專利名稱：電荷泵鎖相環(huán)阻尼因子補(bǔ)償電路的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及半導(dǎo)體集成電路設(shè)計中鎖相環(huán)系統(tǒng)的設(shè)計，特別涉及一種 電荷泵鎖相環(huán)阻尼因子補(bǔ)償電路。
背景技術(shù)：
典型的電荷泵鎖相環(huán)系統(tǒng)如圖1所示，其中包括一個電流源產(chǎn)生電路 和環(huán)路濾波器電路，其中電流源電路將產(chǎn)生電荷泵的充/放電電流，環(huán)路 濾波器把相位誤差轉(zhuǎn)換成壓控振蕩器的電壓信號。
電荷泵的電流是一個重要的參數(shù)，直接影響環(huán)路的特性。鎖相環(huán)由于 電阻溫度系數(shù)以及工藝導(dǎo)致的絕對值偏差會導(dǎo)致環(huán)路不穩(wěn)定。鎖相環(huán)系統(tǒng) 的穩(wěn)定性指標(biāo)之一即為阻尼因子《。通常在鎖相環(huán)系統(tǒng)設(shè)計中，阻尼因子 《是一個非常重要的指標(biāo)。
首先，通過圖2所示的I型鎖相環(huán)線性模型，可以推導(dǎo)其閉環(huán)傳輸函
數(shù)為<formula>formula see original document page 3</formula>(1)
其中，^D表示鑒相器的增益，4。表示壓控振蕩器(VC0)的增益， 表示環(huán)路濾波器的-3dB帶寬。
由公式(1)的二階傳輸函數(shù)表明I型系統(tǒng)的階躍響應(yīng)可能會出現(xiàn) 阻尼、臨界阻尼或者欠阻尼現(xiàn)象。為了得到每種情況出現(xiàn)的條件，可以把公式(1)的分母寫成控制理論中常用的形式，即P+2^"+^2，其中，《 是"阻尼系數(shù)"，^是"固有頻率"。也就是
外)=
J2 +<
(2)
其中，A二V^^^<formula>formula see original document page 4</formula>
2 《尸d《鼎
閉環(huán)系統(tǒng)的兩個極點由下面給出
氣2 = ± *2-1>> 2 = (_《± (5) 圖3示出了^為常數(shù)時不同的《值的集中情況，從圖中可知，對于
《<0.5，階躍響應(yīng)表現(xiàn)出劇烈的減幅振蕩?？紤]到鎖相環(huán)參數(shù)隨著工藝和 溫度的變化，《通常選擇大于V^/2，或者甚至等于l，以避免過多的振蕩。 對于常用的電荷泵鎖相環(huán)系統(tǒng)，其線性模型如圖4所示。模型給出的 開環(huán)傳輸函數(shù)為
7尸 Kkco
其中，^為電荷泵的充放電電流，c,為環(huán)路濾波器的電容。
因為環(huán)路增益在原點處有兩個極點，所以這種結(jié)構(gòu)被稱為"II型; 鎖相環(huán)。為了簡潔起見，用/f("表示其閉環(huán)傳輸函數(shù)，它等于
竭=—2(尸
此時可以看到，這個閉環(huán)系統(tǒng)中包含了兩個虛數(shù)極點
、2=±V/Ac。/(20，所以是不穩(wěn)定的。不穩(wěn)定性產(chǎn)生的原因是由于環(huán)路增益在原點反而有兩個極點，每個極點產(chǎn)生恒定90。的相移，使系統(tǒng)在增
益交點頻率下發(fā)生振蕩。
為了使系統(tǒng)穩(wěn)定，必須修改系統(tǒng)的相位特性，使得在增益交點處的相
位變異小于180°。如圖5所示，在環(huán)路增益中引入一個零點，也就是在環(huán) 路濾波電容中串聯(lián)一個電阻^，圖6所示為一增加一個零點的電荷泵鎖 相環(huán)電路，其中虛線模塊為環(huán)路濾波器。此時，環(huán)路的閉環(huán)傳輸函數(shù)為
<formula>formula see original document page 5</formula>
閉環(huán)系統(tǒng)中在^=-1/(^(^)包含一個零點。利用與I型鎖相環(huán)相同的 符號，就有
<formula>formula see original document page 5</formula> (9)
<formula>formula see original document page 5</formula> (10)
根據(jù)對以上電路的分析推導(dǎo)，阻尼因子的每一個參數(shù)都是一個變量， 因此工藝對《的影響很大。
