本發(fā)明涉及集成電路設(shè)計(jì)技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種應(yīng)用于鎖相環(huán)的電荷泵電路。

背景技術(shù)：

在現(xiàn)代通信系統(tǒng)，電荷泵鎖相環(huán)是頻率合成器及時(shí)鐘信號(hào)恢復(fù)系統(tǒng)中最重要的模塊，其性能的好壞直接決定頻率合成器和時(shí)鐘信號(hào)恢復(fù)系統(tǒng)的性能。對(duì)于鎖相環(huán)中的電荷泵來說，充放電電流的不匹配將會(huì)產(chǎn)生相位噪聲，所以要求電荷泵有較高的充放電電流匹配度，在此基礎(chǔ)上要保證寬的電壓輸出范圍。此外，由于溝道長(zhǎng)度調(diào)制的原因，電荷泵的充放電電流大小會(huì)隨著鎖相環(huán)控制電壓而變化，即電荷泵的電流將會(huì)偏離理想值。充放電電流的偏離較大時(shí)，將會(huì)影響鎖相環(huán)的性能，故而減小由于溝道長(zhǎng)度調(diào)制而引起的電流偏離也十分重要。傳統(tǒng)的電荷泵有著較好的充放電電流匹配度和較寬的電壓輸出范圍，但控制電壓較大或者較小時(shí)，電流的偏離較大。而現(xiàn)有的電荷泵在解決了充放電電流偏離較大的問題時(shí)卻有著較差的充放電電流匹配度或者電壓輸出范圍。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明所要解決的是現(xiàn)有電荷泵無法同時(shí)兼顧電流匹配度、電壓輸出范圍及溝道長(zhǎng)度調(diào)制帶來的電流相對(duì)于理想值的偏離的問題，提供一種應(yīng)用于鎖相環(huán)的電荷泵電路。

為解決上述問題，本發(fā)明是通過以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的：

一種應(yīng)用于鎖相環(huán)的電荷泵電路，包括電荷泵本體，所述電荷泵本體由主電荷泵模塊、補(bǔ)償電荷泵模塊和控制模塊組成。

主電荷泵模塊由運(yùn)算放大器op1和mos管m1-m8構(gòu)成；mos管m1的源極接電源vdd，mos管m1的漏極接mos管m3源極；mos管m5的源極接電源vdd，mos管m5的漏極與mos管m7的源極相連，mos管m5的柵極接地；mos管m3的柵極和mos管m7的柵極同時(shí)接由運(yùn)算放大器op1的輸出端；mos管m3和mos管m4的漏極與運(yùn)算放大器op1的反相輸入端相接；mos管m7和mos管m8的漏極與運(yùn)算放大器op1的同相輸入端相接；mos管m2的漏極接mos管m4的源極相連，mos管m2的源極接地；mos管m6的漏極與mos管m8的源極相連，mos管m6的源極接地；mos管m4柵極和mos管m8的柵極接外部偏置電壓bias信號(hào)；mos管m6的柵極與電源vdd相連；

補(bǔ)償電荷泵模塊由mos管m9-m16的mos管和運(yùn)算放大器op2構(gòu)成；mos管m9的源極接電源vdd，mos管m9的漏極接mos管m11的源極；mos管m13的源極接電源vdd，mos管m13的漏極接mos管m15的源極，mos管m13的柵極接地；mos管m11的柵極和mos管m15的柵同時(shí)接運(yùn)算放大器op2的輸出端；mos管m11和mos管m12的漏極與運(yùn)算放大器op2的反相輸入端相連；mos管m15和mos管m16的漏極與運(yùn)算放大器op2的同相輸入端相連；mos管m10的漏極接mos管m12的源極相連，mos管m10的源極接地；mos管m14的漏極與mos管m16的源極相連，mos管m14的源極接地；mos管m12柵極和mos管m16的柵極接外部偏置電壓bias信號(hào)；mos管m14的柵極與電源vdd相連；

外部鑒頻鑒相器輸出的up信號(hào)分為2路，一路直接接控制模塊的第一輸入端in1，另一路經(jīng)一反相器inv后接mos管m1的柵極；外部鑒頻鑒相器輸出的down信號(hào)直接接mos管m2的柵極和控制模塊的第三輸入端in3；控制模塊的第二輸入端in2、運(yùn)算放大器op1的反相輸入端、運(yùn)算放大器op2的反相輸入端相接后，形成電荷泵本體的輸出端vout；控制模塊的第一輸出端v1接mos管m9的柵極；控制模塊的第二輸出端v2接mos管m10的柵極。

