本發(fā)明涉及集成電路技術(shù)領(lǐng)域，特別是涉及低壓寬輸出范圍的電荷泵電路和鎖相環(huán)。

背景技術(shù)：

作為現(xiàn)代無線通信系統(tǒng)應(yīng)用中最流行的一種頻率合成器結(jié)構(gòu)，鎖相環(huán)(Phase Locked Loop，PLL)可以完成信號的調(diào)制和解調(diào)，時鐘恢復(fù)，以及為混頻器和無線接收器的載波恢復(fù)產(chǎn)生本振信號。而電荷泵鎖相環(huán)(Charge Pump Phase-locked Loop，CP-PLL)更是因為其高速度、低噪聲等特點，成為現(xiàn)今最普遍的一種鎖相環(huán)電路。電荷泵(Charge Pump，CP)電路在電荷泵鎖相環(huán)中起著非常重要的作用，其主要功能是把來自鑒頻鑒相器(Phase Frequency Detector，PFD)的UP和DN脈沖數(shù)字信號，通過低通濾波器(Loop Filter，LPF)轉(zhuǎn)換為模擬的電壓信號，該信號控制壓控振蕩器(Voltage Control Oscillator，VCO)的振蕩頻率。因此，電荷泵電路對整個鎖相環(huán)環(huán)路的特性有著非常重要的影響。

傳統(tǒng)的實現(xiàn)電荷泵電路充電電流和放電電流匹配的電路結(jié)構(gòu)中，采用運算放大器電路來鉗制不同結(jié)點間的電壓，這不但增加了電路的復(fù)雜度，還給電路整體的穩(wěn)定性帶來了一定的隱患。同時若要實現(xiàn)較大的輸出電壓擺幅，運算放大器的結(jié)構(gòu)還需要實現(xiàn)軌到軌的輸入輸出特性，進一步增加了運算放大器的設(shè)計難度。而且，對于低壓工作的運算放大器，其工作頻率范圍往往較低，不能適用于高頻領(lǐng)域。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

基于此，有必要提供一種無需提供額外的運算放大器，就能實現(xiàn)在較寬輸出電壓范圍內(nèi)電荷泵充電電流和放電電流的匹配，且電路結(jié)構(gòu)簡單的電荷泵電路和鎖相環(huán)。

一種電荷泵電路，包括依次電連接的啟動模塊、偏置模塊、電流鏡模塊、充放電反饋控制模塊和充放電匹配模塊；其中，

所述啟動模塊用于啟動所述偏置模塊；

所述偏置模塊用于產(chǎn)生恒定的偏置電流并輸出至所述電流鏡模塊；

所述電流鏡模塊用于接收所述偏置電流，并對所述偏置電流進行放大分兩路輸出；

所述充放電反饋控制模塊，用于檢測電荷泵的輸出電壓，并根據(jù)所述輸出電壓反饋控制所述充放電匹配模塊中的充電電流或放電電流，抑制所述充電電流與放電電流的失配；

所述充放電匹配模塊用于接收外部充電控制信號或放電控制信號，對電荷泵的輸出負載充電或放電。

在其中一個實施例中，所述啟動模塊包括晶體管M1、M2和M3；其中，

晶體管M1和晶體管M3構(gòu)成反相器，晶體管M1、晶體管M2的源極與電源端連接，晶體管M1的漏極與晶體管M2的柵極連接后與晶體管M3的漏極連接；晶體管M1的柵極與晶體管M3的柵極連接，晶體管M3的源極接地；晶體管M1的柵極、晶體管M2的漏極分別與所述偏置模塊連接。

在其中一個實施例中，所述偏置模塊包括晶體管M4、M5、M6、M7、M8、M9和M10；其中，

晶體管M4的源極、晶體管M5的源極、晶體管M10的源極均與電源端連接；晶體管M4的柵極與晶體管M5的柵極連接；晶體管M4的漏極分別與晶體管M4的柵極、所述啟動模塊、晶體管M6的漏極、晶體管M10的柵極連接；晶體管M5的漏極分別與晶體管M7的漏極、晶體管M7的柵極連接；晶體管M6的柵極與晶體管M7的柵極連接；晶體管M6的源極與晶體管M8的漏極連接；晶體管M7的源極分別與晶體管M9的漏極、晶體管M9的柵極、所述啟動模塊連接；晶體管M8的源極、晶體管M9的源極均接地；晶體管M10的漏極與電流鏡像電路連接。

