带电容漏电补偿的电荷泵电路及锁相环电路的制作方法

本发明涉及一种锁相环，特别涉及一种带电容漏电补偿的电荷泵电路及应用该电荷泵电路的锁相环电路。

背景技术：

锁相环(Phase Locked Loop，PLL)，包括电荷泵。电荷泵中设置有低通滤波器，其目的是将电荷泵输出的脉冲电流信号转化为平稳的电压信号。如图1所示，目前常用的滤波器，包括由一个电阻和一个电容的串联电路，以及并联该串联电路两端的高频滤波电容。其中串联的电阻和电容起到将电流信号积分的作用，该高频滤波电容起到滤除高频噪声和电压纹波的作用。

在半导体制造工艺中，在整个PLL版图中，电容将占据较大的面积比例，因此选用合适的电容将直接决定PLL的面积竞争力。常用的电容类型有MIM电容、MOM电容、MOS电容和VAR电容等。其中，在目前所用的工艺中，VAR具有最大的单位面积电容值，因此从面积角度考虑，VAR电容最可取。但是，目前工艺中VAR在使用时电容两端有漏电流存在，会造成电容上电荷量的损失，进而使PLL的输出频率有较大的抖动(jitter)，严重时甚至造成PLL无法锁定，失去该有的功能。

如图2所示，VAR电容两端的漏电电流I_leak大小与电容两端的电压近似为平方关系。其中，横坐标为电压信号VC，纵坐标为漏电流I_leak信号。另外，对于MOS电容或者其它电容器，也可能有漏电现象的存在。

技术实现要素：

本发明所要解决的技术问题是，提供一种带电容漏电补偿的电荷泵电路，以对电荷泵中的滤波器的电容漏电电流进行补偿。

为了解决上述技术问题，本发明的技术方案是：一种带电容漏电补偿的电荷泵电路，包括第一电流源、第二电流源、第一开关、第二开关、带电容的滤波单元，用于控制第一开关的第一控制信号，以及用于控制第二开关的第二控制信号，其中，第一电流源、第一开关、第二开关、第二电流源依次串联，第一开关和第二开关的公共交点与第二电流源的负端之间并联该带电容的滤波单元，所述滤波单元将电流源的电流信号转换为电压信号并通过第一开关和第二开关的公共交点输出，还包括电流补偿单元，该电流补偿单元产生补偿电流用于补偿所述滤波单元中的电容的漏电流。

进一步的，本发明提供的带电容漏电补偿的电荷泵电路，所述电流补偿单元包括由第一晶体管和第二晶体管构成的电流镜电路和第三晶体管，第一晶体管的栅极与第二晶体管的栅极电连接，第一晶体管的源极与第二晶体管的源极均与第一电流源的正端电连接，第一晶体管的漏极和第三晶体管的栅极短接后与第一开关和第二开关的公共交点相连接，第二晶体管的栅极、漏极短接后与第三晶体管的漏极连接，第三晶体管的源极与第二电流源的负端连接；当0<V_C<V_thn或者V_C>V_thn时，第三晶体管产生的补偿电流注入到滤波单元中，以对带有电容的滤被单元中的电容两端产生的漏电流进行补偿；其中，V_thn为第三晶体管的阈值电压，V_C为滤波单元输出的电压信号。

进一步的，本发明提供的带电容漏电补偿的电荷泵电路，当0<V_C<V_thn时，第三晶体管产生的补偿电流I_com为

其中，I_do为常数，W和L分别为第三晶体管沟道的宽和长，k为波尔兹曼常数，T为绝对温度，q电子的电荷量，V_ds为第三晶体管的漏源极电压，exp()为以自然常数e为底的指数函数。

进一步的，本发明提供的带电容漏电补偿的电荷泵电路，当V_C>V_thn时，第三晶体管产生的补偿电流I_com为

其中，W和L分别为第三晶体管沟道的宽和长，μ_n为沟道中电子的迁移率，C_ox为栅氧电容系数。

进一步的，本发明提供的带电容漏电补偿的电荷泵电路，所述第一晶体管和所述第二晶体管均为P型晶体管，所述第三晶体管为N型晶体管。

进一步的，本发明提供的带电容漏电补偿的电荷泵电路，所述滤波单元为由一个电阻和一个电容构成的串联电路，以及并联在该串联电路中的高频滤波电容。

进一步的，本发明提供的带电容漏电补偿的电荷泵电路，所述滤波单元中的电容为VAR电容、MOS电容、MOM电容、MIM电容中的任意一种。

本发明还提供一种锁相环电路，以对电荷泵中的滤波器的电容漏电电流进行补偿，包括依次由鉴频鉴相器、电荷泵、滤波器、压控振荡器和分频器构成的环路，所述电荷泵采用上述的电荷泵电路。

