專利名稱：一種差分鎖相環(huán)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種模擬電路，特別是一種鎖相環(huán)電路。
背景技術(shù)：
通常，一個(gè)鎖相環(huán)(PLL)電路包括一個(gè)鑒相器，一個(gè)電荷泵，一個(gè)環(huán)路濾波器和一 個(gè)壓控振蕩器，鑒相器偵測輸入?yún)⒖紩r(shí)鐘信號(hào)與壓控振蕩器輸出時(shí)鐘信號(hào)之間的相位差。 電荷泵根據(jù)鑒相器的輸出結(jié)果來對(duì)環(huán)路濾波器進(jìn)行沖電和放電，壓控振蕩器隨環(huán)路濾波器 上的電壓的變化而改變輸出時(shí)鐘的頻率。整個(gè)電路形成反饋結(jié)構(gòu)，最終使得輸出時(shí)鐘的頻 率和相位等于輸入?yún)⒖紩r(shí)鐘。一般來說鎖相環(huán)所用的電荷泵包括兩種類型單端電荷泵和差分電荷泵。單端電 荷泵只有一路輸出，經(jīng)環(huán)路濾波器去控制壓控振蕩器。而差分電荷泵有兩路輸出，其差分信 號(hào)去控制壓控振蕩器。使用單端電荷泵的鎖相環(huán)，由于電荷泵的開關(guān)響應(yīng)鑒相器的控制信號(hào)，在輸出端 產(chǎn)生大的開關(guān)噪聲。這一噪聲很難被下一級(jí)的環(huán)路濾波器去除。通過壓控振蕩器，使鎖相 環(huán)電路的輸出時(shí)鐘產(chǎn)生抖動(dòng)。采用差分電荷泵的鎖相環(huán)電路，雖然開關(guān)噪聲仍然存在電荷泵的兩個(gè)輸出端，但 控制壓控振蕩器的信號(hào)是電荷泵輸出的差分值，開關(guān)噪聲作為共模信號(hào)，其變化可以被忽 略。但是采用差分電荷泵所帶來的一個(gè)重要問題是，電荷泵輸出端的共模電平是不確 定的。在差分電路中，信號(hào)的值取決于差分線之間的差值，與絕對(duì)值無關(guān)；共模電平指兩根 差分線上電壓和的一半，與絕對(duì)值有關(guān)。差分線上的共模電平的增加和減少并不影響差分 值的變化。通常差分電荷泵的輸出經(jīng)環(huán)路濾波器后需要通過一個(gè)差分轉(zhuǎn)單端輸出電路來轉(zhuǎn) 換差分電壓為單一幅度信號(hào)，然后再去控制壓控振蕩器，這一電路的輸入共模電平范圍是 受限的。更進(jìn)一步的，為了得到大的差分輸出幅度也需要將共模電平控制在一定范圍之內(nèi)。

發(fā)明內(nèi)容
—種差分鎖相環(huán)，包括電荷泵一、電荷泵二、鑒相器、壓控振蕩器、差分轉(zhuǎn)單端電 路、以及反相器一、反相器二、環(huán)路濾波器一、環(huán)路濾波器二；其中參考時(shí)鐘輸入鑒相器，所 述鑒相器輸出的充電信號(hào)和放電信號(hào)均連接到電荷泵一，且所述充電信號(hào)和放電信號(hào)還分 別經(jīng)反相器一和反相器二后均輸入所述電荷泵二，電荷泵一的輸出和電荷泵二的輸出分別 經(jīng)環(huán)路濾波器一和環(huán)路濾波器二后輸入差分轉(zhuǎn)單端電路，差分轉(zhuǎn)單端電路的輸出經(jīng)過壓控 振蕩器后輸出，且反饋回鑒相器；其特征在于還包括電壓比較器，電荷泵一的輸出和電荷 泵二的輸出分別經(jīng)環(huán)路濾波器一和環(huán)路濾波器二后輸入電壓比較器，且一參考電壓也輸入 電壓比較器，該電壓比較器的兩個(gè)輸出信號(hào)分別反饋回電荷泵一和電荷泵二。所述電壓比較器包括9個(gè)MOS管和2個(gè)電流源，其中PMOS管MP5、NMOS管MN8和 麗5串聯(lián)于電源VDD和地之間；MN8的柵漏極相連，麗5的柵漏極相連；PMOS管MP4與NMOS管麗1及電流源一串聯(lián)于電源VDD和地之間，MP4和MP5鏡像連接，MP4柵漏相連，電荷泵 一的輸出經(jīng)過環(huán)路濾波器一與麗1的柵極相連；PMOS管MPl與NMOS管麗2串聯(lián)于電源VDD 與電流源一之間，NMOS管麗3和電流源二串聯(lián)于MPl的漏極和地之間，且麗3與麗2鏡像 連接，參考電壓Vref輸入麗2與麗3的柵極；NMOS管MN4串聯(lián)于MP4的漏極和電流源二之 間，電荷泵二的輸出經(jīng)過環(huán)路濾波器二與MN4的柵極相連。