一种电荷泵锁相环中的电荷泵电路制造技术

一种电荷泵锁相环中的电荷泵电路，设有自偏置电流镜电路、充放电电路、复制电路、预充电偏置电路及轨到轨运放电路，自偏置电流镜电路设有电阻R、3个MOS管以及参考电流源。充放电电路设有充、放电开关管以及4个MOS管组成的充放电电流源。复制电路是充放电电路结构的复制，相对应的晶体管尺寸对应相等。预充电偏置电路设有5个MOS管，轨到轨运放电路的输入端跨接于充放电电路和复制电路之间，输出端连接电荷泵充电电流源。（*该技术在2021年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】

本技术涉及电荷泵锁相环(CPPLL)，尤其涉及一种电荷泵锁相环中的电荷泵电路，采用MOS工艺，在宽输出电压下实现高精度电流匹配，并且具有高预充电电流，可直接适用于射频与模拟集成电路中电荷泵锁相环电路的应用。
技术介绍
锁相环(PLL)频率综合器电路利用反馈的原理控制输出变量，以实现输出信号频率对输入信号频率的自动跟踪。电荷泵锁相环(CPPLL)是目前锁相环电路设计的主流， 由于它有捕捉范围宽、捕捉时间短、线性范围大、高速低功耗等优点，被广泛地应用于现代通信领域及射频领域中。如图1所示，电荷泵锁相环(CPPLL)由鉴频鉴相器(PFD)、电荷泵(CP)、环路滤波器(LF)、压控振荡器(VCO)和分频器(Divider)五部分组成。CP电路在 CPPLL中起着非常重要的作用，其主要功能是把PFD输出的数字控制信号，包括充电信号 (UP)和放电信号(DW)转换为模拟信号，进而来控制VCO的输出频率。CP对整个环路的性能起决定性作用，其电流匹配精度、电流匹配时输出电压范围、预充电电流大小直接影响环路的性能。图1电荷泵锁相环(CPPLL)中的CP电路，包括开关S1和S2,以及分别与之相连的充电电流源Iup和放电电流源Idw。CP输入端接PFD的输出信号，输出端接LF的输入端。 PFD检测输入信号REF和DIV的频率和相位的差别，产生充电信号(UP)和放电信号(DW)， UP信号控制S1的闭合与断开，Dff信号控制&的闭合与断开。开关S1和&分别控制CP的充电和放电过程。开关S1闭合，开关&断开，CP通过充电电流源Iup对LF充电，Vrtri上升； 开关&闭合，开关S1断开，CP通过放电电流源Idw对LF进行放电，Vctrl下降；开关S” &同时闭合或同时断开时，CP不对LF进行充电或放电，Vctrl保持不变。CP设计的核心在于使充电电流和放电电流大小相等，并且在保证这两股电流匹配的情况下，Vctrl输出范围尽可能的大。另外，CP的预充电电流越大，PLL的建立时间越短。 现有的电荷泵存在充放电电流失配、电流匹配时输出电压变化范围窄、预充电电流小等不足，这些因素都不同程度影响了锁相环的性能。
技术实现思路
本技术的目的是为克服现有技术不足，提供一种电荷泵锁相环中的电荷泵电路，采用的技术方案是一种电荷泵锁相环中的电荷泵电路，其特征在于设有自偏置电流镜电路、充放电电路、复制电路、预充电偏置电路及轨到轨运放电路，其中自偏置电流镜电路设有电阻R、MOS管Ml、M2、M3以及参考电流源，电阻R —端连接MOS管Ml栅极和参考电流源，参考电流源另一端连接电源VDD，电阻R另一端连接MOS管 Ml的漏极和M2的栅极，MOS管Ml的源极连接M2的漏极，MOS管M2的源极连接M3的漏极， MOS管M3的栅极接电源VDD，M3的源极接地。充放电电路设有充电开关管M4和放电开关管M8以及肌5管115』5，^6^7组成的充放电电流源，充电开关管M4栅极连接充电信号UP，M4源极接电源VDD，MOS管M5与M5， 作为充电电流源，MOS管M5与M5，的源极连接在一起并与开关管M4的漏极连接，MOS管M5 与M5’的漏极相连作为电荷泵输出端，与锁相环中环路滤波器输入端连接，MOS管M5与M5’ 的漏极连接在一起并与MOS管M6的漏极连接，MOS管M6的栅极与自偏置电流镜电路中MOS 管Ml栅极连接，MOS管M6的源极与MOS管M7的漏极连接，MOS管M7的栅极和自偏置电流镜电路中MOS管M2的栅极相连接，MOS管M7的源极连接放电开关管M8的漏极，放电开关管M8的栅极连接放电信号DW，M8的源极接地。