專利名稱：一種低電流失配的鎖相環(huán)電荷泵電路的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種單端電荷泵，具體說是一種低電流失配的鎖相環(huán)電荷泵電路，其能夠有效的得到較大的輸出阻抗，寬的輸出電壓擺幅，和較低的系統(tǒng)增益誤差，又能夠以相對較低的電荷泵電流工作。
背景技術：
鎖相環(huán)(Phase locked loop,簡稱“PLL”)電路是用來產(chǎn)生一個能夠將頻率和相位鎖定在另外一個信號的電子系統(tǒng)，鎖相環(huán)電路可以與其他模塊一起構成時鐘數(shù)據(jù)恢復電路，將輸入數(shù)據(jù)同步到一個時鐘信號。典型的PLL包括一個鑒頻鑒頻器(Phase Frequency Detector,簡稱PFD)、電荷泵(Charge Pump,簡稱CP)、環(huán)路濾波器(Low Pass Filter,簡稱LPF)和壓控振蕩器(Voltage Controlled Oscillator,簡稱VC0)。PLL接受外部參考信號，并與本地產(chǎn)生的頻 率可變信號進行相位比較。鑒頻鑒相器PFD通過比較參考信號和本地頻率可變信號，產(chǎn)生相位誤差信號UP和DN，這兩個相位誤差信號作為電荷泵CP的輸入。電荷泵CP會產(chǎn)生一
個相應的電流；^來響應相位誤差信號。電又會流入環(huán)路濾波器LPF并產(chǎn)生一個電壓
Feti用以控制壓控振蕩器VCO來相應的改變振蕩頻率。通過控制VCO的輸出頻率，PLL的頻率和相位會逐漸匹配到輸入的參考信號。如圖I所示現(xiàn)有的PLL包括鑒相器(PHASE DETCET0R)，用來檢測兩個信號的相位誤差；電荷泵(charge pump),用來接收鑒相器的誤差信號并輸出一個對應的電流Icp ;環(huán)路濾波器(LOOP FILTER)，用來控制反饋環(huán)路(CLOCK SIGNAL)的動態(tài)特性，并濾除電荷
泵產(chǎn)生的電流的高頻噪聲；壓控振蕩器(VCO)根據(jù)環(huán)路濾波器產(chǎn)生的的輸出電壓T/來
l/ct3
產(chǎn)生可變頻的時鐘信號，反饋環(huán)路將這些元件連接起來。系統(tǒng)(PLL)接受一個參考信號(Reference Signal),產(chǎn)生一個時鐘信號(Clock Signal)用來匹配這個參考信號的頻率。鑒相器比較的是一個參考信號和一個時鐘信號的相位。鑒相器可能會包括一個XOR門，或者是一個四象限乘法器，或者是一個鑒頻鑒相器(PFD)。實際中，鑒相器用參考信號和時鐘信號的相位差來產(chǎn)生一個相應的誤差修正信號。這個誤差修正信號包含一個上升信號(記為“up”)和一個下降信號(記為“dn”)，誤差修正信號包括兩個工作在相反的邏輯的信號，一個是上升信號，一個是下降信號。實際中，誤差修正信號與參考信號、時鐘信號的相位誤差信號成正比。如果時鐘信號的相位嚴重滯后于參考信號的相位，鑒相器輸出一個相對較寬的up信號(例如，一個寬的正信號)。如果時鐘信號的相位稍微超前與于參考信號的相位，鑒相器輸出一個相對較窄的dn信號(例如，一個窄的負信號)。
鑒相器將誤差修正信號傳送給電荷泵。電荷泵響應接收到的誤差修正信號產(chǎn)生一
個電流實際中，up和dn信號脈沖寬度的大小與電荷泵輸出的平均電流成正比。一個
