新型電荷泵電路實現加倍提高電荷泵的應用性能

1、引言

目前，電荷泵鎖相環是所有鎖相環中最受關注的一種，例如它在射頻的頻率合成器、數字電路中的時鐘產生以及時鐘恢復電路中都被廣泛采用，這主要是因為電荷泵鎖相環具有良好的跟蹤能力和捕獲能力。研究開發性能良好的電荷泵鎖相環有著重要的現實意義。同時，CMOS工藝具有工作電壓范圍寬、靜態功耗低、抗干擾能力強等優點，是當今集成電路制造業的主流工藝。因此，使用CMOS工藝設計的鎖相環路應用范圍越來越廣，而電荷泵是電荷泵鎖相環里面除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象一直限制著電荷泵性能的提高，因此研究性能良好的電荷泵有非常重要的現實意義。

2、傳統電荷泵

2．1基本原理

圖l是典型的電荷泵結構。此處電荷泵為兩個受鑒頻鑒相器（PFD）輸出信號控制的開關電流源，它與后面的環路濾波器共同作用，將PFD的邏輯信號轉化為電壓信號，該電壓信號進而調節壓控振蕩器的振蕩頻率。

當鑒頻鑒相器輸出電壓信號UP為高時，電荷泵上端開關導通，電荷泵將以電流Ip對濾波器充電。

當鑒頻鑒相器輸出電壓信號DN為高，打開電荷泵下端開關，電荷泵以電流Ip對濾波器放電。因為這種結構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，當電荷泵上下的開關都關斷時，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，這種結構的電荷泵和鑒頻鑒相器具有鎖定時相差為0的優點。

當鑒頻鑒相器和電荷泵一同使用時，電路結構如圖2所示。電路有充電、放電和保持三種狀態。當QA=QB=0時，K1和K2關斷，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連續產生脈沖，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。雖然電路能正常工作，但也產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S1和S2都斷開，那么M1使結點X放電到零電位，M2使結點Y充電到VDD。在下一個相位比較瞬間，開關S1和S2都導通，從而Vx的電壓上升，Vy電壓下降，如果忽略在開關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｜，則在開關導通時，Vcont值將發生跳變。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，從而導致Vcont跳動。

3. 抑制“電荷共享”的方法

上述電荷共享現象可以通過“自舉”（bootstrapping）的辦法來消除。

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S1和S2斷開時，S3和S4導通，再用單位增益放大器將結點X和Y的電位保持在Vcont，在下一個相位比較瞬間，S1和S2導通，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、Y點的電容之間不會發生電荷共享。而新型低電荷共享的電荷泵就是這種結構的具體電路實現。

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，并可擴大X、Y兩點的電壓跟隨范圍。用一個單端放大器構成負反饋，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斷時，漏端電壓能夠跟隨Vcont，這樣當開關打開時，可以認為△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。否則會引起較大的上下電流不對稱效應，增大鎖相環的抖動。

5、傳統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℃等仿真條件下進行，仿真軟件為spectre和hspice。這里的傳統電荷泵結構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?。?0ps數量級），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，另外兩個波紋產生的原因是時鐘饋通和電流過沖。更小的波紋將導致CPPLL的更小的抖動。

從表1的仿真結果可以知道，新型電荷泵由于結構上的改進，得到了比傳統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。

我們闡述了一個低失配（mismatch2%）、低電荷共享的新型電荷泵，通過增加并不復雜的電路達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。

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