用于鎖相環(huán)低電壓下抗工藝漲落的低電流失配電荷泵電路

(19)中華人民共和國國家知識產(chǎn)權局(12)發(fā)明專利說明書(10)申請公布號CN104201880A

(43)申請公布日2014.12.10(21)申請?zhí)朇N201410334624.7(22)申請日2014.07.15(71)申請人浙江大學地址310027浙江省杭州市西湖區(qū)浙大路38號(72)發(fā)明人仲冬冬韓雁周騫(74)專利代理機構杭州求是專利事務所有限公司代理人林松海(51)Int.CI H02M3/07權利要求說明書說明書幅圖(54)發(fā)明名稱 用于鎖相環(huán)低電壓下抗工藝漲落的低電流失配電荷泵電路(57)摘要 本發(fā)明公開了一種用于鎖相環(huán)低電壓下抗工藝漲落的低電流失配電荷泵電路。該電荷泵電路包括：由PMOS器件P1、P2、P3、P4和NMOS器件N1、N2、N3組成的電流鏡；由PMOS器件P5、P6和傳輸門T1組成的充電電路；由NMOS器件N4、N5和傳輸門T2組成的放電電路；由PMOS器件P7、P8和NMOS器件N6、N7組成的反饋電路；以及由PMOS器件P9、NMOS器件N8和多晶硅電阻R1、R2組成的體偏置電路。通過傳輸門控制充放電電流管的柵極，在低電源電壓下保證電荷泵的電壓輸出范圍。通過高低兩種不同閾值的MOS管進行反饋調(diào)節(jié)，保證了充放電電流的良好匹配。引入體偏置電路，降低了工藝角波動對電荷泵性能的影響。法律狀態(tài)法律狀態(tài)公告日法律狀態(tài)信息法律狀態(tài)

權利要求說明書1.一種用于鎖相環(huán)低電壓下抗工藝漲落的低電流失配電荷泵電路，包括：電流鏡、充電電路、放電電路、反饋電路以及體偏置電路，其特征在于：

所述的電流鏡包括PMOS器件P1、P2、P3、P4和NMOS器件N1、N2、N3；其中，P1的漏極接電流源并與其柵極相連，再與P2的柵極相連；P3的漏極與其柵極相連，再分別與P4的柵極、N1的漏極相連；N2的漏極與其柵極相連，再分別與N1的柵極、N3的柵極、P2的漏極相連；P1、P2、P3、P4的源極均與電源電壓相連；N1、N2、N3的源極均與地相連；

所述的充電電路，包括：用作充電電流管的PMOS器件P5、用作充電受控晶體管的PMOS器件P6、以及用作充電控制開關的傳輸門T1；其中，P5的漏極與其柵極相連，再分別與P6的柵極、所述電流鏡中N3的漏極相連；P6的漏極與電荷泵的輸出節(jié)點相連；P5、P6的源極均與電源電壓相連；傳輸門T1一端與電源電壓相連，另一端與P5、P6的柵極相連，構成傳輸門T1的PMOS器件柵極由充電信號UP控制，T1中的NMOS器件柵極由充電信號UP的互補信號控制；充電信號UP是由鑒頻鑒相器產(chǎn)生的脈沖信號；

所述的放電電路，包括：用作放電電流管的NMOS器件N4、用作放電受控晶體管的NMOS器件N5、以及用作放電控制開關的傳輸門T2；其中，N4的漏極與其柵極相連，再分別與N5的柵極、所述電流鏡中P4的漏極相連；N5的漏極與電荷泵的輸出節(jié)點相連；N4、N5的源極均與地相連；傳輸門T2一端與地相連，另一端與N4、N5的柵極相連，構成傳輸門T2的PMOS器件柵極由放電信號DN控制，T2中的NMOS器件柵極由放電信號DN的互補信號控制；放電信號DN是由鑒頻鑒相器產(chǎn)生的脈沖信號；

