一种低电流失配的电荷泵电路

1.本发明属于数模混合电路芯片技术领域，具体涉及一种低电流失配的电荷泵电路。


背景技术：

2.锁相环电路广泛应用于时钟生成、频率综合、无线通信等领域，其中电荷泵结构的锁相环具有高速、低功耗、低噪声、稳定性高等优点得到广泛应用，电荷泵锁相环主要由鉴频鉴相器电路、电荷泵电路、低通滤波器、压控振荡器和分频器构成。相位噪声是锁相环最重要的性能指标，电荷泵锁相环的相位噪声主要由两部分构成：低频区域相位噪声取决于电荷泵电路的输出电流噪声，高频区域相位噪声取决于压控振荡器的相位噪声。为减小锁相环的相位噪声，需要同时降低电荷泵电路的输出噪声电流和压控振荡器的相位噪声。电荷泵电路的电流噪声来源有电荷分享、电荷注入、时钟馈通和电流失配，其中电荷分享可通过增加一条电流路径，使电流镜一直处于工作状态而得到解决，电荷注入和时钟馈通可通过附加dummy晶体管解决，对于抑制电荷泵的电流失配，主要有两种思路：
3.1、提高电流镜的输出阻抗。通过使用共源共栅结构电流镜可以提高电流镜输出阻抗，但是在特征尺寸比较小的情况下，由于沟长调制效应显著，即使使用两级共源共栅电流镜也不能达到良好的电流匹配效果，若使用三级共源共栅结构电流镜，又会使电荷泵输出电压摆幅大大降低。还有通过运放提高电流镜的输出阻抗，但也是面临电荷泵输出电压摆幅减小的问题。
4.2、动态电流匹配技术。通过运放使电流镜输出电压动态跟随电荷泵输出电压变化，当电荷泵输出电压变化时，两个电流镜输出都处于相同电压下，从而达到电流匹配的效果，该方法可以实现很好的电流匹配，也不需要牺牲电荷泵输出电压摆幅，但是需要高增益和高带宽的运算放大器，这会增加电荷泵的版图面积与功耗，增加电荷泵电路设计的复杂性。
5.请参阅图1，为传统的实现动态电流匹配的电荷泵电路，其中运算放大器a1用于实现动态电流匹配，运算放大器a2用于解决电荷分享的问题。运算放大器a1实现v
g
＝v
out
，工作在线性区的开关管m11～m14的漏源电压可以忽略，因此当电荷泵输出电压变化时，始终保持v
g
≈v
h
≈v
f
≈v
out
，因此m3～m6晶体管构成的电流镜输出电压相同，所以有i
dn
＝i0；同理m7～m10晶体管构成的电流镜输出电压相同，所以有i
up
＝i0；因此i
dn
＝i
up
，电荷泵的充电电流和放电电流实现良好的匹配效果。由于电荷泵输出范围很宽，两个运算放大器都需要接近电源电压的输入输出摆幅，还需要足够的增益以达到良好的电流匹配效果，因此增加了运放设计的复杂度，也就增加了电荷泵电路设计的复杂度。


技术实现要素：

6.本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术中的不足，提供一种低电流失配的电荷泵电路，结构简单、电流失配低，用于电荷泵锁相环，作为锁相环中的子模块电路。
7.本发明采用以下技术方案：
8.一种低电流失配的电荷泵电路，包括基准电流偏置电路，基准电流偏置电路分别与充电电路和放电电路的输入端连接，充电电路和放电电路的输出端分别与运算放大器输入端的正极和负极连接，运算放大器的负极与运算放大器的输出端连接形成单位增益负反馈结构，运算放大器的正极作为电荷泵的输出端口，分别连接第一源跟随器的输入端和第二源跟随器的输入端；基准电流偏置电路用于产生充电电流基准和放电电流基准；充电电路用于复制基准电流源电流，并将充电电流送到电荷泵电路的输出端；放电电路用于复制基准电流源电流，并将放电电流送到电荷泵电路的输出端；运算放大器用于稳定电压；第一源跟随器用于实现电压vn跟随输出电压v
out
变化；第二源跟随器用于实现电压vp跟随输出电压v
out
变化。
9.具体的，基准电流偏置电路包括m1，电源v
dd
经基准电流源i
cp
与m1的漏极连接，m1的栅极分别与m3的栅极和偏置电压v
