一種高性能CMOS電荷泵的設計

摘要: 設計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對自偏置高擺幅共源共柵電流鏡進行泵電流鏡像，增大了低電壓下電荷泵的輸出電阻，實現(xiàn)了上下兩個電荷泵的匹配。為消除單端電荷泵存在的電荷共享問題，引入了帶寬幅電壓跟隨的半差分電流開關結構，使電荷泵性能得以提高。設計采用0．18μm標準CMOS工藝。電路仿真結果顯示，在0．35～1．3 V范圍內泵電流匹配精度達0．9％，電路工作頻率達250 MHz。
關鍵詞: 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、低成本等優(yōu)點，在頻率合成、時鐘恢復等電路中被廣泛采用。作為電荷泵鎖相環(huán)里的一個關鍵模塊，電荷泵在電路實現(xiàn)時，往往存在著開關延遲、充放電電流失配、電荷注入及電荷共享等非理想效應。對于高性能鎖相環(huán)的設計而言，應盡量減小相位噪聲及雜散的產生，使輸出電流更平滑，輸出電壓諧波分量更低，減小開關延遲現(xiàn)象。文中提出了一種基于偽差分結構的具有高輸出阻抗和高充放電流匹配率的電荷泵電路。

1 電荷泵設計分析
??? 電荷泵主要功能是將鑒頻鑒相器(PFD)的輸出信號up和down轉換為模擬的連續(xù)變化的電壓信號，用于控制壓控振蕩器(VCO)的振蕩頻率。當PFD的up輸出信號起作用時，電荷泵的電流源對環(huán)路濾波器進行充電，VCO的壓控端電壓升高，VCO的振蕩頻率也相應改變。反之，down信號使電荷泵電流沉對環(huán)路濾波器進行放電，VCO的壓控電壓信號降低。當VCO振蕩頻率和相位與參考信號相同時，電荷泵的輸出信號應該保持一個常值。但是傳統(tǒng)的電荷泵，如圖l所示，存在多種非理想效應，比如電荷泄漏、充放電電流失配、電荷共享、泵開關的延遲等。一個好的電荷泵設計應該力求把以上情況降到設計規(guī)范之內。

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1．1 電流失配
當up和down信號控制電荷泵充放電時，會產生電流失配和泵開關時間延時問題。由此引起的系統(tǒng)相位偏差表達式如(1)所示

??? 其中，△ton，Tref，I和△I分別表示PFD開通時間、參考時鐘周期、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，一般需要保持一定的開通時間，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，當電荷泵電流源都關斷時，電流源漏極寄生電容分別被充電到VDD和放電到地。在下一個鑒相時刻中電荷泵電流源都打開的狀態(tài)時，由于兩個寄生電容上的電荷變化量不可能相同，會有剩余電荷注入環(huán)路濾波器中，引起VCO壓控電壓發(fā)生變化，造成壓控信號產生紋波。通常減小電荷共享的手段是電荷泵電路采用差分結構。
??? 針對以上一般電荷泵所存在的缺點，文中提出了一個高電流匹配度、高輸出電壓穩(wěn)定的電荷泵電路。

2 高性能電荷泵設計
??? 現(xiàn)在CPPLL通常采用無死區(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低壓條件下實現(xiàn)較寬電壓范圍的恒定電流輸出，本設計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阻，其小信號模型的輸出電阻表達式如式(2)所示

??? 由式(2)可以看出，共源共柵電流結構增大了泵電流源的輸出電阻。選取合理的寬長比可以增大M2管的跨導gm2，同時減小其溝道調制效應，使電流源的內阻最大化。自偏置結構使得電流源的開啟電壓降為VM4on+VM2on，比普通的共源共柵的開啟電壓Vth+2VM4On更低，適合低電壓條件下的運用。M4管的寬長比和電阻R1的電阻值可以通過式(3)計算出來

需要注意的是M1，M2存在襯底偏置效應，設其背柵為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管的寬長比及版圖的對稱性要求很高，已有大量的資料對其做了講述。

??? 為了減小電荷泵CMOS開關引起的電荷共享問題，文中采用增加啞(Dummy)電路來改善電路性能，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，在同一時刻，兩條支路中總有一條支路是導通的，這樣就避免了電荷泵無電流流過而引起的電荷共享。Vc和Vcon之間通過一個電壓跟隨器連接起來，使得Dummy支路與主支路的節(jié)點電壓相同。因此，在鎖定情況下，電荷泵不會出現(xiàn)周期性的充放電情況。
??? 為了在低壓下實現(xiàn)較寬動態(tài)范圍的電壓跟隨，本設計采用了軌至軌(Rail-to-Rail)緩沖器作為電壓跟隨器，如圖4中虛線框內所示。電壓跟隨器為二級放大器結構，輸入級采用雙差分放大器并聯(lián)的Rail-to-Rail結構，增大了輸入動態(tài)范圍和增益。其中，PM13，NM13為電流累加管，寬長比分別是PM14和NM14的兩倍，輸出節(jié)點用MOS管電容作為負載，目的是進行頻率補償，穩(wěn)定輸出電壓信號。圖4為文中所設計電荷泵的完整電路圖。
??? 本設計電流鏡鏡像的恒定電流為100μA；采用對稱的共源共柵電流源實現(xiàn)對電流源和電流沉的匹配，在電壓跟隨器的輸出端增加一個20 pF的電容，使得該節(jié)點更加穩(wěn)定。

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3 仿真結果
??? 本電荷泵采用O．18μm標準CMOS工藝，使用Cadence軟件集成的Spectre仿真工具對電路進行設計仿真驗證。從仿真結果可以看出，電荷泵的電流在0．35～1．3 V的直流掃描范圍內CER

4 結束語
??? 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，在此基礎上設計了一個結合了對稱自偏置高擺幅共源共柵電流源和差分泵開關的電荷泵，電荷泵電流為100μA。在版圖面積和電路性能之間經過優(yōu)化設計，實現(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。整體上滿足了較高要求的應用環(huán)境，適用于高速高精度低壓要求的電荷泵鎖相環(huán)路。