一种双补偿电荷泵的制作方法
【专利摘要】本实用新型公开了一种双补偿电荷泵，包括电流源、运算放大器、第一电流镜、第二电流镜、第三电流镜、第四电流镜、充电开关和放电开关；第一电流镜和第三电流镜分别提供第一支路的放电电流和充电电流，第二电流镜和第四电流镜分别提供第二支路充电电流和放电电流，充电开关和放电开关分别用于控制两路充电电流和两路放电电流。运算放大器同时控制第三电流镜和第四电流镜，通过运算放大器的负反馈保证电流镜中各个MOS管的漏端电压相等。因此本实用新型保证了电流镜的镜像精度，具有电路结构简单且能够有效抑制充发电电流随输出电压的变化而变化的优点。
【专利说明】一种双补偿电荷泵
【技术领域】
[0001]本实用新型涉及通信设备领域，特别涉及一种双补偿电荷泵。
【背景技术】
[0002]锁相环电路广泛应用于通信系统中，如时钟恢复电路、通过低频载波产生高频载波等。如图1所示，锁相环电路主要由压控振荡器、鉴频鉴相器、电荷泵、环路滤波器和N分频器组成。压控振荡器输出载波通过N分频器分频后产生反馈信号fd，该反馈信号fd与参考时钟信号fMf通过鉴频鉴相器进行相位检测，输出控制信号控制电荷泵对环路滤波电路的充电或放电，从而控制环路滤波电路的输出电压值，该输出电压值控制压控振荡器输出载波的频率大小。当电路处于稳定状态时，输出载波的频率为fwt=N*fMf。
[0003]电荷泵作为锁相环电路的重要模块，其充电电流及放电电流的稳定性与匹配性对锁相环相位噪声的大小具有重要的影响。因此，设计一种充放电电流失配低、输出电压变化时充放电电流变化小的电荷泵对提高锁相环电路的性能具有重要的作用。
[0004]如图2所示为早期的单补偿电荷泵，正常工作时，运算放大器Al通过负反馈使电压V1始终与电荷泵输出电压Vcp TOT相等，从而使充电电流Iai及放电电流Idis都与电流I。相等。电流I。是通过丽1、丽3组成的电流镜镜像基准电流源IMf获得，基准电流源IMf及MNl管的漏源电压Vdsi不随输出电压变化而变化，考虑MOS晶体管的沟道长度调制效应:
[0005]Iref= (1/2) UnCox (ff/L) N (Vgs1-Vthn) 2 (1+ λ VDS1)，
[0006]10= (1/2) UnCox (ff/L) N (Vgs3-Vthn) 2 (1+ λ VDS3)；
[0007]其中，un为NMOS沟道中电子的迁移率，Cox为栅极和沟道形成的单位面积电容，W为沟道宽度，L为沟道长度,Vgs为栅极到源极电压,Vds为漏极到源极的电压,Vthn为NMOS晶体管的阈值电压，λ为沟道长度调制系数。
[0008]忽略沟道电流的差异产生的VDS2、Vds4不完全相等，可得到:
[0009]Vgs3=Vgsi,
[0010]Vds3-Vdsi=V1-V0,
[0011]Δ 10=10-1ref
[0012]= (1/2) UnCox (ff/L) N (Vgs1-Vthn) 2 λ (VDS3_VDS1)
[0013]=(1/2)UnCox(ff/L)N(Vgs1-Vthn)2 λ (V1-V0)；
[0014]XV1=Vcpout,
[0015]故Λ 10= (1/2) UnCox (ff/L) N (Vgs1-Vthn) 2 λ (VCP 0UT_V0)；
[0016]从上述可以得出，单补偿电荷泵的充放电电流AItl会随电荷泵输出电压Vcp 而呈线性变化。
[0017]图3为传统的 双补偿型电荷泵，该结构的电荷泵有两路充电电流Icm和Ich2，及两路放电电流Idisi和Idis2，分别有电流源1、I1^ I2及两个运算放大器Ap A2控制，电流源I。、1工和I2由基准电流源IMf镜像获得，基准电流源Iref为整个电路提供基准电流，电流源Itl与基准电流源Iref完全相等，为PMOS电流镜提供参考电流。由运算放大器Al的反馈作用，使Ich2与Imsi随电荷泵输出电压VeP—的增加而增加；由运算放大器A2的反馈作用，使Icm与Idis2随电荷泵输出电压Vct tot的增加而减小。四路充放电电流由于沟道长度调制效应随输出电压的变化而产生的变化量如下:
[0018]Δ Ichi=-(1/2) UpCox (ff/L) P (Vgsp-Vthp) 2 λ Δ Vcp out ；
[0019]Δ Ich2= (1/2) UnCox (ff/L) Ν (Vgsn-Vthn) 2 λ Λ Vcp out ；
[0020]Δ Idisi= (1/2) UnCox (ff/L) Ν (Vgsn-Vthn) 2 λ Λ Vcp out ；
