专利名称：可解决电荷分配和电流失配问题的电荷泵的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及一种可解决电荷分配和电流失配问题的电荷泵，用于锁相环 (PLL)中。
技术背景在图1锁相环(PLL)中，相位/频率鉴别器(PFD)输入的信号分别是参考时钟和 除法器输出的时钟，PFD通过对两个信号的频率和相位进行比较，产生误差信号UP和DN，误 差信号通过电荷泵和环路滤波器就可以生成用来控制压控震荡器(VCO)输出频率的直流 控制电压VCTRL。这是一个自动反馈系统，当这一反馈系统锁定时，REF_CLK = DIV_CLK = 0UT_CLK/M,也就实现了通过一个低频信号产生一个高频信号的目的。作为PLL系统中一个 非常关键的组成部分，电荷泵的设计通常会遇到两个重要问题电荷分配和电流失配。图1中当UP = 1时，Ml处于截止状态，Nl点连接电流源，用来实现电流源的晶体 管通常面积较大，因此寄生电容也比较大，这样就会有大量的电荷积聚在m点。在Mi处于 截止状态时VCTRL的电压会受锁相环控制而产生变化，当UP信号由高变低时，Ml导通，在 导通的瞬间，如果VCTRL的电压和m点的电压不相等，就必然会导致VCTRL和m两点之间 的电荷进行重新分配，这种电荷重新分配的结果就是在VCTRL电压产生波纹，这种波纹会 使VCO信号出现不规则抖动，从而严重损害输出时钟的噪声性能。在M2和N2 —端也存在 相同的问题，这就是电荷泵的电荷分配问题。此外，随着VCTRL电压的变化，Ml、M2和用来实现上下两个电流源的晶体管的Vds 都会发生变化，由于实际应用中晶体管的输出阻抗不可能是无穷大，输出特性曲线必然存 在一定的斜率，因此针对不同的VCTRL电压，电荷泵的充电电流Iup和放电电流Idn就不可 能完全相等和匹配，这就是所谓的电流失配问题。电流失配会在PLL系统中产生静态偏 移，这种静态偏移同样会影响系统的噪声性能。
发明内容为了解决上述技术问题，本实用新型提供了一种可解决电荷分配和电流失配问题 的电荷泵。本实用新型解决其技术问题所采用的技术方案是一种可解决电荷分配和电流失 配问题的电荷泵，设有电荷泵核心电路，包括由第六PMOS管、第七PMOS管和第八NMOS管、第九NMOS管 组成的差分电荷泵输入结构，所述第六PMOS管、第七PMOS管的源极与第一 PMOS管的漏极 相连，所述第八NMOS管、第九NMOS管的源极与第一 NMOS管的漏极相连，第六PMOS管、第八 NMOS管的漏极连接于运算放大器的正输入端上，其运算放大器的负输入端和输出端短接并 与第七PMOS管、第九NMOS管的漏极连接；电流复制反馈电路，其第三NMOS管的栅极与运算放大器的正输入端连接，第三 PMOS管的源、栅极分别与第一 PMOS管、第二 PMOS管的源、栅极连接，第五NMOS管的删、源极
3分别与第一 NMOS管、第二 NMOS管的删、源极端连接，第四NMOS管的栅极连接于第五PMOS 管的漏极，所述第三PMOS管及第四PMOS管的漏、栅极都短接，并且第四PMOS管的源极和第 六NMOS管的栅极接电源；以及删、源极与第一 NMOS管的删、源极相连接的第七NMOS管，所述第七NMOS管的 漏、栅极接外部电流源。进一步的所述第一 PMOS管和第二 PMOS管的尺寸相同，第一 NMOS管和第二 NMOS 管的尺寸相同。本实用新型不仅不会在VCTRL上产生波纹抖动，还可以实现完美的充放电电流匹 配，并且结构简单，操作方便。
图1为锁相环电路示意图。图2为电荷泵核心电路。图3为采用了复制反馈电流源和单位增益运算放大器结合的电路图。图4为本实用新型的电路图。图中1、第一 PMOS管；2、第二 PMOS管；3、第三PMOS管；4、第四PMOS管；5、第五 PMOS管；6、运算放大器；7、第一 NMOS管；8、第二 NMOS管；9、第三NMOS管；10、第四NMOS管； 11、第五NMOS管；12、第六NMOS管；13、第七NMOS管；14、第六PMOS管；15、第七PMOS管；16、 第八NMOS管；17、第九NMOS管。
具体实施方式
以下结合附图和实施例对本实用新型进一步说明。图2的电路结构可以用来解决电荷分配的问题，如图2所示，其内部设有运算放大 器，所述运算放大器的正输入端和输出端分别与差分电荷泵输入结构的两个支路连接，并 且其负输入端与输出端短接以组成单位增益缓冲器。PFD输出信号采用差分形式，当UP = high时，Ml处于截止状态，但是UPB = low,M4则处于导通状态，因此附点电压和VCTRLDUM 的电压始终相等，由于图2中的运算放大器的采用的是单位增益缓冲器的连接方式，使得 无论VCTRL如何改变，VCTRLDUM的电压都跟随VCTRL变化，也就是说，在任何状态下，Ni、 VCTRLDUM和VCTRL的电压都保持相等，因此当UP信号由高变低时，VCTRL和附两点之间由 于电压相同，不会产生电荷的重新分配，也就不会在VCTRL上产生波纹抖动。而电流失配的问题主要是由于随着VCTRL电压的变化，晶体管的Vds都会发生变 化，因此造成电荷泵的充电电流Iup和放电电流Idn不可能完全相等和匹配。