[发明专利]一种电荷泵电路

说明书

技术领域

本发明涉及电荷泵锁相环技术领域，具体涉及一种电荷泵锁相环中的电荷泵电路的设计。

背景技术

电荷泵锁相环（Charge Pump Phase-Locked Loop，CPPLL）是目前锁相环电路设计的主流，具有捕捉范围宽、捕捉时间短、线性范围大、高速低功耗等优点，因此被广泛应用于现在通信以及射频领域中。

锁相环（PLL）是把输出信号和输入信号的相位相比较的反馈系统。图1为典型的电荷泵锁相环系统，包括鉴频鉴相器（PFD）、电荷泵（CP）、环路滤波器（LF）、压控振荡器（VCO）、分频器（MMD）等模块。CP电路在CPPLL中起着非常重要的作用，它将PFD电路输出的数字控制信号，包括充、放电控制信号UP、DOWN转换为模拟信号，进而来控制VCO的输出频率，实现锁相的功能。此处的模拟信号主要有两个要求：1、纹波小；2、线性度好。这就要求CP电路要满足两个条件：1、充、放电电流相等；2、在一定范围内，充、放电电流保持恒定。在实际应用中，CP电路受到沟道长度调制效应、电荷共享、电荷注入等非理想因素的制约，存在严重的电流源电流失配，这是影响环路性能的主要因素。

现有的第一种电荷泵电路如图2所示，包括PMOS电流镜MP1、MP3，NMOS电流镜MN2、MN4，PMOS开关管MP4，NMOS开关管MN3，偏置电路，鉴频鉴相器的输出控制信号UP、DOWN以及电荷泵电容Ccp，主体电路可分为支路1、支路2。偏置电路为后级电路提供偏置电压和电流，I1/I2按照一定比例镜像参考电流I_ref。鉴频鉴相器的输出控制信号UP控制MP4的导通与关断，DOWN控制MN3的导通与关断，当UP、DOWN为低时：MP4导通、MN3关断，Ich镜像I1对电容充电，当UP、DOWN为高时：MP4关断、MN3导通，Idis镜像I2对电容放电，当MP4、MN3同时关断时，电容C不进行放电或者充电，Vcp维持不变。

该电路的缺点在于：1、电流镜电流失配问题：由于沟道调制效应，PMOS电流镜MP3和NMOS电流镜MN4的Vds不相等，例如Vcp为高时，MP4、MN3的漏极电压为高，则Ich<Idis，那么在复位脉冲期间，MP4、MN3都开启，此时电容C就会释放电荷，Vcp会跟着降低，不会维持不变，这会对下级电路造成影响。2、电荷共享问题：电流镜MP3管、MN4管分别靠近电源和地，漏极存在一定的电容，假设开关管MP4、MP3都断开，那么MP3管使节点Y充电到VDC，MN4管使节点X放电到零电位。在下一个相位比较瞬间，若开关管MP4、MP3都开启，节点X的电位上升，节点Y的电位下降，如果忽略开关管MP4、MP3上的电压降，则VX=VY=Vcp，即使CX=CY，VX的变化量也不一定等于VY的变化量，这两者之差由Ccp提供，从而导致Ccp上电压的跳动。图2中可以明显看出：Ich和Idis不相等。由于鉴频鉴相器内部环路的延迟，其输出信号UP和DOWN会有很窄的复位脉冲，虽然复位脉冲可起到消除死区的作用，但会使得PMOS、NMOS开关管同时导通，如果这时充、放电电流不相等，电荷泵电容Ccp上的净电流不为零，使得Ccp的电位在每个周期都有固定的变化，锁相环路为了保持锁定，就会在输入、输出之间产生相位误差。

现有的第二种电荷泵电路如图4所示，包括PMOS电流镜MP2、MP4，NMOS电流镜MN3、MN5，PMOS开关管MP3，NMOS开关管MN5，偏置电路MN1、MN2，鉴频鉴相器的输出控制信号UP、DOWN以及电荷泵电容Ccp，主体电路可分为支路1、支路2。该电路可以看作第一种电荷泵电路的改进，第一：增添了跨导运算放大器，通过反馈作用使得X、Y两点电位相等，从而实现了充、放电电流相等；第二：交换了开关管和电流镜的位置，解决了电荷共享问题，但是从图5的波形图可以看出，该泵电路Ich=Idis，但是Ich、Idis随输出电压变化，因此没有实现充、放电电流恒定。

发明内容

本发明的目的是为了解决上述电荷泵电路没有实现充、放电电流恒定的问题，提出了一种电荷泵电路。

本发明的技术方案是：一种电荷泵电路，包括：偏置单元、第一充放电单元、第一互补电路单元和第一运放单元，其特征在于，还包括，第二充放电单元、第二互补电路单元和第二运放单元，

其中，