之間不會發(fā)生電荷共享。而新型低電荷共享的電荷泵就是這種結(jié)構(gòu)的具體電路實現(xiàn)。

4、低電荷共享的新型電荷泵

圖5是本文提出的新型電荷泵電路，它將單一晶體管的開關(guān)改為雙向傳輸門，這使電流傳輸不受晶體管閾值電壓的影響，并可擴(kuò)大X、Y兩點(diǎn)的電壓跟隨范圍。用一個單端放大器構(gòu)成負(fù)反饋，形成電壓跟隨器，偏置電流源同時為放大器提供尾電流。改進(jìn)后的電荷泵同一般的電荷泵相比，多了一個跟隨器，這個跟隨器使得電流源在關(guān)斷時，漏端電壓能夠跟隨Vcont,這樣當(dāng)開關(guān)打開時，可以認(rèn)為△v等于零，同時避免了兩個電流源漏端寄生電容的電荷共享效應(yīng)。否則會引起較大的上下電流不對稱效應(yīng)，增大鎖相環(huán)的抖動。

5、傳統(tǒng)電荷泵和新型電荷泵的對比

對比仿真采用GSMC0．18Dμm工藝庫，在相同的尺寸和各種工藝角 TT、FF、SS，供電電壓1．8v10％，溫度0℃到125℃等仿真條件下進(jìn)行，仿真軟件為spectre和hspice。這里的傳統(tǒng)電荷泵結(jié)構(gòu)僅比上述的新型電荷泵少了右邊的差動放大器。通過觀察CPLL鎖定時的壓控振蕩器的控制電壓Vcont的波紋大小可初步比較得出電荷泵的性能，由于兩者的抖動在本次中都很小(10ps數(shù)量級)，所以肉眼不能從時鐘信號觀察出來。從圖6和圖7可以看出新型電荷泵的Vcont波紋的振幅約為4mV，僅為傳統(tǒng)的電荷泵的振幅12mV的l／3，這減少的量主要是從抑制電荷共享而獲得，另外兩個波紋產(chǎn)生的原因是時鐘饋通和電流過沖。更小的波紋將導(dǎo)致CPPLL的更小的抖動。

從表1的仿真結(jié)果可以知道,新型電荷泵由于結(jié)構(gòu)上的改進(jìn),得到了比傳統(tǒng)電荷泵更小的抖動和失配,由于增加了電壓跟隨電路,功耗會大一點(diǎn).

我們闡述了一個低失配(mismatch2%)、低電荷共享的新型電荷泵,通過增加并不復(fù)雜的電路達(dá)到了加倍提高電荷泵性能的目的,這種電荷可廣泛用于CPPLL中.