所述的反饋電路，包括：用作充電電路反饋調(diào)節(jié)的PMOS器件P7、高閾值PMOS器件P8，以及用作放電電路反饋調(diào)節(jié)的NMOS器件N6、高閾值NMOS器件N7；其中，P7、P8的柵極均與電荷泵的輸出節(jié)點相連，P7、P8的漏極均與所述充電電路中P6的柵極相連，P7、P8的源極均與電源電壓相連；N6、N7的柵極均與電荷泵的輸出節(jié)點相連，N6、N7的漏極均與所述放電電路中N5的柵極相連，N6、N7的源極均與地相連；

所述的體偏置電路，包括：PMOS器件P9、NMOS器件N8、以及電阻R1、R2；其中，P9的柵極與地相連，源極與電源相連，漏極與R1的一端相連，R1的另一端與地相連；將P9的漏極與R1的一端相連的線網(wǎng)(net)命名為PBB，并分別與P5、P6、P7、P8的體端相連；N8的柵極與電源相連，源極與地相連，漏極與R2的一端相連，R2的另一端與電源相連；將N8的漏極與R2的一端相連的線網(wǎng)(net)命名為NBB，并分別與N4、N5、N6、N7的體端相連。

2.如權利要求1所述的電荷泵電路，其特征在于：所述的PMOS器件P1、P2、P3、P4、P5、P6、P7、P8、P9和NMOS器件N1、N2、N3、N4、N5、N6、N7、N8均為具有源極、漏極、柵極以及體端的四端口結構；其中，P1、P2、P3、P4、P9的體端均接電源電壓；N1、N2、N3、N8的體端均接地；P5、P6、P7、P8的體端接所述的體偏置電路中的PBB;

N4、N5、N6、N7的體端接所述的體偏置電路中的NBB。

3.如權利要求1所述的電荷泵電路，其特征在于：所述的PMOS器件P8和NMOS器件N7為經(jīng)過閾值調(diào)整工藝形成的高閾值管；其他所述的PMOS器件和NMOS器件均采用普通閾值的晶體管，或者在工作電壓非常低時，均采用經(jīng)過閾值調(diào)整工藝形成的低閾值管。

4.如權利要求1所述的電荷泵電路，其特征在于：所述的

PMOS器件P1、P2、P3、P4、P5、P6、P7、P8、P9和NMOS器件N1、N2、N3、N4、N5、N6、N7、N8均為金屬氧化物半導體MOS晶體管。

5.如權利要求1所述的電荷泵電路，其特征在于：所述的電阻R1、R2為兩端口多晶硅電阻。

說明書<p>技術領域

本發(fā)明涉及集成電路設計領域，具體涉及一種用于鎖相環(huán)低電壓下抗工藝漲落的低電流失配電荷泵電路。

背景技術

作為現(xiàn)代無線通信系統(tǒng)應用中最流行的一種頻率合成器結構，鎖相環(huán)(PLL)可以完成信號的調(diào)制和解調(diào)，時鐘恢復，以及為混頻器和無線接收器的載波恢復產(chǎn)生本振信號。而電荷泵鎖相環(huán)(CP-PLL)更是因為其高速度、低噪聲等特點，成為現(xiàn)今最普遍的一種鎖相環(huán)電路。電荷泵(CP)電路在電荷泵鎖相環(huán)中起著非常重要的作用，其主要功能是把來自鑒頻鑒相器(PFD)的UP和DN脈沖數(shù)字信號，通過低通濾波器(LPF)轉(zhuǎn)換為模擬的電壓信號，該信號控制壓控振蕩器(VCO)的振蕩頻率。因此，電荷泵電路對整個鎖相環(huán)環(huán)路的特性有著非常重要的影響。

對于電荷泵電路的設計來說，充放電電流的失配是其主要的設計挑戰(zhàn)之一。

MOS管的各種非理想效應、電流源和電流鏡非零的負載電壓以及不同工藝角下充放電MOS管不同的特性變化都是能引起充放電電流失配的因素。為了消除PFD的死區(qū)效應，PFD引入了去死區(qū)的延時，這就導致電荷泵的充電支路和放電支路會存在同時開啟的時候。所以當充放電電流不一致時，就會導致電荷泵的輸出電壓波動，從而引起VCO輸出頻率的抖動，產(chǎn)生相位噪聲，并在輸出頻譜中生成參考雜散。