所述的差分鎖相環(huán)當(dāng)電路最終穩(wěn)定時(shí)電荷泵一、二的輸出共模電平等于參考電壓 Vref0所述的差分鎖相環(huán)通過調(diào)整所述參考電壓Vref以改變電荷泵一、二輸出的共模 電平。匪OS管麗1、麗2、麗3和麗4為四個(gè)尺寸相同的MOS管，組成兩個(gè)差動(dòng)對(duì)，且兩個(gè) 差動(dòng)對(duì)的尾電流源大小相等。所述的電荷泵一由PMOS管MP3、開關(guān)管Si、S3和NMOS管MN7組成，其中MP3、S1、 S3、麗7依次串聯(lián)于電壓源VDD和地之間；所述鑒相器輸出的充電信號(hào)輸入開關(guān)管Sl的柵 極，所述鑒相器輸出的放電信號(hào)輸入開關(guān)管S3的柵極，MP3的柵極與所述電壓比較器中MPl 的柵極相連，麗7的柵極與所述電壓比較器中麗5的柵極相連。所述電荷泵二與電荷泵一 電路結(jié)構(gòu)相同。


圖1是本發(fā)明具體實(shí)施方式
的結(jié)構(gòu)示意圖；圖2是本發(fā)明具體實(shí)施方式
的部分模塊的具體電路圖。
具體實(shí)施例方式為了對(duì)本發(fā)明有更進(jìn)一步的了解，下面將結(jié)合附圖從原理、電路結(jié)構(gòu)和具體實(shí)施 方式等方面做詳細(xì)的說明。一種差分鎖相環(huán)，包括電荷泵一 102、電荷泵二 103、鑒相器101、壓控振蕩器110、 差分轉(zhuǎn)單端電路109、以及反相器一 104、反相器二 105、環(huán)路濾波器一 106、環(huán)路濾波器二 107、電壓比較器108 ；其中參考時(shí)鐘輸入鑒相器101，所述鑒相器101輸出的充電信號(hào)和放 電信號(hào)均連接到電荷泵一 102，且所述充電信號(hào)和放電信號(hào)還分別經(jīng)反相器一 104和反相 器二 105后均輸入所述電荷泵二 103，電荷泵一 102的輸出和電荷泵二 103的輸出分別經(jīng)環(huán) 路濾波器一 106和環(huán)路濾波器二 107后分別輸入差分轉(zhuǎn)單端電路109和電壓比較器108，且 一參考電壓也輸入電壓比較器108，該電壓比較器108的兩個(gè)輸出信號(hào)分別反饋回電荷泵 一 102和電荷泵二 103。差分轉(zhuǎn)單端電路109的輸出經(jīng)過壓控振蕩器110后輸出，且反饋回 鑒相器101。電壓比較器108包括9個(gè)MOS管和2個(gè)電流源，其中PMOS管MP5、匪OS管MN8和 麗5串聯(lián)于電源VDD和地之間；MN8的柵漏極相連，麗5的柵漏極相連；PMOS管MP4與NMOS 管麗1及電流源一串聯(lián)于電源VDD和地之間，MP4和MP5鏡像連接，MP4柵漏相連；電荷泵一 102的輸出經(jīng)過環(huán)路濾波器106 —與麗1的柵極相連；PMOS管MPl與NMOS管麗2串聯(lián)于電 源VDD與電流源一之間，NMOS管麗3和電流源二串聯(lián)于MP1的漏極和地之間，且麗3與麗2 鏡像連接，參考電壓Vref輸入麗2與麗3的柵極；NMOS管MN4串聯(lián)于MP4的漏極和電流源二之間，電荷泵二 103的輸出經(jīng)過環(huán)路濾波器二 107與MN4的柵極相連。電荷泵一 102由PMOS管MP3、開關(guān)管S1、S3和NMOS管MN7組成，其中MP3、S1、S3、 麗7依次串聯(lián)于電壓源VDD和地之間；所述鑒相器101輸出的充電信號(hào)輸入開關(guān)管Sl的柵 極，所述鑒相器101輸出的放電信號(hào)輸入開關(guān)管S3的柵極，MP3的柵極與所述電壓比較器 108中MPl的柵極相連，麗7的柵極與所述電壓比較器108中麗5的柵極相連。且電荷泵二 103與電荷泵一 102電路結(jié)構(gòu)相同。如圖2所示UB是U取反，DB是D取反。MP3，MP2為電荷泵一 102電荷泵二 103 提供充電電流Icpu，MN6，麗7為電荷泵一 102電荷泵二 103提供放電電流Icpd。電路工作 在穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)Icpu = Icpd，充放電電流相等。當(dāng)U為低電平時(shí)，電荷泵一對(duì)環(huán)路濾波器一 充電，電荷泵二同時(shí)對(duì)環(huán)路濾波器二放電，導(dǎo)致電荷泵一輸出電壓VCA上升，電荷泵二 103 輸出電壓VCB下降，兩者差值變大，共模值不變。