專利名稱：一種用于鎖相環(huán)的自跟蹤電流型電荷泵的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及模擬集成電路設(shè)計技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種用于鎖相環(huán)的自跟蹤電流 型電荷泵，可應(yīng)用于電荷泵鎖相環(huán)(Charge Pump Phase-LockingLoop CPPLL)中。
背景技術(shù)：
鎖相環(huán)(PLL)電路是有H. de Bellescize于1932年最早提出的，因為其優(yōu)異的多 樣性已經(jīng)在電子學(xué)和通信領(lǐng)域中獲得廣泛的應(yīng)用。一個重要的應(yīng)用實例，鎖相環(huán)可以被用 來產(chǎn)生其頻率是可編程的輸出信號，該頻率等于一個固定輸入頻率的有理分式倍數(shù)。這種 基于鎖相環(huán)的頻率綜合器廣泛地應(yīng)用在無線終端產(chǎn)品中。鎖相環(huán)的多樣性也使其應(yīng)用到數(shù) 字系統(tǒng)中，用于時鐘信號的恢復(fù)和時鐘信號的產(chǎn)生。圖1是一種典型的電荷泵鎖相環(huán)電路，其中包括了鑒相鑒頻器(PFD)、電荷泵 (CP)、環(huán)路濾波器(LF)和壓控振蕩器(VCO)，通常會包括一個分頻器(/N)以使鎖相環(huán)具 有頻率綜合的功能。整數(shù)分頻比N使得鎖相環(huán)輸出和輸入信號之間頻率關(guān)系為Fout = Fref*N。其中鑒頻鑒相器用來比較輸入?yún)⒖紩r鐘Fref和分頻器輸出時鐘冊的大小，根據(jù)兩 個輸入時鐘信號之間相位差產(chǎn)生一個上拉信號或下拉信號用于控制電荷泵的充電支路和 放電支路。電荷泵電路根據(jù)鑒相鑒頻器輸出的上拉信號和下拉信號，釋放或積累濾波電容 上的電荷。環(huán)路濾波器把電荷泵輸出的脈沖信號轉(zhuǎn)換成直流模擬控制信號。壓控振蕩器根 據(jù)直流模擬控制電壓的大小調(diào)整輸出頻率，使得通過分頻器后的信號頻率與輸入?yún)⒖紩r鐘 頻率很接近。當輸出和輸入頻率足夠接近時，鑒相鑒頻器就被當作鑒相器，進行相位鎖定。 當相位差降到零并且電荷泵保持相對的空閑時，環(huán)路就鎖定了。電流型電荷泵具有快速的暫態(tài)響應(yīng)以及可以避免電流源電流突變的優(yōu)點，是電荷 泵鎖相環(huán)中關(guān)鍵模塊，其性能直接影響鎖相環(huán)整體性能。電荷泵可分為開關(guān)型、電流型和全 差分型電荷泵。圖2給出了一種典型電流型電荷泵結(jié)構(gòu)，由于該電荷泵采用了電流型開關(guān)， 開關(guān)時間大大減小了，因此這種單端電荷泵電路速度比較高。圖3給出了一種現(xiàn)有技術(shù)所 公開的電流型電荷泵的實例示意圖。該電荷泵主要由三部分組成電荷泵核心電路，反饋網(wǎng) 絡(luò)和復(fù)制偏置電路。電荷泵核心電路是一個差分輸入單端輸出的結(jié)構(gòu)，軌至軌的單位增益 放大器使得On和Op保持電位一致，減少電流失配。晶體管M5-M8同于減少UP和DOWN信 號對VCO控制線上的電荷注入。偏置電路是用于給電荷泵核心電路提供常量偏置電流。目前電荷泵的研究特點(1)常量電流，電荷泵的充電電流和放電電流在一定的 電荷輸出電壓范圍內(nèi)保持常量，例如電源電壓為1.8V，電荷泵輸出電壓范圍0. 4-1. 4V，如 圖4所示。(2)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，傳統(tǒng)電荷泵結(jié)構(gòu)需要提供偏置電流、反饋放大器以滿足性能要求。

