[发明专利]一种用于锁相环的自跟踪开关型电荷泵

说明书

技术领域

本发明涉及模拟集成电路设计技术领域，尤其涉及一种用于锁相环的自跟踪开关型电荷泵，可应用于电荷泵锁相环(Charge Pump Phase-LockingLoop CPPLL)中。

背景技术

锁相环(PLL)电路是由H.de Bellescize于1932年最早提出的，因为其优异的多样性已经在电子学和通信领域中获得广泛的应用。一个重要的应用实例，锁相环可以被用来产生其频率是可编程的输出信号，该频率等于一个固定输入频率的有理分式倍数。这种基于锁相环的频率综合器广泛地应用在无线终端产品中。锁相环的多样性也使其应用到数字系统中，用于时钟信号的恢复和时钟信号的产生。

图1是一种典型的电荷泵锁相环电路，其中包括了鉴相鉴频器(PFD)、电荷泵(CP)、低通滤波器(LPF)和压控振荡器(VCO)，通常会包括一个分频器(/N)以使锁相环具有频率综合的功能。整数分频比N使得锁相环输出和输入信号之间频率关系为：Fout＝Fref*N。其中鉴频鉴相器用来比较输入参考时钟Fref和分频器输出时钟Fb的大小，根据两个输入时钟信号之间相位差产生一个上拉信号或下拉信号用于控制电荷泵的充电支路和放电支路。电荷泵电路根据鉴相鉴频器输出的上拉信号和下拉信号，释放或积累滤波电容上的电荷。环路滤波器把电荷泵输出的脉冲信号转换成直流模拟控制信号。压控振荡器根据直流模拟控制电压的大小调整输出频率，使得通过分频器后的信号频率与输入参考时钟频率很接近。当输出和输入频率足够接近时，鉴相鉴频器就被当作鉴相器，进行相位锁定。当相位差降到零并且电荷泵保持相对的空闲时，环路就锁定了。

电荷泵可以简单地描述为一个开关电流镜，是电荷泵锁相环中关键模块，其性能直接影响锁相环整体性能。电荷泵可分为开关型、电流型和全差分型电荷泵。图2给出了三种典型开关型电荷泵结构，由于电荷泵的开关位置不同分别为源极开关型电荷泵、漏极开关型电荷泵和栅极开关型电荷泵。图3给出了一种现有技术所公开的源极开关型电荷泵的实例示意图。其中包括了电荷泵核心部分、单位增益反馈放大器和偏置电路。电荷泵核心电路是一种源极开关型电荷泵。单位增益反馈放大器使得net1和vctrl保持相等的电压，减小了充电支路和放电支路的电流失配。偏置电路是用于给电荷泵核心电路提供常量偏置电流。

目前电荷泵的研究特点：(1)常量电流，电荷泵的充电电流和放电电流在一定的电荷输出电压范围内保持常量，例如电源电压为1.8V，电荷泵输出电压范围0.4-1.4V，如图4所示。(2)结构复杂，传统电荷泵结构需要提供偏置电流、反馈放大器以满足性能要求。

发明内容

(一)要解决的技术问题

有鉴于此，本发明的主要目的在于提出一种用于锁相环的自跟踪开关型电荷泵，以用于电荷泵锁相环中。该单元实现了在0.4～1.4V电荷泵输出电压范围内动态的充放电电流(即非常量电流non-constant current)，并且充放电电流自跟踪匹配以尽可能降低充电电流和放电电流之差。除此之外，该单元结构简单、易实现，不需要外加偏置电路和反馈放大器。

(二)技术方案

为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案如下：

一种用于锁相环的自跟踪开关型电荷泵，该电荷泵包括依次连接的上拉电路、反馈控制电路和下拉电路，其中：

上拉电路，用于根据鉴相鉴频器输出的上拉信号与下拉信号之间相位差产生一个充电电流，对该电荷泵的滤波电容进行充电，累积滤波电容上的电荷；

反馈控制电路，用于动态控制充放电电流大小；

下拉电路，用于根据鉴相鉴频器输出的上拉信号与下拉信号之间相位差产生一个放电电流，对该电荷泵的滤波电容进行放电，释放滤波电容上的电荷。

上述方案中，所述上拉电路包括：

一PMOS上拉开关晶体管Mp2(120)，用于接收鉴相鉴频器输出的上拉信号，该晶体管的栅极接输入端(101)，漏极标记为net2，源极和衬底接电源电压VDD；

一PMOS电流镜，用于提供充电电流；

一PMOS晶体管119(Mp1)，用于匹配PMOS上拉开关晶体管，该晶体管的栅极接地电压GND，漏极标记为net1，源极和衬底接电源电压VDD。

上述方案中，所述PMOS电流镜包括一PMOS晶体管Mp3(117)和一PMOS晶体管Mp4(118)，其中：

PMOS晶体管Mp3(117)，该晶体管的栅极标记为net5，漏极接net5，源极和衬底接net1；