專(zhuān)利名稱(chēng)：超低失配鎖相環(huán)電路的電荷泵的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一應(yīng)用于鎖相環(huán)(PLL)電路的超低失配電荷泵電路，尤其涉及一種雙差分超 低失配失配電荷泵電路。
背景技術(shù)：
鎖相環(huán)(PLL)是一種能夠跟蹤輸入信號(hào)頻率和相位.并控制輸出信號(hào)的頻率和相位固定 在和輸入信號(hào)相關(guān)的某一值的電路系統(tǒng)。它廣泛應(yīng)用在計(jì)算機(jī)、通信以及消費(fèi)電子產(chǎn)品中，主 要功能為頻率合成、時(shí)鐘或數(shù)據(jù)恢復(fù)以及信號(hào)誤差消除等。
最早在1932年，鎖相環(huán)的概念就由DeBellescize提出。1947年，鎖相環(huán)電路第一次成功 地應(yīng)用在電視機(jī)掃描行同步裝置中。從此鎖相環(huán)電路才開(kāi)始得到應(yīng)用，但由于其技術(shù)的復(fù)雜性 和較高的成本，鎖相環(huán)主要應(yīng)用在航天方面，包括軌道衛(wèi)星的測(cè)速定軌和深空探測(cè)等，性能要 求較高的精密測(cè)量?jī)x和通信設(shè)備有時(shí)也用到它。1965年，第一個(gè)鎖相環(huán)的集成芯片才出現(xiàn),采 用的是模擬乘法器作為鑒相器，壓控振蕩器產(chǎn)生鎖相環(huán)輸出信號(hào)，是一個(gè)純模擬的器件。1970 年，出現(xiàn)了混合器件實(shí)現(xiàn)的鎖相環(huán)。目前，雖然也出現(xiàn)了全數(shù)字鎖相環(huán)和軟件鎖相環(huán)，但由于 各自在應(yīng)用上的缺陷，混合器件的鎖相環(huán)是應(yīng)用的主體。鎖相環(huán)廣泛應(yīng)用在電視機(jī)彩色副載波 提取、調(diào)頻立體聲解碼、電機(jī)轉(zhuǎn)速控制、微波頻率源、鎖相接收機(jī)、移相器以及各種方式的調(diào) 制器和解調(diào)器、頻率合成器等。
圖l為鎖相環(huán)的系統(tǒng)框圖。鎖相環(huán)主要由四部分組成鑒頻鑒相器/電荷泵(PFDCP)，環(huán) 路濾波器(LPF)，壓控振蕩器(VC0)，分頻器(DIVIDER)。鑒頻鑒相器/電荷泵比較兩個(gè)輸 入信號(hào)的相位，并產(chǎn)生與此相位差成正比的電壓。環(huán)路濾波器濾除電壓中的髙頻分量和噪聲， 增加系統(tǒng)的穩(wěn)定性。壓控振蕩器受此電壓控制，使輸出頻率經(jīng)過(guò)分頻器分頻后與輸入頻率相等， 因此輸出頻率fout-Nfref 。
鑒頻鑒相器檢測(cè)出兩個(gè)輸入信號(hào)相位差的大小，產(chǎn)生相應(yīng)脈沖寬度，控制電荷泵電路充放 電，改變壓控振蕩器的控制電壓以改變輸出頻率。圖2為傳統(tǒng)的電荷泵簡(jiǎn)單示意圖。這個(gè)電荷 泵電路有兩個(gè)電流源， 一個(gè)是充電電流源Iup， 一個(gè)是放電電流源Idn，兩個(gè)開(kāi)關(guān)S1和S2。環(huán)路濾波器僅由一個(gè)電容來(lái)表示。當(dāng)鑒頻鑒相器先檢測(cè)到fref, UP為正脈沖，開(kāi)關(guān)S1閉合， 電荷泵由充電電流源經(jīng)開(kāi)關(guān)S1向環(huán)路濾波器充電，控制電壓Vcon上升；當(dāng)鑒頻鑒相器先檢測(cè) 到fdiv， DN為正脈沖，開(kāi)關(guān)S2閉合，電荷泵由放電電流源經(jīng)開(kāi)關(guān)S2向環(huán)路濾波器放電，控 制電壓Vcon下降。這種環(huán)路濾波器一般有電阻電容構(gòu)成，這種濾波器起到積分器的作用，將 電荷泵輸出的電流信號(hào)轉(zhuǎn)化為電壓信號(hào)，以此作為壓控振蕩器的控制電壓。