當(dāng)D為高電平時(shí)，電荷泵一 102對(duì)環(huán)路濾 波器一 106放電，電荷泵二 103同時(shí)對(duì)環(huán)路濾波器二 107充電，導(dǎo)致電荷泵一 102輸出電壓 VCA下降，電荷泵二 103輸出電壓VCB上升，兩者差值變小，共模值不變。圖2所示電壓比較器108中，四個(gè)尺寸相同的MOS管麗1、MN2、MN3和麗4組成兩 個(gè)差動(dòng)對(duì)，兩個(gè)差動(dòng)對(duì)的尾電流源的大小相等，都為Iss，根據(jù)差動(dòng)對(duì)的特性，有g(shù)m* (VCB-Vref) = 11-12 式 1gm* (Vref-VCA) = 13-14 式 2其中g(shù)m為MOS管MNl、麗2、麗3、麗4的跨導(dǎo)，式1減式2可得，2gm* [ (VCB+VCA)/2-Vref ] = (11+14)-(12+13) 式 3電流(11+14)通過MP4、MP5、MN5、MN6、MN7組成的電流鏡傳遞到電荷泵一 102、電 荷泵二 103作為放電電流Icpd，電流(12+13)通過MP1、MP2、MP3組成的電流鏡傳遞到電荷 泵作為充電電流Icpu，設(shè)電荷泵一 102、電荷泵二 103的共模電平為VCM，則VCM可定義為 (VCB+VCA)/2，式3可改寫為2gm*[VCM-Vref] = Icpd-Icpu 式 4由式4可得，當(dāng)差分電荷泵輸出共模電平VCM大于參考電壓Vref時(shí)，Icpd > Icpu 即放電電流大于充電電流。在開關(guān)導(dǎo)通時(shí)，電荷泵兩個(gè)輸出電平VCA、VCB下降的速度大于 上升的速度，導(dǎo)致VCM降低。當(dāng)差分電荷泵輸出共模電平VCM小于參考電壓Vref時(shí)，Icpd < Icpu即放電電流小于充電電流。在開關(guān)導(dǎo)通時(shí)，電荷泵兩個(gè)輸出電平VCA、VCB上升的速 度大于下降的速度，導(dǎo)致VCM升高。當(dāng)電荷泵一 102、電荷泵二 103的共模電平VCM等于參 考電壓Vref時(shí)，Icpd = Icpu即放電電流等于充電電流，電荷泵兩個(gè)輸出電平VCA、VCB上 升和下降的速度相同，VCM保持不變。綜上所述，通過反饋環(huán)路的調(diào)節(jié)，最終VCM將與Vref 趨于一致，即電荷泵一 102、電荷泵二 103輸出的共模電平等于Vref。通過調(diào)節(jié)Vref的值 可改變共模電壓值。Iss = 11+12 = 13+14，所以穩(wěn)態(tài)時(shí)Icpu = Icpd = Iss,即充放電電流 等于Iss。MN8在這里作用類似一個(gè)電阻，通過調(diào)節(jié)MN8的尺寸可改變MN8上的電壓降的大 小，可使MP5的源漏極壓差與MP4相同，提高M(jìn)P5與MP4的電流鏡像精度。本發(fā)明公開的差分鎖相環(huán)，減少了差分電荷泵輸出共模電平變化對(duì)接在差分支路 上的環(huán)路濾波器濾波特性的影響，以及其后的差分轉(zhuǎn)單端電路轉(zhuǎn)換特性的影響，進(jìn)一步提 高了差分鎖相環(huán)的頻率穩(wěn)定性和對(duì)電源噪聲的抑制能力，并可通過外部參考電壓設(shè)置共模 電平值，使環(huán)路濾波器和差分轉(zhuǎn)單端電路工作在最佳工作電壓。
以上內(nèi)容是結(jié)合具體的優(yōu)選實(shí)施方式對(duì)本發(fā)明所作的進(jìn)一步詳細(xì)說明，不能認(rèn)定 本發(fā)明的具體實(shí)施只局限于這些說明。對(duì)于本發(fā)明所屬技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來說，在 不脫離本發(fā)明構(gòu)思的前提下，還可以做出若干簡單推演或替換，都應(yīng)當(dāng)視為屬于本發(fā)明的 保護(hù)范圍。
權(quán)利要求