bn
连接，m1的源极与m2的漏极连接，m2的栅极与m4的栅极、m1的漏极连接，m2的源极与gnd连接，m4的源极与gnd连接，m4的漏极与m3的源极连接，m3的漏极与m12的源极连接，m12的栅极与vn连接，m12的漏极与m11的漏极连接，m11的栅极与vp连接，m11的源极与m10的漏极连接，m10的栅极与偏置电压v
bp
连接，m10的源极与m9的漏极连接，m9的栅极与m11、m12的漏极连接，m9的源极与v
dd
连接。
10.进一步的，m1，m2，m3，m4，m12均为n沟道场效应晶体管；m9，m10，m11均为p沟道场效应晶体管。
11.具体的，充电电路包括m13，电源v
dd
与m13的源极连接，m13的栅极分别与基准电流偏置电路中m9的栅极、m11的漏极、m12的漏极连接；m13的漏极与m14的源极连接，m14的栅极与基准电流偏置电路中m10的栅极连接，m14的漏极分别与m17的源极、m18的源极连接，m17的栅极与up连接；m17的漏极分别与运算放大器的输出、运算放大器的负极输入、放电电路中m19的漏极连接，m18的栅极与upb连接，m18的漏极分别与运算放大器的正极输入端、放电电路中m20的漏极、电荷泵的输出端v
out
连接。
12.进一步的，m9，m11，m13，m14，m17，m18均为p沟道场效应晶体管；m12，m19，m20均为n沟道场效应晶体管。
13.具体的，放电电路包括m6，gnd与m6的源极连接，m6的栅极与基准电流偏置中m2的栅极、m4的栅极、m1的漏极连接，m6的漏极与m5的源极连接；m5的栅极与基准电流偏置中m1的栅极、m3的栅极连接，m5的漏极与m19的源极、m20的源极连接，m19的栅极与dnb连接，m19的漏极分别与运算放大器的输出、运算放大器的负极输入、充电电路中m17的漏极连接，m20的栅极与dn连接，m20的漏极分别与运算放大器的正极输入端、充电电路中m18的漏极、电荷泵的输出端v
out
连接。
14.进一步的，m17，m18均为p沟道场效应晶体管；m1，m2，m3，m4，m5，m6，m19，m20均为n沟道场效应晶体管。
15.具体的，第一源跟随器包括m15和m16，电源v
dd
与m15的源极连接，m15的栅极分别与充电电路中m13的栅极、基准电流偏置中m9的栅极、基准电流偏置中m11的漏极、基准电流偏置中m12的漏极连接，m15的漏极分别与m16的源极、vn连接，m16的栅极与v
out
连接，m16的漏极与gnd连接；第一源跟随器的输出vn与基准电流偏置中m12的栅极连接；m9，m11，m13、m15，m16为p沟道场效应晶体管，m12为n沟道场效应晶体管，m12、m15和m16为低阈值晶体管。
16.具体的，第二源跟随器包括m7和m8，电源v
dd
与m7的漏极连接，m7的栅极与v
out
连接，m7的源极分别与m8的漏极、vp连接，m8的栅极分别与放电电路中m6的栅极、基准电流偏置中m1漏极、基准电流偏置中m2栅极、基准电流偏置中m4栅极连接，m8源极与gnd连接；第二源跟随器的输出vp与基准电流偏置中m11的栅极连接；m1，m2，m4，m7，m8均为n沟道场效应晶体管，m7、m8和m11为低阈值晶体管。
17.与现有技术相比，本发明至少具有以下有益效果：
18.本发明一种低电流失配的电荷泵电路，能在电荷泵输出电压变化时，保持很好的充电电流和放电电流的匹配性，在宽电荷泵电流变化范围50～400μa下也能实现低电流失配，晶体管使用量少，结构简单成本低，消耗的额外功耗少。
19.进一步的，基准电流偏置电路用于复制基准电流i
cp
，并产生充电电流复制基准和放电电流复制基准；由于m3和m1的尺寸相同，m4和m2的尺寸相同，i0可以对i
cp
进行复制，i0电流作为充电电流复制基准，i
cp
电流作为放电电流的复制基准；
