一种基于电流补偿的自校准电荷泵电路的制作方法

本发明属于集成电路领域的一种微电路结构，涉及一种用于频率综合器中实现低电流失配的电荷泵电路。

背景技术：

随着无线射频通信系统的不断发展,接收和发射的信号的频带越来越宽，对信号的质量的要求越来越高，而本振电路是无线射频收发电路设备的组成模块，起到的高频信号到基带信号变换，或是基带信号到高频信号变换的媒介作用，本振电路的相位噪声和杂散指标会严重影响到收发机电路的信号质量，对于接收机来说，会影响互调失真、邻道选择性和信道阻塞等性能；对于发射机来说，会影响发射机的调制精度。尤其是对灵敏度和线性度要求较高的应用环境下，对信号质量的要求更为苛刻，低噪声频率综合器的设计成为当前的热点研究方向。

而电荷泵电路是频率综合器系统中的重要模块，该电路是将鉴频鉴相后产生的信号通过滤波器转化为电压的变化，控制压控振荡器产生频率输出，因此电荷泵性能的好坏，会严重影响到输出信号的质量，如果电荷泵的电流源和电流沉发生失配的时候，会在输出的电压线上产生毛刺，从而影响压控振荡器产生频率的噪声性能和杂散性能。

频率综合器的整体电路架构如图1所示，主要包括的电路模块有鉴相器、电荷泵、三阶滤波器、压控振荡器、双模分频器、δσ调制器，用于产生频率稳定的振荡信号。用于频率综合器中传统的自校准电荷泵电路的结构如图2所示，该电荷泵电路前一级接鉴相器电路，后一级接环路滤波器电路。主要是负责将鉴相器产生的相位差信号转化为电流的输入和输出，对环路滤波器进行充电或放电。为了防止电荷共享效应的产生，采用了两路电荷泵差分开关，中间用单位增益放大器op2进行连接，使输出点的电压维持相对恒定，防止了开关导通和关断时电压的跳变。另外，为了防止电流源和电流沉的失配效应，将电流偏置电路和电流源电路中间用反馈运放op1进行连接，保证电荷泵支路和偏置电路有精准的电流匹配。但在鉴相频率较高时，电流单元变化范围较大时，导致环路稳定性发生较大的变化，因此，很难保障电荷泵电流的匹配。特别是在高鉴相频率宽频带应用的情况下，对电荷泵的性能提出了较高的要求。

技术实现要素：

本发明的目的是旨在提出一种基于电流补偿的自校准电荷泵电路，可解决宽带高鉴相频率锁相环的电荷泵电流失配问题。

本发明能够在电荷泵大范围电流调节的情况下，产生非常小的电流失配，从而可以降低频率产生器的相位噪声和杂散水平。

为了实现上述目的，本发明的技术解决方案为：

一种基于电流补偿的自校准电荷泵电路，包括电流偏置电路1、电流源单元电路2、补偿电流源电路3、电压信号检测电路4和数字逻辑反馈控制电路5；

所述的电流偏置电路1用于产生两路镜像偏置电流，并镜像给电流源单元电路2；

电流源单元电路2用于接收前级鉴相器电路提供的鉴相信号，在鉴相信号的控制下开启充电电路或放电电路；还用于将接收的镜像偏置电流转化为电压信号，并将充电电路或放电电路的电压信号输出至电压信号检测电路4；还用于将配置的电流源控制信息输出至数字逻辑反馈控制电路5；

补偿电流源电路3用于根据数字逻辑反馈控制电路5输出的逻辑控制字补偿电流源单元电路2的输出电流；

电压信号检测电路4用于检测电流源单元电路2输出的电压变动情况，确定电压所在的范围，将检测的电压幅值信息转化为二进制数字码输出至数字逻辑反馈控制电路5；

数字逻辑反馈控制电路5用于接收二进制数字码和电流源控制信息，通过查找表的方法得到逻辑控制字，将逻辑控制字输出至补偿电流源电路3。

其中，电流偏置电路1包括晶体管m0、m1、m2、m3，以及运放op1和op2；

m0的源极连接电源，m0的漏极连接m1的源极，m0的栅极接偏置电压vb1；m1的栅极分别连接电容c1的一端和运放op1的输出；m2的漏极分别连接电容c1的另一端，运放op1的负输入以及m1的漏极，m2的栅极连接运放op2的输出，m2的源极连接运放op2的负输入和m3的漏极；m3的源极接地，m3的栅极接偏置电压vb2。

