一种新型电荷泵电路的设计

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1、!""#年第$期微电子学与计算机K$/012’(3’45#$0,DL,/（西安交通大学微电子研究所，西安U/""A$）!（上海交通大学微电子研究所，上海!"""#"）?@A文章提出了一种新的全差分电荷泵结构，与传统电荷泵电路相比，这个电路具有输出范围大和无跳跃现象的优点，同时还可以有效地解决电荷泄漏和充放电失配等问题。BCDA电荷泵，锁相环，大摆幅电流镜!!"大的影响。设电荷泵电流为!"#，则由电荷泄漏!$%&’引电荷泵锁相环具有低功耗、

2、高速、低抖动和低起的相位偏差为：成本等特点，在无线电通信、频率综合器、时钟恢复!"8!#!$%&’(!"#（/）电路中被广泛采用。电荷泵电路在%&&中起着非常对于三阶电荷泵锁相环9.%%&&:，输出时钟对输重要的作用，其主要功能是把鉴频鉴相器（%’(）的入参考源频率突变的抑制能力为：数字信号)%和(*+,转换为模拟信号，来控制压!"#*!!!$+,"-.)%.控振荡器（-.*）的频率。当%’(给出高精度的相位#)8!";<="!##>!";<=".$?651@（!）//!.)%.误差时，电荷泵对整个环路的性能起决定性作

3、用。式中*为环路滤波器的电阻值，+,"-为-.*当%&&锁定在某个频率时，电荷泵电路的输出必须增益，.)%.为参考时钟频率，./0为滤波器的极点频率，保持在一个常数。因此，在设计电荷泵电路时，产生!"#为泵电流。如果环路是过阻尼的，以便避免过冲一个稳定步长的电压是很重要的。实际所用的电荷现象和温度变化的影响，则环路带宽.12在分频比泵不可避免的有电荷泄漏、充放电流失配、泵开关为3时可表示为：时间延时不同等不利因素，这些因素都不同程度地!"#*+,"-造成输出频率的相位偏差，进而降低了输出时钟的.12!!#3（#）抗噪声

4、性能。则9!:式变为：3!$.12.)%.#)8!";<=%$>!";<="$?651@（A）"#$%&!!.)%..//简单电荷泵电路模型如图/所示。当信号)%如果激励不能满足一定要求，环路带宽将会变为高时，开关与0点相连，-1通过上面的电流源234得更窄，或者电荷泵电流必须增加。因此设计中应充电；当信号(,为高时，开关与5点相连，-1通过尽量减小或避免电荷泄漏的发生。下面的电流源267放电；如果)%和(,都为低时，则"#"+,-.开关位于,点，-1保持不变。在.B*C电荷泵中，通常分别采用%B*C和"#!’()*,

5、B*C作为)%和(*+,信号的开关，当)%和电荷泄漏引起的相位偏差通常并不起很大作(*+,信号控制电荷泵充放电时，将会产生电流用，但是对输入参考源频率突变的抑制能力却有很失配和开关时间失配。当失配在电荷泵电路中发生时，减小%’(输出的打开时间是必要的，即相当于减小输出脉宽，避免死区96DE6>F<7D:发生。设%’(的输出打开时间、参考时钟周期、电荷泵的失配电流分别用%456、7)%.、%8表示，则相位偏差通过式9G:给出：%456!9%8%456%8H!$H8!#">/$8!#（G）7)%.!7)%.!这里假定%8I

6、"，则激励级可以类似地从9A:式和收稿日期J!""#>"#>"K9G:式得到。用%:(;代替9G:式中的%8(!就可推广到:"微电子学与计算机!""#年第$期其它失配情况，这里!!表示电荷失配，"表示在参考时钟周期内的总电荷，即：!#$%&’。上式说明了设计%&’和电荷泵时，减小打开时间非常重要，它意味着减小失配，同时对减小%((输出的边带噪声也有好处。除了上述因素外，电流消耗、开关速度、电压噪声等因素在设计中也是必须考虑的。!!"#$%&’在传统的电荷泵电路中，从%&’来的)%和’*信号被用来直接控制开关，它的缺点是

7、当)%和’*都为低时()是悬浮的。这时，虽然()的值不变，但是+点电压被上拉到,’’，而-点电压被下拉到,..，这种跳跃现象会引起()电压的不连续性。这种跳跃在整个%((中可看成是一种噪声，会引起,/0频率的不稳定。图!是一种传统的电荷泵电路（注：该电路的)%和’01*与上面分析的时序并不一致，而上面分析是为了与模型保持一致）。因此，运放将会占据很大的版图面积，使电荷泵电路大大复杂化。为了使电路简单，考虑了图3所示的电路设计。该电路能很好地使2%#工作在截止和饱和状态，而避免了工作在线性区，从而避免了过冲电流的产生。但

8、是该电路在电荷泵输出为高时，2*#和2%#的栅电容将会起很大的影响作用，同时由于-.%"和-.+4影响了开关速度，从而使该电路的工作频率不能太高。按照以上分析，电荷泵的结构可以大致上分为四大类，绝大多数%((都属于其中的一类，我们可以根据需要选择在具体应用中使用哪一种结构。546传统三态型。特点是低功耗，中等速度，中等时钟歪斜。主