应用于锁相环的宽动态范围低失配电荷泵电路的制作方法

本实用新型涉及集成电路技术领域，具体涉及一种应用于锁相环的宽动态范围低失配电荷泵电路。

背景技术：

锁相环(Phase-locked loops，PLL)是一种利用反馈控制原理实现的频率及相位的同步技术，其作用是将电路输出的时钟与其外部的参考时钟保持同步。当参考时钟的频率或相位发生改变时，锁相环会检测到这种变化，并且通过其内部的反馈系统来调节输出频率，直到两者重新同步，这种同步又称为“锁相”。锁相环在众多领域有应用，如无线通信、数字电视、广播等。具体的应用范围包括但不限于：无线通信系统收发模块(Transceiver)、数据及时钟恢复电路(Clock and Data Recovery-CDR)、频率综合电路(Frequency synthesizer)、跳频通信(Frequency-hopping spread spectrum-FHSS)、数字电视接收机等。

锁相环电路通常由鉴频鉴相器(PFD)(或鉴相器:PD)，低通滤波器(LPF)，压控振荡器(VCO)，反馈回路(通常由一个分频器(Frequency divider)来实现)构成。鉴频鉴相器对输入的参考信号和反馈回路的信号进行频率和相位的比较，输出一个代表两者差异的信号至低通滤波器，低通滤波器将输入信号中的高频成分滤除，保留直流部分送至压控振荡器，压控振荡器的输出频率由输入电压所控制，反馈回路将压控振荡器输出的信号送回至鉴频鉴相器，进而实现频率合成功能。电荷泵电路在电荷泵锁相环中起着非常重要的作用，其主要功能是把来自鉴频鉴相器脉冲数字信号，通过低通滤波器转换为模拟的电压信号，该信号控制压控振荡器的振荡频率。因此，电荷泵电路的性能对锁相环的特性有着非常重要的影响。

传统的电荷泵电路为了实现较高的充电电流和放电电流的匹配精度，通常采用运算放大器电路来钳制电流镜和输出端的电压，这不但增加了电路的复杂度，还增加了电路整体的功耗、面积和稳定性问题。为了满足锁相环具有较宽的输出频率范围，通常采用提高压控振荡器的调谐灵敏度和拓宽电荷泵电路的电压动态范围的方法实现，但是提高压控振荡器的调谐灵敏度会引入较大的噪声，为确保锁相环的噪声特性，可以提高电荷泵调谐电压的动态范围，这就要求运算放大器能实现轨到轨的输入输出特性，进一步增加了电荷泵电路的设计难度。

技术实现要素：

本实用新型提供一种应用于锁相环的宽动态范围低失配电荷泵电路，其实现了宽动态输出范围低失配的电荷泵电路，可直接适用于锁相环电路的应用。

为解决上述问题，本实用新型是通过以下技术方案实现的：

应用于锁相环的宽动态范围低失配电荷泵电路，由偏置模块，电流镜模块和充放电匹配模块组成；所述偏置模块用于产生偏置电流来偏置电流镜模块和充放电匹配模块；所述电流镜模块由偏置模块提供偏置并镜像产生充放电匹配模块中的充电电流和放电电流；所述充放电匹配模块包括充电控制单元、充电单元、放电单元和放电控制单元；充电控制单元用于检测电荷泵的输出电压，并根据该输出电压控制充电单元，以实现充电电流的控制；放电控制单元用于检测电荷泵的输出电压，并根据该输出电压控制放电单元，以实现放电电流的控制；充电单元对负载进行充电；放电单元对负载进行放电。