發(fā)明內(nèi)容
(一)要解決的技術(shù)問題有鑒于此，本發(fā)明的主要目的在于提出一種用于鎖相環(huán)的自跟蹤電流型電荷泵， 以用于電荷泵鎖相環(huán)中。該單元實現(xiàn)了在0. 4-1. 4V電荷泵輸出電壓范圍內(nèi)動態(tài)的充放電電流(非常量電流nonconstant current)，并且充放電電流自跟蹤匹配以盡可能降低充電 電流和放電電流之差。除此之外，該單元結(jié)構(gòu)簡單、易實現(xiàn)(不需要外加偏置電路和反饋放 大器)。( 二 )技術(shù)方案為了解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明采用的技術(shù)方案如下一種用于鎖相環(huán)的自跟蹤電流型電荷泵，包括 一上拉電路，包括一個PMOS上拉開關(guān)晶體管，用于接收PFD輸出的控制命令信號； 一個PMOS電流鏡，用于提供充電電流；一個PMOS開關(guān)晶體管，用于上拉開關(guān)晶體管關(guān)閉時 提供放電路徑；一下拉電路，包括一個NMOS下拉開關(guān)晶體管，用于接收PFD輸出的控制命令信號； 一個NMOS電流鏡，用于提供放電電流；一個匪OS開關(guān)晶體管，用于下拉開關(guān)晶體管關(guān)閉時 提供充電路徑；以及一反饋控制電路，包括一個PMOS晶體管和一個NMOS晶體管，用于動態(tài)控制充放電 電流大小。上述方案中，所述上拉電路包括PMOS上拉開關(guān)晶體管Mpl，該晶體管的柵極接輸入端up，漏極標記為vctrl，源極 和襯底標記為net2 ；PMOS晶體管Mp3，該晶體管的柵極標記為net3，漏極接net3，源極和襯底接電源電 壓 VDD ；PMOS晶體管Mp4，該晶體管的柵極接net3，漏極接net2，源極和襯底接電源電壓 VDD ；以及PMOS開關(guān)晶體管，該晶體管的柵極接輸入端upb，漏極接地電壓GND，源極和襯底 接 net2。上述方案中，所述下拉電路包括NMOS下拉開關(guān)晶體管Mnl，該晶體管的柵極接輸入端dn，漏極接vctrl，源極標記 為net 1，襯底接地電壓GND ；NMOS晶體管Mn3，該晶體管的柵極標記為net4，漏極接net4，源極和襯底接地電壓 GND ；NMOS晶體管Mn4，該晶體管的柵極接net4，漏極接netl，源極和襯底接地電壓GND ； 以及NMOS開關(guān)晶體管，該晶體管的柵極接輸入端dnb，漏極接電源電壓VDD，源極接 net 1，襯底接地電壓GND。上述方案中，所述反饋控制電路包括PMOS晶體管Mp5，該晶體管的柵極接vctrl，漏極接net4，源極和襯底接net3 ；以 及NMOS晶體管Mn5，該晶體管的柵極接vctrl，漏極接net3，源極接net4，襯底接地電 壓 GND。上述方案中，所述PMOS電流鏡、NMOS電流鏡和反饋控制電路構(gòu)成動態(tài)自跟蹤電荷 泵的核心部分，實現(xiàn)非常量電流，并且動態(tài)匹配。
上述方案中，該電荷泵是一種自偏置電荷泵，不需要外加偏置電流，而是通過反饋 控制單元控制偏置電流，并且產(chǎn)生隨電荷泵輸出電壓變化的動態(tài)電流。(三)有益效果從上述技術(shù)方案可以看出，本發(fā)明具有以下有益效果1、本發(fā)明提供的這種用于鎖相環(huán)的自跟蹤電流型電荷泵，包括上拉電路、下拉電 路和反饋控制電路，實現(xiàn)了非常量電流，同時充電電流和放電電流動態(tài)跟蹤匹配。