其中，电流源单元电路2包括晶体管m01、m02…m0n，m11、m12…m1n，m21、m22…m2n，m31、m32…m3n；

晶体管m01、m02…m0n的源极分别连接电源，栅极分别连接至up信号，漏极分别与m11、m12…m1n的源极一一对应相连；m11、m12…m1n的栅极分别连接运放op1的输出、电容c1的一端和m1管的栅极，m11、m12…m1n的漏极分别与m21、m22…m2n的漏极一一对应相连，并和运放op1的正端相连；m21、m22…m2n的栅极分别与m2管的栅极和运放op2的输出相连，m21、m22…m2n的源极分别与m31、m32…m3n管的漏极一一对应相连；m31、m32…m3n管的栅极与down信号相连，源极与地相连。

本发明相比现有技术的优点为：

本发明所研制的电荷泵电路，较之前的传统电荷泵电路在宽范围电流输出应用的条件下，能够大幅度降低电荷泵输出电流的失配效应。

附图说明

图1为现有技术的频率综合器的一般结构示意图；

图2为现有技术的自校准电荷泵的一般结构示意图；

图3为本发明的基于电流补偿的自校准电荷泵的结构示意图；

图4为本发明的电流偏置，电流源单元和补偿电流源具体电路图；

图5为本发明的电压信号检测和数字逻辑控制具体电路。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案和应用优越性更加清楚明白，下面结合附图1-5对本发明的具体实施方式作进一步详细说明。

图1为频率综合器的一般结构示意图，通过图1所示的各个模块进行工作，首先，鉴相器把输入参考频率和反馈频率进行比较，电荷泵把鉴相器输出相位差转化成电压信号输出给滤波器进行滤波，最终送给压控振荡器，输出的频率再通过双模分频电路和δσ调制器反馈到鉴频鉴相器，这就完成了频率综合器的功能；图2为传统自校准电荷泵的一般结构示意图，晶体管m0，m1，m3为电荷泵的参考电流偏置电路，m2，m4为电荷泵镜像管，m5，m6，m7，m8为电荷泵的开关管，运放op1控制晶体管m3漏极的电压和m7漏极的电压一致，这样可以保证精准的复制参考偏置电路中的电流，运放op2控制on节点和op节点的电压一致，用于消除在开关切换时产生的电荷共享问题。

但是频率综合器在宽带高频的应用情况下，需要对电荷泵的电流进行一个宽范围的调整，这样会导致运放op1输入端的负载情况也会发生较大变化，从而会导致运放的环路稳定性和增益情况发生一定的变化，导致电荷泵的电流变化越大，失配电流的也会越大。

图3所示，是本发明创新设计的基于电流补偿的自校准电荷泵的结构示意图，包括：包括电流偏置电路1、电流源单元电路2、补偿电流源电路3、电压信号检测电路4和数字逻辑反馈控制电路5。

所述的电流偏置电路1用于产生两路镜像偏置电流，并镜像给电流源单元电路2；电流源单元电路2用于接收前级鉴相器电路提供的鉴相信号，在鉴相信号的控制下开启充电电路或放电电路；还用于将接收的镜像偏置电流转化为电压信号，并将充电电路或放电电路的电压信号输出至电压信号检测电路4；还用于将配置的电流源控制信息输出至数字逻辑反馈控制电路5；补偿电流源电路3用于根据数字逻辑反馈控制电路5输出的逻辑控制字补偿电流源单元电路2的输出电流；电压信号检测电路4用于检测电流源单元电路2输出的电压变动情况，确定电压所在的范围，将检测的电压幅值信息转化为二进制数字码输出至数字逻辑反馈控制电路5；数字逻辑反馈控制电路5用于接收二进制数字码和电流源控制信息，通过查找表的方法得到逻辑控制字，将逻辑控制字输出至补偿电流源电路3。

当电荷泵电路配置好，进行正常工作时，数字逻辑反馈控制电路5首先检测电荷泵的电流配置，选择正常的查找表信息，当频率综合到达频率锁定的状态的时候，电压信号检测电路4去检测输出电压的幅值信息，并转化为二进制数送入数字逻辑反馈控制电路5，通过查找表的信息，对电流补偿电路进行配置，当电荷泵输出电压偏离电源中间值越远，补偿的电流就越大。从而在宽范围电流输出的情况下，可以大大降低失配电流的影响。