充电控制单元由MOS管M12、M13、M15、M23、M24、M27和M29组成；其中MOS管M13、M15、M24、M27为PMOS管，MOS管M12、M23、M29为NMOS管；NMOS管M12的漏极和PMOS管M13的源极均与电源VDD连接；NMOS管M12的栅极连接正向充电信号UP；NMOS管M12的源极与PMOS管M13的漏极连接后，再与PMOS管M15的栅极连接；PMOS管M13的栅极与反向充电信号UPB连接；NMOS管M12和PMOS管M13构成传输门，由充电信号UP及其反向信号UPB控制导通或断开；PMOS管M15的漏极与充电单元连接；NMOS管M23的源极与PMOS管M24的漏极连接后，再与PMOS管M15的栅极连接；NMOS管M23的栅极连接反向充电信号UPB；NMOS管M23的漏极与PMOS管M24的源极连接后，再与PMOS管M27的漏极连接；PMOS管M24的栅极连接正向充电信号UP；NMOS管M23和PMOS管M24构成传输门，由充电信号UP及其反向信号UPB控制导通或断开；PMOS管M27的源极连接电源VDD；PMOS管M27的漏极与NMOS管M29的漏极连接；PMOS管M27的栅极与NMOS管的M33的栅极连接后，再连接电荷泵输出端Vctrl；NMOS管M29的栅极连接电流镜模块；NMOS管M29的源极连接地端VSS。

充电单元由MOS管M14、M16和M17组成；其中MOS管M14、M16、M17为PMOS管；PMOS管M14的源极连接电源VDD；PMOS管M14的栅极连接地端VSS；PMOS管M14的漏极与PMOS管M16的源极连接；PMOS管M16的栅极与PMOS管M17的栅极连接后，再与PMOS管M16的漏极连接；PMOS管M16的漏极连接电流镜模块；PMOS管M17的源极连接充电控制单元；PMOS管M17的漏极连接电荷泵输出端Vctrl。

放电控制单元由MOS管M20、M21、M22、M25、M26、M31和M33组成；其中MOS管M22、M25、M31为PMOS管，MOS管M20、M21、M26、M33为NMOS管；PMOS管M22的漏极和NMOS管M21的源极均与地端VSS连接；PMOS管M22的栅极连接正向放电信号DN；PMOS管M22的源极与NMOS管M21的漏极连接后，再与NMOS管M20的栅极连接；NMOS管M21的栅极与反向放电信号DNB连接；NMOS管M21和PMOS管M22构成传输门，由放电信号DN及其反向信号DNB控制导通或断开；NMOS管M20的漏极与放电单元连接；PMOS管M25的源极与NMOS管M26的漏极连接后，再与NMOS管M20的栅极连接；PMOS管M25的栅极连接反向放电信号DNB；PMOS管M25的漏极与NMOS管M26的源极连接后，再与NMOS管M33的漏极连接；NMOS管M26的栅极连接正向放电信号DN；NMOS管M26和PMOS管M25构成传输门，由放电信号DN及其反向信号DNB控制导通或断开；NMOS管M33的源极连接地端VSS；NMOS管M33的漏极与PMOS管M31的漏极连接；PMOS管M27的栅极与NMOS管的M33的栅极连接后，再连接电荷泵输出端Vctrl；PMOS管M31的栅极连接电流镜模块；NMOS管M31的源极连接电源VDD。

放电单元包括MOS管M9、M10和M18；其中MOS管M9、M10、M18为NMOS管；NMOS管M10的源极连接地端VSS；NMOS管M10的栅极连接电源VDD；NMOS管M10的漏极与NMOS管M9的源极连接；NMOS管M9的栅极与NMOS管M18的栅极连接后，再与NMOS管M9的漏极连接；NMOS管M9的漏极连接电流镜模块；NMOS管M18的源极连接放电控制单元；NMOS管M18的漏极连接电荷泵输出端Vctrl。

偏置模块由MOS管M1、M2、M3、M4、M5、M6和电阻R1组成；其中MOS管M1、MOS管M2为PMOS管，MOS管M3、MOS管M4、MOS管M5、MOS管M6为NMOS管；PMOS管M1、M2的源极均与电源VDD连接；PMOS管M1和PMOS管M2的栅极与PMOS管M1和PMOS管M3的漏极相连后，与电流镜模块的输入端连接；PMOS管M2的漏极与NMOS管M4的漏极连接后,再与NMOS管M3和NMOS管M4的栅极连接；NMOS管M3的源极与NMOS管M5的漏极连接；NMOS管M4的源极与NMOS管M6的漏极连接后，再与NMOS管M6和NMOS管M5的栅极连接；NMOS管M6的源极连接地端VSS；NMOS管M5的源极通过电阻R1与地端VSS连接。