[0021 ] Δ Idis2=-(1/2) UpCox (ff/L) Ρ (Vgsp-Vthp) 2 λ Δ Vcp out ；
[0022]其中，up,Un分别为PMOS和NMOS中载流子的迁移率，Cox为栅极和沟道形成的单位面积电容，(W/L)P、(W/L)N分别为PMOS和NMOS的宽长比，VesP、Vgsn分别为NMOS和PMOS的栅源电压，VTHP、Vthn分别为PMOS和NMOS晶体管的阈值电压，λ为沟道长度调制系数，AVepOJT为输出电压的变化量。
[0023]从上式可以看出:对于两路充(放)电电流，一路随输出电压的增加而增加，另一路随输出电压的增加而减小，两路支路电流变化互补，从而使总的充(放)电流不变。
[0024]这种结构的电荷泵可以在很大程度上减小充放电电流随输出电压的变化而变化，但这种结构的电荷泵引入了两个运算放大器，增加了电荷泵的复杂度。
实用新型内容
[0025]本实用新型的目的在于克服现有技术的缺点与不足，提供一种结构简单的双补偿电荷泵，该电荷泵在不增加其复杂度的情况下，能够有效抑制充发电电流随输出电压的变化而变化。
[0026]本实用新型的目的通过下述技术方案实现:一种双补偿电荷泵，包括电流源、运算放大器、第一电流镜(41)、第二电流镜(42)、第三电流镜(43)、第四电流镜(44)、充电开关
(45)和放电开关(46)；
[0027]所述第一电流镜(41)包括多个栅极相连的NMOS管；以电流源IMf作为参考电流镜像形成第一镜像电流Ιο、第二镜像电流I2和第三镜像电流Idisi ;其中第一镜像电流I。与参考电流IMf相等，第二镜像电流I2与第三镜像电流Idisi相等；
[0028]所述第一电流镜(41)第一镜像电流Itl的输出端与第二电流镜(42)输入端连接，所述第一镜像电流Itl提供至第二电流镜(42)输入端；
[0029]所述第一电流镜(41)第二镜像电流I2的输出端与运算放大器输入正端连接；
[0030]所述第一电流镜(41)第三镜像电流Idisi的输出端与运算放大器输入负端连接，所述第三镜像电流Idisi提供至运算放大器输入负端，为电荷泵第一支路放电电流；
[0031]所述第二电流镜(42)包括多个栅极相连的PMOS管；以第一镜像电流Itl作为参考电流镜像形成第四镜像电流Ich2和第五镜像电流I3 ;其中第四镜像电流Ich2和第五镜像电流I3相等；
[0032]所述第二电流镜(42)第四镜像电流Iqi2的输出端与运算放大器输入负端连接，所述第四镜像电流Iai2提供至运输放大器输入负端，作为电荷泵第二支路充电电流；
[0033]所述第二电流镜(42)第五镜像电流I3的输出端与运算放大器的输入正端连接，所述第三电流镜输入端(43)、第四电流镜(44)输入端和运算放大器的输入正端连接；第五镜像电流I3和第二镜像电流I2提供至第三电流镜(43)输入端、第四电流镜(44)输入端及运输放大器输入正端；
[0034]所述第三电流镜(43)包括多个栅极均与运算放大器输出端连接的多个PMOS管，以第五镜像电流I3和第二镜像电流I2提供至第三电流镜(43)输入端的电流I1作为为参考电流镜像形成第六镜像电流Iail ;第六镜像电流Im和电流I1相等；
[0035]所述第三电流镜(43)第六镜像电流Icm的输出端与运算放大器输入负端连接，第六镜像电流Im提供至运算放大器输入负端；为电荷泵第一支路充电电流；
[0036]所述第四电流镜(44)包括栅极均与运算放大器输出端连接的多个NMOS管，以第五镜像电流13和第二镜像电流I2提供至第四电流镜(44)输入端的电流I4为参考电流镜像形成第七镜像电流Idis2，第七镜像电流Idis2和电流I4相等；
[0037]所述第四电流镜(44)第七镜像电流Idis2输出端与运算放大器输入负端连接，所述第七镜像电流Idis2提供至运算放大器输入负端，为电荷泵第二支路放电电流；所述运算放大器输出负端为电荷泵电压输出端；
[0038]所述充电开关和放电开关分别连接上控制信号和下控制信号，通过所述充电开关控制第一支路充电电流Im和第二支路充电电流Iai2，通过所述放电开关控制第一支路放电电流Idisi和第二支路放电电流Idis2。
[0039]优选的，所述充电开关由栅极均与上控制信号Vup连接的第五PMOS管和第七PMOS管组成，所述第五PMOS管和第七PMOS管的源极均与电源连接，所述第五PMOS管和第七PMOS管的漏极分别与产生第一支路充电电流的第三电流镜和产生第二支路充电电流的第二电流镜连接，通过第五PMOS管和第七PMOS管分别控制第一支路充电电流Icm和第二支路充电电流Ich2 ;