20.进一步的，由于m13的尺寸等于m9的尺寸，m14的尺寸等于m10的尺寸，充电电流i
up
对i0进行复制，并将电流送到电荷泵输出端口。
21.进一步的，由于m5的尺寸等于m1的尺寸，m6的尺寸等于m2的尺寸，因此放电电流i
dn
对i
cp
进行复制，并将电流送到电荷泵输出端口。
22.进一步的，在电荷泵输出电压v
out
变化时，电压v
f
和v
h
都跟随v
out
变化，为了让v
e
跟随v
out
的变化，第一源跟随器的输入与v
out
相连接，输出为vn，vn与m12栅极连接，因此实现v
e
跟随v
out
的变化，通过调整m16和m12的尺寸，实现电压v
e
和v
f
跟随v
out
同步变化，从而达到的i
dn
＝i0的效果。
23.进一步的，为了让v
g
跟随v
out
的变化，第二源跟随器的输入与v
out
相连接，输出为vp，vp与m11栅极连接，因此实现v
g
跟随v
out
的变化，通过调整m17和m11的尺寸，即可实现电压v
g
和v
h
跟随v
out
同步变化，达到的i
up
＝i0的效果；由于i
dn
＝i0，i
up
＝i0，可得i
dn
＝i
up
，实现了电流匹配的效果。
24.综上所述，本发明电路结构保证电荷泵低电流失配情况下，用结构简单的电路实现用运算放大器才能达到的电流匹配效果，通过简化冗余电路，减少消耗的功耗。
25.下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。
附图说明
26.图1为传统动态电流匹配电荷泵电路图；
27.图2为本发明电荷泵电路结构图；
28.图3为i
cp
＝400μa时，失配电流与输出电压v
out
的关系图；
29.图4为不同i
cp
下，电荷泵的最大电流失配率图。
具体实施方式
30.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
31.在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
32.还应当理解，在本发明说明书中所使用的术语仅仅是出于描述特定实施例的目的而并不意在限制本发明。如在本发明说明书和所附权利要求书中所使用的那样，除非上下文清楚地指明其它情况，否则单数形式的“一”、“一个”及“该”意在包括复数形式。
33.在附图中示出了根据本发明公开实施例的各种结构示意图。这些图并非是按比例绘制的，其中为了清楚表达的目的，放大了某些细节，并且可能省略了某些细节。图中所示出的各种区域、层的形状及它们之间的相对大小、位置关系仅是示例性的，实际中可能由于制造公差或技术限制而有所偏差，并且本领域技术人员根据实际所需可以另外设计具有不同形状、大小、相对位置的区域/层。
34.本发明提供了一种低电流失配的电荷泵电路，采用简单的电路取代运算放大器的作用，实现动态电流匹配，这样不仅可以使电荷泵结构变得更加简单，同时节省一个运算放大器电路的面积和功耗，还能简化电荷泵电路的设计，具体方法是使用两个源跟随器和两个晶体管代替运算放大器实现动态电流匹配，其中只有源跟随器消耗少量额外的功耗，相比于一个运算放大器消耗的功耗，在实现相同电流匹配情况下，本发明的功耗更少，结构更简单。
35.请参阅图2，本发明一种低电流失配的电荷泵电路，包括基准电流偏置电路、充电电路、放电电路、运算放大器、第一源跟随器和第二源跟随器；基准电流偏置电路分别与充电电路和放电电路的输入端连接，充电电路和放电电路的输出端分别与运算放大器输入端的正极和负极连接，运算放大器的负极与运算放大器的输出端连接形成单位增益负反馈结构，运算放大器的正极作为电荷泵的输出端口，分别连接第一源跟随器的输入端和第二源跟随器的输入端。
36.基准电流偏置电路，用于产生充电电流基准和放电电流基准；