电流镜模块由MOS管M7、M8、M11、M19、M28、M30、M32、M34、M35和M36组成；其中MOS管M7、M8、M28、M32、M35为PMOS管，MOS管M11、M19、M30、M34、M36为NMOS管；PMOS管M7、M8、M28、M35的源极均与电源VDD连接；PMOS管M7、M8、M28、M35的栅极相连后，与偏置模块连接；PMOS管M7的漏极与充放电匹配模块连接，为充放电匹配模块中的放电单元提供恒流源；PMOS管M8的漏极与NMOS管M11的漏极连接后，再与NMOS管M11的栅极连接；NMOS管M11、M19、M34、M36的源极均与地端VSS连接；NMOS管M19的栅极与NMOS管M11的栅极连接；NMOS管M19的漏极与充放电匹配模块连接，为充放电匹配模块中的充电单元提供恒流源；PMOS管M28的漏极与NMOS管M30的漏极连接后，再与NMOS管M30的栅极连接；NMOS管M30的栅极与充放电匹配模块连接，为充放电匹配模块中的充电控制单元提供偏置电压；NMOS管M30的源极与地端VSS连接；PMOS管M35的漏极与NMOS管M36的漏极连接后，再与NMOS管M36的栅极连接；NMOS管M34的漏极与PMOS管M32的漏极连接后，再与PMOS管M32的栅极连接；PMOS管M32的栅极与充放电匹配模块连接，为充放电匹配模块中的放电控制单元提供偏置电压；PMOS管M32的源极与电源VDD连接。

与现有技术相比，本实用新型具有如下特点：

1、本实用新型通过将输出电压反馈到充放电控制单元，使得电荷泵在很宽的电压输出范围内充电电流和放电电流匹配；

2、电流镜模块和充放电单元有效减少了沟道长度调制效应带来的电流失配，使得充电电流和放电电流匹配精度高，同时具有一定的平坦度；

3、电荷泵电路无需额外的运算放大电路，电路结构简单，稳定性好，功耗低，易于集成。

附图说明

图1是本实用新型电荷泵电路的结构框图。

图2是本实用新型电荷泵电路的电路原理图。

图3是本实用新型电荷泵的充电电流和放电电流的失配仿真图。

图4是本实用新型应用于锁相环的瞬态响应图。

具体实施方式

为使本实用新型的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实例，并参照附图，对本实用新型进一步详细说明。

一种应用于锁相环的宽动态范围低失配电荷泵电路，如图1和2所示，由偏置模块，电流镜模块和充放电匹配模块组成。

所述偏置模块用于产生偏置电流来偏置电流镜模块和充放电匹配模块。偏置模块由MOS管M1、M2、M3、M4、M5、M6和电阻R1组成。其中MOS管M1、MOS管M2为PMOS管；MOS管M3、MOS管M4、MOS管M5、MOS管M6为NMOS管。PMOS管M1、M2的源极均与电源VDD连接。PMOS管M1的栅极与PMOS管M2的栅极连接后再与PMOS管M1和PMOS管M3的漏极连接。PMOS管M1的漏极与电流镜模块连接，为电流镜模块提供偏置电压。PMOS管M2的漏极与NMOS管M4的漏极连接后再与NMOS管M3和NMOS管M4的栅极连接。NMOS管M3的源极与NMOS管M5的漏极连接。NMOS管M4的源极与NMOS管M6的漏极连接后再与NMOS管M6和NMOS管M5的栅极连接。NMOS管M6的源极连接地端VSS。NMOS管M5的源极通过电阻R1与地端VSS连接，可以通过电阻R1调节支路电流。