2、本發(fā)明提供的這種用于鎖相環(huán)的自跟蹤電流型電荷泵，是一種自偏置電荷泵， 不需要外加偏置電流，而是通過反饋控制單元控制偏置電流，并且產(chǎn)生了隨電荷泵輸出電 壓變化的動態(tài)電流。3、本發(fā)明提供的這種用于鎖相環(huán)的自跟蹤電流型電荷泵，不需要傳統(tǒng)電荷泵結(jié)構(gòu) 中所用的反饋放大器，進一步降低整體功耗和電路復(fù)雜度。4、本發(fā)明提供的這種用于鎖相環(huán)的自跟蹤電流型電荷泵，相比傳統(tǒng)電荷泵結(jié)構(gòu)使 用最少數(shù)目的晶體管，結(jié)構(gòu)簡單，易于實現(xiàn)。


通過下述優(yōu)選實施例結(jié)合附圖的描述，本發(fā)明的上述及其它特征將會變得更加明 顯，其中圖1是一種典型的電荷泵鎖相環(huán)電路；圖2是一種典型電流型電荷泵結(jié)構(gòu)；圖3是一種現(xiàn)有技術(shù)所公開的電流型電荷泵的實施例示意圖；圖4是一種典型電流型電荷泵的充放電電流與輸出控制電壓的關(guān)系曲線；圖5是本發(fā)明提供的用于鎖相環(huán)的自跟蹤源極電流型電荷泵的實施例示意圖；圖6是本發(fā)明實施例的充放電電流與輸出控制電壓的關(guān)系曲線。
具體實施例方式為使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點更加清楚明白，以下結(jié)合具體實施例，并參照 附圖，對本發(fā)明進一步詳細說明。圖5是本發(fā)明提供的用于鎖相環(huán)的自跟蹤電流型電荷泵的一種實施例的示意圖。 該實施例采用CMOS工藝實現(xiàn)。具體的電路描述如下一種用于鎖相環(huán)的自跟蹤電流型電荷泵，包括一上拉電路，包括一個PMOS上拉開關(guān)晶體管，用于接收PFD輸出的控制命令信號； 一個PMOS電流鏡，用于提供充電電流；一個PMOS開關(guān)晶體管，用于上拉開關(guān)晶體管關(guān)閉時 提供放電路徑；—下拉電路，包括一個NMOS下拉開關(guān)晶體管，用于接收PFD輸出的控制命令信號； 一個NMOS電流鏡，用于提供放電電流；一個匪OS開關(guān)晶體管，用于下拉開關(guān)晶體管關(guān)閉時 提供充電路徑；以及一反饋控制電路，包括一個PMOS晶體管和一個NMOS晶體管，用于動態(tài)控制充放電 電流大小。上述方案中，所述上拉電路包括
PMOS上拉開關(guān)晶體管Mpl，該晶體管的柵極接輸入端up，漏極標記為vctrl，源極 和襯底標記為net2 ；PMOS晶體管Mp3，該晶體管的柵極標記為net3，漏極接net3，源極和襯底接電源電 壓 VDD ；PMOS晶體管Mp4，該晶體管的柵極接net3，漏極接net2，源極和襯底接電源電壓 VDD ；以及PMOS開關(guān)晶體管，該晶體管的柵極接輸入端upb，漏極接地電壓GND，源極和襯底 接 net2。上述方案中，所述下拉電路包括NMOS下拉開關(guān)晶體管Mnl，該晶體管的柵極接輸入端dn，漏極接vctrl，源極標記 為net 1，襯底接地電壓GND ；NMOS晶體管Mn3，該晶體管的柵極標記為net4，漏極接net4，源極和襯底接地電壓 GND ；NMOS晶體管Mn4，該晶體管的柵極接net4，漏極接netl，源極和襯底接地電壓GND ； 以及NMOS開關(guān)晶體管，該晶體管的柵極接輸入端dnb，漏極接電源電壓VDD，源極接 net 1，襯底接地電壓GND。上述方案中，所述反饋控制電路包括PMOS晶體管Mp5，該晶體管的柵極接vctrl，漏極接net4，源極和襯底接net3 ；以 及NMOS晶體管Mn5，該晶體管的柵極接vctrl，漏極接net3，源極接net4，襯底接地電 壓 GND。