[0040]所述放电开关由栅极均与下控制信号Vmwn连接的第八NMOS管和第十NMOS管组成，所述第八NMOS管和第十NMOS管的源极均接到，所述第八NMOS管和第十NMOS管的漏极分别与产生第一支路放电电流的第一电流镜和产生第二支路放电电流的第二电流镜连接，通过第八NMOS管和第十NMOS管分别控制第一支路放电电流Idisi和第二支路放电电流IDIS2。
[0041]更进一步的，所述第一电流镜(41)包括四个NMOS管，分别为栅极均与电流源连接的第一 NMOS管、第三NMOS管、第五NMOS管和第七NMOS管；所述第一 NMOS管的漏极与电流源连接，以电流源Iref作为参考电流分别在第三NMOS管、第五NMOS管和第七NMOS管所在支路上镜像形成第一镜像电流Ιο、第二镜像电流I2和第三镜像电流Idisi ;
[0042]所述第三NMOS管的漏极与第二电流镜(42)输入端连接，将所述第一镜像电流I。源提供至第二电流镜(42)输入端；
[0043]所述第五NMOS管的漏极与运算放大器的输入正端连接；
[0044]所述第七NMOS管的漏极与运算放大器输入负端连接，将所述第三镜像电流Idisi提供至运算放大器输入负端，为电荷泵第一支路放电电流；
[0045]所述第一 NMOS管、第三NMOS管、第五NMOS管源极分别与第二 NMOS管、第四NMOS管和第七NMOS管的漏极连接，第二 NMOS管、第四NMOS管和第七NMOS管的源极接地，栅极接电源；所述第七NMOS管的源极与放电开关中的第八NMOS管的漏极连接，通过第八NMOS管控制第一支路放电电流Idisi。
[0046]更进一步的，所述第二电流镜(42)包括三个PMOS管，分别为栅极相连的第二 PMOS管、第八PMOS管和第十PMOS管；所述第二 PMOS管的栅极和漏极均与第一电流镜(41)第一镜像电流Itl的输出端连接，以第一镜像电流Itl作为参考电流，分别镜像形成第八PMOS管和第十PMOS管所在支路的第四镜像电流Iai2和第五镜像电流I3 ；
[0047]所述第八PMOS管的漏极与运算放大器输入负端连接，将所述第四镜像电流Iqi2提供至运输放大器输入负端，作为电荷泵第二支路充电电流；
[0048]所述第十PMOS管的漏极与运算放大器的输入正端连接，将第五镜像电流I3和第二镜像电流I2提供至第三电流镜(43)输入端、第四电流镜(44)输入端及运输放大器输入正端；
[0049]所述第二 PMOS管、第十PMOS管的源极分别与第一 PMOS管和第九PMOS管的漏极连接；第一PMOS管和第九PMOS管的栅极接地，源极接电源；第二电流镜通过第八PMOS管的源极与充电开中的第七PMOS管的漏极连接，通过第七PMOS管控制第二支路充电电流Ic；H2。
[0050]更进一步的，所述第三电流镜(43 )包括两个PMOS管，分别为栅极均与运算放大器输出端连接的第四PMOS管和第六PMOS管；所述第四PMOS管的漏极与第一电流镜(41)第二镜像电流I。的输出端、第二电流镜第五镜像电流I3输出端及运算放大器输入正端连接，以第五镜像电流I3和第二镜像电流I2提供至第四PMOS管的漏极的电流I1作为参考电流，在第六PMOS管所在支路镜像形成第六镜像电流Icm ；
[0051]所述第六PMOS管的漏极与运算放大器输入负端连接，将第六镜像电流Icm提供至运算放大器输入负端；为电荷泵第一支路充电电流；
[0052]所述第四PMOS管的源极与第三PMOS管的漏极连接，第三PMOS管的栅极接地，源极接电源，所述第六PMOS管的源极与充电开关中的第五PMOS管的漏极连接，通过第五PMOS管控制第一支路充电电流Iail。
[0053]更进一步的，所`述第四电流镜(44 )包括两个NMOS管，分别为栅极均与运算放大器输出端连接的第九NMOS管和第十一 NMOS管；
[0054]所述第十一 NMOS管的漏极与运算放大器输出正端连接，以第五镜像电流I3和第二镜像电流I2提供至第十一 NMOS管的漏极的电流I4为参考电流，在第九NMOS管所在支路镜像形成第七镜像电流Idis2 ;
[0055]所述第九NMOS管的漏极与运算放大器输入负端连接，将所述第七镜像电流Idis2提供至运算放大器输入负端，为电荷泵第二支路放电电流；
[0056]所述第^ NMOS管的源极连接第十二 NMOS管的漏极,第十二 NMOS的源极接地，栅极接电源；所述第九NMOS管的源极与放电开关(46)中的第八NMOS管漏极连接，通过第八NMOS管控制第二支路放电电流Idis2。
[0057]优选的，所述NMOS管和PMOS管均采用0.18um CMOS工艺。
[0058]本实用新型相对于现有技术具有如下的优点及效果:
