一种低功耗射频CMOS电荷泵锁相环的设计

刘忠来

（美光半导体（上海）有限责任公司，上海 200233）

一种低功耗射频CMOS电荷泵锁相环的设计

刘忠来

（美光半导体（上海）有限责任公司，上海 200233）

CMOS电荷泵锁相环的应用越来越广泛，这也加强了人们该内容的研究与分析。过去，受各方面技术原因的限制，CMOS电荷泵锁相环在具体应用过程中的能量消耗较大，这对其应用造成了一定的不良影响，而近几年随着各项技术的逐渐成熟，人们加强了对低功耗射频CMOS电荷泵锁相环设计的研究，从而满足低功耗、快速锁定要求。目前，人们在该项内容的研究上已经取得了一定的成绩，但是与期望的标准还存在一定差距。文章研究了一种低功耗射频CMOS电荷泵锁相环的设计。

CMOS；电荷泵；锁相环

低功率射频通常会通过低电源电压的方式实现，但是从实际设计情况来看，电压通常都会受到工作频率的限制。此外，也会对电源和地之间提供的尾电流的偏置电路的级联级数造成限制。而随着科学技术的不断发展，人们对锁相环提出了更高的要求，尽量降低其在具体运行过程中的能源消耗，尽量占较小的芯片面积，确保其应用的合理性，这是人们未来研究的主要方向。

1 相关概念介绍

1.1 电荷泵

电荷泵也被称作开关式电容变换器，是在具体运行过程中，通过快速或泵送电容的方式完成相应储能的一种变换器。该变换器的应用十分广泛，长期以来人们都没有停止对其的研究，并且取得了不错的成果。

利用电荷泵可以使输入的电压降低或升高，同时对该装置进行应用，也可以形成复压。电荷泵在过去10年里得到了广泛的应用，其输出效率和输出功率都得到了一定程度发展[1]。

1.2 锁相环

锁相环及时实现对相位环路的锁定，其是一种典型的反馈控制电路，通过对外部输入的参考信号的应用，对环路内部震动信号的相位和频率进行合理控制，从而实现对输出信号频率以及输入信号频率的自动跟踪，该项跟踪是自动进行的，并不需要人为控制，通常来说，其主要应用在闭环跟踪电路。其是无线电发射频率中相对较为稳定的一种方式，主要有压控制振动器（Voltage-Controlled Oscillator，VCO）和锁相环集成电（Phase Locked Loop Integrated Circuit，PLLIC）共同组成[2]。VCO给出一个信号，其中一部分作为输出，另一部分通过分频后同PLLIC形成的本振信号进行对比分析，为了确保频率不会发生改变，则需要相位差发生改变，若相位差发生了改变，PLLIC的电压输出端的电压也将会发生改变，对VCO进行控制，直到相位差恢复后，该控制才会结束，从而实现锁相目的。

2 电路设计技术

2.1 PFD部分

在具体设计过程中，利用动态D触发器工程PFD，该方法构成的PFD，在具体应用过程中具有功耗低、速度快、面积小等诸多优点，因此得到了较为广泛的应用。同时，在具体应用过程中，通过对PFD输出段的UP和DN信号在锁相环零相差时，需要保持相同的脉冲宽度，通过这种方式可以很好地克服死区造成的不良影响，从而最大程度降低VCO输出相应噪声的积累，是一种比较理想的方式。

2.2 电荷泵积累

电荷泵的设计是在传统电荷泵的技术上进行的，在具体设计过程中，采用了泵电流可编程控制，以及抑制电荷分享效应技术。电荷分享效应会使VCO控制端电压发生较大的波动情况，导致输出频率的抖动频率进一步加大。在设计的结构中存在预算放大器，该预算放大器在具体运行中起到的作用就是防止电荷分享效应的发生，同时为了使PLL环路宽带可以得到改善，将电荷泵中的电流做成可编程控制，提高其性能[3]。

2.3 VCO部分

VCO电路在PLL电路中通常分为以下两种：（1）差分振荡电路；（2）电流控制振荡电路[4]。该两种结构在具体应用过程中，优点和确定都十分明显。通常来说，充分结构电路的输出频率相对窄一些，而电流控制振动电路的输出频率范围相对较宽，其在抑制电源噪音上更加优秀。在具体设计过程中，如果对噪音的要求较高，可以考虑对电流控制抑制振荡电路进行应用，从而提高电路的整体性能。

