一種高性能CMOS電荷泵的設(shè)計(jì)

摘要: 設(shè)計(jì)了一種用于電荷泵鎖相環(huán)的CMOS電荷泵電路。電路中采用3對(duì)自偏置高擺幅共源共柵電流鏡進(jìn)行泵電流鏡像，增大了低電壓下電荷泵的輸出電阻，實(shí)現(xiàn)了上下兩個(gè)電荷泵的匹配。為消除單端電荷泵存在的電荷共享問(wèn)題，引入了帶寬幅電壓跟隨的半差分電流開(kāi)關(guān)結(jié)構(gòu)，使電荷泵性能得以提高。設(shè)計(jì)采用0．18μm標(biāo)準(zhǔn)CMOS工藝。電路仿真結(jié)果顯示，在0．35～1．3 V范圍內(nèi)泵電流匹配精度達(dá)0．9％，電路工作頻率達(dá)250 MHz。
關(guān)鍵詞: 電荷泵；鎖相環(huán)；自偏置共源共柵電流鏡；電壓跟隨

??? CMOS電荷泵鎖相環(huán)(Charge Pump Phase-Locked Loop，CPPLL)具有高速、低功耗、低抖動(dòng)、低成本等優(yōu)點(diǎn)，在頻率合成、時(shí)鐘恢復(fù)等電路中被廣泛采用。作為電荷泵鎖相環(huán)里的一個(gè)關(guān)鍵模塊，電荷泵在電路實(shí)現(xiàn)時(shí)，往往存在著開(kāi)關(guān)延遲、充放電電流失配、電荷注入及電荷共享等非理想效應(yīng)。對(duì)于高性能鎖相環(huán)的設(shè)計(jì)而言，應(yīng)盡量減小相位噪聲及雜散的產(chǎn)生，使輸出電流更平滑，輸出電壓諧波分量更低，減小開(kāi)關(guān)延遲現(xiàn)象。文中提出了一種基于偽差分結(jié)構(gòu)的具有高輸出阻抗和高充放電流匹配率的電荷泵電路。

1 電荷泵設(shè)計(jì)分析
??? 電荷泵主要功能是將鑒頻鑒相器(PFD)的輸出信號(hào)up和down轉(zhuǎn)換為模擬的連續(xù)變化的電壓信號(hào)，用于控制壓控振蕩器(VCO)的振蕩頻率。當(dāng)PFD的up輸出信號(hào)起作用時(shí)，電荷泵的電流源對(duì)環(huán)路濾波器進(jìn)行充電，VCO的壓控端電壓升高，VCO的振蕩頻率也相應(yīng)改變。反之，down信號(hào)使電荷泵電流沉對(duì)環(huán)路濾波器進(jìn)行放電，VCO的壓控電壓信號(hào)降低。當(dāng)VCO振蕩頻率和相位與參考信號(hào)相同時(shí)，電荷泵的輸出信號(hào)應(yīng)該保持一個(gè)常值。但是傳統(tǒng)的電荷泵，如圖l所示，存在多種非理想效應(yīng)，比如電荷泄漏、充放電電流失配、電荷共享、泵開(kāi)關(guān)的延遲等。一個(gè)好的電荷泵設(shè)計(jì)應(yīng)該力求把以上情況降到設(shè)計(jì)規(guī)范之內(nèi)。

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1．1 電流失配
當(dāng)up和down信號(hào)控制電荷泵充放電時(shí)，會(huì)產(chǎn)生電流失配和泵開(kāi)關(guān)時(shí)間延時(shí)問(wèn)題。由此引起的系統(tǒng)相位偏差表達(dá)式如(1)所示

??? 其中，△ton，Tref，I和△I分別表示PFD開(kāi)通時(shí)間、參考時(shí)鐘周期、CP電流和充放電流偏差。從式(1)可知，Tref不變的情況下，減小△I，△ton和增大I有利于減小系統(tǒng)相位偏差。但是為了克服PFD的死區(qū)效應(yīng)，一般需要保持一定的開(kāi)通時(shí)間，所以，減少失配電流和增大電荷泵電流是減小PLL相位誤差的行之有效的手段。

1．2 電荷共享
??? 由于電荷泵充電電流源和放電電流源的漏極存在寄生電容，當(dāng)電荷泵電流源都關(guān)斷時(shí)，電流源漏極寄生電容分別被充電到VDD和放電到地。在下一個(gè)鑒相時(shí)刻中電荷泵電流源都打開(kāi)的狀態(tài)時(shí)，由于兩個(gè)寄生電容上的電荷變化量不可能相同，會(huì)有剩余電荷注入環(huán)路濾波器中，引起VCO壓控電壓發(fā)生變化，造成壓控信號(hào)產(chǎn)生紋波。通常減小電荷共享的手段是電荷泵電路采用差分結(jié)構(gòu)。
??? 針對(duì)以上一般電荷泵所存在的缺點(diǎn)，文中提出了一個(gè)高電流匹配度、高輸出電壓穩(wěn)定的電荷泵電路。