電荷泵鎖相環(huán)另一個設計問題在于其輸出信號的頻帶寬度需要達到一定的覆蓋范圍，這就要求電荷泵電路有足夠的輸出電壓擺幅來控制VCO的輸出頻率。而隨著微電子技術向納米尺寸的發(fā)展，集成電路的設計要求也越來越向低電壓（1.0V以內(nèi)）、低功耗靠攏。

傳統(tǒng)的電荷泵電路為了改善充放電電流的失配問題，通常采用級聯(lián)結構增大電流源和電流鏡負載端的輸出電阻以改善電流匹配，在低電壓工作下，這種結構產(chǎn)生的電壓降會使得電荷泵不能提供足夠的電壓凈空間來滿足信號的擺幅要求。

另一種常見的處理電流失配的方法是用一個高增益的運放通過負反饋控制電荷泵輸出節(jié)點以及上拉電路和下拉電路節(jié)點處的電壓差，從而減小上拉電流和下拉電流的失配。然而，高增益運放電路其本身就有一定的設計復雜度，并且當工作電壓很低時，這種嵌套在電荷泵電路中的運放可能自身就無法保證正常工作，所以進一步提高了整體的設計難度。

在傳統(tǒng)的電荷泵電路中，通常用MOS管作為開關管控制電荷泵的充放電，它可以放在電流管的漏端、源端或者柵端。當放置在漏端或源端時，在低電壓下會嚴重減小輸出電壓的擺幅，特別是在漏斷，因直接與輸出相連，其電荷注入、電荷分享效應會十分明顯。而如果放置在柵端，電荷泵充放電的開啟關斷時間會因為電流管的柵電容而增加，且電荷泵的輸出阻抗較小，容易受輸出電壓的影響，從而產(chǎn)生電流失配。

此外，當考慮到集成電路制造過程中工藝偏差的問題，傳統(tǒng)電荷泵電路充電電流和放電電流的失配將會被再次放大。

綜上所述，在低電壓工作下，傳統(tǒng)的電荷泵電路難以獲得較寬的輸出電壓范圍以及低失配的充放電電流。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明提供了一種用于電荷泵鎖相環(huán)中，在低工作電壓下，能夠抗工藝漲落的低電流失配電荷泵電路。

一種用于鎖相環(huán)低電壓下抗工藝漲落的低電流失配電荷泵電路，包括：電流鏡、充電電路、放電電路、反饋電路以及體偏置電路；

所述的電流鏡包括PMOS器件P1、P2、P3、P4和NMOS器件N1、N2、N3；其中，P1的漏極接電流源并與其柵極相連，再與P2的柵極相連；P3的漏極與其柵極相連，再分別與P4的柵極、N1的漏極相連；N2的漏極與其柵極相連，再分別與N1的柵極、N3的柵極、P2的漏極相連；P1、P2、P3、P4的源極均與電源電壓相連；N1、N2、N3的源極均與地相連；

所述的充電電路，包括：用作充電電流管的PMOS器件P5、用作充電受控晶體管的PMOS器件P6、以及用作充電控制開關的傳輸門T1；其中，P5的漏極與其柵極相連，再分別與P6的柵極、所述電流鏡中N3的漏極相連；P6的漏極與電荷泵的輸出節(jié)點相連；P5、P6的源極均與電源電壓相連；傳輸門T1一端與電源電壓相連，另一端與P5、P6的柵極相連，構成傳輸門T1的PMOS器件柵極由充電信號UP控制，T1中的NMOS器件柵極由充電信號UP的互補信號控制；充電信號UP是由鑒頻鑒相器產(chǎn)生的脈沖信號；

所述的放電電路，包括：用作放電電流管的NMOS器件N4、用作放電受控晶體管的NMOS器件N5、以及用作放電控制開關的傳輸門T2；其中，N4的漏極與其柵極相連，再分別與N5的柵極、所述電流鏡中P4的漏極相連；N5的漏極與電荷泵的輸出節(jié)點相連；N4、N5的源極均與地相連；傳輸門T2一端與地相連，另一端與N4、N5的柵極相連，構成傳輸門T2的PMOS器件柵極由放電信號DN控制，T2中的NMOS器件柵極由放電信號DN的互補信號控制；放電信號DN是由鑒頻鑒相器產(chǎn)生的脈沖信號；

