电荷泵电路制造技术

本发明专利技术公开了一种电荷泵电路，具体包括：启动单元、阈值基准单元、电流镜单元和运算放大器，具体连接关系是：所述启动单元为阈值基准单元和电流镜单元提供启动电压，所述运算放大器的输出端分别与阈值基准单元的输入端和电流镜单元的第一输入端相连；所述阈值基准单元的输出端与运算放大器的正向输入端相连，所述电流镜单元的输出端与运算放大器的负向输入端相连并作为所述电荷泵电路的输出端，所述电流镜单元的第二输入端作为所述电荷泵电路的输入端。本发明专利技术的电路直接将运算放大器用在阈值基准单元和电流镜单元之间，而不是将运算放大器用两个电流镜单元之间，保持了电容的充、放电电流的恒定，使得电荷泵电容电压线性变化。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于集成电路
，具体涉及一种电荷泵锁相环中的电荷泵电路的设计。
技术介绍
锁相环的概念是20世纪30年代提出的，之后很快应用于电子学和通信领域。电荷泵锁相环(Charge Pump Phase-Locked Loop, CPPLL)是目前锁相环电路设计的主流,具有捕捉范围宽、捕捉时间短、线性范围大、高速低功耗等优点，因此被广泛应用于现在通信以及射频领域中。锁相环(PLL)是把输出信号和输入信号的相位相比较的反馈系统。图I为典型 的电荷泵锁相环系统，包括鉴频鉴相器(PFD)、电荷泵(CP)、环路滤波器(LF)、压控振荡器(VC0)、分频器(MMD)等模块。CP电路在CPPLL中起着非常重要的作用，它将PFD电路输出 的数字控制信号，包括充、放电控制信号UP、DOWN转换为模拟信号，进而来控制VCO的输出频率，实现锁相的功能。此处的模拟信号主要有两个要求1、纹波小；2、线性度好。这就要求CP电路要满足两个条件I、充、放电电流相等；2、在一定范围内，充、放电电流保持恒定。在实际应用中，CP电路受到沟道长度调制效应、电荷共享、电荷注入等非理想因素的制约，存在严重的电流源电流失配，这是影响环路性能的主要因素。现有的第一种电荷泵电路如图2所示，包括PMOS电流镜MP1、MP3，NMOS电流镜丽2、MN4，PMOS开关管MP4，NMOS开关管丽3，偏置电路，鉴频鉴相器的输出控制信号UP、DOWN以及电荷泵电容Ccp，主体电路可分为支路I、支路2。偏置电路为后级电路提供偏置电压和电流，11/12按照一定比例镜像参考电流Iref。鉴频鉴相器的输出控制信号UP控制MP4的导通与关断，DOWN控制丽3的导通与关断，当UP、DOWN为低时MP4导通、丽3关断，Ich镜像Il对电容充电，当UP、DOWN为高时MP4关断、丽3导通，Idis镜像12对电容放电，当MP4、MN3同时关断时，电容C不进行放电或者充电，Vcp维持不变。该电路的缺点在于1、电流镜电流失配问题由于沟道调制效应，PMOS电流镜MP3和NMOS电流镜MN4的Vds不相等，例如Vcp为高时，MP4、丽3的漏极电压为高，则Ich〈Idis，那么在复位脉冲期间，MP4、丽3都开启，此时电容C就会释放电荷，Vcp会跟着降低，不会维持不变，这会对下级电路造成影响。2、电荷共享问题电流镜MP3管、MN4管分别靠近电源和地，漏极存在一定的电容，假设开关管MP4、MP3都断开，那么MP3管使节点Y充电到VDC，MN4管使节点X放电到零电位。在下一个相位比较瞬间，若开关管MP4、MP3都开启，节点X的电位上升，节点Y的电位下降，如果忽略开关管MP4、MP3上的电压降，则VX=VY=Vcp,即使CX=CY，VX的变化量也不一定等于VY的变化量，这两者之差由Ccp提供，从而导致Ccp上电压的跳动。图3中可以明显看出Ich和Idis不相等。由于鉴频鉴相器内部环路的延迟，其输出信号UP和DOWN会有很窄的复位脉冲，虽然复位脉冲可起到消除死区的作用，但会使得PM0S、NMOS开关管同时导通，如果这时充、放电电流不相等，电荷泵电容Ccp上的净电流不为零，使得Ccp的电位在每个周期都有固定的变化，锁相环路为了保持锁定，就会在输入、输出之间产生相位误差。现有的第二种电荷泵电路如图4所示，包括PMOS电流镜MP2、MP4, NMOS电流镜丽3、丽5，PMOS开关管MP3，NMOS开关管丽5，偏置电路丽I、丽2，鉴频鉴相器的输出控制信号UP、D0WN以及电荷泵电容Ccp，主体电路可分为支路I、支路2。该电路可以看作第一种电荷泵电路的改进，第一增添了跨导运算放大器，通过反馈作用使得X、Y两点电位相等，从而实现了充、放电电流相等；第二 交换了开关管和电流镜的位置，解决了电荷共享问题，但是从图5的波形图可以看出，该泵电路Ich=Idis,但是Ich、Idis随输出电压变化，因此没有实现充、放电电流恒定。
