鎖相環(huán)時(shí)鐘數(shù)據(jù)恢復(fù)器用電荷泵裝置的制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種電荷泵裝置，尤其涉及一種鎖相環(huán)時(shí)鐘數(shù)據(jù)恢復(fù)器用電荷泵裝 置。
【背景技術(shù)】
[0002] 時(shí)鐘數(shù)據(jù)恢復(fù)器廣泛的應(yīng)用于高速串行數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)的接收端，它從串行數(shù)據(jù)中 恢復(fù)出正確的采樣時(shí)鐘，基于鎖相環(huán)路（Phase locked loop，PLL)的時(shí)鐘數(shù)據(jù)恢復(fù)器的應(yīng) 用最為廣泛，這種類(lèi)型的時(shí)鐘數(shù)據(jù)恢復(fù)器由兩條環(huán)路構(gòu)成：頻率合成環(huán)路即鎖相環(huán)路和相 位跟蹤環(huán)路，工作原理是先產(chǎn)生適當(dāng)?shù)念l率再進(jìn)行相位跟蹤。關(guān)于時(shí)鐘數(shù)據(jù)恢復(fù)器的架構(gòu) 和應(yīng)用請(qǐng)參看Ming-ta Hsieh等人發(fā)表在國(guó)際電氣工程師協(xié)會(huì)期刊Circuits and Systems Magazine 上的文章 Architectures For Multi-gigabit Wire-linked Clock and Data Recovery。
[0003] -種基于鎖相環(huán)路的時(shí)鐘數(shù)據(jù)恢復(fù)器的原理如圖I所示，它由鎖相環(huán)路和相位跟 蹤環(huán)路組成。鎖相環(huán)路由鑒頻鑒相器，電荷泵A，環(huán)路濾波器，壓控振蕩器和分頻器構(gòu)成，用 于產(chǎn)生對(duì)數(shù)據(jù)采樣所需要的頻率；相位跟蹤環(huán)路在壓控振蕩器頻率鎖定后開(kāi)始工作，它使 恢復(fù)的時(shí)鐘相位隨輸入數(shù)據(jù)相位的變化而變化，相位跟蹤環(huán)路由鑒相器，電荷泵B，濾波器， 壓控振蕩器構(gòu)成，鎖相環(huán)路和相位跟蹤環(huán)路復(fù)用濾波器和壓控振蕩器。
[0004] 頻率鎖定過(guò)程中，電荷泵A對(duì)壓控振蕩器的控制電壓Vctrl充放電，此時(shí)，電荷泵B 的輸出懸空，輸出電位具有較大的隨意性，頻率鎖定后，Vctrl由電荷泵A切換到電荷泵B， 切換過(guò)程中Vctrl會(huì)出現(xiàn)波動(dòng)，如果波動(dòng)較大，壓控振蕩器輸出的時(shí)鐘頻率會(huì)發(fā)生較大的 改變，導(dǎo)致相位跟蹤環(huán)路的使能無(wú)法打開(kāi)，環(huán)路又切換回鎖相環(huán)路進(jìn)行頻率鎖定。這樣，系 統(tǒng)會(huì)在兩個(gè)環(huán)路之間不斷地切換，壓控振蕩器輸出的時(shí)鐘相位無(wú)法跟蹤輸入數(shù)據(jù)相位的變 化，無(wú)法采出正確的數(shù)據(jù)。因此，在鎖相環(huán)路頻率接近鎖定的過(guò)程中，電荷泵B的輸出電壓 需要跟隨Vctrl的變化。
[0005] 電荷和共享是電荷泵設(shè)計(jì)需要關(guān)注的話題，一種簡(jiǎn)單的電荷泵電路如圖2 (a)所 示，PMOS管Ml、PMOS管M2為開(kāi)關(guān)管，控制電流源對(duì)Vctrl的充、放電，電流源的充、放電電 流相等。當(dāng)上拉管PMOS管Ml關(guān)斷時(shí)，PMOS管Ml的源極會(huì)被上拉電流源Il充到較高的電 位，PMOS管Ml管再次導(dǎo)通時(shí)，其源極和漏極之間會(huì)發(fā)生電荷共享，電荷共享使Vctrl的電 位有較大瞬時(shí)跳變。對(duì)相位跟蹤環(huán)路，電荷泵對(duì)壓控振蕩器的調(diào)節(jié)可以分離為比例路徑和 積分路徑(參見(jiàn)美國(guó)專(zhuān)利，專(zhuān)利號(hào)：US2001/0156777)，比例路徑用于產(chǎn)生較大的瞬時(shí)相位， 跟蹤輸入數(shù)據(jù)抖動(dòng)的高頻分量，在UP端口和DN端口調(diào)節(jié)結(jié)束后即消失。