所述的反饋電路，包括：用作充電電路反饋調(diào)節(jié)的PMOS器件P7、高閾值PMOS器件P8，以及用作放電電路反饋調(diào)節(jié)的NMOS器件N6、高閾值NMOS器件N7；其中，P7、P8的柵極均與電荷泵的輸出節(jié)點相連，P7、P8的漏極均與所述充電電路中P6的柵極相連，P7、P8的源極均與電源電壓相連；N6、N7的柵極均與電荷泵的輸出節(jié)點相連，N6、N7的漏極均與所述放電電路中N5的柵極相連，N6、N7的源極均與地相連；

所述的體偏置電路，包括：PMOS器件P9、NMOS器件N8、以及電阻R1、R2；其中，P9的柵極與地相連，源極與電源相連，漏極與R1的一端相連，R1的另一端與地相連；將P9的漏極與R1的一端相連的線網(wǎng)(net)命名為PBB，并分別與P5、P6、P7、P8的體端相連；N8的柵極與電源相連，源極與地相連，漏極與R2的一端相連，R2的另一端與電源相連；將N8的漏極與R2的一端相連的線網(wǎng)(net)命名為NBB，并分別與N4、N5、N6、N7的體端相連。

所述的PMOS器件P1、P2、P3、P4、P5、P6、P7、P8、P9和NMOS器件N1、N2、N3、N4、N5、N6、N7、N8均為具有源極、漏極、柵極以及體端的四端口結構；其中，P1、P2、P3、P4、P9的體端均接電源電壓；N1、N2、N3、N8的體端均接地；P5、P6、P7、P8的體端接所述的體偏置電路中的PBB;

N4、N5、N6、N7的體端接所述的體偏置電路中的NBB。

所述的PMOS器件P8和NMOS器件N7為經(jīng)過閾值調(diào)整工藝形成的高閾值管；其他所述的PMOS器件和NMOS器件均采用普通閾值的晶體管，或者在工作電壓非常低時，均采用經(jīng)過閾值調(diào)整工藝形成的低閾值管。

所述的

PMOS器件P1、P2、P3、P4、P5、P6、P7、P8、P9和NMOS器件N1、N2、N3、N4、N5、N6、N7、N8均為金屬氧化物半導體MOS晶體管。

所述的電阻R1、R2為兩端口多晶硅電阻。

與現(xiàn)有技術相比，本發(fā)明具有如下有益的技術效果：

將電荷泵充放電的控制信號控制電流管的柵極，以提供足夠多的電壓凈空間，使得電荷泵電路能夠在低電壓下獲得基本達到軌到軌的電壓輸出范圍，從而能夠更好的滿足鎖相環(huán)的輸出頻帶寬度要求。以傳輸門代替單個MOS管作為控制開關，可以有效減小充放電電流管的柵電容對開啟關斷時間的影響，避免過長的開啟關斷時間引起的電流失配。通過低閾值和高閾值兩種類型的晶體管分別對充電電路和放電電路進行反饋調(diào)節(jié)，準確控制在整個電荷泵輸出電壓范圍內(nèi)的充放電電流的大小以實現(xiàn)良好匹配。同時，引入體偏置電路，通過控制充放電電流管和反饋管的體端電壓，降低工藝波動對電荷泵充放電電流匹配性的影響，還減小了工藝偏差對充放電電流值本身大小的影響。

本發(fā)明的電荷泵電路能夠在0.8V低工作電壓下，電荷泵輸出電壓在20mV~780mV范圍內(nèi)實現(xiàn)充電電流和放電電流的良好匹配。同時，通過合理調(diào)節(jié)各個電路器件的參數(shù)，在更低的工作電壓下（甚至降至0.5V），其工作原理仍然不會受到影響，同樣可以在基本實現(xiàn)軌到軌輸出電壓的同時保證充放電電流的良好匹配。