上述方案中，mos管m1、mos管m3、mos管m5、mos管m7、mos管m9、mos管m11、mos管m13和mos管m15為pmos管；mos管m2、mos管m4、mos管m6、mos管m8、mos管m10、mos管m12、mos管m14和mos管m16為nmos管。

上述方案中，控制模塊由異或門i1、同或門i2、異或門i3、或門i4和與門i5構(gòu)成；異或門i3的第一輸入端a和同或門i2的第二輸入端b相連后，形成控制模塊的第一輸入端in1；異或門i1的第二輸入端b形成控制模塊的第二輸入端in2；異或門i1的第一輸入端a、同或門i2的第一輸入端a和異或門i3的第二輸入端b相連后，形成控制模塊的第三輸入端in3；異或門i1的輸出端y接或門i4的第二輸入端b和與門i5的第一輸入端a；同或門i2的輸出端y接或門i4的第一輸入端a；異或門i3的輸出端y接與門i5的第二輸入端b；或門i4的輸出端形成控制模塊的第一輸出端v1，與門i5輸出端形成控制模塊的第二輸出端v2。

上述方案中，運(yùn)算放大器op1和運(yùn)算放大器op2的結(jié)構(gòu)完全相同。

上述方案中，運(yùn)算放大器op1和運(yùn)算放大器op2均由電阻r、電容c和mos管mo1-mo14構(gòu)成；mos管mo1、mo2、mo7和mo12的源極接電源vdd；mos管mo1的漏極和柵極共接后與mos管mo3的漏極及mos管mo2、mo7和mo12的柵極相連；mos管mo4的柵極和漏極共接后與mos管mo2的漏極及mos管mo3和mo14的柵極相連；mos管mo3的源極接mos管mo5的漏極；mos管mo6的柵極和漏極共接后與mos管mo4的源極及mos管mo5的柵極相連；mos管mo7、mo8和mo9的漏極連接；mos管mo8的柵極形成運(yùn)算放大器的反相輸入端，mos管mo9的柵極形成運(yùn)算放大器的同相輸入端；mos管mo10的漏極和柵極共接后與mos管mo8的源極及mos管mo11的柵極相連；mos管mo11的漏極、mos管mo13柵極與mos管mo9和mos管mo14的源極相接；mos管mo14的漏極連接電容c的一端；電容c的另一端與mos管mo12和mo13的漏極相連后，形成運(yùn)算放大器的輸出端；mos管mo5的源極經(jīng)電阻r接地，mos管mo6、mo10、mo11和mo13的源極接地。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明即保留了傳統(tǒng)電荷泵較寬的電壓輸出范圍及較高的充放電電流匹配度，同時(shí)又減小了由于溝道長(zhǎng)度調(diào)制帶來的充放電電流相對(duì)于理想電流的偏離。本發(fā)明結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，易于集成，適合高性能要求的鎖相環(huán)應(yīng)用。

附圖說明

圖1為一種應(yīng)用于鎖相環(huán)的電荷泵電路的電路原理圖。

圖2為控制模塊的原理圖。

圖3為運(yùn)算放大器的原理圖。

具體實(shí)施方式

為使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點(diǎn)更加清楚明白，以下結(jié)合具體實(shí)例，并參照附圖，對(duì)本發(fā)明進(jìn)一步詳細(xì)說明。

一種應(yīng)用于鎖相環(huán)的電荷泵電路，如圖1所示，由主電荷泵模塊、補(bǔ)償電荷泵模塊和控制模塊組成。主電荷泵模塊和補(bǔ)償電荷泵模塊的結(jié)構(gòu)相同，并呈鏡像地設(shè)置在控制模塊的輸入端側(cè)和輸出端側(cè)。