所述电流镜模块由偏置模块提供偏置并镜像产生充放电匹配模块中的充电电流和放电电流。电流镜模块由MOS管M7、M8、M11、M19、M28、M30、M32、M34、M35、M36组成。其中MOS管M7、M8、M28、M32、M35为PMOS管，MOS管M11、M19、M30、M34、M36为NMOS管。PMOS管M7、M8、M28、M35的源极均与电源VDD连接。PMOS管M7、M8、M28、M35的栅极均与偏置模块连接，从前级偏置模块按比例复制电流。PMOS管M7的漏极与充放电匹配模块连接，为充放电匹配模块中的放电单元提供恒流源。PMOS管M8的漏极与NMOS管M11的漏极连接后再与NMOS管M11的栅极连接。NMOS管M11、M19、M34、M36的源极均与地端VSS连接。NMOS管M19的栅极与NMOS管M11的栅极连接。NMOS管M19的漏极与充放电匹配模块连接，为充放电匹配模块中的充电单元提供恒流源。PMOS管M28的漏极与NMOS管M30的漏极连接后再与NMOS管M30的栅极连接。NMOS管M30的栅极与充放电匹配模块连接，为充放电匹配模块中的充电控制单元提供合适的偏置电压。NMOS管M30的源极与地端VSS连接。PMOS管M35的漏极与NMOS管M36的漏极连接后再与NMOS管M36的栅极连接。NMOS管M34的漏极与PMOS管M32的漏极连接后再与PMOS管M32的栅极连接。PMOS管M32的栅极与充放电匹配模块连接，为充放电匹配模块中的放电控制单元提供合适的偏置电压。PMOS管M32的源极与电源VDD连接。

所述充放电匹配模块包括充电控制单元、充电单元、放电单元和放电控制单元。充电控制单元用于检测电荷泵的输出电压，并根据该输出电压控制充电单元，以实现充电电流的控制。放电控制单元用于检测电荷泵的输出电压，并根据该输出电压控制放电单元，以实现放电电流的控制。充电单元对负载进行充电。放电单元对负载进行放电。

充电控制单元由MOS管M12、M13、M15、M23、M24、M27、M29组成。其中MOS管M13、M15、M24、M27为PMOS管，MOS管M12、M23、M29为NMOS管。NMOS管M12的漏极和PMOS管M13的源极均与电源VDD连接。NMOS管M12的栅极连接充电信号UP。NMOS管M12的源极与PMOS管M13的漏极连接后再与PMOS管M15的栅极连接，PMOS管M13的栅极与充电信号UP的反向信号UPB连接。NMOS管M12和PMOS管M13构成传输门，由充电信号UP及其反向信号UPB控制导通或断开。PMOS管M15的漏极与充电单元连接。NMOS管M23的源极与PMOS管M24的漏极连接后再与PMOS管M15的栅极连接。NMOS管M23的栅极连接充电信号UP的反向信号UPB。NMOS管M23的漏极与PMOS管M24的源极连接后再与PMOS管M27的漏极连接。PMOS管M24的栅极连接充电信号UP，NMOS管M23和PMOS管M24构成传输门，由充电信号UP及其反向信号UPB控制导通或断开。PMOS管M27的源极连接电源VDD。PMOS管M27的漏极与NMOS管M29的漏极连接。PMOS管M27的栅极与NMOS管的M33的栅极连接后再连接输出Vctrl，通过将电荷泵输出电压Vctrl反馈到M15的栅极进而调节充电电流。NMOS管M29的栅极连接电流镜模块，由电流镜模块提供偏置电压。NMOS管M29的源极连接地端VSS。当UP＝1(UPB＝0)时，由M12、M13构成的传输门导通由M23、M24构成的传输门断开，PMOS管M15的栅极被拉到高电位VDD，导致PMOS管M15处于截止状态，此时，电荷泵放电。当UP＝0(UPB＝1时)，由M12、M13构成的传输门断开，由M23、M24构成的传输门导通，电荷泵输出端Vctrl通过反馈单元控制M15栅极电压，进而调节充电电流。

充电单元由MOS管M14、M16、M17组成，其中，MOS管M14、M16、M17为PMOS管。PMOS管M14的源极连接电源VDD。PMOS管M14的栅极连接地端VSS。PMOS管M14的漏极与PMOS管M16的源极连接。PMOS管M16的栅极与PMOS管M17的栅极连接后再与PMOS管M16的漏极连接，将恒流源复制到充电支路。PMOS管M16的漏极连接电流镜模块，由电流镜模块提供镜像电流源。PMOS管M17的源极连接充电控制单元。PMOS管M17的漏极连接输出端Vctrl。