寬的up脈沖使電荷泵供給環(huán)路濾波器成比例的大量的正電流，而一個窄的dn脈沖使電荷泵供給環(huán)路濾波器成比例的少量的負電流。電荷泵的輸出電流決定了環(huán)路濾波器的輸出電壓(I/rf)。實際中，環(huán)路濾波器會
濾除與電荷泵輸出電流相關的高頻部分(例如噪聲，高頻輸入抖動等等)，從而使f ,很好的
跟蹤無高頻干擾(或其他不希望的干擾)的參考信號相位變化。另外，電荷泵的輸出阻抗會影響環(huán)路濾波器的傳輸函數(shù)。因此，希望電荷泵有很高的輸出阻抗。環(huán)路濾波器的輸出電壓(例如)傳輸?shù)絍CO。VCO根據(jù)Fcti產(chǎn)生時鐘信號(Clock
Signal)。實際中，Kti控制VCO輸出的時鐘信號的頻率。電荷泵產(chǎn)生的一個大的正電流脈
沖會使環(huán)路濾波器處的Fcti成比例的上升。反過來，增加的Fcti又會使VCO時鐘信號的頻率增
力口。電荷泵產(chǎn)生的一個小的負電流脈沖會使環(huán)路濾波器處的成比例的減小，而減小的1^又會使VCO時鐘信號的頻率降低。因為電荷泵的輸出電流會直接影響VCO的頻率，所以就需要使得VCO工作在一個盡量寬的線性電壓范圍來保證所需要的頻率。壓控振蕩器VCO產(chǎn)生的時鐘信號反饋到鑒相器，并通過上面的步驟將時鐘信號和參考信號進行同步。因為壓控振蕩器VCO的振蕩頻率由環(huán)路濾波器輸出端控制電壓Frf決定，而控制電 又取決于電荷泵產(chǎn)生的電流，所以電荷泵CP的線性工作范圍就很重要。
Kti現(xiàn)有的電荷泵電路由于MOS開關寄生的柵漏電容、柵源電容以及溝道反型層中電荷的存在，整個電荷泵電路就會存在泄漏電流、充放電電流失配、電荷泵開關延時失配、時鐘饋通等非線性問題，而這些非線性問題會引起電荷泵輸出電壓的抖動，進而引起VCO輸出頻率的抖動并降低噪聲性能。

發(fā)明內(nèi)容
發(fā)明目的本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術的不足，提供一種可以滿足低電流失配的鎖相環(huán)電荷泵電路。
為了解決上述技術問題，本發(fā)明采用了如下的技術方案
一種低電流失配的鎖相環(huán)電荷泵電路，它包括電流鏡和電荷泵，所述的電荷泵包括第
一輸入傳輸門Tttp :用于接收互補的上升信號up、upb,為了響應上升信號，從電源1^傳送一
個相應的輸出電流到輸出節(jié)點vout ;第二輸入傳輸門Tte :接收互補的下降信號dn、dnb，為了響應下降信號，從輸出節(jié)點VOUt傳送一個相應的輸出電流到地gnd ;在第一輸入傳輸門Tup和輸出節(jié)點vout之間設有共源共柵晶體管M41、M42構成了第一條電流通路；共源共柵
晶體管M41的源端連接到第一輸入傳輸門Tup ;在輸出節(jié)點vout和第二輸入傳輸門Tdll之間
設有共源共柵晶體管M43、M44構成了第二條電流通路；共源共柵晶體管M44的源端連接到
第二輸入傳輸門Tdn ；電流鏡耦合到共源共柵晶體管M41、M42、M43、M44的柵極，傳輸偏置電
壓V1、V2，、V3、V4分別到共源共柵晶體管M41、M42、M43、M44的柵極；偏置電壓V1、V2，、V3、V4分別使共源共柵晶體管M41、M42、M43、M44工作在飽和區(qū)。其中，共源共柵晶體管M41、M42是pMOS晶體管；共源共柵晶體管M43、M44是nMOS晶體管；共源共柵晶體管M41、M42、M43、M44也可以是雙極結型晶體管或金屬氧化物半導體場效應晶體管。其中，所述的電流鏡包括場效應管M4a，場效應管M4a的源級接電源1>^ ,場效應管