[0059](I)本实用新型为了保证电荷泵输出电压变化时，电流镜能准确的镜像电流，引入了运算放大器作为负反馈支路。为了避免引入过多的运算放大器而增加电路的复杂度，把引入的唯一的一个运算放大器两路复用，用于同时控制两个电流镜的工作，通过运算放大器的负反馈保证电流镜中MOS管的漏端电压相等，因此本实用新型电荷泵的结构即保证了电流镜的镜像精度，又避免了因电路中加入多个运算放大器而增加电路的复杂度。具有电路结构组成简单的优点。
[0060]( 2 )本实用新型的电荷泵，当电荷泵输出电压变化时，充放电电流跟随输出电压的变化明显得到抑制，在较大的输出电压变化范围内，能够保持充放电电流不变，在充放电电流转化为电压控制压控振荡器时，能够有效减小输出信号的抖动，从而提高锁相环电路的相位噪声等性能。
【专利附图】
【附图说明】
[0061]图1是锁相环电路组成结构框图。
[0062]图2是现有技术中的单补偿电荷泵电路图。
[0063]图3是现有技术中的双补偿电荷泵电路图。
[0064]图4是本实用新型双补偿电荷泵电路图。
[0065]图5a是本实用新型充电支路电流随电荷泵输出电压变化的曲线图。
[0066]图5b是本实用新型放电支路电流随电荷泵输出电压变化的曲线图。
[0067]图6是本实用新型电荷泵输出电压变化时充放电电流的差值曲线图。
【具体实施方式】
[0068]下面结合实施例及附图对本实用新型作进一步详细的描述，但本实用新型的实施方式不限于此。
[0069]实施例
[0070]如图4所示，本实施例公开了一种双补偿电荷泵，包括电流源、运算放大器Al、第一电流镜41、第二电流镜42、第三电流镜43、第四电流镜44、充电开关45和放电开关46。其中:
[0071]充电开关由栅极均与上控制信号Vup连接的第五PMOS管和第七PMOS管组成，第五PMOS管和第七PMOS管的源极均与电源连接，第五PMOS管和第七PMOS管的漏极分别与第三电流镜和第二电流镜连接。
[0072]放电开关由栅极均与下控制信号Vmwn连接的第八NMOS管和第十NMOS管组成，第八NMOS管和第十NMOS管的源极均接到，第八NMOS管和第十NMOS管的漏极分别与第一电流镜和第二电流镜连接。
[0073]第一电流镜41包括四个NMOS管，四个NMOS管分别为栅极均与电流源连接的第一WOS管丽1、第三WOS管丽3、第五WOS管丽5和第七WOS管丽7，
[0074]第一 NMOS管丽I的漏极与电流源连接，第三NMOS管丽3的漏极与第二电流镜42输入端连接，第五NMOS管MN5的漏极与运算放大器的输入正端及第三电流镜的输入端连接；第七NMOS管MN7的漏极与运算放大器输入负端连接；
[0075]第一 NMOS管MNl、第三NMOS管MN3、第五NMOS管MN5源极分别与第二 NMOS管MN2、第四NMOS管MN4和第七NMOS管MN7的漏极连接，第二 NMOS管MN2、第四NMOS管MN4和第七NMOS管MN7的源极接地，栅极接电源；第七NMOS管MN7的源极与放电开关中的第八NMOS管MN8的漏极连接。
[0076]其中本实施例中第一电流镜41以输入到第一 NMOS管丽I漏极的电流源I,ef作为参考电流，分别在第三NMOS管MN3、第五NMOS管MN5和第七NMOS管MN7所在支路上镜像形成第一镜像电流Ιο、第二镜像电流I2和第三镜像电流Idisi ;其中第一镜像电流Itl与参考电流IMf相等，第二镜像电流I2与第三镜像电流Idisi相等。[0077]第一电流镜41产生第一镜像电流I。的输出端即第三NMOS管丽3的漏极与第二电流镜42输入端连接，将第一镜像电流I。提供至第二电流镜42输入端；
[0078]第一电流镜41第二镜像电流I2的输出端即第五NMOS管丽5的漏极与运算放大器输入正端连接及第三电流镜43的输入端连接；
[0079]第一电流镜41第三镜像电流Idisi的输出端即第七NMOS管丽7与运算放大器输入负端连接，将第三镜像电流Idisi提供至运算放大器输入负端，为电荷泵第一支路放电电流；通过放电开关中的第八NMOS管MN8控制第一支路放电电流Idisi。
[0080]第二电流镜42包括三个栅极相连的PMOS管，分别为栅极相连的第二 PMOS管MP2、第八PMOS管MP8和第十PMOS管MPlO ;第二 PMOS管MP2的栅极和漏极均与第一电流镜41第一镜像电流I。的输出端即第三NMOS管丽10连接；
[0081]第八PMOS管MP8的漏极与运算放大器输入负端连接，第十PMOS管MPlO的漏极与运算放大器的输入正端连接；