技术实现思路
本专利技术的目的是为了解决上述电荷泵电路没有实现充、放电电流恒定的问题，提出了一种电荷泵电路。 本专利技术的技术方案是一种电荷泵电路，具体包括启动单元、阈值基准单元、电流镜单元和运算放大器，具体连接关系是所述启动单元为阈值基准单元和电流镜单元提供启动电压，所述运算放大器的输出端分别与阈值基准单元的输入端和电流镜单元的第一输入端相连；所述阈值基准单元的输出端与运算放大器的正向输入端相连，所述电流镜单元的输出端与运算放大器的负向输入端相连并作为所述电荷泵电路的输出端，所述电流镜单元的第二输入端作为所述电荷泵电路的输入端。本专利技术的有益效果相比第一种电荷泵电路，本专利技术的电荷泵电路解决了充、放电电流匹配问题和电荷共享问题；相比现有的第二种电荷泵电路，本专利技术的电荷泵电路是直接将运算放大器用在阈值基准单元和电流镜单元之间，而不是将运算放大器用两个电流镜单元之间，这样保持了电容的充、放电电流的恒定，从而解决了充、放电电流变化的问题，使得电荷泵电容电压线性变化，可更精确的控制对电容的充、放电；本专利技术的电荷泵电路结构简单，易于集成，且充放电电流源匹配精度高，适合于低压低功耗应用。附图说明图I为电荷泵锁相环系统结构示意图。图2为现有的第一种电荷泵电路结构示意图。图3为现有的第一种电荷泵电路结构输出电压、电流波形示意图。图4为现有的第二种电荷泵电路结构示意图。图5为现有的第二种电荷泵电路输出电压、电流波形示意图。图6为本专利技术的电荷泵电路结构示意图。图7为本专利技术的电荷泵电路具体实现示意图。图8为本专利技术的电荷泵电路输出电压、电流波形示意图。具体实施例方式以下结合附图和具体实施方式对本专利技术作进一步的说明。本专利技术的电荷泵电路如图6所示，电荷泵电路,具体包括启动单元、阈值基准单元、电流镜单元和运算放大器0TA，具体连接关系是所述启动单元为阈值基准单元和电流镜单元提供启动电压，所述运算放大器的输出端分别与阈值基准单元的输入端和电流镜单元的第一输入端相连；所述阈值基准单元的输出端与运算放大器的正向输入端相连，所述电流镜单元的输出端与运算放大器的负向输入端相连并作为所述电荷泵电路的输出端，所述电流镜单元的第二输入端作为所述电荷泵电路的输入端。可以看出这里的阈值基准单元提供恒定电流，电流镜单元镜像阈值基准单元的恒定电流，运算放大器能够保证阈值基准单元电流和电流镜单元电流精确相等。图7给出了本专利技术的一种实现形式，下面对三个子单元分别进行阐述。启动单元包括电阻RUNMOS管丽I、丽2，其中，丽2管为二极管连接形式，丽2管的栅极接到丽I管的栅极和电阻Rl的一端，丽2管的源极接到地，电阻Rl的另一端和丽I管的漏极接到外部的电源电压VDC，丽I管的源极作为启动单元的输出端。阈值基准单元具体包括PM0S管MP1、MP2、MP3、MP4，NMOS管MN3、MN4和MN5，电阻 R2，其中，PMOS管MPl的栅极、MP3的栅极均短接到地，MPl的源极、MP3的源极均接到外部的电源电压VDC，PMOS管MPl的漏极接到MP2的源极，PMOS管MP3的漏极接到PMOS管MP4的源极，PMOS管MP2的栅极和MP4的栅极相连接作为所述阈值基准单元的输入端，PMOS管MP2的漏极接到NMOS管丽3的漏极，丽3管的栅极接到MN4管的源极和电本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种电荷泵电路，具体包括：启动单元、阈值基准单元、电流镜单元和运算放大器，具体连接关系是：所述启动单元为阈值基准单元和电流镜单元提供启动电压，所述运算放大器的输出端分别与阈值基准单元的输入端和电流镜单元的第一输入端相连；所述阈值基准单元的输出端与运算放大器的正向输入端相连，所述电流镜单元的输出端与运算放大器的负向输入端相连并作为所述电荷泵电路的输出端，所述电流镜单元的第二输入端作为所述电荷泵电路的输入端。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：方健，贾姚瑶，陶垠波，杨毓俊，臧凯旋，袁同伟，李源，彭宜建，谷洪波，
申请(专利权)人：电子科技大学，
类型：发明
国别省市：