為了保證較大的溫度變化范圍中系統(tǒng)具有符合要求的環(huán)路特性。通常 環(huán)路濾波器中的電阻會選擇溫度系數(shù)最小，寄生電容最小而且絕對精度比 較高的電阻類型，對工藝提出了很高的要求。但是電阻仍然受工藝、溫度 很大的影響，很難保證電荷泵鎖相環(huán)系統(tǒng)阻尼因子的穩(wěn)定。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是提供一種電荷泵鎖相環(huán)阻尼因子補(bǔ)償電 路，采用該電路能使電荷泵鎖相環(huán)系統(tǒng)的阻尼因子穩(wěn)定且半導(dǎo)體制作工藝簡單。
為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明的電荷泵鎖相環(huán)阻尼因子補(bǔ)償電路采用 的技術(shù)方案，包括電流源產(chǎn)生電路、環(huán)路濾波器、壓控振蕩器，電流源產(chǎn) 生電路的輸出電流作為電荷泵的充放電電流,環(huán)路濾波器包括濾波電容和 零點補(bǔ)償電阻，濾波電容同零點補(bǔ)償電阻串接， 一端同電荷泵電路的輸出 端及壓控振蕩器輸入端相連，其特征在于，電流源產(chǎn)生電路的輸出電流與 其電流產(chǎn)生電阻的絕對值的平方成反比，環(huán)路濾波器中的零點補(bǔ)償電阻類 型與電流源產(chǎn)生電路的電流產(chǎn)生電阻類型相同。
本發(fā)明的電荷泵鎖相環(huán)阻尼因子補(bǔ)償電路，利用了鎖相環(huán)內(nèi)部本身具 有的模塊，選擇優(yōu)化的電路結(jié)構(gòu)以及電阻類型即可以實現(xiàn)，具有結(jié)構(gòu)簡單 面積小的特點，能保證電荷泵鎖相環(huán)系統(tǒng)的阻尼因子穩(wěn)定且半導(dǎo)體工藝簡 單。


下面結(jié)合附圖及具體實施方式
對本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)說明。
圖l是典型的鎖相環(huán)系統(tǒng)框圖； 圖2是I型鎖相環(huán)線性模型；
圖3是不同阻尼因子值的二階系統(tǒng)欠阻尼響應(yīng)示意圖4是常用電荷泵鎖相環(huán)系統(tǒng)線性模型圖5—A是簡單電荷泵鎖相環(huán)的環(huán)路增益特性示意圖5—B是環(huán)路增益中增加一個零點之后的環(huán)路增益特性示意圖6是一增加一個零點的電荷泵鎖相環(huán)電路實施例；200
具體實施例方式
本發(fā)明的電荷泵鎖相環(huán)阻尼因子補(bǔ)償電路一實施方式如圖6所示，包 括電流源產(chǎn)生電路、環(huán)路濾波器，電流源產(chǎn)生電路的輸出電流作為電荷泵
的充放電電流，環(huán)路濾波器包括濾波電容Cp和零點補(bǔ)償電阻Rp，濾波電 容Cp同零點補(bǔ)償電阻Rp串接在一起，一端同電荷泵電路的輸出端及壓控 振蕩器(VC0)輸入端相連， 一端接地。電流源產(chǎn)生電路的輸出電流與產(chǎn) 生電流的電阻絕對值的平方成反比，環(huán)路濾波器中的零點補(bǔ)償電阻Rp類 型與電流源產(chǎn)生電路中產(chǎn)生電流的電阻類型相同，電阻類型相同，指的是 兩個電阻選用同樣的材質(zhì)，如下面舉的例子，都是poly (多晶硅)電阻， 而且在設(shè)計時選取同樣的溝道寬度和溝道長度,并且把兩者運用特殊的版 圖技術(shù)實現(xiàn)很好的匹配，讓工藝變化和溫度變化對兩個電阻的影響方向是 完全相同的。
一實施例如圖7所示，使用3倍乘電流源產(chǎn)生電路，電流源的主體電 路由M1,M2，M3，M4以及R1構(gòu)成，其中，Ml的柵端和漏端短接并與M3的 漏端、M2的柵端連接于A點，M4的柵端和漏端短接形成二極管連接，并 于M3的柵端和M2的漏端連接于B點。M3和M4的源端都接到電源電壓， M2的源端和電流產(chǎn)生電阻R1的正極相連，Rl的負(fù)極與地連接。其中Ml M4的晶體管均工作在飽和區(qū)，M2的溝道寬長比為Ml的溝道寬長比的K 倍，從而產(chǎn)生與電流產(chǎn)生電阻R1平方成反比的輸出電流。其電流輸出為
細(xì)=^^(1- ~^r) (11) 風(fēng)
把式(11)代入式(10)中，假設(shè)我們?nèi) =《可以得到<formula>formula see original document page 8</formula> ("12")
2冗 _W — 7F7 2兀 可見，只要環(huán)路濾波器里的零點補(bǔ)償電阻類型和e倍乘電流源產(chǎn)生電 路里的電流產(chǎn)生電阻類型相同，使兩個電阻的比值不隨溫度、工藝等條件 的變化而變化，為一恒定系數(shù)，就可以得到一個與電阻無關(guān)的系統(tǒng)阻尼因 子。
