一種用于電荷泵鎖相環的電荷泵

王程程

摘要：基于SMIC 0.18μm CMOS工藝，采用自偏置共源共柵電流鏡和正反饋技術，設計了一種用于電荷泵鎖相環的電荷泵。仿真結果顯示，所設計的電荷泵能實現正常的充放電功能；在0.42V到1.22V輸出電壓范圍內充放電電流的誤差小于1%。

關鍵詞：CMOS電荷泵；電流失配；自偏置

中圖分類號：TN911.8 文獻標識碼：A 文章編號：1007-9416（2019）01-0158-02

0 引言

電荷泵鎖相環具有捕捉范圍寬、捕捉時間短、線性范圍大、高速低功耗等優點，已廣泛地應用于現代通信領域及射頻領域[1]。電荷泵鎖相環主要由鑒頻鑒相器、電荷泵、低通濾波器、壓控振蕩器和分頻器等五部分組成[2]。鑒頻鑒相器的作用是將輸入的基準信號和分頻器輸出的反饋信號進行比較，檢測兩個信號的相位差，并將這個相位差轉換為脈沖形式UP及DN信號，進而控制電荷泵中的開關管，實現對后級電路的充放電。電荷泵的充放電電流經過低通濾波器，進而將電流轉化為電壓，同時過濾充放電電流中的高頻分量；低通濾波器輸出的直流電壓控制壓控振蕩器，實現隨電壓變化的輸出頻率；分頻器接收壓控振蕩器的輸出信號，并反饋到鑒頻鑒相器輸入端，構成負反饋。但是系統實際工作過程中，電荷泵有電流失配、電荷共享、電荷注入和時鐘饋通等非理想因素，系統在鎖定后參考時鐘和反饋時鐘存在相位差。基于此，本文將設計一種低失配的電荷泵。

1 電荷泵電路設計

圖1為一種基本電荷泵電路，主要由MOS管M1～M4構成。其中，MOS管M1與MOS管M4分別構成電流源，MOS管M2與MOS管M3分別構成開關管。圖1所示電路的電路存在三種有效狀態：

（1）=0，=0時，M2導通，電荷泵對負載電容充電，控制電壓升高；

（2）=1，=1時，M3導通，電荷泵對負載電容放電，控制電壓降低；

（3）=1，=0時，M2、M3關斷，電荷泵不工作，控制電壓保持不變。

圖1所示的電荷泵電路結構簡單，但電荷泵電流失配較大。針對此問題，本文設計了一種電荷泵電路，如圖2所示。

圖2所示電路由電荷泵由共源共柵偏置電路、DN差分放電電路、復制電路、充放電電路及UP差分充電電路組成。

圖2（a）為共源共柵偏置電路，為DN差分放電電路、復制電路、充放電電路及UP差分充電電路等電路提供偏置信號；圖2（b）為DN差分放電電路，其接收外部DN脈沖信號并給圖2（c）所示復制電路提供電流，從而為圖2（d）所示的充放電電路提供放電電流，實現電荷泵的放電；圖2（e）為UP差分充電電路，其接收外部UP脈沖信號并給圖2（d）所示的充放電電路提供充電電流，實現電荷泵的充電。

圖2所示電路中所有電流鏡均采用自偏置的共源共柵復合管。圖3為自偏置的NMOS共源共柵復合管模型。

式中，與分別為MOS管M1與M2的等效跨導，與分別為MOS管M1與M2的溝道阻抗。由以上分析可知，與傳統的共源共柵復合管相比，自偏置共源共柵復合管消耗更低的電壓余度，進而增加了電荷泵電路輸出電壓的擺幅；和單個MOS管的電流源相比，提高了輸出阻抗，降低了溝道長度調制效應對于電流源的影響，減小了電荷泵電流失配。同時，圖2所示電路采用同種類型開關管作為電荷泵的開關，有效地避免了不同類型開關管之間的固有不匹配；PMOS管MP10、MP11、MP28、MP29采用正反饋的形式，提高了開關管的響應速度。

2 仿真結果

基于SMIC 0.18μm CMOS工藝，在1.8V電源電壓、輸入基準參考頻率為25MHz、電荷泵電流為100μA條件下，對所設計的電荷泵電路進行仿真驗證。圖4為基準信號相位超前時，電荷泵對負載電容充電的波形曲線；圖5為反饋信號相位超前時，濾波電容通過電荷泵放電的波形曲線；圖6為電流隨著輸出端控制電壓變化的電流匹配曲線。仿真結果顯示，在0.25V到1.45V輸出電壓范圍內可以實現良好的電流匹配特性，在0.42V到1.22V輸出電壓范圍內充放電電流的誤差小于1%。

3 結語

本文采用自偏置共源共柵復合管電流鏡技術和正反饋技術，設計了一種差分輸入單端輸出的電荷泵。仿真結果顯示，所設計的電荷泵獲得很好的電流匹配特性，適用于低抖動的電荷泵鎖相環系統。

參考文獻

[1] 陳劍，王志利.鎖相環中高性能電荷泵的電路設計[J].中國集成電路，2018，27（06）：38-42.

[2] 王征晨，王興華，武照博.一種低相噪低雜散1.08GHz鎖相環設計[J].微電子學與計算機，2018，35（06）：47-51.

[3] 韓世英.應用于CMMB鎖相環中鑒頻鑒相器和電荷泵的設計與研究[D].上海交通大學，2010.

Abstract：A charge pump for charge pump phase locked loop is designed by adopting these techniques of self-cascode current mirror and positive feedback in SMIC 0.18μm CMOS. Simulation results showed that the designed charge pump can realize the characterize of charging and discharging. The error of charging and discharging current is less than 1% when the output voltage is in the range of 0.42V to 1.22V.

Key words：CMOS charge pump；current mismatch；self-bias