主電荷泵模塊由運(yùn)算放大器op1及mos管m1-m8構(gòu)成。mos管m1、mos管m3、mos管m5和mos管m7為pmos管；mos管m2、mos管m4、mos管m6、mos管m8為nmos管。mos管m1的源極接電源vdd，漏極接mos管m3源極，柵極與反相器inv的輸出相連，反相器inv輸入接來自于鑒頻鑒相器(pfd)輸出的up信號(hào)，up信號(hào)用于控制電荷泵充電。mos管m2的源極接地，漏極接mos管m4的源極，柵極接來自于鑒頻鑒相器輸出的down信號(hào)，down信號(hào)用于控制電荷泵放電。mos管m3、m4漏極相接并輸出vout信號(hào)，vout信號(hào)即為鎖相環(huán)的控制電壓。偏置電壓bias接mos管m4柵極為電荷泵提供偏置。mos管m3的柵極接由運(yùn)算放大器op1輸出的反饋信號(hào)。mos管m5的源極接電源vdd，漏極與mos管m7的源極相連，柵極接地以保證該pmos管導(dǎo)通。mos管m6的源極接地，漏極與mos管m8的源極相連，柵極與電源vdd相連以保證該nmos管導(dǎo)通。mos管m7、mos管m8的漏極相連接，mos管m8的柵極接偏置電壓bias，mos管m7的柵極接運(yùn)算放大器op1的輸出的反饋信號(hào)。運(yùn)算放大器op1的+端接節(jié)點(diǎn)1，-端接節(jié)點(diǎn)2。

補(bǔ)償電荷泵模塊與主電荷泵模塊結(jié)構(gòu)完全相同，由mos管m9-m16及運(yùn)算放大器op2構(gòu)成，但對(duì)應(yīng)mos管的尺寸與主電荷泵不同，以產(chǎn)生較小的電流。mos管m9、mos管m11、mos管m13和mos管m15為pmos管；mos管m10、mos管m12、mos管m14和mos管m16為nmos管。mos管m9源極接電源vdd，漏極接mos管m11的源極，柵極接由控制模塊輸出的控制信號(hào)v1。mos管m10的源極接地，漏極接mos管m12的源極，柵極接由控制模塊輸出的控制信號(hào)v2。mos管m11與mos管m12的漏極相連，并與vout相連。mos管m11的柵極接運(yùn)算放大器op2輸出的反饋信號(hào)，mos管m12的柵極接偏置電壓bias。mos管m13源極接電源vdd，漏極接mos管m15的源極，柵極接地。mos管m14的源極接地，漏極接mos管m16的源極，柵極接電源vdd。mos管m15與mos管m16的漏極相連接,mos管m15的柵接由運(yùn)算放大器op2的輸出信號(hào)，mos管m16的柵極接偏置電壓bias。運(yùn)算放大器op2的-端接節(jié)點(diǎn)3，+端接節(jié)點(diǎn)4。

控制模塊由cmos管mos門電路組成，即由異或門i1、同或門i2、異或門i3、或門i4和與門i5構(gòu)成。其中in1接異或門i3的輸入a和同或門i2的輸入b。in2接異或門i1的輸入b。in3接異或門i1的輸入a、異或門i3的輸入b和同或門i2的輸入a。in1、in2、in3為控制模塊的輸入。異或門i1的輸出y接或門i4的輸入b和與門i5的輸入a。同或門i2的輸出y接或門i4的輸入a。異或門i3的輸出y接與門i5的輸入b?；蜷Ti4輸出v1，與門i5輸出v2。v1、v2為控制模塊的輸出。來自鑒頻鑒相器的up信號(hào)接入控制模塊的in3，down信號(hào)接入in1，電荷泵的輸出vout接入in2。參見圖2。

運(yùn)算放大器op1和op2均使用的是一個(gè)兩級(jí)運(yùn)放，且結(jié)構(gòu)相同，兩者均由電阻r、電容c和mos管mo1-mo14構(gòu)成。其中mos管mo1-mos管mo6及電阻r構(gòu)成了一個(gè)電流源，為后級(jí)提供偏置。mos管mo1的源極接電源vdd，漏極與柵極相連再與mos管mo3漏極相連，mos管mo3的源極接mos管mo5的漏極，柵極接mos管mo4的柵極。mos管mo5的柵極接mos管mo6的柵極，源極接電阻，電阻的另一端接gnd。mos管mo2的源極接電源vdd，漏極接mos管mo4的漏極，柵極接mos管mo1的柵極。mos管mo4的柵漏相接，源極接到mos管mo6的漏極。mos管mo6的源極接gnd，柵極與漏極相接。mos管mo7-mos管mo11構(gòu)成了兩級(jí)運(yùn)放的第一級(jí)。其中mos管mo7源極接vdd，柵極接mos管mo1的柵極，漏極分別接入mos管mo8、mos管mo9的漏極，mos管mo8的柵極接輸入電壓v-，源極接mos管mo10的漏極。mos管mo9的柵極接入輸入電壓v+，源極接入mos管mo11的漏極。mos管mo10柵漏相接，源極接gnd。mos管mo11的柵極接mos管mo10的柵極，源極接gnd。mos管mo12、mos管mo13構(gòu)成了運(yùn)算放大器的第二級(jí)。其中mos管mo12的源極接電源vdd，柵極接mos管mo1的柵極，漏極接mos管mo13的漏極并輸出vop_out。mos管mo13的源極接gnd，柵極接mos管mo9的源極。電容c為密勒補(bǔ)償電容，其中電容c的一端接vop_out，另一端接mos管mo14的漏極，mos管mo14源極接mos管mo9的源極，柵極接mos管mo2的漏極。參見圖3。