复制电路是充放电电路结构的复制，设有与充电开关管M4相对应的充电开关管 M9、与MOS管M5、M5，相对应的MOS管M10、M10，、与MOS管M6、M7相对应的MOS管M11、M12 以及与放电开关管M8相对应的放电开关管M13，相对应的晶体管尺寸对应相等，充电开关管M9的源极连接电源VDD，M9栅极接地，MOS管M10、M10，的源极连接M9的漏极，MOS管 M10、M10，的漏极连接MOS管Mll的漏极，Mll的栅极连接自偏置电流镜电路中MOS管Ml的栅极，MOS管Mll的源极连接MOS管M12的漏极，M12的栅极连接自偏置电流镜电路中MOS 管M2的栅极，M12的源极连接放电开关管M13的漏极，M13的栅极接电源VDD，M13的源极接地。预充电偏置电路设有MOS管M14、M15、M16、M17、M18，MOS管M14的源极接电源 VDD, M14的栅极接地，M14的漏极接MOS管M15源极，M15的栅极与漏极连接在一起并与充放电电路MOS管M5’以及复制电路MOS管M10，的栅极连接，M15的漏极连接MOS管M16的漏极，M16的栅极连接自偏置电流镜MOS管Ml的栅极，M16的源极连接MOS管M17的漏极， M17的栅极连接自偏置电流镜MOS管M2的栅极，M17的源极连接MOS管M18的漏极，M18的栅极接电源VDD，M18的源极接地。轨到轨运放电路的负输入端连接电荷泵的输出端即充放电电路中MOS管M6的漏极，轨到轨运放电路的正输入端连接复制电路中MOS管Mll的漏极，轨到轨运放电路的输出端与充放电电路MOS管M5的栅极以及复制电路MOS管MlO的栅极连接在一起。轨到轨运放电路的输出端还串联一电阻&及电容Cc后连接轨到轨运放电路的正输入端。本技术的优点及显著效果(1)电荷泵的充电电流源采用两个MOS管M5和M5，组成结构，M5的栅极由轨到轨运放的输出端偏置，M5’的栅极由预充电偏置电路偏置，通过这样的连接增加一个预充电支路，提高电荷泵预充电电流，缩短电荷泵锁相环的建立时间，克服了现有电荷泵预充电电流小所导致电荷泵锁相环建立时间长的不足。(2)充放电流匹配精度是电荷泵设计中最重要的指标，也是电荷泵设计的难点。本专利技术采用轨到轨运放的输入端跨接于充放电电路和复制电路之间，运放输出端连接充电电流源M5和MlO的栅极，采用这种结构，轨到轨运放的高增益保证运放的两输入端电位相等， 使得电荷泵的充放电流匹配，运放的高增益保证了电流匹配的高精度。(3)电荷泵充放电流匹配时输出电压范围会影响压控振荡器的调谐范围。本专利技术采用轨到轨运放，轨到轨运放具有宽输入电压范围，这保证了电荷泵电流匹配时的宽输出电压范围，克服了现有电荷泵结构存在电流匹配时输出电压窄的问题。(4)应用自偏置电流镜结构，由于MOS管Ml和M2增加了电流镜的输出阻抗，为此提高电流镜电流复制的精确度以及输出电流的平稳度。4(5)电路结构简单可靠，功耗低，易于集成。附图说明图1是已知的电荷泵锁相环(CPPLL)的框图及电荷泵的结构图；图2是本技术电荷泵原理电路图；图3是图2中已知的宽输入电压高增益轨到轨运放的电路原理图。具体实施方式参看图2，本技术电荷泵锁相环中的电荷泵电路包括自偏置电流镜1、充放电电路2、复制电路3、预充电偏置电路4和轨到轨运放电路A。其中自偏置电流镜电路1设有电阻R、M0S管M1、M2、M3以及参考电流源，电阻R — 端连接MOS管Ml栅极和参考电流源I,ef，参考电流源Iref另一端连接电源VDD，电本文档来自技高网...