為了更加詳細的說明本發(fā)明提出的用于鎖相環(huán)的自跟蹤電流型電荷泵技術(shù)特點， 接下來以自跟蹤電流型電荷泵為例給出仿真分析。采用SMIC(中芯國際集成電路制造有限 公司)的CMOS 0. 18 μ m混合信號工藝仿真圖5中的實施例，up設(shè)置為0V，upb設(shè)置為1. 8V, dn設(shè)置為1. 8V, dnb設(shè)置為0V。圖6中描述的曲線是圖5中自跟蹤源極電流型電荷泵的充 電電流(charge current)和放電電流(discharge current)與電荷泵輸出電壓的關(guān)系曲 線，該曲線圖的垂直坐標軸和水平坐標軸分別表示以安培(A)為單位的充放電電流和以伏 特(V)為單位的電荷泵輸出電壓。從該曲線可以分析1)、0 0. 3V，Mn5始終處于截止區(qū)，Mp5處于線性區(qū)，Mn4從深度線性區(qū)向飽和區(qū) 轉(zhuǎn)變，放電電流升高。由于Mp5的源極跟隨作用，隨著vctrl電壓升高，net3電壓升高，使 得充電電流降低。這個過程中Mp3-Mp5-Mn3形成直流通路。2)、0. 4 0. 9V，Mn5處于截止區(qū)，PMOS電流鏡和匪OS電流鏡都處于飽和區(qū)，由于 Mp5的源極跟隨作用，隨著vctrl電壓升高，net3電壓升高，使得Mp3-Mp5-Mn3形成直流通 路的電流減小，由于PMOS電流鏡和NMOS電流鏡的電流鏡像作用(電流鏡像比例相同)，使 得充電電流和放電電流等同降低。3)、0. 9V附近，反饋控制電路中兩個晶體管都進入飽和區(qū)，在這個區(qū)間當Μρ3的柵 極電壓最高(相應(yīng)Μη3的柵極電壓最低)時，充電電流和放電電流最小。4)、0. 9 1. 5V，Μρ5處于截止區(qū)，PMOS電流鏡和匪OS電流鏡都處于飽和區(qū)，由于Mn5的源極跟隨作用，隨著vctrl電壓升高，net4電壓升高，使得Mp3-Mp5-Mn3形成直流通 路的電流增加，由于PMOS電流鏡和NMOS電流鏡的電流鏡像作用(電流鏡像比例相同)，使 得充電電流和放電電流等同升高。5)、1. 5 1. 8V，Μρ5始終處于截止區(qū)，Μη5處于線性區(qū)，Μρ4從飽和區(qū)向深度線性 區(qū)轉(zhuǎn)變，放電電流降低。由于Μη5的源極跟隨作用，隨著vctrl電壓升高，net3電壓升高， 使得充電電流升高。這個過程中Mp3-Mn5-Mn3形成直流通路。通過上述分析，充分驗證了本發(fā)明提出的自跟蹤源極電流電荷泵的技術(shù)特點。以上所述的具體實施例，對本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和有益效果進行了進一步詳 細說明，所應(yīng)理解的是，以上所述僅為本發(fā)明的具體實施例而已，并不用于限制本發(fā)明，凡 在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)，所做的任何修改、等同替換、改進等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保 護范圍之內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種用于鎖相環(huán)的自跟蹤電流型電荷泵，其特征在于，包括一上拉電路，包括一個PMOS上拉開關(guān)晶體管，用于接收PFD輸出的控制命令信號；一個 PMOS電流鏡，用于提供充電電流；一個PMOS開關(guān)晶體管，用于上拉開關(guān)晶體管關(guān)閉時提供 放電路徑；一下拉電路，包括一個NMOS下拉開關(guān)晶體管，用于接收PFD輸出的控制命令信號；一個 NMOS電流鏡，用于提供放電電流；一個NMOS開關(guān)晶體管，用于下拉開關(guān)晶體管關(guān)閉時提供 充電路徑；以及一反饋控制電路，包括一個PMOS晶體管和一個NMOS晶體管，用于動態(tài)控制充放電電流大小。
