CMOS電荷泵鎖相環(huán)(Charge Pump Phase-Locked Loop，CPPLL)具有高速,、低功耗,、低抖動、低成本等優(yōu)點,，在頻率合成,、時鐘恢復(fù)等電路中被廣泛采用。作為電荷泵鎖相環(huán)里的一個關(guān)鍵模塊,，電荷泵在電路實現(xiàn)時,，往往存在著開關(guān)延遲、充放電電流失配,、電荷注入及電荷共享等非理想效應(yīng),。對于高性能鎖相環(huán)的設(shè)計而言，應(yīng)盡量減小相位噪聲及雜散的產(chǎn)生,，使輸出電流更平滑,，輸出電壓諧波分量更低，減小開關(guān)延遲現(xiàn)象,。文中提出了一種基于偽差分結(jié)構(gòu)的具有高輸出阻抗和高充放電流匹配率的電荷泵電路,。
1 電荷泵設(shè)計分析
電荷泵主要功能是將鑒頻鑒相器(PFD)的輸出信號up和down轉(zhuǎn)換為模擬的連續(xù)變化的電壓信號，用于控制壓控振蕩器(VCO)的振蕩頻率,。當(dāng)PFD的up輸出信號起作用時,，電荷泵的電流源對環(huán)路濾波器進行充電，VCO的壓控端電壓升高,，VCO的振蕩頻率也相應(yīng)改變,。反之，down信號使電荷泵電流沉對環(huán)路濾波器進行放電,，VCO的壓控電壓信號降低,。當(dāng)VCO振蕩頻率和相位與參考信號相同時，電荷泵的輸出信號應(yīng)該保持一個常值,。但是傳統(tǒng)的電荷泵,，如圖l所示，存在多種非理想效應(yīng),，比如電荷泄漏,、充放電電流失配,、電荷共享、泵開關(guān)的延遲等,。一個好的電荷泵設(shè)計應(yīng)該力求把以上情況降到設(shè)計規(guī)范之內(nèi),。
1．1 電流失配
當(dāng)up和down信號控制電荷泵充放電時，會產(chǎn)生電流失配和泵開關(guān)時間延時問題,。由此引起的系統(tǒng)相位偏差表達(dá)式如(1)所示
其中,，△ton，Tref,，I和△I分別表示PFD開通時間,、參考時鐘周期、CP電流和充放電流偏差,。從式(1)可知,，Tref不變的情況下，減小△I,，△ton和增大I有利于減小系統(tǒng)相位偏差,。但是為了克服PFD的死區(qū)效應(yīng)，一般需要保持一定的開通時間,，所以,，減少失配電流和增大電荷泵電流是減小PLL相位誤差的行之有效的手段。
1．2 電荷共享
由于電荷泵充電電流源和放電電流源的漏極存在寄生電容,，當(dāng)電荷泵電流源都關(guān)斷時,，電流源漏極寄生電容分別被充電到VDD和放電到地。在下一個鑒相時刻中電荷泵電流源都打開的狀態(tài)時,，由于兩個寄生電容上的電荷變化量不可能相同,，會有剩余電荷注入環(huán)路濾波器中，引起VCO壓控電壓發(fā)生變化,，造成壓控信號產(chǎn)生紋波,。通常減小電荷共享的手段是電荷泵電路采用差分結(jié)構(gòu)。
針對以上一般電荷泵所存在的缺點,，文中提出了一個高電流匹配度,、高輸出電壓穩(wěn)定的電荷泵電路。
2 高性能電荷泵設(shè)計
現(xiàn)在CPPLL通常采用無死區(qū)的PFD,。這種PFD在鎖相環(huán)鎖定的情況下依然有等脈寬的UP和DOWN輸出,。這就要求電荷泵需要做到電流匹配。由于單一CMOS管實現(xiàn)的電流源的有限電阻,，在不同的源漏電壓下電流存在較大的變化,。為了在1．8 V低壓條件下實現(xiàn)較寬電壓范圍的恒定電流輸出，本設(shè)計采用自偏置高擺幅共源共柵鏡像電流鏡,，如圖2所示,。