图4为电流偏置，电流源单元和补偿电流源具体电路图，电流偏置电路1包括晶体管m0、m1、m2、m3，以及运放op1和op2，m0的源极连接电源，m0的漏极连接m1的源极，m0的栅极接偏置电压vb1，m1的栅极连接电容c1的一端和运放op1的输出，m2的漏极连接电容c1的另一端，运放op1的负输入以及m1的漏极，m2的栅极连接运放op2的输出，m2的源极连接运放op2的负输入和m3的漏极，m3的源极接地，m3的栅极接偏置电压vb2。电流源单元电路2包括晶体管m01、m02…m0n，m11、m12…m1n，m21、m22…m2n，m31、m32…m3n，晶体管m01、m02…m0n的源极连接电源，栅极连接至up信号，漏极分别与m11、m12…m1n的源极相连，m11、m12…m1n的栅极连接运放op1的输出，电容c1的一端和m1管的栅极，m11、m12…m1n的漏极与m21、m22…m2n的漏极和运放op1的正端相连，m21、m22…m2n的栅极与m2管的栅极和运放op2的输出相连，m21、m22…m2n的源极分别与m31、m32…m3n管的漏极相连，栅极与down信号相连，源极与地相连。

相对于传统的电荷泵电路，电流偏置电路1中采用了两个运放将参考电流镜像到电流源单元电路2中，在保证m1和m11，m2和m22栅压相同的情况下，源漏电压也相同，根据公式可以确保镜像的电流更加精确。

另外，电流源单元电路2中m01、m02.。。。m0n为上部电流源的控制开关，源极直接与电源相连，漏极接电流镜像管m11、m12.。。。m1n，m11、m12.。。。m1n管的漏极接连到电压检测点；m31、m32.。。。m3n为下部电流源的控制开关，源极直接与地相连，漏极接电流镜像管m21、m22.。。。m2n，m21、m22.。。。m2n管的漏极接连到电压检测点。而传统的电荷泵电流源开关，如图2所示，电流源偏置管m2的源极接电源，m2的漏极接开关管m5、m6的源极，m5、m6的漏极接到输出端，电流源偏置管m4的源极接地，m4的漏极接开关管m7、m8的源极，m7、m8的漏极接到输出端。相对于传统电路，电流镜像管是位于电流开关管和输出之间，降低了沟道电荷注入的效应对输出的影响，同时上下电流开关管的源极分别与电源和地相连，移除了原有电流镜像管到电源和地的寄生电容，避免了的电荷共享问题的出现。

补偿电流源电路3是由镜像管m4、m41…m4n和开关管m5、m51…m5n组成，通过设计不同的宽长比来调整其中各个电流源中电流的大小。

图5为电压信号检测和数字逻辑控制电路的示意图，电阻r11、r12…r1n、r21、r22…r2n+1组成分压电路，开关s11…s1n和s21…s2n控制各节点电压的输出，开关s11…s1n的输出连接到运放op3的正端，开关s21…s2n的输出连接到运放op4的负端，图3中的电压检测点连接到图5中运放op3的负端和运放op4的正端，通过运放op3和运放op4进行比较，将输出的两位数字信号送入数字逻辑反馈控制电路5中，判断图3中电压检测点的电压值，若电压检测点的值不在运放op3的正端和运放op4的负端的范围内，则通过控制开关s11…s1n和s21…s2n调整输出的电压，直到判断电压检测点的值在运放op1正端和运放op2负端的范围内。之后，数字逻辑反馈控制电路5对电流源单元电路2进行配置，调整合适的补偿电流值。

通过以上电流偏置电路1、电流源单元电路2、补偿电流源电路3、电压信号检测电路4和数字逻辑反馈控制电路5的协同工作，最终将电荷泵输出的电流失配降到最低。

以上结合附图的实施例描述，旨在便于理解本发明的创新实质，但并非以此来限制本发明多样性的实施方式及要求的权利要求保护范围。但凡理解本发明，并根据上述实施例进行的等效结构变化或构件替换，能够实现相同目的和效果的设计，均应视为对本专利申请保护内容的侵犯。