[0082]第二 PMOS管MP2、第十PMOS管MPlO的源极分别与第一 PMOS管MPl和第九PMOS管MP9的漏极连接，第一 PMOS管MPl和第九PMOS管MP9的栅极接地，源极接电源；第二电流镜42通过第八PMOS管MP8的源极与充电开中的第七PMOS管MP7的漏极连接。
[0083]其中本实施例中第二电流镜42以输入到第二 PMOS管MP2的漏极中的第一镜像电流Itl作为参考电流，分别在第八PMOS管MP8和第十PMOS管MPlO所在支路上镜像形成第四镜像电流Ich2和第五镜像电流I3 ;其中第四镜像电流Ich2和第五镜像电流I3相等。
[0084]第二电流镜42第四镜像电流Ich2的输出端即第八PMOS管MP8漏极与运算放大器输入负端连接，将第四镜像电流Iai2提供至运输放大器输入负端，作为电荷泵第二支路充电电流；通过充电开关中的第七PMOS管MP7控制第二支路充电电流Iqi2。
[0085]第二电流镜42第五镜像电流I3的输出端即第十PMOS管MPlO漏极与运算放大器的输入正端连接，第三电流镜输入端43、第四电流镜44输入端和运算放大器的输入正端连接；第五镜像电流I3和第一电流镜41产生的第二镜像电流I2提供至第三电流镜43输入端、第四电流镜44输入端及运输放大器输入正端。
[0086]第三电流镜43包括两个PMOS管，分别为栅极均与运算放大器输出端连接的第四PMOS管MP4和第六PMOS管MP6 ；
[0087]第四PMOS管MP4的漏极与第一电流镜41第二镜像电流I。的输出端即第五NMOS管的漏极丽5、第二电流镜第五镜像电流I3输出端即第十NMOS管丽10的漏极及运算放大器输入正端连接；第六PMOS管MP6的漏极与运算放大器输入负端连接；
[0088]第四PMOS管MP4的源极与第三PMOS管MP3的漏极连接，第三PMOS管MP3的栅极接地，源极接电压源，第六PMOS管MP6的源极与充电开关中的第五PMOS管MP5的漏极连接。
[0089]本实施例中以第二电流镜42的第五镜像电流I3和第一电流镜41的第二镜像电流I2提供至第三电流镜43输入端即第四PMOS管MP4的漏极的电流I1作为为参考电流，在第六PMOS管MP6所在支路上镜像形成第六镜像电流Iail ;第六镜像电流Iail和电流I1相等；通过充电开关中的第五PMOS管MP5控制第一支路充电电流Icmt5
[0090]第三电流镜43第六镜像电流Iail的输出端与运算放大器输入负端连接，第六镜像电流Im提供至运算放大器输入负端；为电荷泵第一支路充电电流。
[0091]第四电流镜44包括两个NMOS管，分别为栅极均与运算放大器输出端连接的第九NMOS管MN9和第十一 NMOS管MNll ;第^^一 NMOS管MNll的漏极与运算放大器输出正端连接；第九NMOS管MN9的漏极与运算放大器输入负端连接；
[0092]第—^一 NMOS管MNl I的源极连接第十二 NMOS管MN12的漏极，第十二 NMOS管MN12的源极接地，栅极接电源；第九NMOS管MN9的源极与放电开关46中的第十NMOS管丽10漏极连接。
[0093]本实施例中的第四电流镜44以第二电流镜42中的第五镜像电流I3和第二镜像电流I2提供至第四电流镜44输入端即第十一 NMOS管丽11的漏极的电流I4为参考电流镜像形成第七镜像电流Idis2，第七镜像电流Idis2和电流I4相等； [0094]第四电流镜44第七镜像电流Idis2输出端即第九NMOS管的漏极与运算放大器输入负端连接，将第七镜像电流Idis2提供至运算放大器输入负端，为电荷泵第二支路放电电流；通过第十NMOS管MNlO控制第二支路放电电流Idis2。运算放大器输出负端为电荷泵电压输出端。
[0095]其中本实施例中第一 PMOS管MP1、第三PMOS管MP3、第九PMOS管MP9是各支路中为了让电流镜准确工作而加的充电开关匹配管。本实施例中的第二 NMOS管丽2、第四NMOS管MN4、第六NMOS管MN6、第十二 NMOS管MN12是各支路中为了让电流镜准确工作而加的放电开关匹配管。本实施例中的NMOS管和PMOS管均为采用0.18um CMOS工艺。
[0096]本实施例中引入的运算放大器作为负反馈支路，通过运算放大器的负反馈保证电流镜中MOS管的漏端电压相等，使得本实施例中的各电流镜能够准确镜像电流。在本实施例电荷泵结构中，运算放大器的输入正端分别与第五NMOS管、第四PMOS管、第十PMOS管和第H^一NMOS管的漏极；运算放大器的输入负端分别与第六PMOS管、第八PMOS管、第七NMOS管和第九NMOS管的漏极连接，其中运算放大器的输入幅度即为电荷泵的输出端；运算放大器的输出端与第四PMOS管、第六PMOS管、第九NMOS管和第十一 NMOS管的栅极连接；当电荷泵输出电压增大时，由于运算放大器Al的负反馈作用，运算放大器输出端的电压Vtl会减小，因此使得电流Iail和电流I1会增大，而电流I4和Idis2会减小，当电荷泵输出电压减小时，则相反。