自偏置共源共柵電流鏡能夠增大電流源的內(nèi)阻,，其小信號模型的輸出電阻表達(dá)式如式(2)所示
由式(2)可以看出，共源共柵電流結(jié)構(gòu)增大了泵電流源的輸出電阻,。選取合理的寬長比可以增大M2管的跨導(dǎo)gm2,，同時減小其溝道調(diào)制效應(yīng)，使電流源的內(nèi)阻最大化,。自偏置結(jié)構(gòu)使得電流源的開啟電壓降為VM4on+VM2on,，比普通的共源共柵的開啟電壓Vth+2VM4On更低,，適合低電壓條件下的運用,。M4管的寬長比和電阻R1的電阻值可以通過式(3)計算出來
需要注意的是M1，M2存在襯底偏置效應(yīng),，設(shè)其背柵為Vbs,，則其閾值電壓為
電流源的電力誤差率(Current Error Ratio)定義為
電流鏡在MOS管的寬長比及版圖的對稱性要求很高，已有大量的資料對其做了講述,。
為了減小電荷泵CMOS開關(guān)引起的電荷共享問題,，文中采用增加啞(Dummy)電路來改善電路性能，如圖3所示,。
其中,，NM3，PM3,，NM4,，PM4為主電路；NM1,，PM1,，NM2，PM2組成Dummy電路,，Dummy電路的存在使得電荷泵具有兩條支路,，在同一時刻，兩條支路中總有一條支路是導(dǎo)通的,，這樣就避免了電荷泵無電流流過而引起的電荷共享,。Vc和Vcon之間通過一個電壓跟隨器連接起來，使得Dummy支路與主支路的節(jié)點電壓相同,。因此,，在鎖定情況下，電荷泵不會出現(xiàn)周期性的充放電情況,。
為了在低壓下實現(xiàn)較寬動態(tài)范圍的電壓跟隨,，本設(shè)計采用了軌至軌(Rail-to-Rail)緩沖器作為電壓跟隨器，如圖4中虛線框內(nèi)所示,。電壓跟隨器為二級放大器結(jié)構(gòu),，輸入級采用雙差分放大器并聯(lián)的Rail-to-Rail結(jié)構(gòu),，增大了輸入動態(tài)范圍和增益。其中,，PM13,，NM13為電流累加管，寬長比分別是PM14和NM14的兩倍,，輸出節(jié)點用MOS管電容作為負(fù)載,，目的是進行頻率補償，穩(wěn)定輸出電壓信號,。圖4為文中所設(shè)計電荷泵的完整電路圖,。
本設(shè)計電流鏡鏡像的恒定電流為100μA；采用對稱的共源共柵電流源實現(xiàn)對電流源和電流沉的匹配,，在電壓跟隨器的輸出端增加一個20 pF的電容,，使得該節(jié)點更加穩(wěn)定。
3 仿真結(jié)果
本電荷泵采用O．18μm標(biāo)準(zhǔn)CMOS工藝,，使用Cadence軟件集成的Spectre仿真工具對電路進行設(shè)計仿真驗證,。從仿真結(jié)果可以看出，電荷泵的電流在0．35～1．3 V的直流掃描范圍內(nèi)CER
4 結(jié)束語
文中分析了傳統(tǒng)電荷泵的工作原理及存在的非理想因素,，在此基礎(chǔ)上設(shè)計了一個結(jié)合了對稱自偏置高擺幅共源共柵電流源和差分泵開關(guān)的電荷泵，電荷泵電流為100μA,。在版圖面積和電路性能之間經(jīng)過優(yōu)化設(shè)計,，實現(xiàn)了高精度的泵電流的匹配和較高的工作速度以及較小的電荷注入。整體上滿足了較高要求的應(yīng)用環(huán)境,，適用于高速高精度低壓要求的電荷泵鎖相環(huán)路,。