在其中一個實施例中，所述偏置模塊還包括電阻R1、R2和R3，其中，晶體管M8的源極經(jīng)電阻R1接地；電阻R2、R3并聯(lián)接地且均為電阻R1的偽電阻。

在其中一個實施例中，所述電流鏡模塊包括晶體管M11、M12、M13、M14、M15、M16、M17、M18、M19；其中，晶體管M11的源極、晶體管M12的源極、晶體管M15的源極、晶體管M16的源極、晶體管M17的源極均接地；晶體管M13的源極、晶體管M14的源極、晶體管M18的源極、晶體管M19的源極均與電源端連接；

晶體管M11的漏極分別與晶體管M11的柵極、所述偏置模塊連接；晶體管M11的柵極與晶體管M12的柵極連接；晶體管M12的漏極分別與晶體管M13的漏極、晶體管M13的柵極連接；晶體管M13的柵極與晶體管M14的柵極連接；晶體管M14的漏極分別與晶體管M15的漏極、晶體管M15的柵極、晶體管M17的柵極連接；晶體管M15的柵極與晶體管M16的柵極連接；晶體管M16的漏極分別與晶體管M18的漏極、晶體管M18的柵極連接；晶體管M18的柵極與晶體管M18的柵極連接；晶體管M17的漏極、晶體管M19的漏極分別與充放電匹配模塊連接。

在其中一個實施例中，所述充放電匹配模塊包括充電單元和放電單元；其中，

所述充電電路接收所述電流鏡模塊的一路輸出的偏置模塊，并根據(jù)所述充電控制信號輸出充電電流，對電荷泵的輸出負載充電；所述放電電路接收所述電流鏡模塊的另一路輸出的偏置模塊，并根據(jù)所述放電控制信號輸出放電電流，對電荷泵的輸出負載放電。

在其中一個實施例中，所述充電單元包括晶體管M20、M21、M22、M23和M24；其中，

晶體管M20的源極、晶體管M21的漏極和源極、晶體管M22的源極均與電源端連接；晶體管M20的柵極接地，晶體管M20的漏極分別與晶體管M23的源極、充放電反饋控制模塊連接；晶體管M21的柵極分別與晶體管M23的柵極、晶體管M24的柵極連接；晶體管M22的柵極接收所述充電控制信號連接，晶體管M22的漏極與晶體管M24的源極連接；晶體管M23的漏極分別與晶體管M23的柵極、所述電流鏡模塊連接；晶體管M24的漏極與電荷泵的輸出負載連接。

所述放電單元包括晶體管M25、M26、M27、M28和M29；其中，

晶體管M25的漏極分別與晶體管M25的柵極、所述電流鏡模塊連接；晶體管M25的柵極分別與晶體管M25的漏極、晶體管M26的柵極、晶體管M28的柵極連接；晶體管M25的源極分別與晶體管M27的漏極、所述充放電反饋控制模塊連接；晶體管M26的漏極與電荷泵的輸出負載連接，晶體管M26的源極與晶體管M29的漏極連接；晶體管M27的柵極與電源端連接，晶體管M27的源極、晶體管M28的源極、漏極、晶體管M29的源極均接地；晶體管M29的柵極接收所述放電控制信號。

在其中一個實施例中，所述充放電反饋控制模塊包括充電反饋單元和放電反饋單元；

所述充電反饋單元分別與所述充電單元、電荷泵的輸出負載連接；所述充電反饋單元用于檢測電荷泵的輸出電壓，并根據(jù)所述輸出電壓反饋控制所述放電單元輸出的放電電流，抑制所述充電電流與放電電流的失配；

所述放電反饋單元分別與所述放電單元、電荷泵的輸出負載連接；所述放電反饋單元用于檢測電荷泵的輸出電壓，并根據(jù)所述輸出電壓反饋控制所述充電單元輸出的充電電流，抑制所述充電電流與放電電流的失配。