进一步的，本发明提供的锁相环电路，所述鉴频鉴相器的前端设置有输入分频器；所述压控振荡器VCO的输出端设置有输出分频器。

进一步的，本发明提供的锁相环电路，所述第一控制信号和所述第二控制信号为锁相环中的鉴频鉴相器的输出信号。

本发明提供的带电容漏电补偿的电荷泵电路及锁相环电路，当电荷泵电路工作时，由于滤波单元中的电容的两端存在电压差，电容的两端就会产生漏电流，则降低了电荷泵电路输出的电流信号，由于滤波单元是将电流信号转换为电压信号输出，则经过滤波单元转换的电压信号也降低了。基于此，本发明在传统的电荷泵电路中设置了电流补偿单元，以产生补偿电流用于补偿滤波单元中的电容的漏电流，从而使经过滤波单元转换的电压信号也提高了，从而改善了锁相环电路的稳定性。

附图说明

图1是现有的PLL中的滤波器的电路原理图；

图2是现有的PLL中的滤波器的电容两端产生的漏电流的传真波形图；

图3是本发明的PLL中的电荷泵的电路原理图；

图4是补偿电流与滤波器中的电容两端的漏电流的传真对比波形图；

图5是本发明一实施例的PPL电路的方框原理图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作详细描述：

实施例一

如图3所示，本实施例一提供一种带电容漏电补偿的电荷泵电路，包括第一电流源Icp1、第二电流源Icp2、第一开关S1、第二开关S2、带电容的滤波单元LPF，还包括用于控制第一开关S1的第一控制信号UP，以及用于控制第二开关S2的第二控制信号DN，其中，第一电流源Icp1、第一开关S1、第二开关S2、第二电流源Icp2依次串联，第一开关S1和第二开关S2的公共交点与第二电流源Icp2的负端之间并联该带电容的滤波单元LPF，所述滤波单元LPF将电流源的电流信号转换为电压信号V_C并通过第一开关S1和第二开关S2的公共交点输出，还包括电流补偿单元CC(Current Compensation)，该电流补偿单元CC产生补偿电流用于补偿所述滤波单元LPF中的电容的漏电流。

如图3所示，作为较佳的实施方式，本实施例一提供的带电容漏电补偿的电荷泵电路，所述电流补偿单元CC包括由第一晶体管T1和第二晶体管T2构成的电流镜电路和第三晶体管T3，其中，第一晶体管T1的栅极与第二晶体管T2的栅极电连接，第一晶体管T1的源极与第二晶体管T2的源极均与第一电流源Icp1的正端电连接，第一晶体管T1的漏极和第三晶体管T3的栅极短接后与第一开关S1和第二开关S2的公共交点相连接，第二晶体管T2的栅极、漏极短接后与第三晶体管T3的漏极连接，第三晶体管T3的源极与第二电流源Icp2的负端连接；当0<V_C<V_thn或者V_C>V_thn时，第三晶体管T3产生的补偿电流注入到滤波单元LPF中，以对带有电容的滤被单元中的电容两端产生的漏电流进行补偿；其中，V_thn为第三晶体管T3的阈值电压，V_C为滤波单元输出的电压信号。其中，所述第一晶体管T1和所述第二晶体管T2均为P型晶体管，所述第三晶体管T3为N型晶体管。

作为较佳的实施方式，本实施例一提供的带电容漏电补偿的电荷泵电路，所述滤波单元LPF为由一个电阻R和一个电容C0构成的串联电路，以及并联在该串联电路中的高频滤波电容C1。其中串联的电阻R和电容C0主要起到将电流信号积分的作用，电容C1起到滤除高频噪声和电压纹波的作用。本实施例一中示例的滤波单元LPF为二阶的低通滤波器，但于不限该二阶的低通滤波器，例如也可以采用仅为一个电容构成的滤波器并联在第一开关S1和第二开关S2的公共交点与第二电流源Icp2的负端之间。

作为较佳的实施方式，本实施例一提供的带电容漏电补偿的电荷泵电路，所述滤波单元LPF中的电容为VAR电容(变容管可变电容，Varactor)、MOS(金属-氧化物-半导体，Metal-Oxide-Semiconductor)电容、MOM(金属-氧化物-金属metal-oxide-metal)电容、MIM(金属-绝缘体-金属Metal-Insulator-Metal，MIM)电容中的任意一种。

