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[導(dǎo)讀]0 引 言 CMOS|0">CMOS電荷泵鎖相環(huán)以其高速、低抖動、低功耗和易集成等特點,已廣泛用于接收機芯片、時鐘恢復(fù)電路中,如圖l所示,電荷泵對整個電荷泵鎖相環(huán)性能具有關(guān)鍵

0 引 言

CMOS|0">CMOS電荷泵鎖相環(huán)以其高速、低抖動、低功耗和易集成等特點,已廣泛用于接收機芯片、時鐘恢復(fù)電路中,如圖l所示,電荷泵對整個電荷泵鎖相環(huán)性能具有關(guān)鍵的作用,如果電荷泵的充放電電流能夠在很大的輸出電壓范圍內(nèi)具有高精度的匹配,在PLL鎖定某個頻率時,LPF提供給VCO的控制電壓將是一個常數(shù),它將顯著降低VCO輸出頻率的抖動,提高VCO的相位噪聲特性,并且VCO可以具有很大的調(diào)諧范圍。

l 傳統(tǒng)電荷泵工作機制

傳統(tǒng)電荷泵結(jié)構(gòu)如圖2所示。

它主要由兩個受控開關(guān)的電流源組成,通過PFD比較Fref和Fdiv的相位,如果Fref相位超前于Fdiv,則輸出UP為高電平,DN為低電平,Iup給LPF電容充電,使得VC0的控制電壓上升,控制VCO的輸出信號頻率升高;如果Fdiv相位超前于Fref,則輸出uP為低電平,DN為高電平,LPF電容通過Idown。放電,使得VCO的控制電壓下降,控制VCO的輸出信號頻率降低;如果Fref和Fdiv的相位相同,PLL達到鎖定狀態(tài),則UP和DN信號控制充放電電流源同時打開或關(guān)閉,具體工作狀態(tài)如表1所示。

在電路鎖定狀態(tài),為了消除PFD的死區(qū),電荷泵的充放電電流源在每個周期需要同時打開一段時間,如果這兩個電流源的電流大小不精確匹配,假設(shè)Iup大于Idown,則將有Iup。減去Idown大小的電流為LPF電容充電,使得VCO的控制電壓升高,繼而使得VCO的輸出頻率發(fā)生變化,降低了輸出時鐘的噪聲性能。而在電荷泵的充放電電流同時關(guān)閉時,由于MOS管開關(guān)的源極和漏極寄生電容以及溝道反型層中存儲了電荷,導(dǎo)致電荷注入到IPF的電容上,從而引起VCO輸出頻率的變化,克服電荷共享最有效的方法是在充放電開關(guān)斷開時用單位增益運放將輸出電壓復(fù)制到電流源漏端。由電荷泵的非理想特性導(dǎo)致的開關(guān)時間延時、充放電電流失配和電荷注入引起的PLL輸出信號的相位偏差為:

式中:△Ton為充放電電流源同時打開時間;Tref為參考時鐘信號周期;△i為電荷泵的失配電流;Icp。為電荷泵充放電電流;△td為電荷泵開關(guān)延時時間。式(1)表明,在參考頻率固定時,可以通過減小失配電流和縮短開關(guān)同時打開時間來誠小輸出信號的相位誤差,而△Ton需要用來克服PFD的死區(qū),因此,充放電電流的匹配程度對電荷泵的主要性能影響很大,提高充放電電流的匹配特性在設(shè)計電荷泵時需要著重考慮。

2 新型電荷泵設(shè)計

圖3為本文提出的新型電荷泵結(jié)構(gòu),其中M1~M12構(gòu)成一個一級的軌到軌運算放大器,M1和M2構(gòu)成這個運算放大器的P管輸入極,M3和M4構(gòu)成N管輸入級,M7~M12構(gòu)成運放的電流求和電路,將差分輸入產(chǎn)生的小信號電流轉(zhuǎn)換成單端的電壓輸出,M15~M18構(gòu)成這個運算放大器的第二級,M16的漏極接到:M1的柵極構(gòu)成單位負反饋,因此可以保證M。和M2的柵極具有相同的電壓,也就是說M15和M19具有相同的漏極電壓,M17和M21也具有相同的漏極電壓。M15和M18的柵極分別接到最低電位和最高電位,使這兩個管子都工作在深線性區(qū),所以M15~M18這條支路始終有電流,電流大小為:

這個電流并不受UP和DN的信號狀態(tài)影響。A,B在UP和DN同時為低電平時分別為高電平和低電平,否則為低電平和高電平。假設(shè):

下面分析這個電荷泵的四種工作狀態(tài):

(1)狀態(tài)1:UP為高電平,DN為低電平,電荷泵為LPF充電開關(guān)管M20打開,M22關(guān)閉。由于運算放大器的存在,M15和M19的三個端口都處在相同的電位,因此I19=aI15電荷泵以aI15大小的電流對LPF電容充電。

(2)狀態(tài)2:UP為低電平,DN為高電平,LPF通過電荷泵放電開關(guān)管M20關(guān)閉,M22打開。由于運算放大器的存在,M17和M21的三個端口都處在相同的電位,因此I21=aI17泵以aI17大小的電流對LPF電容放電。

(3)狀態(tài)3:UP,DN同時為高電平,LPF輸出電壓保持穩(wěn)定開關(guān)管M20,M22同時打開。在正常工作狀態(tài)下,因為運放的存在,使得I21=aI17,I19=aI15,而I17=I15,因此I21=I19。M19中的電流全部從M21中流到地,因此LPF電容電壓保持不變。

(4)狀態(tài)4:UP,DN同時為低電平,LPF輸出電壓保持穩(wěn)定開關(guān)管M20,M22同時關(guān)閉,此時A,B分別為高電平和低電平,控制開關(guān)管M21,M22同時打開,因此M19和M21的漏極電壓都為LPF上的電容電壓,克服了電荷共享。

本結(jié)構(gòu)還可以輕易地實現(xiàn)充放電電流的數(shù)字控制,如圖3框內(nèi)所示,假設(shè):

則可以通過2個比特控制充放電電流的三種可能(另一種充放電電流的可能為0 mA),分別為:aIref,βIref,(α+β)Iref,這在PLL的設(shè)計中具有實際意義,因為充放電電流的大小直接影響PLL的帶寬口,因此可以根據(jù)實際情況調(diào)整電荷泵的充放電電流來調(diào)整PLL的帶寬,實現(xiàn)帶寬可數(shù)字控制的PLL系統(tǒng)。

3 仿真結(jié)果

電荷泵電路采用SMIC 0.18μmC2MOSRF工藝庫設(shè)計,充放電電流為0.4 mA,基于(2adence SpectreRF仿真得到充放電電流隨輸出電壓變化的曲線如圖4所示,可以看到,輸出電壓在0.3~1.62 V內(nèi),充放電電流最大失配率小于O.1%,電流絕對值偏移率小于0.6%。

在UP高電平比DN高電平多50 ns,CP接100 pF負載電容時仿真得到圖5所示電荷泵充電效果曲線。

在UP高電平比DN高電平少50 ns,CP接100 pF負載電容時仿真得到圖6所示電荷泵放電效果曲線。

從仿真效果曲線可以看出,電荷泵輸出電壓只在狀態(tài)1和狀態(tài)2時才發(fā)生改變,輸出電壓變化平穩(wěn),無抖動,在狀態(tài)3和狀態(tài)4時,輸出電壓保持不變。

4 結(jié) 語

提出一種新型的電荷泵結(jié)構(gòu),電路采用軌到軌(rail-to-rail)的運算放大器來保證充電電流和放電電流的精確復(fù)制,采用SMIC O.18μm CMOSRF工藝設(shè)計的實際電路仿真結(jié)果表明,該結(jié)構(gòu)在很大的電壓范圍內(nèi)具有充放電電流精確匹配的特性,消除了傳統(tǒng)電荷泵存在的非理想特性,并且容易實現(xiàn)充放電電流的數(shù)字控制,從而實現(xiàn)PLL帶寬的數(shù)字控制,對PLL的設(shè)計具有實際意義。

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