在其中一個實施例中，所述充電反饋單元包括晶體管M30，所述放電反饋單元包括晶體管M31；其中，

晶體管M30的源極與電源端連接，晶體管M30的漏極與所述充電單元連接，晶體管M30的柵極與電荷泵的輸出負載連接；

晶體管M31的源極接地，晶體管M31的漏極與所述放電電單元連接，晶體管M31的柵極與電荷泵的輸出負載連接。

上述電荷泵電路，包括依次電連接的啟動模塊、偏置模塊、電流鏡模塊、充放電反饋控制模塊和充放電匹配模塊。通過充電反饋電路根據(jù)檢測的電荷泵的輸出電壓，能夠控制充放電匹配模塊中的充電電流或放電電流，抑制充電電流與放電電流的失配，就能實現(xiàn)在較寬輸出電壓范圍內(nèi)，保持電荷泵充電電流和放電電流的匹配。同時，本發(fā)明實施例中的電荷泵電路結(jié)構(gòu)簡單，適用于低壓工作環(huán)境。

此外，還提供一種鎖相環(huán)，包括上述電荷泵電路。

附圖說明

圖1為一個實施例中電荷泵電路的結(jié)構(gòu)框圖；

圖2為一個實施例中電荷泵電路的電路原理圖；

圖3為一個實施例中電荷泵的充電電流和放電電流的匹配仿真圖；

圖4為一個實施例中電荷泵在100MHz時充電的瞬態(tài)仿真圖；

圖5為一個實施例中電荷泵在100MHz時放電的瞬態(tài)仿真圖。

具體實施方式

為了便于理解本發(fā)明，下面將參照相關(guān)附圖對本發(fā)明進行更全面的描述。附圖中給出了本發(fā)明的較佳實施例。但是，本發(fā)明可以以許多不同的形式來實現(xiàn)，并不限于本文所描述的實施例。相反地，提供這些實施例的目的是使對本發(fā)明的公開內(nèi)容的理解更加透徹全面。

除非另有定義，本文所使用的所有的技術(shù)和科學(xué)術(shù)語與屬于本發(fā)明的技術(shù)領(lǐng)域的技術(shù)人員通常理解的含義相同。本文中在本發(fā)明的說明書中所使用的術(shù)語只是為了描述具體的實施例的目的，不是旨在限制本發(fā)明。本文所使用的術(shù)語“和/或”包括一個或多個相關(guān)的所列項目的任意的和所有的組合。

如圖1所示的為一個實施例中電路泵電路的結(jié)構(gòu)框圖。一種電荷泵電路，包括依次電連接的啟動模塊10、偏置模塊20、電流鏡模塊30、充放電反饋控制模塊40和充放電匹配模塊50。

其中，所述啟動模塊10用于啟動所述偏置模塊20；所述偏置模塊20用于產(chǎn)生恒定的偏置電流并輸出至所述電流鏡模塊30；所述電流鏡模塊30用于接收所述偏置電流，并對所述偏置電流進行放大分兩路輸出；所述充放電反饋控制模塊40，用于檢測電荷泵的輸出電壓，并根據(jù)所述輸出電壓反饋控制所述充放電匹配模塊50中的充電電流或放電電流，抑制所述充電電流與放電電流的失配；所述充放電匹配模塊50用于接收外部充電控制信號或放電控制信號，對電荷泵的輸出負載充電或放電。

上述電荷泵電路，包括依次電連接的啟動模塊10、偏置模塊20、電流鏡模塊30、充放電反饋控制模塊40和充放電匹配模塊50。通過充電反饋電路根據(jù)檢測的電荷泵的輸出電壓，能夠控制充放電匹配模塊50中的充電電流或放電電流，抑制充電電流與放電電流的失配，就能在較寬輸出電壓范圍內(nèi)保持電荷泵充電電流和放電電流的匹配。同時，本發(fā)明實施例中的電荷泵電路結(jié)構(gòu)簡單，適用于低壓工作環(huán)境。

在一個實施例中，參考圖2，啟動模塊10包括晶體管M1、M2和M3。其中，晶體管采用的是MOS管，晶體管M1、晶體管M2為p溝道MOS管(PMOS)；晶體管M3為n溝道MOS管(NMOS)。晶體管M1和晶體管M3構(gòu)成反相器，晶體管M1、晶體管M2的源極與電源端連接，晶體管M1的漏極與晶體管M2的柵極連接后與晶體管M3的漏極連接。晶體管M1的柵極與晶體管M3的柵極連接，晶體管M3的源極接地。晶體管M1的柵極、晶體管M2的漏極分別與所述偏置模塊20連接。