對(duì)于RC濾波器而 言，比例路徑相當(dāng)于電阻對(duì)電荷泵電流的響應(yīng)，積分路徑相當(dāng)于電容對(duì)電荷泵電流的響應(yīng)。 相位跟蹤環(huán)路設(shè)計(jì)時(shí)，積分路徑和比例路徑對(duì)壓控振蕩器頻率調(diào)節(jié)的比例是重要的設(shè)計(jì)參 數(shù)：比例路徑比例偏大會(huì)造成Hunting抖動(dòng)增大；比例路徑偏小會(huì)使系統(tǒng)發(fā)生Slew-Rate, 系統(tǒng)對(duì)輸入相位跟蹤能力減弱。關(guān)于積分路徑和比例路徑對(duì)時(shí)鐘數(shù)據(jù)恢復(fù)器相位跟蹤的 影響請(qǐng)參看國(guó)際電氣工程師協(xié)會(huì)出版的Phase-Locking In High Performace Systems 中的文章 Designing Bang-Bang PLLs for Clock and Date Recovery in Serial Date Transmission Systems。圖3示出了電荷泵對(duì)低通濾波器充電時(shí)電阻、電容對(duì)Vctrl電位的 貢獻(xiàn)，由圖3可知，電荷共享相當(dāng)于改變了比例路徑的調(diào)節(jié)強(qiáng)度，具體表現(xiàn)在：當(dāng)電荷泵上 拉時(shí)，電荷共享增加了比例路徑的調(diào)節(jié)強(qiáng)度，系統(tǒng)的Hunting抖動(dòng)增加；當(dāng)電荷泵下拉時(shí)， 電荷共享減小了比例路徑的調(diào)節(jié)強(qiáng)度，系統(tǒng)的跟蹤能力減弱。
[0006] 一種改進(jìn)的電荷泵電路如圖2(b)所示，PMOS管Ml關(guān)斷后，PMOS管M3導(dǎo)通，單位 增益運(yùn)放使PMOS管M3的漏極電壓跟隨PMOS管Ml漏極電壓，PMOS管Ml再次打開(kāi)時(shí)，PMOS 管Ml源極和漏極之間不會(huì)出現(xiàn)電荷共享，同理，PMOS管M2由關(guān)斷變?yōu)閷?dǎo)通時(shí)，其源極和漏 極之間也不會(huì)出現(xiàn)電荷共享，圖2 (b)中上拉電流源和下拉電流源電流大小相等，且使用了 運(yùn)放構(gòu)成電壓跟隨器。
[0007] 圖1中，鑒相器是Hogge型鑒相器或Alexander型鑒相器，用于比較數(shù)據(jù)相位和時(shí) 鐘相位之間的超前、滯后關(guān)系，產(chǎn)生電荷泵B充、放電的控制信號(hào)。當(dāng)數(shù)據(jù)相位超前時(shí)，鑒相 器輸出信號(hào)加快壓控振蕩器的頻率，使時(shí)鐘相位"追上"數(shù)據(jù)相位，當(dāng)數(shù)據(jù)相位滯后時(shí)，鑒相 器輸出信號(hào)減慢壓控振蕩器的頻率，使時(shí)鐘和數(shù)據(jù)之間的誤差相位減小。當(dāng)數(shù)據(jù)沒(méi)有跳變 時(shí)，即出現(xiàn)連續(xù)的0或1，此時(shí)鑒相器無(wú)法比較輸入數(shù)據(jù)和壓控振蕩器之間的相位關(guān)系，壓 控振蕩器處于頻率保持模式Alexander型鑒相器將會(huì)產(chǎn)生控制信號(hào)同時(shí)打開(kāi)并同時(shí)關(guān) 斷電荷泵B的充放電開(kāi)關(guān)，Vctrl上不會(huì)累積電荷，Vctrl電位保持不變；Hogge型鑒相器先 對(duì)Vctrl充電再放電，由于充電和放電的電荷相等，Vctrl的平均電位保持一定。
[0008] 圖2 (a)和圖2 (b)所不的電荷栗分別使用了 PMOS晶體管作為上拉開(kāi)關(guān)，NMOS晶 體管作為下拉開(kāi)關(guān)，不同類(lèi)型晶體管的物理特性不同，對(duì)于采用Alexander型鑒相器構(gòu)成 的環(huán)路，相位跟蹤環(huán)路處于頻率保持模式時(shí)，PMOS晶體管和NMOS晶體管之間的失配和偏差 會(huì)使Vctrl電位發(fā)生改變，造成壓控振蕩器的頻率產(chǎn)生誤差，誤差頻率使時(shí)鐘的相位累積， 從而偏離理想的采樣窗口，保持模式結(jié)束時(shí)，恢復(fù)的時(shí)鐘會(huì)產(chǎn)生誤采樣。開(kāi)關(guān)管失配對(duì)由 Hogge型鑒相器構(gòu)成的相位跟蹤環(huán)的影響已發(fā)表在美國(guó)專(zhuān)利US5945855中。