附圖說明

圖1是基本電荷泵電路的電路結構示意圖。

圖2是本發(fā)明中電荷泵電路的電路結構示意圖。

圖3是本發(fā)明中電荷泵電路的Spectre模擬仿真結果示意圖。

具體實施方式

以下結合附圖和具體實施方式對本發(fā)明做進一步的說明，但是所做示例不作為對本發(fā)明的限制。

如圖1所示的基本電荷泵電路的電路結構，通過開關控制充放電電流的通斷，從而實現(xiàn)對電荷泵的負載（環(huán)路濾波器）進行充放電，負載電容上的電壓即電荷泵的輸出電壓，作為壓控振蕩器的頻率控制信號。按照此基本電荷泵電路可以通過不同的實現(xiàn)方式進行具體設計，開關管可以放在電流管的源極、漏極或者柵極，可以加入其他的輔助電路，不同的實現(xiàn)方式所得到的電荷泵電路的性能也會存在差異。

如圖2所示的本發(fā)明中用于鎖相環(huán)低電壓下抗工藝漲落的低電流失配電荷泵電路包括多個晶體管和兩個電阻。晶體管采用的是MOS晶體管，包括：n溝道MOS晶體管(NMOS)和p溝道MOS晶體管(PMOS)；電阻采用的是多晶硅電阻。

用于鎖相環(huán)低電壓下抗工藝漲落的低電流失配電荷泵電路，包括：電流鏡、充電電路、放電電路、反饋電路和體偏置電路，其中，

所述的電流鏡由PMOS器件P1、P2、P3、P4和NMOS器件N1、N2、N3組成；其中，P1的漏極接電流源并與其柵極相連，再與P2的柵極相連；P3的漏極與其柵極相連，再與P4的柵極、N1的漏極相連；N2的漏極與其柵極相連，再與N1的柵極、N3的柵極、P2的漏極相連；P1、P2、P3、P4的源極均與電源電壓相連；N1、N2、N3的源極均與地相連。

所述的充電電路，用于提供充電電流給電荷泵的輸出負載（即環(huán)路濾波器的電容）充電以提高電荷泵的輸出端電壓，包括：用作充電電流管的PMOS器件P5、用作充電受控晶體管的PMOS器件P6、以及用作充電控制開關的傳輸門T1。

其中，P5的漏極與其柵極相連，再與P6的柵極、所述電流鏡中N3的漏極相連；P6的漏極與電荷泵的輸出節(jié)點相連；P5、P6的源極均與電源電壓相連；傳輸門T1一端與電源電壓相連，另一端與P5、P6的柵極相連，構成傳輸門T1的PMOS器件柵極由充電信號UP控制，T1中的NMOS器件柵極由充電信號的互補信號UP控制；充電信號UP是由鑒頻鑒相器產(chǎn)生的脈沖信號。

可見，充電受控晶體管P6實現(xiàn)了對電荷泵輸出節(jié)點的充電，將輸出電壓上拉最高至電源電壓，同時通過開啟和關斷控制開關T1，可以控制P6是否進行充電。當T1關斷時，P6對電荷泵的輸出節(jié)點充電；當T1導通時，P5和P6的柵端被上拉至電源電壓，充電停止。

所述的放電電路，用于實現(xiàn)對電荷泵的輸出負載（即環(huán)路濾波器的電容）進行放電從而降低電荷泵的輸出端電壓，包括：用作放電電流管的NMOS器件N4、用作放電受控晶體管的NMOS器件N5、以及用作放電控制開關的傳輸門T2。

其中，N4的漏極與其柵極相連，再與N5的柵極、所述電流鏡中P4的漏極相連；N5的漏極與電荷泵的輸出節(jié)點相連；N4、N5的源極均與地相連；傳輸門T2一端與地相連，另一端與N4、N5的柵極相連，構成傳輸門T2的PMOS器件柵極由放電信號DN控制，T2中的NMOS器件柵極由放電信號的互補信號DN控制；放電信號DN是由鑒頻鑒相器產(chǎn)生的脈沖信號。

