[发明专利]应用于整数分频锁相环路中的鉴频鉴相器和电荷泵电路

说明书

技术领域

本发明属于集成电路技术领域，具体涉及一种应用于整数分频锁相环路中的PFD(鉴 频鉴相器)和CP(电荷泵)电路。

背景技术

整数分频锁相环路由鉴频鉴相器、电荷泵、环路滤波器、压控振荡器和除法器构成。 其中，鉴频鉴相器比较晶体振荡器的信号和压控振荡器经分频器后的信号之间的频率和相 位差，并通过电荷泵把差值的大小转换为电流，这个电流通过对环路滤波器充放电转换成 电压信号从而控制压控振荡器的频率，这样便形成一个负反馈环路并通过这一反馈环路将 振荡器的输出频率精确的锁定在输入频率的一定倍数上(分频器的分频数)。

整数分频锁相环路的设计相对简单、功耗低、噪声低，这使得它的应用非常广泛。在 新的短距离无线技术如超宽带MB-OFDM UWB中就采用了整数分频锁相环路，再结合特 定的频率综合方案得到需要的频点。

在整数分频锁相环路收发机架构中，PFD和CP电路是必不可少的重要部分。主要通 过核心电路锁相环PLL来实现其频率综合和噪声抑制等功能，它的性能好坏极大地影响着 整个收发机的性能。PFD和CP电路是整个PLL环路最前端的两个模块，它们对整个频率 综合器的性能有着巨大的影响，所以设计出高性能的PFD和CP电路具有至关重要的意义。

PFD的功能是对输入的两路信号进行相位的比较，将它们的相位差转换为脉冲控制电 压信号，用于控制电荷泵充放电流的开启和关闭。由于电压水平在数字电路中只有高低两 个状态，所以相对于模拟集成电路来说，设计难度不高，但是合理地控制输出4路脉冲电 压的对称性以及适当复位延迟时间还必须慎重地考虑。

电荷泵是PLL另外一个基本模块，紧跟在PFD之后，PFD输出的UP和UPB、DN 和DNB对电荷泵的充放电功能进行控制，它的电流匹配性能决定频率综合器的频率杂散 性能，同时它也影响频率综合器近频端的相位噪声性能，在许多情况下它也是带内噪声的 重要贡献者。

为了避免死区(Dead-Zone)的存在，在PLL锁定的情况下，即没有相位误差时，电 荷泵的上下两路电流依旧会同时导通一段时间，这个导通时间我们称为Ton。这个时间太 短，可以在工艺偏差的影响下无法克服死区的存在，太长，会增大电荷泵在PLL输出端的 带内相位噪声贡献，相关文献指出，这个值一般设为参考时钟的十分之一到二十分之一。

在基于电荷泵锁相环的频率综合器系统中，电荷泵电路是其中最关键的模块之一，它 的功能是将鉴频鉴相器输出的相差脉宽数字信号(UP和DN)通过充放电电流(Iup和Idn)转 化为电流信号，然后通过环路滤波器变为电压信号Vctrl，从而对压控振荡器的工作频率进 行调整。因此一旦电荷泵中的非理想因素使充电电流Iup和放电电流Idn之间存在不匹配， 压控电压Vctrl上就会产生电压纹波(ripple)，导致压控振荡器输出频谱上产生杂散(spur)， 从而造成对临近信道的干扰。

高性能电荷泵是PLL设计里的一个研究热点，由于它存在各种各样的非理想特性，包 含时钟馈通、电荷分享、充放电电流失配、漏电流等，而且还存在噪声、速度、功耗、复 杂度的折中考虑，所以设计出高性能的电荷泵具有很大的挑战。

电荷泵可以分成两大类：单端电荷泵和差分电荷泵。单端电荷泵又根据开关管和电流 管的相对位置关系大致可以分成3种：开关管位于电流管的漏极；开关管位于电流管的栅 极；开关管位于电流管的源极。差分CP有如下优点：NMOS和PMOS的失配不再影 响性能；版图的对称性减少了时序上的失配；漏电流总是成对出现，输出受漏电流的影响 减小；受来自电源、地、衬底的电压波动小。但是差分CP的缺点也很明显：由于电流总 是成对出现，功耗较大不可避免；需要共模反馈来控制输出电压的共模电平；差分CP设 计相对比较复杂。开关管位于电流管的漏极的CP充放电失配较小，但是容易受电荷共享 和时钟馈通的影响；开关管位于电流管的栅极的CP由于开关管的大寄生电容使速度减慢； 开关管位于电流源的源端的CP充放电失配较大，但是功耗小，设计简单，电荷共享和时 钟馈通影响较小。综合考虑以上CP结构，然后再结合PLL对CP电流高匹配性的要求， 本发明采用了开关管位于电流管漏极的单端电荷泵结构，并且提出了一种有效地解决电荷 泵中的各种非理想效应的方案。

发明内容

本发明的目的在于提出一种应用于整数分频锁相环路中的高性能PFD及CP电路以， 减小这两个模块对整个频综性能的影响。