這種結(jié)構(gòu)雖然簡(jiǎn)單，但是卻存在著電荷共享問(wèn)題。當(dāng)S1、 S2打開(kāi)時(shí)，由于金屬氧化物場(chǎng)效 應(yīng)管(M0S)寄生電容的存在，使A、 B兩點(diǎn)的電位分別拉到高低電位，在下一周期，Sl、 S2同 時(shí)閉合時(shí)，A、 B兩點(diǎn)和輸出端電荷會(huì)重新分布，這會(huì)引起Vout的跳變，從而在輸出端產(chǎn)生抖 動(dòng)，引入了噪聲。
一種改進(jìn)的電荷泵電路如圖3所示。電路采用了兩條相同的差分電路。單位增益放大器使 電流源輸出節(jié)點(diǎn)電壓跟隨電荷泵輸出電壓，在電荷泵再次充放電時(shí)，輸出電壓就會(huì)穩(wěn)定，不會(huì) 產(chǎn)生抖動(dòng)。但是由于充放電電流源分別由不同溝道類(lèi)型的金屬氧化物半導(dǎo)體構(gòu)成，因?yàn)槲锢硖?性的差別，電流值不能?chē)?yán)格相等，產(chǎn)生了一定的失配。充放電電流的失配會(huì)在鎖相環(huán)輸出端產(chǎn) 生毛刺，減小了鎖相范圍。

發(fā)明內(nèi)容
技術(shù)向理本發(fā)明正是為了解決上述電荷泵電路中存在的問(wèn)題而提出了一種可以自動(dòng)校準(zhǔn) 的電荷泵電路。本電路通過(guò)共模反饋調(diào)節(jié)放電電流大小，使其與充電電流嚴(yán)格匹配。
技術(shù)方案為達(dá)到此目的，本發(fā)明釆用了雙差分電荷泵電路。兩條差分電路各有一個(gè)固定 充電電流源、 一個(gè)固定放電電流源和一個(gè)可變放電電流源。
所述的電荷泵包含了兩組相似的差分電荷泵電路，這兩組電路串聯(lián)相接，其中
第一組差分電荷泵電路為第一固定充電電流源的輸入端與電源相連接，輸出端分為兩路， 第一路通過(guò)第一反相開(kāi)關(guān)、第二反相開(kāi)關(guān)接第一可變放電電流源、第一固定放電電流源；第二 路通過(guò)第一開(kāi)關(guān)、第二開(kāi)關(guān)接第一可變放電電流源、第一固定放電電流源，第一開(kāi)關(guān)與第二開(kāi) 關(guān)的連接點(diǎn)為第一輸出節(jié)點(diǎn)，第一反相開(kāi)關(guān)與第二反相開(kāi)關(guān)的連接點(diǎn)為第二輸出節(jié)點(diǎn)； 第二組差分電荷泵電路為第二固定充電電流源的輸入端與電源相連接，輸出端分為兩路，第 一路通過(guò)第三反相開(kāi)關(guān)、第四反相開(kāi)關(guān)接第二固定放電電流源、第二可變放電電流源；第二路 通過(guò)第三開(kāi)關(guān)、第四開(kāi)關(guān)接第二固定放電電流源、第二可變放電電流源；第三反相開(kāi)關(guān)與第四 反相開(kāi)關(guān)的連接點(diǎn)為第三輸出節(jié)點(diǎn)，第三開(kāi)關(guān)、第四開(kāi)關(guān)的連接點(diǎn)為第二輸出節(jié)點(diǎn)；第二輸出 節(jié)點(diǎn)接第二運(yùn)算放大器的輸入端，第二運(yùn)算放大器的輸出端接第三輸出節(jié)點(diǎn)；第一輸出節(jié)點(diǎn)、第二輸出節(jié)點(diǎn)分別接第一運(yùn)算放大器的輸入端，第一運(yùn)算放大器的輸出端 分別接第一可變放電電流源、第二可變放電電流源。