3 电荷泵电路的具体设计

3.1 传统电荷泵存在的主要问题

通过对传统电荷泵进行分析可以发现，传统电荷泵和电路中涉及的各个开关存在的非理想特性是无法避免的。因此，控制电压Vc会形成一定纹波，该纹波的产生，将会对寄生边带性能产生不良影响，将会引起一系列的问题，例如电荷分享、时钟馈通、电流失配等多项问题。这些问题的存在，都将会对电荷泵的性能造成不良影响，因此需要做好相应的分析。

3.2 电荷泵电路

通过分析不难发现，传统电荷泵中形成的电荷注入以及电荷馈通现象的主要原因是，输出端与开关直接相连引起的。因此，在具体设计过程中，在开关上的设计上采用传输门结构，由于P管和N管的栅极点位变化发生相反，此时馈送的大部分电荷刚好可以相互抵消，因此，并不会在电路中的电容器上发生积累现象，这在一定程度上很好地消除了电荷注入问题[5]。此外，由于电流失配是导致相位发生偏差的一项关键因素，因此，在具体设计过程中，为了对电流失配情况进行抑制，将共源共栅结构引入到电流中，这在一定程度上使PLL性能得到了优化。

从电荷泵的整体功能情况来看，电荷泵的主要设计在于实现一个持续充放电的电源沉电流，可以分别通过电路中的具体型号进行控制。电荷泵依系统增益的具体情况决定，从而使源沉电流表示电荷泵增益。除了要慎重选择电荷泵增益外，还要注意使源沉电流的结构对称。

在具体设计电路结构中，电路的左侧为带自动电路启动电路的威尔逊电流镜，在电路中起到的主要作用就是形成偏置电流[6]。为了降低振荡器输出信号抖动，减少功率消耗，以及电荷泵在具体开关切换过程中形成的噪音，电荷泵中的电流不可能过大。但是，需要设计人员注意的是，如果电流过小，将会导致缩短时间延长，此时漏电电流和寄生电流也将会对电荷泵的具体性能造成不良影响。

综合各项因素，在具体设计过程中，电荷泵的取值大小为12 μA。在设计的电路结构中，右侧电路为电荷泵电路，采取的结构为共源共栅结构，该结构的目的是为了提升电荷泵的输出摆幅，从而有效降低电源更换对电泵造成的不良影响。在具体设计过程中，开关应用传输门结构，在结构上增添冗余传输门，其主要作用是加快电泵的充电与放电速度[7]。如果在结构中没有冗余传输门，结构在运行过程中，关闭其中的开关时，要同时关闭电路中的电流源，否则电路中的一些节点将会被分别放电与充电，这将会导致电路运行发生波动，其具体应用效果无法令人满意。而在此启动电源时，有需要对电路中的一些节点进行再次充电，这势必会对电荷泵在具体运行过程中的放电速度和充电速度产生不良影响。而电荷泵的结构中安装传输门后，可以确保电路结构始终都处于打开状态，这使结构中的节点可以长期输出稳定电压，电压稳定可靠，从而实现良好的电流平匹配，同时，为了确保电荷泵共源共栅结构能够得以实现，在电路结构中还需要设置点电压。

3.3 整体结构设计

通过具体分析不难发现，锁相环是一个将相位作为研究参量的系统。因此，在对环路进行具体分析时，可以通过相位研究完成相应的分析工作。问题分析中，对数学模型进行合理应用可以发现，相位可以视作频率积分，因此在研究相位过程中，可以进行合理转换，将研究内容转化为人们熟知的频率上，然后再开展相应的研究工作。Vc是VCO的控制电压，其变化将会对输出信号造成直接影响，并且通过Vc可以直接反映出系统的锁定和捕获的具体状态。因此，验证系统是否可以进入锁定状态，在具体操作过程中，只需要对锁相环系统进行长时间瞬态仿真即可，该过程可以通过对Vc观测实现。通过观测，如果Vc可以长期保持一个电平值，并未发生波动，则表明系统已经处于锁定状态，基于此，实现对锁相环的整体仿真。

