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(多图) 一种改进型的CMOS电荷泵锁相环电路

/?? 2014年06月05日 ?? 收藏0

2 电荷泵电路设计

传统的电荷泵电路如图3所示,电流源Iref通过电流镜像为M2和M7提供与Iref成比例的镜像电流IUP和IDN。PFD的输出逻辑信号VUP和VDN控制开关管M3和M4的导通与关断,M3和M4交替导通给滤波电容CC充放电得到电荷泵输出电压VC。然而,由于MOS器件以及电路结构所具有的一些非理想因素,该电路存在充放电电流失配、电荷共享和时钟馈通等问题。

图3 用于锁相环的传统电荷泵电路
图3 用于锁相环的传统电荷泵电路

传统电荷泵电路的充放电电流是由普通电流镜提供的,其中M1和M2构成充电电流镜,M5和M7构成放电电流镜,理想的情况是充放电流能保持一致。然而工作在饱和区的电流镜MOS器件受到沟道长度调制效应的影响,镜像电流会随源漏压差的变化而变化。具体来说,一方面,M6和M7的镜像电流会因它们的漏极电压不同而不同,进而造成电荷泵充放电电流不同;另一方面,VC电压在一定范围内变化时,M2和M7输出的充放电电流也不能保持一致。

由于电流失配所造成的相位误差可表示为



式中:ICP是设定的电荷泵电流大小;ΔICP为电荷泵的失配电流;Δton是PFD电路产生的导通时间;Tref为基准周期。从上式可以看出,电流失配值对相位误差的影响是成正比关系的,因此,消除电荷泵电路中的电流失配就显得尤为重要。

在电荷泵充放电周期中还存在电荷共享和时钟馈通现象的影响。在充电时M3导通,M2的漏端电压降低到VC值,同时M4关断,M7的漏端电压降低到零;在放电时M3关断,M2的漏端电压升高到VDD值,同时M4导通,M7的漏端电压升高到VC值。由于M2和M7的漏极存在寄生电容,其在充放电周期中就会吸收和释放电荷,因此会影响电荷泵的输出,这一现象称为电荷共享。另外,在充放电周期中,M3和M4栅极寄生电容在时钟信号的驱动下也会产生电荷的释放和吸收现象,从而影响电荷泵输出,这一现象又称为时钟馈通。

针对传统电荷泵电路中存在的电流失配、电荷共享和时钟馈通的问题,本文提出了一种改进型的电荷泵电路,如图4所示。

图4 用于锁相环的改进型电荷泵电路
图4 用于锁相环的改进型电荷泵电路

如图4所示,首先为了抑制开关管时钟馈通现象,将开关管M8和M2与电流镜管M6和M4的位置进行交换,这样可以有效降低开关管漏极电压的变化幅度。同时,增加了开关管M1,M7和M9来分别匹配M2,M8和M10,以消除电流镜像的误差。

此外,增加的开关管M11和M12分别与M8和M2反相导通,这样就可以抵消时钟馈通和电荷共享现象产生的电荷。

针对电流镜失配的问题,采用了负反馈的方式来抑制充放电电流镜的失配。具体做法是,M5,M6和M10构成电流镜将基准电流Iref镜像后由M6输出电荷泵的充电电流。M5的漏极电流流过M3,然后M3与M4构成的电流镜由M4输出电荷泵的放电电流。放大器OP的引入,在VX节点形成负反馈,就可以严格保证VX=VC,这样几乎完全消除了电流镜漏极电压的不同带来的充放电电流失配问题。

另外,开关管M11和M12的漏极连接到了VX节点,因为VX=VC,所以M11和M12的漏极电压也等于VC,这样做既匹配了时钟馈通和电荷共享现象产生的电荷,又避免了M11和M12的漏极直接连接到VC对电荷泵输出的影响。

放大器OP采用了轨对轨结构,以保证输入和输出电压的摆幅范围,以增大电荷泵输出电压的线性范围。电容C1的引入,既具有稳定负反馈环路的作用,又起到滤波VX电压毛刺干扰的作用。

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锁相环? 电荷泵? 鉴频鉴相器? 压控振荡器?

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