當(dāng)電源上電時，所有晶體管均處于關(guān)閉狀態(tài)，節(jié)點A為高電平，節(jié)點C為低電平。增加啟動模塊10后，晶體管M1和晶體管M2構(gòu)成反相器，節(jié)點B則為低電平，晶體管MOS管晶體管M2導(dǎo)通，給節(jié)點C充電，節(jié)點C電平上升，偏置模塊20開始偏離零點。當(dāng)偏置模塊20到達穩(wěn)定狀態(tài)時，節(jié)點A為低電平，節(jié)點B為高電平，晶體管MOS管晶體管M2關(guān)閉，啟動模塊10不再影響偏置模塊20。

在一個實施例中，偏置模塊20采用了非線性基準(zhǔn)偏置模塊20結(jié)構(gòu)，偏置模塊20包括晶體管M4、M5、M6、M7、M8、M9和M10。其中，晶體管采用的是MOS管，晶體管M4、晶體管M5、晶體管M10為p溝道MOS管(PMOS)；晶體管M6、晶體管M7、晶體管M8、晶體管M9為n溝道MOS管(NMOS)。

晶體管M4的源極、晶體管M5的源極、晶體管M10的源極均與電源端連接。晶體管M4的柵極與晶體管M5的柵極連接。晶體管M4的漏極分別與晶體管M4的柵極、所述啟動模塊10、晶體管M6的漏極、晶體管M10的柵極連接。晶體管M5的漏極分別與晶體管M7的漏極、晶體管M7的柵極連接。晶體管M6的柵極與晶體管M7的柵極連接；晶體管M6的源極與晶體管M8的漏極連接。晶體管M7的源極分別與晶體管M9的漏極、晶體管M9的柵極、所述啟動模塊10連接。晶體管M8的源極、晶體管M9的源極均接地。晶體管M10的漏極與電流鏡像電路連接。通過偏置模塊20生穩(wěn)定的偏置電壓，進而控制偏置模塊20中的晶體管MOS管產(chǎn)生恒定的偏置電流，其中，偏置模塊20產(chǎn)生的恒定偏置電流在10uA左右。

在一個實施例中，偏置模塊20還包括電阻R1、電阻R2和電阻R3，其中，晶體管M8的源極經(jīng)電阻R1接地；電阻R2、電阻R3并聯(lián)且均為電阻R1的偽電阻。版圖實現(xiàn)時，電阻R2、電阻R3放置在電阻R1兩邊，使得電阻R1周圍的物理環(huán)境比較均一，減小電阻R1的電阻值受工藝波動的影響。

在一個實施例中，電流鏡模塊30包括晶體管M11、M12、M13、M14、M15、M16、M17、M18、M19。其中，晶體管采用的是MOS管，晶體管M13、晶體管M14、晶體管M18、晶體管M19為p溝道MOS管(PMOS)；晶體管M11、晶體管M12、晶體管M15、晶體管M16、晶體管M17為n溝道MOS管(NMOS)。其中，晶體管M11、晶體管M12構(gòu)成第一電流鏡對，晶體管M13、晶體管M14構(gòu)成第二電流鏡對；晶體管M15、晶體管M16、晶體管M17構(gòu)成第三電流鏡對；晶體管M18、晶體管M19構(gòu)成第四電流鏡對。

晶體管M11的源極、晶體管M12的源極、晶體管M15的源極、晶體管M16的源極、晶體管M17的源極均接地。晶體管M13的源極、晶體管M14的源極、晶體管M18的源極、晶體管M19的源極均與電源端連接。晶體管M11的漏極分別與晶體管M11的柵極、晶體管M10的漏極連接；晶體管M11的柵極與晶體管M12的柵極連接。晶體管M12的漏極分別與晶體管M13的漏極、晶體管M13的柵極連接。晶體管M13的柵極與晶體管M14的柵極連接。晶體管M14的漏極分別與晶體管M15的漏極、晶體管M15的柵極、晶體管M17的柵極連接。晶體管M15的柵極與晶體管M16的柵極連接。晶體管M16的漏極分別與晶體管M18的漏極、晶體管M18的柵極連接。晶體管M18的柵極與晶體管M18的柵極連接。晶體管M17的漏極、晶體管M19的漏極分別與充放電匹配模塊50連接。