M4a的柵極接地gnd，場效應管M4a的漏極接場效應管Mll的源極；場效應管Mll的柵極接場效應管M12的漏極，場效應管Mll的漏極接場效應管M12的源極，場效應管M12的漏極接場效應管M5a的漏極，場效應管M5a的源級接地gnd，場效應管M5a的柵極接場效應管MO的
的柵極；場效應管M4b的源級接電源1^:,場效應管M4b的柵極接地gnd，場效應管M4b的漏
極接場效應管M13的源極，場效應管M13的柵極接場效應管M12的柵極，場效應管M13的柵極與自己的漏極相連，場效應管M13的漏極還接場效應管M5b的漏極，場效應管M5b的柵極
接場效應管M5a的柵極，場效應管M5a的源極接地gnd ;場效應管M4c的源級接電源Fm ,場
效應管M4c的柵極接地gnd，場效應管M4c的漏極接場效應管M14的源極；場效應管M14的柵極接場效應管Ml I的柵極，場效應管M14的漏極接場效應管M15的源極，場效應管M15的柵極接場效應管M13的柵極，場效應管M15的漏極接場效應管M5c的柵極；場效應管M16的漏極接場效應管M15的漏極，場效應管M16的柵極接場效應管M5d的柵極，場效應管M16的
源極接場效應管M5c的漏極，場效應管M5c的源極接地gnd ;場效應管M4d的源級接電源F32
，場效應管M4d的柵極接地gnd，場效應管M4d的漏極接場效應管M17的源極，場效應管M17的柵極接場效應管M14的柵極；場效應管M17的漏極接場效應管M5d的漏極，場效應管M5d的漏極還與其自身的柵極相接，場效應管M5d的源級接地gnd ;場效應管M4e的源級接電源
匕￡ ,場效應管M4e的柵極接地gnd，場效應管M4e的漏極接場效應管M18的源極，場效應管
M18的柵極接場效應管M19的漏極，場效應管M18的漏極接場效應管M19的源極，場效應管M19的柵極分別接場效應管M15、M21的柵極，場效應管M19的漏極還接場效應管M22的漏極，場效應管M22的柵極分別接場效應管M5d、M24的柵極，場效應管M22的源極接場效應管M23的漏極，場效應管M23的柵極分別接場效應管M5c、M25的柵極，場效應管M23的源極接
場效應管M5e的漏極，場效應管M5e的柵極接電源,場效應管M5e的源極接地gnd ;場效
應管M4f的源級接電源^^ ,場效應管M4f的柵極接地gnd，場效應管M4f的漏極接場效應管
M20的源極，場效應管M20的柵極接場效應管M18的柵極，場效應管M20的漏極接場效應管M21的源極，場效應管M21的柵極接場效應管M19的柵極，場效應管M21的漏極接場效應管M24的漏極，場效應管M24的源極接場效應管M25的漏極，場效應管M25的源極接場效應管M5f的漏極，場效應管M5f的柵極接電源Fa2p場效應管M5f的源極接地gnd ；場效應管M20的柵極還與共源共柵晶體管M41的柵極連接，場效應管M21的柵極還與共源共柵晶體管M42的柵極連接，場效應管M24的柵極還與共源共柵晶體管M43的柵極連接，場效應管M25的柵極還與共源共柵晶體管M44的柵極連接。其中，所述的電流鏡中的場效應管1143、] 413、]\14(3、]\14(1、]\146、]\14乜]\111、]\112、]\113、]\114、M15、M17、M18、M19、M20、M21為P型金屬氧化物半導體場效應晶體管；場效應管MO、M5a、M5b、M5c、M5d、M5e、M5f，M16，M22、M23、M24、M25為N型金屬氧化物半導體場效應晶體管。其中，所述電流鏡中的P型金屬氧化物半導體場效應晶體管和N型金屬氧化物半導體場效應晶體管根據(jù)以下的公式進行設置，以便產(chǎn)生偏置電壓VI、V2、V3、V4