多晶硅(poly)電阻是最常用的電阻，溫度系數(shù)比較小，而且不需要 用特殊工藝。如果如圖6所示的零點補(bǔ)償電阻Rp采用多晶硅(poly)電 阻，溫度系數(shù)是正的，而且絕對精度可以保證在20%之內(nèi)，圖7所示的e 倍乘電流源電路的電阻電流產(chǎn)生R1也是用多晶硅(poly)電阻。只要把 圖7的輸出電流lout作為電荷泵的充放電電流Ip，通過圖6所示的濾波 器把電流信號轉(zhuǎn)化成電壓信號，就能得到一個與電阻無關(guān)的電荷泵鎖相環(huán) 系統(tǒng)阻尼因子。此兩個模塊都應(yīng)用于同一個電荷泵鎖相環(huán)電路系統(tǒng)中，該 系統(tǒng)的阻尼系數(shù)與電阻工藝偏差、溫度偏差無關(guān)。
半導(dǎo)體制作過程中，版圖實現(xiàn)中應(yīng)保證環(huán)路濾波器中使用的電阻與電 流源中的電阻盡可能的匹配。電路設(shè)計中，需要把兩個電阻的溝道寬度和 溝道長度均選擇相同的尺寸，個數(shù)可以不同。再通過版圖設(shè)計中，把兩個 電阻畫在一起，通過叉指版圖技術(shù)保證它們的相對精度就可以實現(xiàn)不隨電 阻變化的恒定阻尼因子。
本發(fā)明提供的電荷泵鎖相環(huán)阻尼因子補(bǔ)償電路，利用了鎖相環(huán)內(nèi)部本 身具有的模塊，選擇優(yōu)化的電路結(jié)構(gòu)以及電阻類型既可以實現(xiàn)，具有結(jié)構(gòu) 簡單面積小的特點。通過仿真以及實際電路測試，證明了能夠得到穩(wěn)定的系統(tǒng)。而且，使用的P倍乘電流源是許多電路中都需要用到的基本結(jié)構(gòu)， 這樣的3倍乘電流源產(chǎn)生電路和環(huán)路濾波器的相互補(bǔ)償方法可以很好的 用于阻尼因子補(bǔ)償。本發(fā)明主要是針對電阻受工藝、溫度的影響，難以保 證電荷泵鎖相環(huán)系統(tǒng)阻尼因子的穩(wěn)定的問題，提出了一種切實有效的阻尼 因子補(bǔ)償電路，無需額外的調(diào)整電路，能保證電荷泵鎖相環(huán)系統(tǒng)的阻尼因 子穩(wěn)定且半導(dǎo)體工藝簡單。
權(quán)利要求
1、一種電荷泵鎖相環(huán)阻尼因子補(bǔ)償電路，包括電流源產(chǎn)生電路、環(huán)路濾波器、壓控振蕩器，電流源產(chǎn)生電路的輸出電流作為電荷泵的充放電電流，環(huán)路濾波器包括濾波電容和零點補(bǔ)償電阻，濾波電容同零點補(bǔ)償電阻串接，一端同電荷泵電路的輸出端及壓控振蕩器輸入端相連，其特征在于，電流源產(chǎn)生電路的輸出電流與其電流產(chǎn)生電阻的絕對值的平方成反比，環(huán)路濾波器中的零點補(bǔ)償電阻類型與電流源產(chǎn)生電路的電流產(chǎn)生電阻類型相同。
2、 根據(jù)權(quán)利要求l所述的電荷泵鎖相環(huán)阻尼因子補(bǔ)償電路，其特征 在于，使用e倍乘電流源產(chǎn)生電路作為電流源產(chǎn)生電路。
3、 根據(jù)權(quán)利要求2所述的電荷泵鎖相環(huán)阻尼因子補(bǔ)償電路，其特征 在于，0倍乘電流源產(chǎn)生電路主體電路的晶體管均工作在飽和區(qū)。
4、 根據(jù)權(quán)利要求l、 2或3所述的電荷泵鎖相環(huán)阻尼因子補(bǔ)償電路， 其特征在于，零點補(bǔ)償電阻同電流產(chǎn)生電阻兩個電阻的材料相同，溝道寬 度和溝道長度尺寸相同，均勻分布于半導(dǎo)體版圖。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種電荷泵鎖相環(huán)阻尼因子補(bǔ)償電路，包括電流源產(chǎn)生電路、環(huán)路濾波器、壓控振蕩器，電流源產(chǎn)生電路的輸出電流作為電荷泵的充放電電流，環(huán)路濾波器包括濾波電容和零點補(bǔ)償電阻，濾波電容同零點補(bǔ)償電阻串接，一端同電荷泵電路的輸出端及壓控振蕩器輸入端相連，電流源產(chǎn)生電路的輸出電流與其電流產(chǎn)生電阻的絕對值的平方成反比，環(huán)路濾波器中的零點補(bǔ)償電阻類型與電流源產(chǎn)生電路的電流產(chǎn)生電阻類型相同。采用該電路能使電荷泵鎖相環(huán)系統(tǒng)的阻尼因子穩(wěn)定且半導(dǎo)體制作工藝簡單。
文檔編號H03L7/089GK101453213SQ200710094358
公開日2009年6月10日 申請日期2007年11月30日 優(yōu)先權(quán)日2007年11月30日
發(fā)明者何劍華, 李兆桂 申請人:上海華虹Nec電子有限公司