[0097]由于第一电流镜41中第五NMOS管丽5和第七NMOS管丽7晶体管的漏端电压会随电荷泵输出电压而变化，其中第五NMOS管丽5和第七NMOS管丽7晶体管漏源电压随电荷泵输出电压的增大而增大，减小而减小，故第五NMOS管丽5所在支路的第二镜像电流I2及第七NMOS管MN7所在支路的第三镜像电流Idisi与电流源IMf存在NMOS电流镜沟道长度调制效应引起的差异；在NMOS管中，电流由于沟道长度调制效应随输出电压的变化而产生的变化量为:
IW,
[0098]ΔΙΝ = — U11 Cox (―) N (VGSN _ VTHN )" (1 + ^nvDSN );
[0099]其中Un为NMOS中载流子的迁移率，Cox为栅极和沟道形成的单位面积电容，(W/L)Ν为NMOS的宽长比，Vgsn为匪OS的栅源电压，Vthn为NMOS晶体管的阈值电压，λ Ν为沟道长度调制系数，Vdsn为NMOS的漏源电压。可见NMOS管中电流的变化和漏源电压成正比，因此本实施例中第二镜像电流I2及第三镜像电流Idisi会伴随电荷泵输出电压的增大而增大，或随电荷泵输出电压减小而减小。
[0100]第二电流镜42中第八PMOS管ΜΡ8和第十PMOS管MPlO两个晶体管的漏端电压随电荷泵输出电压变化，其中第八PMOS管和第十PMOS管晶体管D的漏源电压是随电荷泵输出电压的增大而增大，减小而减小，第八PMOS管MP8所在支路的第四镜像电流Iqi2及第十PMOS管MPlO所在支路的第五镜像电流I3与参考电流即第一镜像电流Itl存在PMOS电流镜沟道长度调制效应引起的差异；在PMOS管中，电流由于沟道长度调制效应随输出电压的变化而产生的变化量为:
[0101]ΔΙρ = y UrCox (I)r (Vgsp-Vthp ) (I —IpVdsp);
[0102]其中Up为PMOS中载流子的迁移率，Cra为栅极和沟道形成的单位面积电容，(ff/L)p为PMOS的宽长比，Vesp为PMOS的栅源电压，Vthp为PMOS晶体管的阈值电压，λ ρ为沟道长度调制系数，Vdsp为PMOS的漏源电压。因此本实施例中第五镜像电流I3及第四镜像电流Ich2会伴随电荷泵输出电压的增大而减小，或随电荷泵输出电压减小而增大。
[0103]本实施例中第一镜像电流I。与参考电流Iref相等，第二镜像电流I2与第三镜像电流Idisi相等；第四镜像电流Ich2和第五镜像电流I3相等；第六镜像电流Icm和电流I1相等；第七镜像电流Idis2和电流I4相等。
[0104]在运算放大器的输入正端Vqi节点，有电流Ip I3流入，电流12、I4流出，根据运算放大器所具有的虚断特性，可以确定该节点只有这四个电流信号流入、流出，得出:
[0105]Iji3=Iji4 ；
[0106]又由于:
[0107]I「IcHl、l3_IcH2、I2_IdIS1 和 I4_IdIS2 ;
[0108]得到:
[0109]IcH1 + IcH2_IdIS1 + IdIS2 ;
[0110]因此可见本实施例的结构保证了电荷泵的总充电电流与总放电电流相等。
[0111]由上述可见，电荷泵第一支路充电电流Iail随电荷泵输出电压增大而增大，或减小而减小；第二支路充电电流Iq12随电荷泵输出电压增大而减小，或减小而增大；总的充电电流在互补变化的两个支路电流的综合下，对输出电压的变化不敏感；
[0112]电荷泵第一支路放电电流Idisi随电荷泵输出电压增大而增大，或减小而减小；第二支路放电电流Idis2随电荷泵输出电压增大而减小，或减小而增大；总的放电电流在互补变化的两个支路电流的综合下，对输出电压的变化也不敏感。
[0113]可见本实施例在只引入一个运算放大器的前提下，就能抑制了电荷泵输出电压变化时对总充放电电流的影响。
[0114]如图5a所示是本实施例电荷泵输出电压从O~1.8V之间变化时，各支路充电电流和总充电电流随电荷泵输出电压变化的曲线图；其中横坐标为电荷泵输出电压值，纵坐标为电流值，虚线为电荷泵第一支路充电电流Im，点划线为电荷泵第二支路充电电流Ich2,实线为电荷泵总的充电电流 ICH—TOTAL。
[0115]如图5b所示是本实施例电荷泵输出电压从O~1.8V之间变化时，各支路放电电流和总放电电流随电荷泵输出电压变化的曲线图；其中横坐标为电荷泵输出电压值，纵坐标为电流值，虚线为电荷泵第一支路放电电流Idisi，点划线为电荷泵第二支路充电电流Idis2，实线为电荷泵总的放电电流 IdIS—TOTAL。