37.充电电路，复制基准电流源电流，并将充电电流送到电荷泵电路的输出端；
38.放电电路，复制基准电流源电流，并将放电电流送到电荷泵电路的输出端；
39.运算放大器，稳定电压，降低电荷分享对电荷泵的影响；
40.第一源跟随器，实现电压vn跟随输出电压v
out
变化；
41.第二源跟随器，实现电压vp跟随输出电压v
out
变化。
42.基准电流偏置电路包括m1，电源v
dd
经电流源i
cp
与m1的漏极连接，m1的栅极分别与m3的栅极和偏置电压v
bn
连接，m1的源极与m2的漏极连接，m2的栅极与m4的栅极、m1的漏极连接，m2的源极与gnd连接，m4的源极与gnd连接，m4的漏极与m3的源极连接，m3的漏极与m12的源极连接，m12的栅极与vn连接，m12的漏极与m11的漏极连接，m11的栅极与vp连接，m11的源极与m10的漏极连接，m10的栅极与偏置电压v
bp
连接，m10的源极与m9的漏极连接，m9的栅极与m11、m12的漏极连接，m9的源极与v
dd
连接。
43.充电电路包括m13，v
dd
与m13的源极连接，m13的栅极分别与基准电流偏置电路中m9的栅极、m11的漏极、m12的漏极连接，m13的漏极与m14的源极连接，m14的栅极与基准电流偏
置电路中m10的栅极连接，m14的漏极分别与m17的源极、m18的源极连接，m17的栅极与up连接，m17的漏极分别与运算放大器的输出、运算放大器的负极输入、放电电路中m19的漏极连接，m18的栅极与upb连接，m18的漏极分别与运算放大器的正极输入端、放电电路中m20的漏极、电荷泵的输出端v
out
连接。
44.放电电路包括m6，gnd与m6的源极连接，m6的栅极与基准电流偏置中m2的栅极、m4的栅极、m1的漏极连接，m6的漏极与m5的源极连接，m5的栅极与基准电流偏置中m1的栅极、m3的栅极连接，m5的漏极与m19的源极、m20的源极连接，m19的栅极与dnb连接，m19的漏极分别与运算放大器的输出、运算放大器的负极输入、充电电路中m17的漏极连接，m20的栅极与dn连接，m20的漏极分别与运算放大器的正极输入端、充电电路中m18的漏极、电荷泵的输出端v
out
连接。
45.第一源跟随器包括m15和m16，m15的源极与v
dd
相连，m15的栅极与m9、m13的栅极相连后连接到m11、m12的漏极，m15的尺寸是m9、m13的1/20，所以流过m15、m16的电流是i0的1/20，以维持第一源跟随器的正常工作，m16的栅极为源跟随器的输入端，连接v
out
，m16和m15的漏极相连为源跟随器的输出端vn，vn连接m12的栅极，为m12提供动态偏置电压。
46.第二源跟随器包括m7和m8，m8的源极与gnd相连，m8的栅极与m2、m4、m6的栅极相连后连接到m1的漏极，m8的尺寸是m2、m4、m6的1/20，所以流过m7、m8的电流是i
cp
的1/20，以维持第二源跟随器的正常工作，m7的栅极为源跟随器的输入端，连接v
out
，m7和m8的漏极相连为源跟随器的输出端vp，vp连接m11的栅极，为m11提供动态偏置电压。
47.请参阅图2，本发明一种低电流失配的电荷泵电路的工作原理为：
48.电流i
cp
为电荷泵电流，由外部提供，电源v
dd
为1.2v，电荷泵的输入信号up,dn,upb,dnb由锁相环的鉴频鉴相器提供，电荷泵的输出端与锁相环的环路滤波器相连接。该结构有三条电流路径，电流路径1由电流源i
cp
和m1、m2构成，作为电荷泵的基准电流源，电流路径2由m9、m10、m11和m12、m3、m4构成，该路径的电流i0通过1：1复制电流i
cp
，偏置电压v
bn
和v
bp