所述的八個(gè)開(kāi)關(guān)均由P型和N型金屬氧化物半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)管組成的傳輸對(duì)構(gòu)成，由差分信 號(hào)驅(qū)動(dòng)。
所述的電流源均由金屬氧化物半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)管構(gòu)成，該金屬氧化物半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)管柵極接 偏置電壓，源級(jí)接地或電源，漏級(jí)接開(kāi)關(guān)。
有益效果本發(fā)明的雙差分電荷泵電路采用共模反饋技術(shù),通過(guò)比較兩個(gè)輸出節(jié)點(diǎn)的電壓, 控制放電電流源電流值的大小，無(wú)論電荷泵是否在充放電狀態(tài)，都可以實(shí)時(shí)校正放電電流，使 之等于充電電流，減小失配。


圖l為鎖相環(huán)系統(tǒng)框圖，
圖2為傳統(tǒng)電荷泵電路圖，
圖3為改進(jìn)的電荷泵電路圖，
圖4為本發(fā)明的超低失配電荷泵電路圖。
具體實(shí)施例方式
下面結(jié)合附圖與具體實(shí)施方式
對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)描述。 第一電荷泵電路包括第一固定充電電流源103，第一固定放電電流源105和第一可變放電電 流源107，第一輸出節(jié)點(diǎn)(A)，第二輸出節(jié)點(diǎn)B,第一開(kāi)關(guān)sl，第二開(kāi)關(guān)s2,第一反相開(kāi)關(guān)sl'， 第二反相開(kāi)關(guān)s2'。第一固定充電電流源105與電源相連，第一輸出節(jié)點(diǎn)A經(jīng)第一開(kāi)關(guān)sl與 第一固定電流源105相連，第二輸出節(jié)點(diǎn)B經(jīng)第一反相開(kāi)關(guān)sl'與第一固定電流源相連105。 第一輸出節(jié)點(diǎn)A經(jīng)第二開(kāi)關(guān)s2與第一固定放電電流源105和第一可變放電電流源107相連，第 二輸出節(jié)點(diǎn)B經(jīng)第二反相開(kāi)關(guān)s2'與第一固定放電電流源105和第一可變放電電流源107相連， 第一固定放電電流源105和第一可變放電電流源107與地相連。第一運(yùn)算放大器101的兩個(gè)輸 入端與第一 A和第二輸出節(jié)點(diǎn)B相連，輸出端與第一和第二可變放電電流源相連，調(diào)節(jié)此電流 源的電流值大小，使放電電流等于充電電流。
第二電荷泵電路包括第二固定充電電流源104，第二固定放電電流源106和第二可變放 電電流源108,第二輸出節(jié)點(diǎn)B，第三輸出節(jié)點(diǎn)C，第三開(kāi)關(guān)s3，第四開(kāi)關(guān)(s4),第三反相開(kāi)關(guān) s3'，第四反相開(kāi)關(guān)s4'。第二固定充電電流源104與電源相連，第二輸出節(jié)點(diǎn)B經(jīng)第三開(kāi)關(guān)s3與第二固定充電電流源相連104,第三輸出節(jié)點(diǎn)C經(jīng)第三反相開(kāi)關(guān)s3'與第二固定電流源104 相連。第二輸出節(jié)點(diǎn)B經(jīng)第四開(kāi)關(guān)s4與第二固定放電電流源106和第二可變放電電流源108相 連，第三輸出節(jié)點(diǎn)C經(jīng)第四反相開(kāi)關(guān)s4'與第二固定放電電流源106和第二可變放電電流源108 相連，第二固定放電電流源106和第二可變放電電流源108與地相連。第二運(yùn)算放大器102輸 入端與第二輸出節(jié)點(diǎn)B相連，輸出端與第三輸出節(jié)點(diǎn)相連。
