[发明专利]消除电流失配的电荷泵及锁相环电路

说明书

本发明揭示了一种消除电流失配的电荷泵及锁相环电路，所述电荷泵包括第一电流源、第一MOS管、第二MOS管、第三MOS管、运算放大器、第一开关、第二开关、第三开关及第四开关；所述第一电流源的输出端分别连接第一MOS管的栅极、第一MOS管的漏极、第三MOS管的栅极，第一MOS管的源极接地，第三MOS管的源极接地；所述第三MOS管的漏极分别连接所述第一开关的第二端、第二开关的第二端；所述第二MOS管的漏极分别连接第三开关的第一端、第四开关的第一端，所述第二MOS管的栅极连接所述运算放大器的输出端。本发明提出的消除电流失配的电荷泵及锁相环电路，可有效减小沟道长度调制效应对电流造成的失配；同时此电荷泵电路从原理上避免了电流源制造偏差带来的电流失配。

技术领域

本发明属于电子电路技术领域，涉及一种电荷泵，尤其涉及一种消除电流失配的电荷泵及锁相环电路。

背景技术

锁相环电路广泛应用于各种电路中，在模拟电路中可以用于产生射频时钟信号，在数字电路中可以用于产生数字电路的参考时钟。电荷泵锁相环以其高性能，低功耗的特点，成为了一种经典的锁相环实现方式。

电荷泵是电荷泵锁相环中的一个核心模块。电荷泵搭配鉴频鉴相器一起工作，将环路的误差信号提取出，由环路滤波器进行进一步处理。电荷泵的性能对锁相环的整体性能有着显著影响：

(1)电荷泵的电流失配是锁相环输出杂散的来源之一；

(2)电荷泵的电流失配会造成鉴频鉴相器和电荷泵的非线性，这种非线性会将电路中的高频噪声混叠到低频，从而影响锁相环的噪声特性；

(3)电荷泵的噪声是整个锁相环噪声的一个重要组成部分；

(4)电荷泵正常工作时的输出电压范围决定了压控振荡器的输入调节范围。

传统解决电荷泵电流失配的方法中，电荷泵电流失配主要有两个来源，其一是MOS管的沟道长度调制效应，另一个是电流源的随机失配。

下面用图1所示电荷泵说明电流失配来源。在PLL电路中，vctrl电压由于VCO电路的工艺角偏差不可能和vbiasp电压相等，由于沟道长度调制效应，流过MN2和MN3的漏级电流会不一样。同样的道理，流过MP1和MP2的漏级电流也会不一样。而流过MN2和MP1的漏级的电流是一样的。如果vctrl电压比vbiasp电压低，那么流过MN3漏级电流比流过MN2漏级电流小，流过MP2漏级电流比流过MP1漏级电流大，又因为流过MN2漏级电流和流过MP1漏级电流相等，那么流过MP2漏级电流会大于流过MN3漏级电流。

在理想情况下，如果vctrl电压和vbiasp电压相等，沟道长度调制效应此时不会带来电流失配。此时MN2和MN3在制造时的非理想效应会造成电流失配：MN2和MN3会存在制造误差，即使MN2和MN3两个MOS管四端口电压都相等，流过MN2和MN3的漏级电流也会存在失配；同样MP1和MP2的漏级电流也会存在失配。

为了减小电荷泵电流建立时间，目前主流结构是采用电流舵式电荷泵，如图2所示。其中op是一个运算放大器，其作用是使得vdummy电压和vctrl电压相等。这种结构同样也会有上述两个电流失配来源。

有两种常用的方法可以用来减小电荷泵电流失配，下面分别论述其原理以及优缺点。

(1)利用共源共栅结构减小电流失配。

图3是一种利用共源共栅结构减小电流失配的电荷泵，其中MN2，MN3电流源漏级与共栅管MN4，MN5的源级相连，这样的结构减小了MN2和MN3漏级电流由于沟道长度调制效应引入的失配。这种结构的优点主要有两个，没有引入额外环路从而引起稳定性问题，没有引入额外噪声源影响电荷泵噪声。这种结构的主要缺点有三个，共栅管的加入减小了vctrl的电压变化范围；需要额外的偏置电路提供vcasn电压和vcasp电压；在深亚微米工艺中共源共栅结构对输出阻抗提升受限，电流失配改善程度受限。