由另外电流镜提供(图中未画出)。第三条电流路径由pmos管m13、m14、m17、m18和nmos管m19、m20、m5、m6构成，由于运算放大器的存在，电荷泵工作时m5，m6和m9，m10一直有电流流过，当up，dn处于低电平时，m13，m14，m17，m19，m5，m6形成电流路径，若i
up
和i
dn
不匹配,则运算放大器将提供或吸收电流，保持v
a
＝v
out
，当up,dn处于高电平时，m13，m14，m18，m19，m5，m6形成电流路径，若i
up
和i
dn
匹配，则i
out
为零；若i
up
和i
dn
不匹配,则电流从电荷泵输出端流进或流出，即i
out
不为零。锁相环处于锁定状态时，输出端有电流流进或流出对于电荷泵来说都是电流噪声。晶体管m9和m13的尺寸相同，晶体管m10和m14的尺寸相同，只需保证v
out
变化时v
g
＝v
h
，则可实现i
up
＝i0。同理，晶体管m3和m5的尺寸相同，晶体管m4和m6的尺寸相同，只需保证v
out
变化时，v
e
＝v
f
则可实现i
dn
＝i0。因此i
up
＝i
dn
＝i0，实现电流动态匹配。
49.(1)v
out
变化时v
g
＝v
h
的实现
50.晶体管m7和m8构成源跟随器，输入电压为v
out
，输出电压为v
p
，v
p
连接到晶体管m11，所以有：
51.v
g
＝v
out
‑
v
gs,m7
+|v
gs,m11
|
52.其中，v
gs,m7
、v
gs,m11
分别为m7和m11的栅源电压。
53.又因为v
h
＝v
out
+|v
ds,m18
|，其中v
ds,m18
为晶体管m18的漏源电压，所以通过合理选择m7和m11的尺寸，使得
54.|v
ds,m18
|＝
‑
(v
gs,m7
‑
|v
gs,m11
|)
55.即可实现v
g
＝v
h
。
56.(2)v
out
变化时v
e
＝v
f
的实现
57.晶体管m15和m16构成源跟随器，输入电压为v
out
，输出电压为v
n
，v
n
连接到晶体管m12，所以有：
58.v
e
＝v
out
+|v
gs,m16
|
‑
v
gs,m12
59.其中v
gs,m16
、v
gs,m12
分别为m6和m12的栅源电压。
60.又因为v
f
＝v
out
‑
v
ds,m20
，其中v
ds,m20
为晶体管m20的漏源电压，所以通过合理选择m15和m12的尺寸，使得
61.v
ds,m20
＝
‑
(|v
gs,m16
|
‑
v
gs,m12
)
62.即可实现v
e
＝v
f
。
63.本发明通过晶体管m7、m8、m11构成的电压跟随电路使v
g
＝v
h
，从而实现i
up
＝i0。通过晶体管m12、m15、m16构成的电压跟随电路使v
e
＝v
f
，从而实现i
dn
＝i0；所以实现了i
up
＝i
dn
，即实现了电荷泵的电流匹配。在实际电路中由于晶体管不是理想的，只能实现v
g
≈v
h
，v
e
≈v
f
，即能实现i
up
≈i
dn
，误差非常小。
64.综上所述，本发明一种低电流失配电荷泵电路结构，本发明用晶体管m7、m8、m11、m12、m15、m16取代复杂的运算放大器结构，实现了相同的电流匹配效果，上述晶体管只有m7、m8、m15、m16作为两个源跟随器消耗少量额外功耗，而实现相同电流匹配效果的运放大器需要消耗更多的功耗，所以减小了功耗。图3为电荷泵的失配电流与输出电压关系仿真图，由图可知，在输出电压0.3～0.9v变化范围内，发明的电荷泵最大失配电流在100na以内。图4为电荷泵在不同i
cp
时的最大电流失配率，均小于0.03％，由此可知，所发明的电荷泵使用更少的晶体管，达到了传统电荷泵的电流失配效果，结构简单并减小了额外功耗。
65.以上内容仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明权利要求书的保护范围之内。