2.如權(quán)利要求1所述的用于鎖相環(huán)的自跟蹤電流型電荷泵，其特征在于，所述上拉電 路包括PMOS上拉開關(guān)晶體管Mpl，該晶體管的柵極接輸入端up，漏極標記為vctrl，源極和襯 底標記為net2 ；PMOS晶體管Mp3，該晶體管的柵極標記為net3，漏極接net3，源極和襯底接電源電壓VDD ；PMOS晶體管Mp4，該晶體管的柵極接net3，漏極接net2，源極和襯底接電源電壓VDD ；以及PMOS開關(guān)晶體管，該晶體管的柵極接輸入端upb，漏極接地電壓GND，源極和襯底接 net2。
3.如權(quán)利要求1所述的用于鎖相環(huán)的自跟蹤電流型電荷泵，其特征在于，所述下拉電 路包括NMOS下拉開關(guān)晶體管Mnl，該晶體管的柵極接輸入端dn，漏極接vctrl，源極標記為 net 1，襯底接地電壓GND ；NMOS晶體管Mn3，該晶體管的柵極標記為net4，漏極接net4，源極和襯底接地電壓GND ；NMOS晶體管Mn4，該晶體管的柵極接net4，漏極接netl，源極和襯底接地電壓GND ；以及NMOS開關(guān)晶體管，該晶體管的柵極接輸入端dnb，漏極接電源電壓VDD，源極接netl，襯 底接地電壓GND。
4.如權(quán)利要求1所述的用于鎖相環(huán)的自跟蹤電流型電荷泵，其特征在于，所述反饋控 制電路包括PMOS晶體管Mp5，該晶體管的柵極接vctrl，漏極接net4，源極和襯底接net3 ；以及 NMOS晶體管Mn5，該晶體管的柵極接vctrl，漏極接net3，源極接net4，襯底接地電壓GND。
5.如權(quán)利要求1所述的用于鎖相環(huán)的自跟蹤電流型電荷泵，其特征在于，所述PMOS電 流鏡、NMOS電流鏡和反饋控制電路構(gòu)成動態(tài)自跟蹤電荷泵的核心部分，實現(xiàn)非常量電流，并 且動態(tài)匹配。
6.如權(quán)利要求1所述的用于鎖相環(huán)的自跟蹤電流型電荷泵，其特征在于，該電荷泵是 一種自偏置電荷泵，不需要外加偏置電流，而是通過反饋控制單元控制偏置電流，并且產(chǎn)生隨電荷泵輸出電壓變化的動態(tài)電流。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種用于鎖相環(huán)的自跟蹤電流型電荷泵，包括一上拉電路，包括一個PMOS上拉開關(guān)晶體管，用于接收PFD輸出的控制命令信號；一個PMOS電流鏡，用于提供充電電流；一個PMOS開關(guān)晶體管，用于上拉開關(guān)晶體管關(guān)閉時提供放電路徑；一下拉電路，包括一個NMOS下拉開關(guān)晶體管，用于接收PFD輸出的控制命令信號；一個NMOS電流鏡，用于提供放電電流；一個NMOS開關(guān)晶體管，用于下拉開關(guān)晶體管關(guān)閉時提供充電路徑；一反饋控制電路，包括一個PMOS晶體管和一個NMOS晶體管，用于動態(tài)控制充放電電流大小。本發(fā)明提出的自跟蹤電流型電荷泵實現(xiàn)了非常量電流，充電電流和放電電流動態(tài)跟蹤匹配，結(jié)構(gòu)簡單，易于實現(xiàn)。
文檔編號H02M3/07GK102075085SQ20091023876
公開日2011年5月25日 申請日期2009年11月24日 優(yōu)先權(quán)日2009年11月24日
發(fā)明者周玉梅, 陳勇, 陳鋮穎 申請人:中國科學(xué)院微電子研究所