整個(gè)電荷泵電路由三個(gè)模塊構(gòu)成：主電荷泵模塊、補(bǔ)償電荷泵模塊、控制模塊。其中，主電荷泵模塊有著較高的充放電電流匹配度和較寬的電壓輸出范圍，但是由于溝道長(zhǎng)度調(diào)制的影響，其電流會(huì)在電壓輸出范圍內(nèi)隨著控制電壓的增加而增加，即在控制電壓較小或較大時(shí)，主電荷泵模塊的電流相對(duì)于理想值有較大的偏離，且當(dāng)控制電壓較小時(shí)，主電荷泵模塊的電流低于預(yù)設(shè)值，當(dāng)控制電壓較大時(shí)，主電荷泵模塊的電流高于預(yù)設(shè)值。補(bǔ)償電荷泵模塊的目的為產(chǎn)生較小的電流?？刂颇K控制主電荷泵模塊電流和補(bǔ)償電荷泵模塊電流相加減，產(chǎn)生整個(gè)電荷泵電路的輸出：

當(dāng)up信號(hào)為1，down信號(hào)為0時(shí)，主電荷泵模塊的電流為充電電流。當(dāng)vout低于異或門的翻轉(zhuǎn)值時(shí)，此時(shí)控制模塊的輸出v1及v2為0，補(bǔ)償電路的電流為充電電流，則兩電流相加。反之當(dāng)vout高于異或門翻轉(zhuǎn)值時(shí)，此時(shí)控制模塊中的v1及v2為1，補(bǔ)償電路的電流為放電電流，則兩電流相減。當(dāng)up信號(hào)為0，down信號(hào)為1時(shí)，主電荷泵的電流為放電電流。當(dāng)vout低于異或門的翻轉(zhuǎn)值時(shí)，此時(shí)控制模塊中的v1和v2為1，補(bǔ)償電路的電流為放電電流，則兩電流相加。反之，當(dāng)vout高于異或門的翻轉(zhuǎn)值時(shí)，此時(shí)控制模塊中的v1和v2為0，補(bǔ)償電路的電流為充電電流，則兩電流相減。當(dāng)up與down同為0或同為1時(shí)，v1為1，v2為0，則補(bǔ)償電荷泵被關(guān)斷。這樣，通過主電荷泵模塊的電流與補(bǔ)償電荷泵模塊的電流相加減，使整個(gè)電荷泵電路將產(chǎn)生較小偏離的電流。

通過cadence的仿真表明，本發(fā)明的電荷泵充放電電流相對(duì)于理想電流的偏離比傳統(tǒng)電荷泵的電流的偏離減小了約30％，即減小了溝道長(zhǎng)度調(diào)制帶來的影響。同時(shí)，該電荷泵還有著較高的充放電電流匹配度及較寬的電壓輸出范圍。本發(fā)明結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，易于集成，適合高性能要求的鎖相環(huán)應(yīng)用。

需要說明的是，盡管以上本發(fā)明所述的實(shí)施例是說明性的，但這并非是對(duì)本發(fā)明的限制，因此本發(fā)明并不局限于上述具體實(shí)施方式中。在不脫離本發(fā)明原理的情況下，凡是本領(lǐng)域技術(shù)人員在本發(fā)明的啟示下獲得的其它實(shí)施方式，均視為在本發(fā)明的保護(hù)之內(nèi)。