【技术保护点】
１．一种电荷泵锁相环中的电荷泵电路，其特征在于：设有自偏置电流镜电路、充放电电路、复制电路、预充电偏置电路及轨到轨运放电路，其中：自偏置电流镜电路设有电阻Ｒ、ＭＯＳ管Ｍ１、Ｍ２、Ｍ３以及参考电流源，电阻Ｒ一端连接ＭＯＳ管Ｍ１栅极和参考电流源，参考电流源另一端连接电源ＶＤＤ，电阻Ｒ另一端连接ＭＯＳ管Ｍ１的漏极和Ｍ２的栅极，ＭＯＳ管Ｍ１的源极连接Ｍ２的漏极，ＭＯＳ管Ｍ２的源极连接Ｍ３的漏极，ＭＯＳ管Ｍ３的栅极接电源ＶＤＤ，Ｍ３的源极接地；充放电电路设有充电开关管Ｍ４和放电开关管Ｍ８以及ＭＯＳ管Ｍ５、Ｍ５’、Ｍ６、Ｍ７组成的充放电电流源，充电开关管Ｍ４栅极连接充电信号ＵＰ，Ｍ４源极接电源ＶＤＤ，ＭＯＳ管Ｍ５与Ｍ５’作为充电电流源，ＭＯＳ管Ｍ５与Ｍ５’的源极连接在一起并与开关管Ｍ４的漏极连接，ＭＯＳ管Ｍ５与Ｍ５’的漏极相连作为电荷泵输出端，与锁相环中环路滤波器输入端连接，ＭＯＳ管Ｍ５与Ｍ５’的漏极连接在一起并与ＭＯＳ管Ｍ６的漏极连接，ＭＯＳ管Ｍ６的栅极与自偏置电流镜电路中ＭＯＳ管Ｍ１栅极连接，ＭＯＳ管Ｍ６的源极与ＭＯＳ管Ｍ７的漏极连接，ＭＯＳ管Ｍ７的栅极和自偏置电流镜电路中ＭＯＳ管Ｍ２的栅极相连接，ＭＯＳ管Ｍ７的源极连接放电开关管Ｍ８的漏极，放电开关管Ｍ８的栅极连接放电信号ＤＷ，Ｍ８的源极接地；复制电路是充放电电路结构的复制，设有与充电开关管Ｍ４相对应的充电开关管Ｍ９、与ＭＯＳ管Ｍ５、Ｍ５’相对应的ＭＯＳ管Ｍ１０、Ｍ１０’、与ＭＯＳ管Ｍ６、Ｍ７相对应的ＭＯＳ管Ｍ１１、Ｍ１２以及与放电开关管Ｍ８相对应的放电开关管Ｍ１３，相对应的晶体管尺寸对应相等，充电开关管Ｍ９的源极连接电源ＶＤＤ，Ｍ９栅极接地，ＭＯＳ管Ｍ１０、Ｍ１０’的源极连接Ｍ９的漏极，ＭＯＳ管Ｍ１０、Ｍ１０’的漏极连接ＭＯＳ管Ｍ１１的漏极，Ｍ１１的栅极连接自偏置电流镜电路中ＭＯＳ管Ｍ１的栅极，ＭＯＳ管Ｍ１１的源极连接ＭＯＳ管Ｍ１２的漏极，Ｍ１２的栅极连接自偏置电流镜电路中ＭＯＳ管Ｍ２的栅极，Ｍ１２的源极连接放电开关管Ｍ１３的漏极，Ｍ１３的栅极接电源ＶＤＤ，Ｍ１３的源极接地；预充电偏置电路设有ＭＯＳ管Ｍ１４、Ｍ１５、Ｍ１６、Ｍ１７、Ｍ１８，ＭＯＳ管Ｍ１４的源极接电源ＶＤＤ，Ｍ１４的栅极接地，Ｍ１４的漏极接ＭＯＳ管Ｍ１５源极，Ｍ１５的栅极与漏极连接在一起并与充放电电路ＭＯＳ管Ｍ５’以及复制电路ＭＯＳ管Ｍ１０’的栅极连接，Ｍ１５的漏极连接ＭＯＳ管Ｍ１６的漏极，Ｍ１６的栅极连接自偏置电流镜ＭＯＳ管Ｍ１的栅极，Ｍ１６的源极连接ＭＯＳ管Ｍ１７的漏极，Ｍ１７的栅极连接自偏置电流镜ＭＯＳ管Ｍ２的栅极，Ｍ１７的源极连接ＭＯＳ管Ｍ１８的漏极，Ｍ１８的栅极接电源ＶＤＤ，Ｍ１８的源极接地；轨到轨运放电路的负输入端连接电荷泵的输出端即充放电电路中ＭＯＳ管Ｍ６的漏极，轨到轨运放电路的正输入端连接复制电路中ＭＯＳ管Ｍ１１的漏极，轨到轨运放电路的输出端与充放电电路ＭＯＳ管Ｍ５的栅极以及复制电路ＭＯＳ管Ｍ１０的栅极连接在一起。...

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：李智群，郑爽爽，王志功，
申请(专利权)人：东南大学，
类型：实用新型
国别省市：32