權利要求
1.一種低電流失配的鎖相環(huán)電荷泵電路，它包括電流鏡和電荷泵，其特征在于所述的電荷泵包括 第一輸入傳輸門^ip :用于接收互補的上升信號up、upb,為了響應上升信號,從電源1^ ；傳送ー個相應的輸出電流到輸出節(jié)點vout ； 第二輸入傳輸門Tdn :接收互補的下降信號dn、dnb，為了響應下降信號，從輸出節(jié)點VOUt傳送ー個相應的輸出電流到地gnd ； 在第一輸入傳輸門Ip和輸出節(jié)點vout之間設有共源共柵晶體管M41、M42構成了第一條電流通路；共源共柵晶體管M41的源端連接到第一輸入傳輸門Tlip ； 在輸出節(jié)點vout和第二輸入傳輸門Tda之間設有共源共柵晶體管M43、M44構成了第二條電流通路；共源共柵晶體管M44的源端連接到第二輸入傳輸門Tda ； 電流鏡耦合到共源共柵晶體管M41、M42、M43、M44的柵極，傳輸偏置電壓VI、V2，、V3、V4分別到共源共柵晶體管M41、M42、M43、M44的柵極；偏置電壓V1、V2，、V3、V4分別使共源共柵晶體管M41、M42、M43、M44工作在飽和區(qū)。
2.根據(jù)權利要求I所述的ー種低電流失配的鎖相環(huán)電荷泵電路，其特征在于共源共柵晶體管M41、M42是pMOS晶體管；共源共柵晶體管M43、M44是nMOS晶體管。
3.根據(jù)權利要求I所述的ー種低電流失配的鎖相環(huán)電荷泵電路，其特征在于共源共柵晶體管M41、M42、M43、M44是雙極結型晶體管或金屬氧化物半導體場效應晶體管。
4.根據(jù)權利要求1、2或3所述的ー種低電流失配的鎖相環(huán)電荷泵電路，其特征在于所述的電流鏡包括場效應管M4a，場效應管M4a的源級接電源Fm ,場效應管M4a的柵極接地gnd，場效應管M4a的漏極接場效應管Mll的源極；場效應管Ml I的柵極接場效應管M12的漏極，場效應管Ml I的漏極接場效應管M12的源極，場效應管M12的漏極接場效應管M5a的漏極，場效應管M5a的源級接地gnd，場效應管M5a的柵極接場效應管MO的的柵極； 場效應管M4b的源級接電源Fm ,場效應管M4b的柵極接地gnd，場效應管M4b的漏極接場效應管M13的源扱，場效應管M13的柵極接場效應管M12的柵極，場效應管M13的柵極與自己的漏極相連，場效應管M13的漏極還接場效應管M5b的漏極，場效應管M5b的柵極接場效應管M5a的柵極，場效應管M5a的源極接地gnd ； 場效應管M4c的源級接電源Fm ,場效應管M4c的柵極接地gnd，場效應管M4c的漏極接場效應管M14的源極；場效應管M14的柵極接場效應管Mll的柵極，場效應管M14的漏極接場效應管M15的源扱，場效應管M15的柵極接場效應管M13的柵極，場效應管M15的漏極接場效應管M5c的柵極；場效應管M16的漏極接場效應管M15的漏極，場效應管M16的柵極接場效應管M5d的柵極，場效應管M16的源極接場效應管M5c的漏極，場效應管M5c的源極接地 gnd ；場效應管M4d的源級接電源Fm ,場效應管M4d的柵極接地gnd，場效應管M4d的漏極接場效應管M17的源扱，場效應管M17的柵極接場效應管M14的柵極；場效應管M17的漏極接場效應管M5d的漏極，場效應管M5d的漏極還與其自身的柵極相接，場效應管M5d的源級接地 gnd ；場效應管M4e的源級接電源Fm ,場效應管M4e的柵極接地gnd，場效應管M4e的漏極接場效應管M18的源極，場效應管M18的柵極接場效應管M19的漏極，場效應管M18的漏極接場效應管M19的源極，場效應管M19的柵極分別接場效應管M15、M21的柵極，場效應管M19的漏極還接場效應管M22的漏扱，場效應管M22的柵極分別接場效應管M5d、M24的柵極，場效應管M22的源極接場效應管M23的漏極，場效應管M23的柵極分別接場效應管M5c、M25的柵極，場效應管M23的源極接場效應管M5e的漏扱，場效應管M5e的柵極接電源Ffli，場效應管M5e的源極接地gnd ；場效應管M4f的源級接電源,場效應管M4f的柵極接地gnd，場效應管M4f的漏極接場效應管M20的源極，場效應管M20的柵極接場效應管M18的柵極，場效應管M20的漏極接場效應管M21的源扱，場效應管M21的柵極接場效應管M19的柵極，場效應管M21的漏極接場效應管M24的漏極，場效應管M24的源極接場效應管M25的漏極，場效應管M25的源極接場效應管M5f的漏極，場效應管M5f的柵極接電源も3,場效應管M5f的源極接地gnd ；場效應管M20的柵極還與共源共柵晶體管M41的柵極連接，場效應管M21的柵極還與共源共柵晶體管M42的柵極連接，場效應管M24的柵極還與共源共柵晶體管M43的柵極連接，場效應管M25的柵極還與共源共柵晶體管M44的柵極連接。
5.根據(jù)權利要求4所述的ー種低電流失配的鎖相環(huán)電荷泵電路，其特征在于所述的電流鏡中的場效應管 M4a、M4b、M4c、M4d、M4e、M4f，Mil、M12、M13、M14、M15、M17、M18、M19、M20、M21為P型金屬氧化物半導體場效應晶體管；場效應管MO、M5a、M5b、M5c、M5d、M5e、M5f, M16，M22、M23、M24、M25為N型金屬氧化物半導體場效應晶體管。
6.根據(jù)權利要求5所述的ー種低電流失配的鎖相環(huán)電荷泵電路，其特征在干所述電流鏡中的P型金屬氧化物半導體場效應晶體管和N型金屬氧化物半導體場效應晶體管根據(jù)以下的公式進行設置，以便產(chǎn)生偏置電壓V1、V2、V3、V4
7.根據(jù)權利要求I所述的ー種低電流失配的鎖相環(huán)電荷泵電路，其特征在干電流鏡將偏置電壓V1、V2、V3、V4分別通過第一個節(jié)點N31、第二個節(jié)點N32、第三個節(jié)點N33、第四個節(jié)點N34連接到共源共柵晶體管M41、M42、M43、M44的柵極。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種低電流失配的鎖相環(huán)電荷泵電路，它包括電流鏡和電荷泵，電荷泵包括第一輸入傳輸門和第二輸入傳輸門；在第一輸入傳輸門和輸出節(jié)點vout間設有共源共柵晶體管M41、M42構成了第一條電流通路；在輸出節(jié)點vout和第二輸入傳輸門之間設有共源共柵晶體管M43、M44構成了第二條電流通路；電流鏡耦合到共源共柵晶體管M41、M42、M43、M44的柵極，傳輸偏置電壓V1、V2，、V3、V4分別到共源共柵晶體管M41、M42、M43、M44的柵極；偏置電壓V1、V2，、V3、V4分別使共源共柵晶體管M41、M42、M43、M44工作在飽和區(qū)。相比較一般沒有用共源共柵結構的電荷泵電路，輸出阻抗大了一個量級，得到一個較小的失配電流。
文檔編號H02M3/07GK102664520SQ20121014303
公開日2012年9月12日 申請日期2012年5月10日 優(yōu)先權日2012年5月10日
發(fā)明者張文華, 徐平平 申請人:東南大學