放电单元包括MOS管M9、M10、M18，其中，MOS管M9、M10、M18为NMOS管。NMOS管M10的源极连接地端VSS。NMOS管M10的栅极连接电源VDD。NMOS管M10的漏极与NMOS管M9的源极连接。NMOS管M9的栅极与NMOS管M18的栅极连接后再与NMOS管M9的漏极连接，将恒流源复制到放电支路。NMOS管M9的漏极连接电流镜模块，由电流镜模块提供镜像电流源。NMOS管M18的源极连接放电控制单元。NMOS管M18的漏极连接输出端Vctrl。

放电控制单元由MOS管M21、M22、M20、M25、M26、M31、M33组成，其中，MOS管M22、M25、M31为PMOS管，MOS管M21、M20、M26、M33为NMOS管。PMOS管M22的漏极和NMOS管M21的源极均与地端VSS连接。PMOS管M22的栅极连接放电信号DN。PMOS管M22的源极与NMOS管M21的漏极连接后再与NMOS管M20的栅极连接。NMOS管M21的栅极与放电信号DN的反向信号DNB连接。NMOS管M21和PMOS管M22构成传输门，由放电信号DN及其反向信号DNB控制导通或断开。NMOS管M20的漏极与放电单元连接。PMOS管M25的源极与NMOS管M26的漏极连接后再与NMOS管M20的栅极连接。PMOS管M25的栅极连接放电信号DN的反向信号DNB。PMOS管M25的漏极与NMOS管M26的源极连接后再与NMOS管M33的漏极连接。NMOS管M26的栅极连接放电信号DN。NMOS管M26和PMOS管M25构成传输门，由放电信号DN及其反向信号DNB控制导通或断开。NMOS管M33的源极连接地端VSS。NMOS管M33的漏极与PMOS管M31的漏极连接。PMOS管M27的栅极与NMOS管的M33的栅极连接后再连接输出Vctrl。通过将电荷泵输出电压Vctrl反馈到M20的栅极进而调节放电电流。PMOS管M31的栅极连接电流镜模块。由电流镜模块提供偏置电压。NMOS管M31的源极连接电源VDD。当DN＝1(DNB＝0)时，由M21、M22构成的传输门断开，由M25、M26构成的传输门导通，电荷泵输出端电压Vctrl通过反馈单元控制M20栅极电压，进而调节放电电流。当DN＝0(DNB＝1时)，由M21、M22构成的传输门导通，由M21、M22构成的传输门断开，NMOS管M20的栅极被拉到低电位VSS，导致NMOS管M20处于截止状态，此时，电荷泵充电。

本实用新型采用CMOS工艺，利用电荷泵输出电压对充放电单元的反馈作用，能够实现宽动态输出电压范围内充放电电流匹配，即通过反馈使得充电电流和放电电流的匹配范围变宽。如图3为电荷泵电路的充电电流和放电电流的失配仿真图，由图3可知，当采用TSMC 0.18um工艺，且电源电压为1.8V时，电荷泵输出电压范围为0.08V～1.75V，充电电流和放电电流的失配误差小于4％。如图4为电荷泵应用于锁相环电路中的瞬态响应图(其中压控振荡器和分频器为理想模型)，由图4知，该电荷泵电路能够实现正常的充放电功能。此外，本实用新型提出的电荷泵无需额外的运算放大器，不会受到运算放大器的带宽和稳定性的影响，并且电路结构简单，易于集成，适用于高性能锁相环电路。

需要说明的是，尽管以上本实用新型所述的实施例是说明性的，但这并非是对本实用新型的限制，因此本实用新型并不局限于上述具体实施方式中。在不脱离本实用新型原理的情况下，凡是本领域技术人员在本实用新型的启示下获得的其它实施方式，均视为在本实用新型的保护之内。