[0009]片上系統(tǒng)會(huì)集成超大規(guī)模的數(shù)字模塊和接口模塊，數(shù)字模塊邏輯門(mén)的高速切換會(huì) 在電源和地上引入較大的噪聲，噪聲會(huì)在電荷泵的充電和放電電流源之間引入失配電流， 影響時(shí)鐘數(shù)據(jù)恢復(fù)系統(tǒng)的相位跟蹤。
[0010] 綜上所述，基于鎖相環(huán)路的高性能時(shí)鐘數(shù)據(jù)恢復(fù)器的電荷泵設(shè)計(jì)需要綜合考慮環(huán) 路切換，電荷共享，開(kāi)關(guān)失配，電源噪聲等因素。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0011] 本發(fā)明的目的就是為了解決現(xiàn)有技術(shù)中存在的上述問(wèn)題，提供一種鎖相環(huán)時(shí)鐘數(shù) 據(jù)恢復(fù)器用電荷泵裝置。
[0012] 本發(fā)明的目的通過(guò)以下技術(shù)方案來(lái)實(shí)現(xiàn)： 鎖相環(huán)時(shí)鐘數(shù)據(jù)恢復(fù)器用電荷泵裝置，包括有裝置盒體，所述的盒體內(nèi)設(shè)置有電源與 接地接口，其中：所述的裝置盒體內(nèi)設(shè)置有電流偏置組件（1)，所述電流偏置組件（1)至少 設(shè)置有三組輸出端口，包括第一偏置輸出端口、第二偏置輸出端口和第三偏置輸出端口，所 述三組輸出端口連接主充放電組件（2)和副充放電組件（3)，所述的主充放電組件（2)和副 充放電組件（3)的輸出端相連并通過(guò)輸出端連接控制開(kāi)關(guān)（S3)連接至輸出端口（7)，所述 的輸出端口（7)連接有壓控振蕩器，所述的主充放電組件（2)與副充放電組件（3)的輸入 均連接至鑒相器，所述電流偏置組件（1)設(shè)有獨(dú)立電流支路組件，包括主獨(dú)立電路電流支 路組件（5)和副獨(dú)立電路電流支路組件（6)，分別提供NMOS管（Mb3)和PMOS管（Mb2)所需 的偏置電壓。
[0013] 上述的鎖相環(huán)時(shí)鐘數(shù)據(jù)恢復(fù)器用電荷泵裝置，其中：所述的第一偏置輸出端口由 PMOS管MbUPMOS管Mb7的柵極相連接構(gòu)成，所述的第二偏置輸出端口由PMOS管Mb2、PM0S 管Mb5的柵極相連接，所述的第三偏置輸出端口由NMOS管Mb3、NMOS管Mb8的柵極相接構(gòu) 成，所述PMOS管Mbl的漏極與PMOS管Mb2的源極連接，所述NMOS管Mb3的漏極與PMOS管 Mb2的漏極相接并連至PMOS管Mbl的柵極，所述NMOS管Mb4的漏極連接NMOS管Mb3的源 級(jí)，所述PMOS管Mb5的漏極與柵極相接并接連至NMOS管Mb6的漏極，所述NMOS管Mb8的 漏極與柵極相接并連至PMOS管Mb7的漏極，所述PMOS管Mbl、PMOS管Mb5、PMOS管Mb7的 源極接電源，所述NMOS管Mb4、NMOS管Mb6、NMOS管Mb8的源極接地，NMOS管Mb4、NMOS管 Mb6的柵極與輸出端口連接。
[0014] 進(jìn)一步地，上述的鎖相環(huán)時(shí)鐘數(shù)據(jù)恢復(fù)器用電荷泵裝置，其中：所述的主充放電組 件⑵連接鑒相器的輸出UP端口和UPB端口，所述的主充放電組件⑵采用PMOS管（Ml)、 PMOS 管（M2)、PMOS 管（M3)、PMOS 管（M4)、PMOS 管（M5)，NMOS 管（M6)、NMOS 管（M7)、NMOS 管（M8)、NM0S管（M9)、NM0S管（M10)、NM0S管（Mil)相連接構(gòu)成，所述主充放電組件（2)的 連接通路中設(shè)置有主控制開(kāi)關(guān)（SI)和副控制開(kāi)關(guān)（S2)，所述PMOS管（Ml)的源極連接電 源，所述PMOS管（Ml)的漏極與所述PMOS管（M3)的源極連接并連接至所述PMOS管（M2) 的源極，所述PMOS管（M3)的漏極與所述PMOS管（M5)的源極連接，所述PMOS管（M5)的漏 極與所述PMOS管（MlO)的漏極相連接并通過(guò)輸出控制開(kāi)關(guān)（S3)連接至輸出端口（7)，所述 PMOS管（Mil)的漏極連接所述PMOS管（MlO)的源極，所述PMOS管（Mil)的柵極連接輸出 端口（7)，所述PMOS管（M4)的源極與所述PMOS管（M2