一種大電壓輸出擺幅低電流失配電荷泵的設計

摘要：在分析了基本鎖相環電荷泵工作機制的基礎上，提出一種新型的電荷泵結構，該電荷泵在非常寬的電壓范圍內具有很低的電流失配，解決了傳統電荷泵結構所具有的電荷注入、時鐘饋通和電荷共享等問題，并且非常容易實現電荷泵充放電電流的數字控制。基于SMI(：O．18 gm cMOSRF工藝庫設計的實際電路，使用Cadence工具仿真結果表明，在電源電壓2.O V時，輸出電壓為O.3～1.63 V，充放電電流最大失配率小于0.1％，電流絕對值偏移率小于O.6％，說明這種新型電荷泵結構具有良好的性能。
關鍵詞：鎖相環；電荷泵；電流失配；數字控制

0 引 言
CMOS電荷泵鎖相環以其高速、低抖動、低功耗和易集成等特點，已廣泛用于接收機芯片、時鐘恢復電路中，如圖l所示，電荷泵對整個電荷泵鎖相環性能具有關鍵的作用，如果電荷泵的充放電電流能夠在很大的輸出電壓范圍內具有高精度的匹配，在PLL鎖定某個頻率時，LPF提供給VCO的控制電壓將是一個常數，它將顯著降低VCO輸出頻率的抖動，提高VCO的相位噪聲特性，并且VCO可以具有很大的調諧范圍。

l 傳統電荷泵工作機制
傳統電荷泵結構如圖2所示。

它主要由兩個受控開關的電流源組成，通過PFD比較Fref和Fdiv的相位，如果Fref相位超前于Fdiv，則輸出UP為高電平，DN為低電平，Iup給LPF電容充電，使得VC0的控制電壓上升，控制VCO的輸出信號頻率升高；如果Fdiv相位超前于Fref，則輸出uP為低電平，DN為高電平，LPF電容通過Idown。放電，使得VCO的控制電壓下降，控制VCO的輸出信號頻率降低；如果Fref和Fdiv的相位相同，PLL達到鎖定狀態，則UP和DN信號控制充放電電流源同時打開或關閉，具體工作狀態如表1所示。

在電路鎖定狀態，為了消除PFD的死區，電荷泵的充放電電流源在每個周期需要同時打開一段時間，如果這兩個電流源的電流大小不精確匹配，假設Iup大于Idown，則將有Iup。減去Idown大小的電流為LPF電容充電，使得VCO的控制電壓升高，繼而使得VCO的輸出頻率發生變化，降低了輸出時鐘的噪聲性能。而在電荷泵的充放電電流同時關閉時，由于MOS管開關的源極和漏極寄生電容以及溝道反型層中存儲了電荷，導致電荷注入到IPF的電容上，從而引起VCO輸出頻率的變化，克服電荷共享最有效的方法是在充放電開關斷開時用單位增益運放將輸出電壓復制到電流源漏端。由電荷泵的非理想特性導致的開關時間延時、充放電電流失配和電荷注入引起的PLL輸出信號的相位偏差為：