1.一種差分鎖相環(huán)，包括電荷泵一、電荷泵二、鑒相器、壓控振蕩器、差分轉(zhuǎn)單端電 路、以及反相器一、反相器二、環(huán)路濾波器一、環(huán)路濾波器二 ；其中參考時(shí)鐘輸入鑒相器，所 述鑒相器輸出的充電信號(hào)和放電信號(hào)均連接到電荷泵一，且所述充電信號(hào)和放電信號(hào)還分 別經(jīng)反相器一和反相器二后均輸入所述電荷泵二，電荷泵一的輸出和電荷泵二的輸出分別 經(jīng)環(huán)路濾波器一和環(huán)路濾波器二后輸入差分轉(zhuǎn)單端電路，差分轉(zhuǎn)單端電路的輸出經(jīng)過壓控 振蕩器后輸出，且反饋回鑒相器；其特征在于還包括電壓比較器，電荷泵一的輸出和電荷 泵二的輸出分別經(jīng)環(huán)路濾波器一和環(huán)路濾波器二后輸入電壓比較器，且一參考電壓也輸入 電壓比較器，該電壓比較器的兩個(gè)輸出信號(hào)分別反饋回電荷泵一和電荷泵二。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種差分鎖相環(huán)，其特征在于所述電壓比較器包括9個(gè)MOS 管和2個(gè)電流源，其中PMOS管MP5、NM0S管麗8和麗5串聯(lián)于電源VDD和地之間；麗8的柵 漏極相連，麗5的柵漏極相連；PMOS管MP4與NMOS管麗1及電流源一串聯(lián)于電源VDD和地 之間，MP4和MP5鏡像連接，MP4柵漏相連，電荷泵一的輸出經(jīng)過環(huán)路濾波器一與MNl的柵極 相連；PMOS管MPl與NMOS管MN2串聯(lián)于電源VDD與電流源一之間，NMOS管MN3和電流源二 串聯(lián)于MPl的漏極和地之間，且麗3與麗2鏡像連接，參考電壓Vref輸入麗2與麗3的柵 極；NMOS管MN4串聯(lián)于MP4的漏極和電流源二之間，電荷泵二的輸出經(jīng)過環(huán)路濾波器二與 MN4的柵極相連。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種差分鎖相環(huán)，其特征在于所述的差分鎖相環(huán)當(dāng)電路最 終穩(wěn)定時(shí)電荷泵一、二的輸出共模電平等于參考電壓Vref。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種差分鎖相環(huán)，其特征在于所述的差分鎖相環(huán)通過調(diào)整 所述參考電壓Vref以改變電荷泵一、二輸出的共模電平。
5.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種差分鎖相環(huán)，其特征在于匪OS管麗1、麗2、麗3和麗4 為四個(gè)尺寸相同的MOS管，組成兩個(gè)差動(dòng)對(duì)，且兩個(gè)差動(dòng)對(duì)的尾電流源大小相等。
6.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種差分鎖相環(huán)，其特征在于所述的電荷泵一由PMOS管 MP3、開關(guān)管Si、S3和匪OS管麗7組成，其中MP3、Si、S3、麗7依次串聯(lián)于電壓源VDD和地 之間；所述鑒相器輸出的充電信號(hào)輸入開關(guān)管Sl的柵極，所述鑒相器輸出的放電信號(hào)輸入 開關(guān)管S3的柵極，MP3的柵極與所述電壓比較器中MPl的柵極相連，麗7的柵極與所述電壓 比較器中麗5的柵極相連。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的一種差分鎖相環(huán)，其特征在于所述電荷泵二與電荷泵一電 路結(jié)構(gòu)相同。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種差分鎖相環(huán)，包括電荷泵一、電荷泵二、鑒相器、壓控振蕩器、差分轉(zhuǎn)單端電路、以及反相器一、反相器二、環(huán)路濾波器一、環(huán)路濾波器二；還包括一電壓比較器。本發(fā)明公開的差分鎖相環(huán)，減少了差分電荷泵輸出共模電平變化對(duì)接在差分支路上的環(huán)路濾波器濾波特性的影響，進(jìn)一步提高了差分鎖相環(huán)的頻率穩(wěn)定性和對(duì)電源噪聲的抑制能力，并可通過外部參考電壓設(shè)置共模電平值，使環(huán)路濾波器和差分轉(zhuǎn)單端電路工作在最佳工作電壓。
文檔編號(hào)H03L7/085GK102130681SQ20101004446
公開日2011年7月20日 申請(qǐng)日期2010年1月19日 優(yōu)先權(quán)日2010年1月19日
發(fā)明者方尚俠, 石嶺, 高夫 申請(qǐng)人:深圳艾科創(chuàng)新微電子有限公司