[0116]从图5a和5b可以看出，电荷泵输出电压在0.35~1.35V范围内变换时，总的充电电流和总的放电电流基本上保持不变。可见本实施例中的总的充电电流和总的放电电流并不随电荷泵输出电压的变化而变化。
[0117]如图6所示电荷泵输出电压O?1.8V变化时，总的充电电流与总的放电电流的差值变化曲线图，从图中可以看出电荷泵的输出电压在0.2?1.5V的变化范围内，总充放电电流的差值基本为零，即在这个输出电压范围内，总充电电流值与总放电电流值保持相等。
[0118]上述实施例为本实用新型较佳的实施方式，但本实用新型的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本实用新型的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本实用新型的保护范围之内。
【权利要求】
1.一种双补偿电荷泵，包括电流源和运算放大器、其特征在于，还包括第一电流镜(41)、第二电流镜(42)、第三电流镜(43)、第四电流镜(44)、充电开关(45)和放电开关(46)； 所述第一电流镜(41)包括多个栅极相连的NMOS管；以电流源IMf作为参考电流镜像形成第一镜像电流Ιο、第二镜像电流I2和第三镜像电流Idisi ;其中第一镜像电流Itl与参考电流IMf相等，第二镜像电流I2与第三镜像电流Idisi相等； 所述第一电流镜(41)第一镜像电流Itl的输出端与第二电流镜(42)输入端连接，所述第一镜像电流I。提供至第二电流镜(42)输入端； 所述第一电流镜(41)第二镜像电流I2的输出端与运算放大器输入正端连接； 所述第一电流镜(41)第三镜像电流Idisi的输出端与运算放大器输入负端连接，所述第三镜像电流Idisi提供至运算放大器输入负端，为电荷泵第一支路放电电流； 所述第二电流镜(42)包括多个栅极相连的PMOS管；以第一镜像电流Itl作为参考电流镜像形成第四镜像电流Ich2和第五镜像电流I3 ;其中第四镜像电流Ich2和第五镜像电流I3相等； 所述第二电流镜(42)第四镜像电流Iqi2的输出端与运算放大器输入负端连接，所述第四镜像电流Iai2提供至运输放大器输入负端，作为电荷泵第二支路充电电流； 所述第二电流镜(42)第五镜像电流I3的输出端与运算放大器的输入正端连接，所述第三电流镜输入端(43)、第四电流镜(44)输入端和运算放大器的输入正端连接；第五镜像电流I3和第二镜像电流I2提供 至第三电流镜(43)输入端、第四电流镜(44)输入端及运输放大器输入正端； 所述第三电流镜(43)包括多个栅极均与运算放大器输出端连接的多个PMOS管，以第五镜像电流I3和第二镜像电流I2提供至第三电流镜(43)输入端的电流I1作为为参考电流镜像形成第六镜像电流Ichi ;第六镜像电流Im和电流I1相等； 所述第三电流镜(43)第六镜像电流Icm的输出端与运算放大器输入负端连接，第六镜像电流Im提供至运算放大器输入负端；为电荷泵第一支路充电电流； 所述第四电流镜(44)包括栅极均与运算放大器输出端连接的多个NMOS管，以第五镜像电流I3和第二镜像电流I2提供至第四电流镜(44)输入端的电流I4为参考电流镜像形成第七镜像电流Idis2，第七镜像电流Idis2和电流I4相等； 所述第四电流镜(44)第七镜像电流Idis2输出端与运算放大器输入负端连接，所述第七镜像电流Idis2提供至运算放大器输入负端，为电荷泵第二支路放电电流；所述运算放大器输出负端为电荷泵电压输出端； 所述充电开关和放电开关分别连接上控制信号和下控制信号，通过所述充电开关控制第一支路充电电流Im和第二支路充电电流Iai2，通过所述放电开关控制第一支路放电电流Idisi和第二支路放电电流Idis2。
2.根据权利要求1所述的双补偿电荷泵，其特征在于，所述充电开关由栅极均与上控制信号Vup连接的第五PMOS管和第七PMOS管组成，所述第五PMOS管和第七PMOS管的源极均与电源连接，所述第五PMOS管和第七PMOS管的漏极分别与产生第一支路充电电流的第三电流镜和产生第二支路充电电流的第二电流镜连接，通过第五PMOS管和第七PMOS管分别控制第一支路充电电流Iail和第二支路充电电流Iai2 ；所述放电开关由栅极均与下控制信号Votn连接的第八NMOS管和第十NMOS管组成，所述第八NMOS管和第十NMOS管的源极均接到，所述第八NMOS管和第十NMOS管的漏极分别与产生第一支路放电电流的第一电流镜和产生第二支路放电电流的第二电流镜连接，通过第八匪OS管和第十NMOS管分别控制第一支路放电电流Idisi和第二支路放电电流IDIS2。