2 高性能電荷泵設(shè)計(jì)
??? 現(xiàn)在CPPLL通常采用無(wú)死區(qū)的PFD。這種PFD在鎖相環(huán)鎖定的情況下依然有等脈寬的UP和DOWN輸出。這就要求電荷泵需要做到電流匹配。由于單一CMOS管實(shí)現(xiàn)的電流源的有限電阻，在不同的源漏電壓下電流存在較大的變化。為了在1．8 V低壓條件下實(shí)現(xiàn)較寬電壓范圍的恒定電流輸出，本設(shè)計(jì)采用自偏置高擺幅共源共柵鏡像電流鏡，如圖2所示。

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??? 自偏置共源共柵電流鏡能夠增大電流源的內(nèi)阻，其小信號(hào)模型的輸出電阻表達(dá)式如式(2)所示

??? 由式(2)可以看出，共源共柵電流結(jié)構(gòu)增大了泵電流源的輸出電阻。選取合理的寬長(zhǎng)比可以增大M2管的跨導(dǎo)gm2，同時(shí)減小其溝道調(diào)制效應(yīng)，使電流源的內(nèi)阻最大化。自偏置結(jié)構(gòu)使得電流源的開(kāi)啟電壓降為VM4on+VM2on，比普通的共源共柵的開(kāi)啟電壓Vth+2VM4On更低，適合低電壓條件下的運(yùn)用。M4管的寬長(zhǎng)比和電阻R1的電阻值可以通過(guò)式(3)計(jì)算出來(lái)

需要注意的是M1，M2存在襯底偏置效應(yīng)，設(shè)其背柵為Vbs，則其閾值電壓為

電流源的電力誤差率(Current Error Ratio)定義為

電流鏡在MOS管的寬長(zhǎng)比及版圖的對(duì)稱(chēng)性要求很高，已有大量的資料對(duì)其做了講述。

??? 為了減小電荷泵CMOS開(kāi)關(guān)引起的電荷共享問(wèn)題，文中采用增加啞(Dummy)電路來(lái)改善電路性能，如圖3所示。

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其中，NM3，PM3，NM4，PM4為主電路；NM1，PM1，NM2，PM2組成Dummy電路，Dummy電路的存在使得電荷泵具有兩條支路，在同一時(shí)刻，兩條支路中總有一條支路是導(dǎo)通的，這樣就避免了電荷泵無(wú)電流流過(guò)而引起的電荷共享。Vc和Vcon之間通過(guò)一個(gè)電壓跟隨器連接起來(lái)，使得Dummy支路與主支路的節(jié)點(diǎn)電壓相同。因此，在鎖定情況下，電荷泵不會(huì)出現(xiàn)周期性的充放電情況。
??? 為了在低壓下實(shí)現(xiàn)較寬動(dòng)態(tài)范圍的電壓跟隨，本設(shè)計(jì)采用了軌至軌(Rail-to-Rail)緩沖器作為電壓跟隨器，如圖4中虛線(xiàn)框內(nèi)所示。電壓跟隨器為二級(jí)放大器結(jié)構(gòu)，輸入級(jí)采用雙差分放大器并聯(lián)的Rail-to-Rail結(jié)構(gòu)，增大了輸入動(dòng)態(tài)范圍和增益。其中，PM13，NM13為電流累加管，寬長(zhǎng)比分別是PM14和NM14的兩倍，輸出節(jié)點(diǎn)用MOS管電容作為負(fù)載，目的是進(jìn)行頻率補(bǔ)償，穩(wěn)定輸出電壓信號(hào)。圖4為文中所設(shè)計(jì)電荷泵的完整電路圖。
??? 本設(shè)計(jì)電流鏡鏡像的恒定電流為100μA；采用對(duì)稱(chēng)的共源共柵電流源實(shí)現(xiàn)對(duì)電流源和電流沉的匹配，在電壓跟隨器的輸出端增加一個(gè)20 pF的電容，使得該節(jié)點(diǎn)更加穩(wěn)定。

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3 仿真結(jié)果
??? 本電荷泵采用O．18μm標(biāo)準(zhǔn)CMOS工藝，使用Cadence軟件集成的Spectre仿真工具對(duì)電路進(jìn)行設(shè)計(jì)仿真驗(yàn)證。從仿真結(jié)果可以看出，電荷泵的電流在0．35～1．3 V的直流掃描范圍內(nèi)CER

4 結(jié)束語(yǔ)
??? 文中分析了傳統(tǒng)電荷泵的工作原理及存在的非理想因素，在此基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)了一個(gè)結(jié)合了對(duì)稱(chēng)自偏置高擺幅共源共柵電流源和差分泵開(kāi)關(guān)的電荷泵，電荷泵電流為100μA。在版圖面積和電路性能之間經(jīng)過(guò)優(yōu)化設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了高精度的泵電流的匹配和較高的工作速度以及較小的電荷注入。整體上滿(mǎn)足了較高要求的應(yīng)用環(huán)境，適用于高速高精度低壓要求的電荷泵鎖相環(huán)路。