4 锁相环的仿真及测试

系统的电源电压在4.5～5.5 V，在进行具体仿真过程中，温度控制在-50～120 ℃之间。仿真过程中，对电泵电路放电进行控制，电路中的电压由2.5 V逐渐下降到0 V，对仿真结果进行观测可以发现，输出的波形会出现较小幅度的抖动，但是在整个仿真过程中，并没有出现大尖峰脉冲，因此设计满足要求。

对设计线路整体进行仿真，通过对仿真结果进行分析不难发现，Vc值处于稳定状态，表明在仿真过程中，信号的频率不会随着时间的变化而继续发生改变，此时系统已经进入了锁定状态。通过对本次仿真进行分析，可以发现系统从运行开始，到进入锁定状态，一共需要经历的时长约为7.8 μs。在PLL系统运行的起初阶段，通过观察可以发现，Vc曾出现了过冲现象，但是并未发生过多振荡，在经历了较短的时间后，随后便进入到了快捕带，最终完成了锁定，总体特性相对来说较好。电荷中电流源IBIAS的具体测试结果如表1所示，设计值的大小为12 μA，具体实测结果的数值偏高，由于误差的存在，在完成相应的修正后，最终的设计值大小为13.58 μA。完成相应的修正后的电流值，实测值与设计值之间的误差约10%。

表1 电流值测试结果

本次研究结果与相关人员以及研究资料的结果对比，发现其具体应用和设计的指标存在较大差异，因在对比分析过程中，仅对快锁能力和功能消耗内容进行了对比分析，研究结果表明，本研究在一些特定的领域内应用，优势十分明显。

5 结语

在传统电荷泵的技术下，进行适当改进，在具体改进过程中，对共源共栅结构失配进行抑制，并且在具体设计过程中，相原结构中增加了冗余传输门结构，通过对该结构的应用，使电荷泵的充电与放电速度得到了进一步提升，最终的仿真结果表明，系统在运行过程中，进入锁定状态需要的时长仅为7.8 μs。除此之外，在结构中引入威尔逊电流镜，为系统的运行提供偏置电流，可以降低系统运行过程中的能源消耗，实现降低能耗的目的。

[1] 阳怡伟，张靖，吴治军，等.一种用于CMOS图像传感器的锁相环设计[J].半导体光电，2015（2）：322-326.

[2] 刘颖，田泽，邵刚，等.一种低抖动带宽自适应锁相环的设计与实现[J].计算机技术与发展，2015（6）：163-165，175.

[3] 周前能，谭金益.一种抗单粒子效应电荷泵锁相环设计[J].数字技术与应用，2015（11）：147.

[4] 李森，江金光.低杂散锁相环中鉴频鉴相器与电荷泵的设计[J].微电子学，2016（2）：228-232.

[5] 李容容.一种集成在DC-DC芯片中的电荷泵锁相环设计[J].电子科技，2016（8）：25-27，144.

[6] 粟恒智，王玥，王宇涛，等.一种超高频RFID阅读器中的双环锁相环[J].微电子学，2016（4）：449-453.

[7] 李演明，仝倩，倪旭文，等.一种改进型的CMOS电荷泵锁相环电路[J].半导体技术，2014（4）：248-253.

Design of a low power RF CMOS charge pump phase locked loop

Liu Zhonglai
（Micron Semiconductor（Shanghai）Co. Ltd., Shanghai 200233, China）

The increasing application of CMOS charge pump PLL is widely used, it also strengthened the study and analysis of the contents of people. In the past, due to technical reasons are limited, CMOS charge pump phase locked loop in the application process of the large consumption of energy, which caused some adverse effects on its application. In recent years, as the technology matures, people strengthen the study on the design of low power RF CMOS charge pump phase locked loop, so as to meet the requirements of low power consumption and fast locking. At present, people have made some achievements in the study on the standard of expectation but there is still some gaps with the expected standards. This paper studies the design of a low power RF CMOS charge pump phase locked loop.

CMOS; charge pump; phase locked loop

刘忠来（1979— ），男，吉林吉林人，工程师，学士；研究方向：一种低功耗CMOS集成锁相环的设计。