3.根据权利要求2所述的双补偿电荷泵，其特征在于，所述第一电流镜(41)包括四个NMOS管，分别为栅极均与电流源连接的第一 NMOS管、第三NMOS管、第五NMOS管和第七NMOS管；所述第一 NMOS管的漏极与电流源连接，以电流源IMf作为参考电流分别在第三NMOS管、第五NMOS管和第七NMOS管所在支路上镜像形成第一镜像电流Itl、第二镜像电流I2和第三镜像电流Idisi ; 所述第三NMOS管的漏极与第二电流镜(42)输入端连接，将所述第一镜像电流Itl源提供至第二电流镜(42)输入端； 所述第五NMOS管的漏极与运算放大器的输入正端连接； 所述第七NMOS管的漏极与运算放大器输入负端连接，将所述第三镜像电流Idisi提供至运算放大器输入负端，为电荷泵第一支路放电电流； 所述第一 NMOS管、第三NMOS管、第五NMOS管源极分别与第二 NMOS管、第四NMOS管和第七NMOS管的漏极连接，第二 NMOS管、第四NMOS管和第七NMOS管的源极接地，栅极接电源；所述第七NMOS管的源极与放电开关中的第八NMOS管的漏极连接，通过第八NMOS管控制第一支路放电电流Idisi。
4.根据权利要求2所述的双补偿电荷泵，其特征在于，所述第二电流镜(42)包括三个PMOS管，分别为栅极相连的第二 PMOS管、第八PMOS管和第十PMOS管；所述第二 PMOS管的栅极和漏极均与第一电流镜(41)`第一镜像电流Itl的输出端连接，以第一镜像电流Itl作为参考电流，分别镜像形成第八PMOS管和第十PMOS管所在支路的第四镜像电流Iqi2和第五镜像电流I3; 所述第八PMOS管的漏极与运算放大器输入负端连接，将所述第四镜像电流Iqi2提供至运输放大器输入负端，作为电荷泵第二支路充电电流； 所述第十PMOS管的漏极与运算放大器的输入正端连接，将第五镜像电流I3和第二镜像电流I2提供至第三电流镜(43)输入端、第四电流镜(44)输入端及运输放大器输入正端; 所述第二 PMOS管、第十PMOS管的源极分别与第一 PMOS管和第九PMOS管的漏极连接；第一 PMOS管和第九PMOS管的栅极接地，源极接电源；第二电流镜通过第八PMOS管的源极与充电开中的第七PMOS管的漏极连接，通过第七PMOS管控制第二支路充电电流Iqi2。
5.根据权利要求2所述的双补偿电荷泵，其特征在于，所述第三电流镜(43)包括两个PMOS管，分别为栅极均与运算放大器输出端连接的第四PMOS管和第六PMOS管；所述第四PMOS管的漏极与第一电流镜(41)第二镜像电流Itl的输出端、第二电流镜第五镜像电流I3输出端及运算放大器输入正端连接，以第五镜像电流I3和第二镜像电流I2提供至第四PMOS管的漏极的电流I1作为参考电流，在第六PMOS管所在支路镜像形成第六镜像电流Icm ； 所述第六PMOS管的漏极与运算放大器输入负端连接，将第六镜像电流Icm提供至运算放大器输入负端；为电荷泵第一支路充电电流； 所述第四PMOS管的源极与第三PMOS管的漏极连接，第三PMOS管的栅极接地，源极接电源，所述第六PMOS管的源极与充电开关中的第五PMOS管的漏极连接，通过第五PMOS管控制第一支路充电电流I?。
6.根据权利要求2所述的双补偿电荷泵，其特征在于，所述第四电流镜(44)包括两个NMOS管，分别为栅极均与运算放大器输出端连接的第九NMOS管和第十一 NMOS管； 所述第十一 NMOS管的漏极与运算放大器输出正端连接，以第五镜像电流I3和第二镜像电流I2提供至第十一 NMOS管的漏极的电流I4为参考电流，在第九NMOS管所在支路镜像形成第七镜像电流Idis2 ; 所述第九NMOS管的漏极与运算放大器输入负端连接，将所述第七镜像电流Idis2提供至运算放大器输入负端，为电荷泵第二支路放电电流； 所述第十一 NMOS管的源极连接第十二 NMOS管的漏极，第十二 NMOS的源极接地，栅极接电源；所述第九NMOS管的源极与放电开关(46)中的第十NMOS管漏极连接，通过第十NMOS管控制第二支路放电电流Idis2。
7.根据权利要求1至6中任一项所述的双补偿电荷泵，其特征在于，所述NMOS管和PMOS管均采用0.18um CMOS工艺。
【文档编号】H03L7/08GK203457136SQ201320554717
【公开日】2014年2月26日 申请日期:2013年9月6日 优先权日:2013年9月6日
【发明者】吴朝晖, 江金堂, 赵明剑, 李斌 申请人:华南理工大学