一种用于电荷泵锁相环的电荷泵

王程程

摘要：基于SMIC 0.18μm CMOS工藝，采用自偏置共源共栅电流镜和正反馈技术，设计了一种用于电荷泵锁相环的电荷泵。仿真结果显示，所设计的电荷泵能实现正常的充放电功能；在0.42V到1.22V输出电压范围内充放电电流的误差小于1%。

关键词：CMOS电荷泵；电流失配；自偏置

中图分类号：TN911.8 文献标识码：A 文章编号：1007-9416（2019）01-0158-02

0 引言

电荷泵锁相环具有捕捉范围宽、捕捉时间短、线性范围大、高速低功耗等优点，已广泛地应用于现代通信领域及射频领域[1]。电荷泵锁相环主要由鉴频鉴相器、电荷泵、低通滤波器、压控振荡器和分频器等五部分组成[2]。鉴频鉴相器的作用是将输入的基准信号和分频器输出的反馈信号进行比较，检测两个信号的相位差，并将这个相位差转换为脉冲形式UP及DN信号，进而控制电荷泵中的开关管，实现对后级电路的充放电。电荷泵的充放电电流经过低通滤波器，进而将电流转化为电压，同时过滤充放电电流中的高频分量；低通滤波器输出的直流电压控制压控振荡器，实现随电压变化的输出频率；分频器接收压控振荡器的输出信号，并反馈到鉴频鉴相器输入端，构成负反馈。但是系统实际工作过程中，电荷泵有电流失配、电荷共享、电荷注入和时钟馈通等非理想因素，系统在锁定后参考时钟和反馈时钟存在相位差。基于此，本文将设计一种低失配的电荷泵。

1 电荷泵电路设计

图1为一种基本电荷泵电路，主要由MOS管M1～M4构成。其中，MOS管M1与MOS管M4分别构成电流源，MOS管M2与MOS管M3分别构成开关管。图1所示电路的电路存在三种有效状态：

（1）=0，=0时，M2导通，电荷泵对负载电容充电，控制电压升高；

（2）=1，=1时，M3导通，电荷泵对负载电容放电，控制电压降低；

（3）=1，=0时，M2、M3关断，电荷泵不工作，控制电压保持不变。

图1所示的电荷泵电路结构简单，但电荷泵电流失配较大。针对此问题，本文设计了一种电荷泵电路，如图2所示。

图2所示电路由电荷泵由共源共栅偏置电路、DN差分放电电路、复制电路、充放电电路及UP差分充电电路组成。

图2（a）为共源共栅偏置电路，为DN差分放电电路、复制电路、充放电电路及UP差分充电电路等电路提供偏置信号；图2（b）为DN差分放电电路，其接收外部DN脉冲信号并给图2（c）所示复制电路提供电流，从而为图2（d）所示的充放电电路提供放电电流，实现电荷泵的放电；图2（e）为UP差分充电电路，其接收外部UP脉冲信号并给图2（d）所示的充放电电路提供充电电流，实现电荷泵的充电。

图2所示电路中所有电流镜均采用自偏置的共源共栅复合管。图3为自偏置的NMOS共源共栅复合管模型。

式中，与分别为MOS管M1与M2的等效跨导，与分别为MOS管M1与M2的沟道阻抗。由以上分析可知，与传统的共源共栅复合管相比，自偏置共源共栅复合管消耗更低的电压余度，进而增加了电荷泵电路输出电压的摆幅；和单个MOS管的电流源相比，提高了输出阻抗，降低了沟道长度调制效应对于电流源的影响，减小了电荷泵电流失配。同时，图2所示电路采用同种类型开关管作为电荷泵的开关，有效地避免了不同类型开关管之间的固有不匹配；PMOS管MP10、MP11、MP28、MP29采用正反馈的形式，提高了开关管的响应速度。

2 仿真结果

基于SMIC 0.18μm CMOS工艺，在1.8V电源电压、输入基准参考频率为25MHz、电荷泵电流为100μA条件下，对所设计的电荷泵电路进行仿真验证。图4为基准信号相位超前时，电荷泵对负载电容充电的波形曲线；图5为反馈信号相位超前时，滤波电容通过电荷泵放电的波形曲线；图6为电流随着输出端控制电压变化的电流匹配曲线。仿真结果显示，在0.25V到1.45V输出电压范围内可以实现良好的电流匹配特性，在0.42V到1.22V输出电压范围内充放电电流的误差小于1%。

3 结语

本文采用自偏置共源共栅复合管电流镜技术和正反馈技术，设计了一种差分输入单端输出的电荷泵。仿真结果显示，所设计的电荷泵获得很好的电流匹配特性，适用于低抖动的电荷泵锁相环系统。

参考文献

[1] 陈剑，王志利.锁相环中高性能电荷泵的电路设计[J].中国集成电路，2018，27（06）：38-42.

[2] 王征晨，王兴华，武照博.一种低相噪低杂散1.08GHz锁相环设计[J].微电子学与计算机，2018，35（06）：47-51.

[3] 韩世英.应用于CMMB锁相环中鉴频鉴相器和电荷泵的设计与研究[D].上海交通大学，2010.

Abstract：A charge pump for charge pump phase locked loop is designed by adopting these techniques of self-cascode current mirror and positive feedback in SMIC 0.18μm CMOS. Simulation results showed that the designed charge pump can realize the characterize of charging and discharging. The error of charging and discharging current is less than 1% when the output voltage is in the range of 0.42V to 1.22V.

Key words：CMOS charge pump；current mismatch；self-bias