新型式电荷泵的构架预设和体系剖析

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1、新型式电荷泵的构架预设和体系剖析1设计分析简单电荷泵电路模型如1所示。当信号UP为高时，开关与A点连接，VC通过上面的电流源IUP对电容充电；当信号DW为高时，开关与B点相连，VC通过下而的电流源IDW放电；如果UP和DW都为低，则开关位于N点，VC保持不变。但是，在实际的电荷泵电路中存在着漏电流、过冲注入电流、泵开关延时不同等非理想因素。1.1漏电流电荷泵设计中一个重要的考虑因素是漏电流，1简单电荷泵模型漏电流可能市电荷泵本身产主，也可能由一些片上变容二极管或者电路板上的漏电流造成。在亚微米工艺中很可能

2、出现高达1nA的漏电流。漏电流引起的相位偏差通常可以忽略不计，但是它对输入参考源频率突变的抑制能力却有很大的影响。设电荷泵电流为Icp,则由电荷泄漏Ileak引起的相位偏差为：:

3、0,则激励级可以类似地从(4)式和(5)式得到。用Aq/Q代替(5)式中的Ai/I就可推广到其它失配情况，这里Aq表示电荷失配，Q表示在参考时钟周期内的总电荷,即：Atoni.上式说明在设计PFD和电荷泵时，应尽量减小打开时间以减小失配，并减小PLL输出的边带噪声。2CM0S电荷泵的常用结构2.1单端电荷泵一般电荷泵电路以单端结

4、构为主，因为其不需要增加额外的环路滤波器且功耗较低。如所示是基本的单端电荷泵电路。2(a)中的电荷泵开关位于MOS管电流源的漏端。该电路主要存在两个问题。第一，当UP开关关断后，M2漏端的寄生电容被充电至vdd•当UP开关导后，M2的漏端电压从vdd开始下降，在M2的漏端电压达到最小饱和电压之前，M2处于线性电阻区。因此，在M2的漏端储存的电荷和流过M2的电流会对负载电容产生一个过冲注入电流，即会产生跳跃现象；同理，对NMOS管Ml也存在上述情况。第二，当UP和DW开关都关断时，M2的漏端电位被拉高至vd

5、d,Ml的漏端电位则被拉低为gncl,输出OUT保持不变；当开关导通时，由于两点电位不同，Ml和M2的漏端以及环路滤波器之间存在电荷分配的问题，造成输出产生抖动，这种抖动相当于噪声源，会影响电荷泵性能。2(b)中的电荷泵开关位于MOS管电流源的栅极。该结构能够很好地使MOS管电流镜工作在截止区或饱和区。当电路放电时，M2和M4截止，M2漏端的寄生电容不会被充电，从而避免了过冲电流的产生。但是当电荷泵的输出电流很大，并且为了提高匹配性能而使用了长沟道器件时，Ml和M2的栅电容将会起很大的影响。同时，gM3和

6、gM4影响了开关时间常数，因此，为了得到比较好的开关速度，M3和M4的偏置电流不能太小。2(c)中的电荷泵开关位于MOS管电流源的源端。该电路中,Ml,M2始终处于饱和区。市于开关只连到单个管子上，寄生电容较小，所以这种结构比2(b)所示结构具有更快的开关时间。同时，gM3和gM4不会影响开关时间，所以，即使在高输出电流的情况下也可以使用低电流偏置。除了上述传统结构，还有多种结构可以提高电路性能，如3所示。3(a)所示的电路中引进了运放，可以克服2(a)所示电路的抖动问题。当UP和DW开关关断时，UPB和

7、DWB开关导通，Ml和M2的漏端电位不会被拉高为vdd或者拉低为gnd,于是降低了开关打开时的电荷分配效应。当电荷泵的寄生电容与环路滤波器的电容大小相差不大时，这种结构非常有用。但是为了使运放的输出电流与IUP和IDW相匹配，输出和共模输入电压从gnd变化到vdd,运放需要做得很大。因此，运放将会占据很大的版图面积，使电荷泵电路的设计更为复杂。3(b)所示电路的性能与(a)所示电路相近，但是电流舵开关改善了开关时间，提高了单端电荷泵的速度。该电路最大的缺点是PMOS管和NMOS管之间的失配会影响性能。采用

8、(c)所示的电路可以克服这个缺点。该电路只用NMOS管做开关，避免了PMOS管和NMOS管之间的失配。但是，采用PMOS管的电流镜会影响电荷泵的速度。而且充电电流流过PMOS电流镜，放电电流却没有流过PMOS电流镜，所以，电流镜的性能还是限制了电荷泵的性能。比较以上结构可以看出，由于结构简单，功耗低以及比较好的开关时间，源端开启的电荷泵结构更有优势。4所示就是对（c）所示电路的改进结构。M4-M13构成共源共栅电流镜，增加了输出阻抗，减小了输出电压对电流的影响。Ml和M14是电荷泵的开关，适当地选择它们的

9、尺寸使得开关失配和打开时间都最小。当电荷泵打开时，M2、M3和M15用来提供相同的偏置电流。MCI和MC2可以降低对栅极的电荷耦合，并且增加了开关速度。43（c）电路的改进结构2.2差分电荷泵如所示是一种全差分电荷泵电路，该电路采用了交叉耦合电流舵结构。交叉耦合结构确保NMOS（M9-M10）和PMOS（Ml〜M2）电流源始终处于饱和区，因此减小了电荷分配效应。该电路由两个完全一样的支路构成，两个支路工作在相反的相位，并且分别