在第三電流鏡對中，晶體管M16為晶體管M15的鏡像，晶體管M17為晶體管M15的另一鏡像。偏置模塊20輸出的偏置電流10uA經(jīng)第一電流鏡對、第二電流鏡對后，由第三電流鏡將偏置模塊20分為兩路，一路經(jīng)晶體管M16、第四電流鏡對放大成1晶體管MA的恒定電流后輸出至充放電匹配模塊50；另一路經(jīng)晶體管M17放大成1晶體管MA的恒定電流后輸出至充放電匹配模塊50。偏置模塊20產(chǎn)生的恒定電流在10uA左右，通過四對電流鏡對晶體管M11/晶體管M12，晶體管M13/晶體管M14，晶體管M15/晶體管M16/晶體管M17，晶體管M18/晶體管M19后，可以將10uA的恒定電流放大到500uA左右，實現(xiàn)了對電流的放大。

在一個實施例中，充放電匹配模塊50包括充電單元510和放電單元520；其中，所述充電電路接收所述電流鏡模塊30的一路輸出的偏置模塊20，并根據(jù)所述充電控制信號輸出充電電流，對電荷泵的輸出負載充電。所述放電電路接收所述電流鏡模塊30的另一路輸出的偏置模塊20，并根據(jù)所述放電控制信號輸出放電電流，對電荷泵的輸出負載放電。

在一個實施例中，充電單元510包括晶體管M20、M21、M22、M23和M24。放電單元520包括晶體管M25、M26、M27、M28和M29。其中，晶體管采用的是MOS管，晶體管M20、晶體管M21、晶體管M22、晶體管M23、晶體管M24為p溝道MOS管(PMOS)；晶體管M25、晶體管M26、晶體管M27、晶體管M28、晶體管M29為n溝道MOS管(NMOS)。

晶體管M20的源極、晶體管M21的漏極和源極、晶體管M22的源極均與電源端連接；晶體管M20的柵極接地，晶體管M20的漏極分別與晶體管M23的源極、充放電反饋控制模塊40連接。

晶體管M21的柵極分別與晶體管M23的柵極、晶體管M24的柵極連接。晶體管M22的柵極接收所述充電控制信號(UP)，晶體管M22的漏極與晶體管M24的源極連接。晶體管M23的漏極分別與晶體管M23的柵極、晶體管M17的漏極連接。晶體管M24的漏極與電荷泵的輸出負載連接。晶體管M25的漏極分別與晶體管M25的柵極、晶體管M19的漏極連接；晶體管M25的柵極分別與晶體管M25的漏極、晶體管M26的柵極、晶體管M28的柵極連接；晶體管M25的源極分別與晶體管M27的漏極、所述充放電反饋控制模塊40連接。晶體管M26的漏極與電荷泵的輸出負載連接，晶體管M26的源極與晶體管M29的漏極連接。晶體管M27的柵極與電源端連接，晶體管M27的源極、晶體管M28的源極、漏極、晶體管M29的源極均接地。晶體管M29的柵極接收所述放電控制信號(DN)。

在一個實施例中，所述充放電反饋控制模塊40包括充電反饋單元410和放電反饋單元420。所述充電反饋單元410分別與所述充電單元510、電荷泵的輸出負載連接；所述充電反饋單元410用于檢測電荷泵的輸出電壓，并根據(jù)所述輸出電壓反饋控制所述放電單元520輸出的放電電流，抑制所述充電電流與放電電流的失配。所述放電反饋單元420分別與所述放電單元520、電荷泵的輸出負載連接；所述放電反饋單元420用于檢測電荷泵的輸出電壓，并根據(jù)所述輸出電壓反饋控制所述充電單元510輸出的充電電流，抑制所述充電電流與放電電流的失配。

在一個實施例中，所述充電反饋單元410包括晶體管M30，晶體管M30為p溝道MOS管(PMOS)，所述放電反饋單元420包括晶體管M31，晶體管M31為n溝道MOS管(NMOS)。其中，晶體管M30的源極與電源端連接，晶體管M30的漏極分別與晶體管M20的漏極、晶體管M23的源極連接，晶體管M30的柵極與電荷泵的輸出負載連接。晶體管M31的源極接地，晶體管M31的漏極分別晶體管M25的源極、晶體管M27的漏極連接，晶體管M31的柵極與電荷泵的輸出負載連接。

