[发明专利]一种低电压电荷泵锁相环中高性能电荷泵电路

说明书

技术领域

本发明涉及一种电路结构，尤其是一种低电压电荷泵锁相环中高性能电荷泵电路，属于集成电路的技术领域。

背景技术

电荷泵锁相环是射频锁相环中最常用的一种锁相环结构，如图1所示为现有常用的电荷泵锁相环结构，工作时各种非理想效应将会叠加在一起将会恶化锁相环的特性。电荷泵（CP）在锁相环中的作用是将鉴频鉴相器（PFD）输出的数字控制信号（UP，DN）通过对环路滤波器的电容充放电转化为控制压控振荡器（VCO）的模拟控制信号。电荷泵在环路中对锁相环的性能起到了决定性的作用：电荷泵的充放电电流的不匹配，开关的电荷共享、电荷注入和时钟馈通效应等都会使环路滤波器的输出电压发生变化，变化的压控电压会对控制压控振荡器（VCO）进行频率调制，恶化锁相环的相位噪声性能。

随着微电子技术向纳米方向发展，要求集成电路的工作电压也越来越低，而传统的采用cascode结构的电荷泵电路由于管子的叠加，为使管子工作于饱和区，电流匹配范围将会进一步缩小，满足不了控制压控振荡器（VCO）的压控电压范围的要求，因此常规的cascode结构的电荷泵将不再适用于低电压电荷泵锁相环。

如图3所示，为不采用cascode结构的常规电荷泵结构。由于65nm或更小尺寸的晶体管沟道调制效应非常明显，如图4的仿真结果可知，沟道调制效应非常明显，能达到设计要求的1%电流匹配范围极小。在低电压工作下，过窄的电压调谐范围对宽带压控振荡器的压力已经很大，如果电荷泵充放电电流的匹配范围继续减小，将会进一步的减小压控振荡器可用的电压范围，增大其设计压力。

低电压锁相环中的电荷泵设计核心是：在保证充放电匹配的条件下，输出电压的匹配范围越宽越好，同时在整个静态电流匹配范围内，充放电电流大小保持一致有利于锁相环性能的提高，动态电流匹配性能良好。现在低电压下使用较多的电荷泵结构在很多专利和学术论文中已发表：电路中使用了一个运算放大器，一条充放电电路，一条电流复制电路。使用了一个运算放大器即可达到扩大电流匹配的范围，减少电荷泵的电荷共享、电荷注入等非理想因素，降低锁相环的毛刺。但是使用一个运算放大器但是在整个匹配范围内，由于65nm及以下工艺，晶体管的沟道调制效应非常明显，在不同的输出电压Vctrl下，充放电的电流大小不一样，对环路滤波器的充放电时间不一样，使得锁相环的锁定时间在不同的压控电压下有差异，会影响锁相环的相位噪声性能。

发明内容

本发明的目的是克服现有技术中存在的不足，提供一种低电压电荷泵锁相环中高性能电荷泵电路，其结构紧凑，能扩大电流匹配的范围，动态电流匹配性能好，稳定性能高，适应范围广，安全可靠。

按照本发明提供的技术方案，所述低电压电荷泵锁相环中高性能电荷泵电路，包括充放电电路及与所述充放电电路匹配连接的电流复制电路；所述充放电电路包括第一充放电支路及第二充放电支路，电流复制电路包括第一电流复制支路及第二电流复制支路；第一电流复制支路、第二电流复制支路、第一充放电支路及第二充放电支路与用于提供偏置电压的偏置电路连接；第二电流复制支路、第一充电放电支路与第一轨到轨运算放大器连接，第一电流复制支路、第二充放电支路与第二轨到轨运算放大器连接，第一轨到轨运算放大器的输出端与第一轨到轨运算放大器同相输入端间通过第一密勒补偿电路连接，第二轨到轨运算放大器的输出端与第二轨到轨运算放大器的同相输入端通过第二密勒补偿电路连接，第一轨到轨运算放大器的反相端与第二轨到轨运算放大器的反相端连接，第二充放电支路与第一电流复制支路的电流比值与第一充放电支路与第二电流复制支路的电流比值相等。

所述第一电流复制支路包括处于常导通状态的第一传输门及第二传输门；第一传输门的第一传输端与电源VDD连接，第一传输门的第二传输端通过第一电流镜与第二电流镜连接，第二电流镜的输出端与第二传输门的第一传输端连接，第二传输门的第二传输端接地，第一电流镜与偏置电路的输出端连接；

第二电流复制支路包括处于常导通状态的第三传输门及第四传输门；第三传输门的第一传输端与电源VDD连接，第三传输门的第二传输端通过第三电流镜与第四电流镜连接，第四电流镜的输出端与第四传输门的第一传输端连接，第四传输门的第二传输端接地，第四电流镜与偏置电路的输出端连接；

第一充放电支路包括第五传输门及第六传输门，第五传输门的第一传输端与电源VDD连接，第五传输门的第二传输端通过第五电流镜与第六电流镜连接，第六电流镜的输出端与第六传输门的第一传输端连接，第六传输门的第二传输端接地，第六电流镜与偏置电路的输出端连接；