參見(jiàn)圖4，圖4為本發(fā)明的超低失配電荷泵電路圖。電路采用了四個(gè)開(kāi)關(guān)S1、 S2、 S3、 S4 以及其反相開(kāi)關(guān)S1'、 S2'、 S3'、 S4'。其中Sl和S3由鑒頻鑒相器輸出的UP信號(hào)驅(qū)動(dòng)，當(dāng)UP 為高電平時(shí)，S1和S3都閉合；而S2和S4由鑒頻鑒相器輸出的DOWN信號(hào)驅(qū)動(dòng)，當(dāng)DOWN 為高電平時(shí)，S2和S4都閉合。101第一運(yùn)算放大器作為共模反饋器，通過(guò)比較A、 B兩點(diǎn)電壓 控制第一、第二可變放電電流源107、 108的電流值。102為第二運(yùn)算放大器作為單位增益放大 器使用，接在B、 C兩斷點(diǎn)處，是C點(diǎn)電壓跟隨B點(diǎn)電壓變化。103為第一固定充電電流源， 104第二固定充電電流源，105為第一固定放電電流源，106為第二固定放電電流源。CO為后 級(jí)濾波器的電容，A點(diǎn)為電荷泵輸出端，與C0相連。下面來(lái)說(shuō)明本電荷泵的工作過(guò)程
當(dāng)電荷泵接收到UP信號(hào)時(shí)，S1和S3閉合，電荷泵向電容CO充電，A點(diǎn)電壓升高。同時(shí)， S3、 B、 S2'所在的支路導(dǎo)通。因?yàn)锳點(diǎn)電壓高于B點(diǎn)電壓，運(yùn)放101開(kāi)始工作，輸出電壓將控 制第一放電可變電流源減小放電電流，使第一電荷泵總的放電電流小于第二電荷泵的充電電流， 這樣多余的電流使B點(diǎn)處的電荷增多，因此B點(diǎn)電位逐步升高，直到A點(diǎn)與B點(diǎn)電位相等。 這時(shí)，運(yùn)放101將不再控制第一可變放電電流源變化，此時(shí)的第一電荷泵總的放電電流等于第 二電荷泵的充電電流。因?yàn)榈谝怀潆婋娏髟春偷诙潆婋娏髟磁c同一基準(zhǔn)電流提供偏置，所以 這兩個(gè)充電電流源電流值相等，也就是說(shuō)，第一電荷泵的充電電流與放電電流相等。運(yùn)放102
使C點(diǎn)電位跟蹤B點(diǎn)電位，保證對(duì)B點(diǎn)的充放電電流等于對(duì)A點(diǎn)的充放電電流。同樣道 理，當(dāng)電荷泵接收到DOWN信號(hào)時(shí)，電荷泵放電，B點(diǎn)電位高于A點(diǎn)電位，運(yùn)放控制第一可 變放電電流源增大電流，經(jīng)過(guò)B點(diǎn)的放電電流大于充電電流，所以B點(diǎn)電位下降，直到A、 B 兩點(diǎn)電位相等。而此時(shí)第一電荷泵的充電電流等于放電電流。本發(fā)明的電荷泵可使充放電電流 失配小于0.01%。
權(quán)利要求
1.一種超低失配鎖相環(huán)電路的電荷泵，其特征在于所述的電荷泵包含了兩組相似的差分電荷泵電路，這兩組電路串聯(lián)相接，其中第一組差分電荷泵電路為第一固定充電電流源(103)的輸入端與電源相連接，輸出端分為兩路，第一路通過(guò)第一反相開(kāi)關(guān)(s1’)、第二反相開(kāi)關(guān)(s2’)接第一可變放電電流源(107)、第一固定放電電流源(105)；第二路通過(guò)第一開(kāi)關(guān)(s1)、第二開(kāi)關(guān)(s2)接第一可變放電電流源(107)、第一固定放電電流源(105)，第一開(kāi)關(guān)(s1)與第二開(kāi)關(guān)(s2)的連接點(diǎn)為第一輸出節(jié)點(diǎn)(A)，第一反相開(kāi)關(guān)(s1’)與第二反相開(kāi)關(guān)(s2’)的連接點(diǎn)為第二輸出節(jié)點(diǎn)(B)；第二組差分電荷泵電路為第二固定充電電流源(104)的輸入端與電源相連接，輸出端分為兩路，第一路通過(guò)第三反相開(kāi)關(guān)(s3’)、第四反相開(kāi)關(guān)(s4’)接第二固定放電電流源(106)、第二可變放電電流源(108)；第二路通過(guò)第三開(kāi)關(guān)(s3)、第四開(kāi)關(guān)(s4)接第二固定放電電流源(106)、第二可變放電電流源(108)；第三反相開(kāi)關(guān)(s3’)與第四反相開(kāi)關(guān)(s4’)的連接點(diǎn)為第三輸出節(jié)點(diǎn)(C)，第三開(kāi)關(guān)(s3)、第四開(kāi)關(guān)(s4)的連接點(diǎn)為第二輸出節(jié)點(diǎn)(B)；第二輸出節(jié)點(diǎn)(B)接第二運(yùn)算放大器(102)的輸入端，第二運(yùn)算放大器(102)的輸出端接第三輸出節(jié)點(diǎn)(C)；第一輸出節(jié)點(diǎn)(A)、第二輸出節(jié)點(diǎn)(B)分別接第一運(yùn)算放大器(101)的輸入端，第一運(yùn)算放大器(101)的輸出端分別接第一可變放電電流源(107)、第二可變放電電流源(108)。
2. 如權(quán)利要求1所述的超低失配鎖相環(huán)電路的電荷泵，其特征在于所述的八 個(gè)開(kāi)關(guān)均由P型和N型金屬氧化物半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)管組成的傳輸對(duì)構(gòu)成，由差分信號(hào) 驅(qū)動(dòng)。
3. 如權(quán)利要求1所述的超低失配鎖相環(huán)電路的電荷泵，其特征在于所述的電 流源均由金屬氧化物半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)管構(gòu)成，該金屬氧化物半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)管柵極接偏 置電壓，源級(jí)接地或電源，漏級(jí)接開(kāi)關(guān)。
全文摘要
超低失配鎖相環(huán)電路的電荷泵，該電荷泵電路包含了兩組相似的差分電荷泵電路，這兩組電路串聯(lián)相接，其中第一組差分電荷泵電路的第二輸出節(jié)點(diǎn)(B)接第二運(yùn)算放大器(102)的輸入端，第二運(yùn)算放大器(102)的輸出端接第三輸出節(jié)點(diǎn)(C)；第二組差分電荷泵電路第一輸出節(jié)點(diǎn)(A)、第二輸出節(jié)點(diǎn)(B)分別接第一運(yùn)算放大器(101)的輸入端，第一運(yùn)算放大器(101)的輸出端分別接第一可變放電電流源(107)、第二可變放電電流源(108)。通過(guò)比較第一輸出節(jié)點(diǎn)和第二輸出節(jié)點(diǎn)的電壓，反饋控制第一可變電流源，使得充電電流和放電電流相等，減少失配。
文檔編號(hào)H02H3/02GK101515709SQ200910030058
公開(kāi)日2009年8月26日 申請(qǐng)日期2009年3月27日 優(yōu)先權(quán)日2009年3月27日
發(fā)明者吉新村, 吳建輝, 吳秀龍, 萌 張, 闖 李, 昊 王, 超 陳 申請(qǐng)人:東南大學(xué)