具體地，充電控制信號UP控制充電單元510中的開關(guān)MOS管M22，放電控制信號DN控制放電單元520中的開關(guān)MOS管M26。當(dāng)充電控制信號UP、放電控制信號DN均為高電平時，充電單元510、放電單元520構(gòu)成回路。充放電反饋控制模塊40檢測電荷泵的輸出電壓OUT，并將檢測的輸出電壓反饋至充電反饋單元410晶體管M30或放電反饋單元420晶體管M31，進而控制充放電匹配模塊50在在較寬輸出范圍內(nèi)實現(xiàn)匹配。

進一步地，當(dāng)輸出電壓OUT電壓上升時，其充電反饋單元410晶體管M30進入深三級管區(qū)，等效的導(dǎo)通電阻降低，減少了鏡像到放電單元520中輸出支路(晶體管M26，晶體管M29)的電流，因此也就減小了充電電流和放電電流的失配。當(dāng)輸出電壓OUT電壓下降時，其放電反饋單元420晶體管M31進入深三極管區(qū)，等效的導(dǎo)通電阻降低，減少了鏡像到充電單元510中輸出支路(晶體管M22，晶體管M24)的電流，因此也就減小了充電電流和放電電流的失配。通過上述電荷泵電路，就能實現(xiàn)在較寬輸出電壓范圍內(nèi)電荷泵充電電流和放電電流的匹配。同時，本發(fā)明實施例中的電荷泵電路結(jié)構(gòu)簡單，適用于低壓工作環(huán)境。

如圖3所示的為電荷泵的充電電流和放電電流的匹配仿真圖，黑實線代表充電電流隨輸出電壓的變化關(guān)系，黑色虛線代表放電電流隨輸出電壓的變化關(guān)系，灰色實線代表的是充電電流和放電電流在整個輸出擺幅范圍內(nèi)的差值。由圖3可知，當(dāng)電源電壓為1V時，輸出電壓擺幅從113mV到870mV，充電電流和放電電流的誤差小于4％。圖4電荷泵在100MHz時充電的瞬態(tài)仿真圖，圖5電荷泵在100MHz時放電時的瞬態(tài)仿真圖。由圖4和圖5可以看出，當(dāng)充電控制信號或放電控制信號在100MHz時，該電荷泵充電和放電的瞬態(tài)仿真沒有毛刺現(xiàn)象。傳統(tǒng)的采用運算放大器擴展電荷泵充電電流和放電電流匹配的電路結(jié)構(gòu)復(fù)雜，其工作頻率范圍受到運算放大器帶寬的影響，不能工作在較高的頻率。而本發(fā)明實施例中，該電荷泵電路能在較高的頻率范圍內(nèi)工作。即便是沒有采用運算放大器，在較寬輸出電壓范圍內(nèi)也能保持電荷泵充電電流和放電電流的匹配。

此外，還提供一種鎖相環(huán)(圖中未示)，包括上述任一實施例中的電荷泵電路。由于鎖相環(huán)中內(nèi)置有上述任一實施例中的電荷泵電路，可以在較寬輸出電壓范圍內(nèi)保持電荷泵充電電流和放電電流的匹配。在一個實施例中，由于電荷泵電路的電路結(jié)構(gòu)簡單，適用于低壓低功耗鎖相環(huán)系統(tǒng)中。

以上所述實施例的各技術(shù)特征可以進行任意的組合，為使描述簡潔，未對上述實施例中的各個技術(shù)特征所有可能的組合都進行描述，然而，只要這些技術(shù)特征的組合不存在矛盾，都應(yīng)當(dāng)認為是本說明書記載的范圍。

以上所述實施例僅表達了本發(fā)明的幾種實施方式，其描述較為具體和詳細，但并不能因此而理解為對發(fā)明專利范圍的限制。應(yīng)當(dāng)指出的是，對于本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來說，在不脫離本發(fā)明構(gòu)思的前提下，還可以做出若干變形和改進，這些都屬于本發(fā)明的保護范圍。因此，本發(fā)明專利的保護范圍應(yīng)以所附權(quán)利要求為準(zhǔn)。