一种应用于频率综合器的高性能全差分电荷泵电路new

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1、第２８卷第１２期半导体学报犞狅犾．２８犖狅．１２２００７年１２月犆犎犐犖犈犛犈犑犗犝犚犖犃犔犗犉犛犈犕犐犆犗犖犇犝犆犜犗犚犛犇犲犮．，２００７一种应用于频率综合器的高性能全差分电荷泵电路杨振宇唐长文闵昊（复旦大学专用集成电路与系统国家重点实验室，上海２０１２０３）摘要：提出了一种应用于频率综合器的全差分电荷泵电路．该电荷泵结构可以很好地克服沟道长度调制效应的影响，使充放电电流在宽输出电压范围内实现精确匹配，从而使频率综合器的压控电压纹波（狉犻狆狆犾犲）很小．为了保证电荷泵的宽输出摆幅不受限制，还设计了一种输入范围接近轨到轨的共模负反馈电路．整个电路在１８犞犛犕犐犆０１８μ犿犆

2、犕犗犛混合信号工艺下设计实现，芯片面积约为４５０μ犿×２８０μ犿，直流功耗约为１犿犠，测试得到的参考杂散的最差值为－７３犱犅犮，满足频率综合器的低杂散要求．关键词：频率综合器；全差分电荷泵；电流匹配；电流复制；电压纹波；杂散犈犈犃犆犆：１２０５；１２８０；２５７０犇中图分类号：犜犖４文献标识码：犃文章编号：０２５３４１７７（２００７）１２１９９３０６２传统全差分电荷泵电路１引言为了克服单端电荷泵固有的输出动态范围小、基于锁相环的频率综合器电路被广泛使用在射充放电电流匹配性能差以及时钟馈通效应明显等缺频收发机通信系统中．典型的频率综合器系统包括点，高性能频率综合器普遍采用共源共

3、栅（犮犪狊犮狅犱犲）鉴频鉴相器（犘犉犇）、电荷泵（犮犺犪狉犵犲狆狌犿狆）、环路滤的全差分电荷泵结构，该结构电路如图１所示．波器（犾狅狅狆犳犻犾狋犲狉）、压控振荡器（犞犆犗）以及分频器管子犕１～犕２０构成犮犪狊犮狅犱犲电流镜，可以提（犱犻狏犻犱犲狉）等模块．电荷泵电路是其中最关键的模块高电荷泵的输出阻抗，降低管子漏端电压对电流的之一，它的功能是将鉴频鉴相器输出的相差脉宽数影响，使电荷泵充放电电流的匹配性能得到改善；管字信号（狌狆和犱狀）通过充放电电流（犐和犐）转化子犕２１～犕２４是电荷泵的源极开关，可以使电荷泵狌狆犱狀为电流信号，然后通过环路滤波器变为电压信号以最快速度开启和关闭，降

4、低参考时钟引入的馈通犞犮狋狉犾，从而对压控振荡器的工作频率进行调整．因噪声；管子犕２５～犕３０匹配开关管使电荷泵此，一旦电荷泵中的非理想因素使充电电流犐和放（犮犺犪狉犵犲狆狌犿狆）支路和偏置支路（犫犻犪狊）实现完全匹狌狆电电流犐之间存在不匹配，压控电压犞上就会产配；电容犆，犆减弱开关时钟馈通效应的影响．这种犱狀犮狋狉犾１２生电压纹波（狉犻狆狆犾犲），导致压控振荡器输出频谱上电荷泵存在两个缺陷：（１）犮犪狊犮狅犱犲全差分电荷泵的［１］产生杂散（狊狆狌狉），从而造成对临近信道的干扰．犮犪狊犮狅犱犲管子限制了输出摆幅，这在低电源电压工作为了提高电荷泵的电流匹配性能，全差分电荷环境下是不利

5、的；（２）当控制电压犞和犞差值较大犮狆犮狀泵结构被广泛应用在频率综合器系统中．但是，传统时，差分电荷泵的充放电电流匹配性能严重恶化．的全差分电荷泵电路由于采用共源共栅（犮犪狊犮狅犱犲）假设控制电压犞和犞分别满足犮狆犮狀［２～４］结构，输出摆幅受到限制，而且由于沟道长度调犞犱犻犳犳犞犱犻犳犳犞犮狆＝犞犮犿＋，犞犮狀＝犞犮犿－（１）制效应的影响，电荷泵差分电流的匹配性能被严重２２恶化，甚至不如单端电流的匹配性能．本文提出了一其中犞犮犿是犞犮狆和犞犮狀的共模电压；犞犱犻犳犳是犞犮狆和种全差分电荷泵电路，该电路在不降低输出电压摆犞犮狀的差模电压．当差模电压犞犱犻犳犳不等于零时，由于幅的前提

6、下，采用电流复制（狉犲狆犾犻犮犪）技术使差分电沟道长度调制效应的影响，图１中的电流源犐狌狆１，荷泵的充放电电流的匹配性能得到很大改善，从而犐犱狀１，犐狌狆２和犐犱狀２的大小会发生变化．如图２所示，假克服了传统电荷泵的缺陷．设犐犮犿表示当差模电压犞犱犻犳犳等于零（犞犮狆＝犞犮狀＝犞犮犿）时电荷泵的充放电电流值．通信作者．犈犿犪犻犾：狕狑狋犪狀犵＠犳狌犱犪狀．犲犱狌．犮狀２００７０６０４收到，２００７０７０８定稿２００７中国电子学会１９９４半导体学报第２８卷图１共源共栅结构的全差分电荷泵电路犉犻犵．１犉狌犾犾狔犱犻犳犳犲狉犲狀狋犻犪犾犮犪狊犮狅犱犲犮犺犪狉犵犲狆狌犿狆犮犻狉

7、犮狌犻狋图２传统电荷泵的充放电电流及压控电压波型图犉犻犵．２犠犪狏犲犳狅狉犿狊狅犳犮狌狉狉犲狀狋狊犪狀犱犮狅狀狋狉狅犾狏狅犾狋犪犵犲狊犻狀犮狅狀狏犲狀狋犻狅狀犪犾犮犺犪狉犵犲狆狌犿狆为了定性分析的方便，假设电流源犐狌狆１，犐犱狀１，（２Δ犞）比单端压控电压的纹波（Δ犞）大，压控振荡犐狌狆２和犐犱狀２的电流变化量都是Δ犐．这样，电荷泵两条器输出信号的杂散性能会被恶化．支路的充放电电流分别表示为犐狌狆１＝犐犮犿－Δ犐，犐犱狀１＝犐犮犿＋Δ犐，３新型全差分电荷泵电路及其共模