图3中采用 了复制反馈电流源和单位增益运算放大器相结合的方式，可以有效地解决这一问题。如图 3所示，如果M4 = M8，M4和M8的偏置电流是相等的，也就是Idn = Irp0其中Irp既流过 M8也流过M5。当VCTRL变化时，运算放大器迫使Vx跟随VCTRL，因此Ml和M5的偏置电压 Vgs和Vds会始终相等，这样只要Ml = M5，Irp就始终等于Iup。所以即使Vctrl不断变 化，也可以保证Iup = Irp = Idn。用这种方法，电荷泵就实现了完美的充放电电流匹配。图4是本实用新型的电路图。其包括电荷泵核心电路，包括由第六PMOS管14、 第七PMOS管15和第八NMOS管16、第九NMOS管17组成的差分电荷泵输入结构，所述第六
4PMOS管14、第七PMOS管15的源极与第一 PMOS管1的漏极相连，所述第八匪OS管16、第 九NMOS管17的源极与第一 NMOS管7的漏极相连，第六PMOS管14、第八NMOS管16的漏 极连接于运算放大器6的正输入端上，其运算放大器6的负输入端和输出端短接并与第七 PMOS管15、第九NMOS管17的漏极连接；电流复制反馈电路，其第三NMOS管9的栅极与运 算放大器6的正输入端连接，第三PMOS管3的源、栅极分别与第一 PMOS管1、第二 PMOS管 2的源、栅极连接，第五NMOS管11的删、源极分别与第一 NMOS管7、第二 NMOS管8的删、源 极端连接，第四NMOS管10的栅极连接于第五PMOS管5的漏极，所述第三PMOS管3及第四 PMOS管4的漏、栅极都短接，并且第四PMOS管4的源极和第六NMOS管12的栅极接电源； 以及删、源极与第一 NMOS管7的删、源极相连接的第七NMOS管13，所述第七NMOS管13的 漏、栅极接外部电流源。其中电荷泵核心电路与图2的结构相同，用运放来消除电荷共享， 其他部分则和图3中的结构相似，只不过图3中的放大器被图4中的差分对所取代。通过 这个差分放大器，反馈电路使得Vx的电压跟随VCTRL，因而实现Iup = Irp = Idn。 需要强调的是以上仅是本实用新型的较佳实施例而已，并非对本实用新型作任 何形式上的限制，凡是依据本实用新型的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等 同变化与修饰，均仍属于本实用新型技术方案的范围内。
权利要求一种可解决电荷分配和电流失配问题的电荷泵，其特征是所述电荷泵设有电荷泵核心电路，包括由第六PMOS管(14)、第七PMOS管(15)和第八NMOS管(16)、第九NMOS管(17)组成的差分电荷泵输入结构，所述第六PMOS管(14)、第七PMOS管(15)的源极与第一PMOS管(1)的漏极相连，所述第八NMOS管(16)、第九NMOS管(17)的源极与第一NMOS管(7)的漏极相连，第六PMOS管(14)、第八NMOS管(16)的漏极连接于运算放大器(6)的正输入端上，其运算放大器(6)的负输入端和输出端短接并与第七PMOS管(15)、第九NMOS管(17)的漏极连接；电流复制反馈电路，其第三NMOS管(9)的栅极与运算放大器(6)的正输入端连接，第三PMOS管(3)的源、栅极分别与第一PMOS管(1)、第二PMOS管(2)的源、栅极连接，第五NMOS管(11)的删、源极分别与第一NMOS管(7)、第二NMOS管(8)的删、源极端连接，第四NMOS管(10)的栅极连接于第PMOS管(5)的漏极，所述第三PMOS管(3)及第四PMOS(4)管的漏、栅极都短接，并且第四PMOS管(4)的源极和第六NMOS管(12)的栅极接电源；以及删、源极与第一NMOS管(7)的删、源极相连接的第七NMOS管(13)，所述第七NMOS管(13)的漏、栅极接外部电流源。
2.根据权利要求1所述的可解决电荷分配和电流失配问题的电荷泵，其特征是所述 第一 PMOS管(1)和第二 PMOS管(2)的尺寸相同，第一 NMOS管(7)和第NMOS管(8)的尺 寸相同。
专利摘要本实用新型涉及一种可解决电荷分配和电流失配问题的电荷泵。设有电荷泵核心电路，包括由第六PMOS管、第七PMOS管和第八NMOS管、第九NMOS管组成的差分电荷泵输入结构、第一PMOS管、第一NMOS管以及运算放大器；电流复制反馈电路，第三NMOS管的栅极与运算放大器的正输入端连接，第三PMOS管的源、栅极分别与第一PMOS管、第二PMOS管的源、栅极连接，第五NMOS管的删、源极分别与第一NMOS管、第二NMOS管的删、源极端连接，第四NMOS管的栅极连接于第五PMOS管的漏极，所述第三PMOS管及第四PMOS管的漏、栅极都短接；以及删、源极与第一NMOS管的删、源极相连接的第七NMOS管。本实用新型不仅不会在VCTRL上产生波纹抖动，还可以实现完美的充放电电流匹配，并且结构简单，操作方便。
文档编号H02M1/14GK201754557SQ20102027739
公开日2011年3月2日 申请日期2010年7月30日 优先权日2010年7月30日
发明者孙礼中, 梅海涛 申请人:苏州科山微电子科技有限公司