可見，放電受控晶體管N5實現(xiàn)了對電荷泵輸出節(jié)點的放電，將輸出電壓下拉最低至地電壓，同時通過開啟和關斷控制開關T2，可以控制N5是否進行放電。當T2關斷時，N5對電荷泵的輸出節(jié)點放電；當T2導通時，N4和N5的柵端被下拉至地電壓，放電停止。

所述的反饋電路，用于檢測電荷泵輸出端的電壓，并通過反饋來控制所述充放電電路中充放電電流管的柵極電壓，從而抑制充放電電流因電荷泵輸出端電壓的變化引起的失配。包括：用作充電電路反饋調(diào)節(jié)的PMOS器件P7、高閾值PMOS器件P8，以及用作放電電路反饋調(diào)節(jié)的NMOS器件N6、高閾值NMOS器件N7。

其中，P7、P8的柵極均與電荷泵的輸出節(jié)點相連，P7、P8的漏極均與所述充電電路中P6的柵極相連，P7、P8的源極均與電源電壓相連；N6、N7的柵極均與電荷泵的輸出節(jié)點相連，N6、N7的漏極均與所述放電電路中N5的柵極相連，N6、N7的源極均與地相連。P8和N7為通過閾值調(diào)整形成的高閾值晶體管分別配合P7和N6，可以更加準確地調(diào)節(jié)所述的充放電電路，從而使充放電電流在電荷泵輸出電壓范圍內(nèi)都能保持匹配。

所述的體偏置電路，用于控制所述充放電電路中P5、P6、N4、N5以及所述反饋電路中P7、P8、N6、N7的體端電壓，從而降低工藝角波動對充放電電流匹配度的影響。包括：PMOS器件P9、NMOS器件N8、以及多晶硅電阻R1、R2。

其中，P9的柵極與地相連，源極與電源相連，漏極與R1的一端相連，R1的另一端與地相連；將P9的漏極與R1的一端相連的線網(wǎng)(net)命名為PBB，并分別與P5、P6、P7、P8的體端相連；N8的柵極與電源相連，源極與地相連，漏極與R2的一端相連，R2的另一端與電源相連；將N8的漏極與R2的一端相連的線網(wǎng)(net)命名為NBB，并分別與N4、N5、N6、N7的體端相連。體偏置電路通過控制晶體管的體端電壓調(diào)節(jié)管子的閾值，從而降低工藝角波動的影響。

本發(fā)明中電荷泵電路的工作原理如下：

當充電信號UP為高，放電信號DN為低時，傳輸門T1關斷，T2導通，P6正常導通，進行充電，N5柵極被拉到地處于關斷狀態(tài)，放電路徑截斷，此時輸出節(jié)點電壓升高；當充電信號UP為低，放電信號DN為高時，傳輸門T1導通，T2關斷，P6柵極被拉到電源電壓處于關斷狀態(tài)，充電路徑截斷，N5正常導通，進行放電，此時輸出節(jié)點電壓降低；當充電信號UP為低，放電信號DN為低時，傳輸門T1導通，T2導通，P6柵極被拉到電源電壓處于關斷狀態(tài)，充電路徑截斷，N5柵極被拉到地處于關斷狀態(tài)，放電路徑截斷，此時輸出節(jié)點電壓保持不變；當充電信號UP為高，放電信號DN為高時，傳輸門T1關斷，T2關斷，P6正常導通，進行充電，N5正常導通，進行放電，此時需要充電電流和放電電流具有良好的匹配度，這樣才能保證輸出節(jié)點電壓保持不變。

當電荷泵的輸出逐漸接近電源電壓時，N6、N7逐漸導通，N5的柵極電壓逐漸被下拉至低電平，從而使放電電流Idn減小，以匹配此時較小的充電電流；當電荷泵的輸出逐漸接近零電平時，P7、P8逐漸導通，P6的柵極電壓逐漸被上拉至高電平，從而使充電電流Iup減小，以匹配此時較小的放電電流。所述的電流鏡采用兩級結構，從而有效隔離所述反饋電路的反饋電壓，防止其直接對電流源的輸出電流