本实施例一中，当电荷泵电路工作时，由于滤波单元LPF中的电容的两端存在电压差，电容的两端就会产生漏电流，降低了电荷泵电路输出的电流信号，由于滤波单元LPF是将电流信号转换为电压信号V_C输出，则经过滤波单元LPF转换的电压信号V_C也降低了。对于电容C1来说，电压差为输出的电压信号V_C，对于电容C0来说，电压差近似为电压信号V_C，则电容C1和/或C0自身的漏电现象导致了电压信号V_C的降低。下面以电容C1两端的漏电流为例详细说明，如图2所示，电容C1两端的漏电流I_leak随电压信号V_C的增大而增大，电容C1两端的漏电流I_leak与电压信号V_C近似为平方的关系。由于电压信号V_C连接电流补偿电路中的第三晶体管T3的栅极，当电压信号V_C较低时，第三晶体管T3处于截止区，第三晶体管T3的漏端电流I_com基本为0。

当0<V_C<V_thn时，第三晶体管T3产生的漏极电流I_com为补偿电流I_com为

其中，I_do为常数，W和L分别为第三晶体管沟道的宽和长，k为波尔兹曼常数，T为绝对温度，q电子的电荷量，V_ds为第三晶体管的漏源极电压，exp()为以自然常数e为底的指数函数。结合上述公式及图4可知，第三晶体管T3的漏极电流I_com与电压信号V_C为近似平方的关系，从而对电容C1两端的漏电流进行补偿。

当V_C>V_thn时，第三晶体管T3产生的漏极电流I_com为补偿电流I_com为

其中，W和L分别为第三晶体管沟道的宽和长，μ_n为沟道中电子的迁移率，C_ox为栅氧电容系数，具体为栅氧介电常数与栅氧厚度的比。

此时，结合上述公式及图4可知，第三晶体管T3的漏极电流I_com与电压信号V_C也为近似平方的关系，从而对电容C1两端的漏电流进行补偿。

由此可知，第三晶体管T3的漏极电流I_com也随电压信号V_C的增大而增大。然后通过第一晶体管T1和第二晶体管T2构成的电流镜的作用，将第三晶体管T3的漏极电流I_com注入到滤波单元LPF的电压信号V_C端，即注入到第一开关S1和第二开关S2的公共交点，此时，第三晶体管T3的漏极电流I_com对滤波单元LPF中的电容C1充电，从而对电容C1自身的漏电流起到一定的补偿作用。通过图4也可看出，电容C1两端产生的漏电流I_leak与电流补偿单元CC产生的补偿电流I_com近似相等，从而通过电流补偿单元CC对滤波单元LPF中的电容C1进行电流补偿。

本实施例一中，根据设计电路的需要，可以在半导体制造工艺中适当设置第三晶体管T3尺寸，通过仿真可以得到第三晶体管T3的漏极电流I_com与电压信号V_C的关系曲线。

本发明在传统的电荷泵电路中设置了电流补偿单元CC，以产生补偿电流I_com用于补偿滤波单元中的电容的漏电流I_leak，从而使经过滤波单元LPF转换的电压信号V_C也提高了，从而改善了锁相环电路的稳定性。本实施例一中，补偿电流I_com用通过电流镜电路中的第一、二晶体管T1、T2对电容C1进行充电，从而起到了电流补偿的作用。

实施例二

如图5所示，本实施例二提供一种基于实施例一的电荷泵电路的锁相环电路，包括依次由鉴频鉴相器PFD、电荷泵CP、滤波器LPF、压控振荡器VCO和分频器MDivider构成的环路，所述电荷泵CP采用实施例一所述的电荷泵电路。如图3所示，本实施例二中，所述第一控制信号UP和所述第二控制信号DN为锁相环中的鉴频鉴相器PFD的输出信号。

如图5所示，本实施例二提供的锁相环电路，所述鉴频鉴相器PFD的前端设置有输入分频器NDivider；所述压控振荡器VCO的输出端设置有输出分频器ODivider。其中，CLK_REF为输入分频器NDivider的输入信号，FVcc为压控振荡器VCO的输出信号，Fback为压控振荡器VCO的输出信号经分频器MDivider得到的反馈信号并输入给鉴频鉴相器PFD；PLL_OUT为锁相环电路的输出信号。

本实施例二的锁相环电路，克服了锁相环电路中采用传统的电荷泵电路带来了输出频率有较大抖动和无法锁定的问题，提高了锁相环电路的稳定性和精度。

本发明不限于上述具体实施方式，例如实施例一中的带电容漏电补偿的电荷泵电路也可以应用到其它电路中。凡在本发明的精神和范围内所作出的各种变化均在本发明的保护范围之内。