一种双补偿电荷泵制造技术

本实用新型专利技术公开了一种双补偿电荷泵，包括电流源、运算放大器、第一电流镜、第二电流镜、第三电流镜、第四电流镜、充电开关和放电开关；第一电流镜和第三电流镜分别提供第一支路的放电电流和充电电流，第二电流镜和第四电流镜分别提供第二支路充电电流和放电电流，充电开关和放电开关分别用于控制两路充电电流和两路放电电流。运算放大器同时控制第三电流镜和第四电流镜，通过运算放大器的负反馈保证电流镜中各个MOS管的漏端电压相等。因此本实用新型专利技术保证了电流镜的镜像精度，具有电路结构简单且能够有效抑制充发电电流随输出电压的变化而变化的优点。（*该技术在2023年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】
一种双补偿电荷泵
本技术涉及通信设备领域，特别涉及一种双补偿电荷泵。
技术介绍
锁相环电路广泛应用于通信系统中，如时钟恢复电路、通过低频载波产生高频载波等。如图1所示，锁相环电路主要由压控振荡器、鉴频鉴相器、电荷泵、环路滤波器和N分频器组成。压控振荡器输出载波通过N分频器分频后产生反馈信号fd，该反馈信号fd与参考时钟信号fMf通过鉴频鉴相器进行相位检测，输出控制信号控制电荷泵对环路滤波电路的充电或放电，从而控制环路滤波电路的输出电压值，该输出电压值控制压控振荡器输出载波的频率大小。当电路处于稳定状态时，输出载波的频率为fwt=N*fMf。电荷泵作为锁相环电路的重要模块，其充电电流及放电电流的稳定性与匹配性对锁相环相位噪声的大小具有重要的影响。因此，设计一种充放电电流失配低、输出电压变化时充放电电流变化小的电荷泵对提高锁相环电路的性能具有重要的作用。如图2所示为早期的单补偿电荷泵，正常工作时，运算放大器Al通过负反馈使电压V1始终与电荷泵输出电压Vcp TOT相等，从而使充电电流Iai及放电电流Idis都与电流I。相等。电流I。是通过丽1、丽3组成的电流镜镜像基准电流源IMf获得，基准电流源IMf及MNl管的漏源电压Vdsi不随输出电压变化而变化，考虑MOS晶体管的沟道长度调制效应:Iref= (1/2) UnCox (ff/L) N (Vgs1-Vthn) 2 (1+ λ VDS1)，10= (1/2) UnCox (ff/L) N (Vgs3-Vthn) 2 (1+ λ VDS3)；其中，un为NMOS沟道中电子的迁移率，Cox为栅极和沟道形成的单位面积电容，W为沟道宽度，L为沟道长度,Vgs为栅极到源极电压,Vds为漏极到源极的电压,Vthn为NMOS晶体管的阈值电压，λ为沟道长度调制系数。忽略沟道电流的差异产生的VDS2、Vds4不完全相等，可得到:Vgs3=Vgsi,Vds3-Vdsi=V1-V0,Δ 10=10-1ref= (1/2) UnCox (ff/L) N (Vgs1-Vthn) 2 λ (VDS3_VDS1)=(1/2)UnCox(ff/L)N(Vgs1-Vthn)2 λ (V1-V0)；XV1=Vcpout,故Λ 10= (1/2) UnCox (ff/L) N (Vgs1-Vthn) 2 λ (VCP 0UT_V0)；从上述可以得出，单补偿电荷泵的充放电电流AItl会随电荷泵输出电压Vcp 而呈线性变化。图3为传统的 双补偿型电荷泵，该结构的电荷泵有两路充电电流Icm和Ich2，及两路放电电流Idisi和Idis2，分别有电流源1、I1^ I2及两个运算放大器Ap A2控制，电流源I。、1工和I2由基准电流源IMf镜像获得，基准电流源Iref为整个电路提供基准电流，电流源Itl与基准电流源Iref完全相等，为PMOS电流镜提供参考电流。由运算放大器Al的反馈作用，使Ich2与Imsi随电荷泵输出电压VeP—的增加而增加；由运算放大器A2的反馈作用，使Icm与Idis2随电荷泵输出电压Vct tot的增加而减小。四路充放电电流由于沟道长度调制效应随输出电压的变化而产生的变化量如下:Δ Ichi=-(1/2) UpCox (ff/L) P (Vgsp-Vthp) 2 λ Δ Vcp out ；Δ Ich2= (1/2) UnCox (ff/L) Ν (Vgsn-Vthn) 2 λ Λ Vcp out ；Δ Idisi= (1/2) UnCox (ff/L) Ν (Vgsn-Vthn) 2 λ Λ Vcp out ；[0021 ] Δ Idis2=-(1/2) UpCox (ff/L) Ρ (Vgsp-Vthp) 2 λ Δ Vcp out ；其中，up,Un分别为PMOS和NMOS中载流子的迁移率，Cox为栅极和沟道形成的单位面积电容，(W/L)P、(W/L)N分别为PMOS和NMOS的宽长比，VesP、Vgsn分别为NMOS和PMOS的栅源电压，VTHP、Vthn分别为PMOS和NMOS晶体管的阈值电压，λ为沟道长度调制系数，AVepOJT为输出电压的变化量。从上式可以看出:对于两路充(放)电电流，一路随输出电压的增加而增加，另一路随输出电压的增加而减小，两路支路电流变化互补，从而使总的充(放)电流不变。这种结构的电荷泵可以在很大程度上减小充放电电流随输出电压的变化而变化，但这种结构的电荷泵引入了两个运算放大器，增加了电荷泵的复杂度。
技术实现思路
本技术的目的在于克服现有技术的缺点与不足，提供一种结构简单的双补偿电荷泵，该电荷泵在不增加其复杂度的情况下，能够有效抑制充发电电流随输出电压的变化而变化。本技术的目的通过下述技术方案实现:一种双补偿电荷泵，包括电流源、运算放大器、第一电流镜(41)、第二电流镜(42)、第三电流镜(43)、第四电流镜(44)、充电开关(45)和放电开关(46)；所述第一电流镜(41)包括多个栅极相连的NMOS管；以电流源IMf作为参考电流镜像形成第一镜像电流Ιο、第二镜像电流I2和第三镜像电流Idisi ;其中第一镜像电流I。与参考电流IMf相等，第二镜像电流I2与第三镜像电流Idisi相等；所述第一电流镜(41)第一镜像电流Itl的输出端与第二电流镜(42)输入端连接，所述第一镜像电流Itl提供至第二电流镜(42)输入端；所述第一电流镜(41)第二镜像电流I2的输出端与运算放大器输入正端连接；所述第一电流镜(41)第三镜像电流Idisi的输出端与运算放大器输入负端连接，所述第三镜像电流Idisi提供至运算放大器输入负端，为电荷泵第一支路放电电流；所述第二电流镜(42)包括多个栅极相连的PMOS管；以第一镜像电流Itl作为参考电流镜像形成第四镜像电流Ich2和第五镜像电流I3 ;其中第四镜像电流Ich2和第五镜像电流I3相等；所述第二电流镜(42)第四镜像电流Iqi2的输出端与运算放大器输入负端连接，所述第四镜像电流Iai2提供至运输放大器输入负端，作为电荷泵第二支路充电电流；所述第二电流镜(42)第五镜像电流I3的输出端与运算放大器的输入正端连接，所述第三电流镜输入端(43)、第四电流镜(44)输入端和运算放大器的输入正端连接；第五镜像电流I3和第二镜像电流I2提供至第三电流镜(43)输入端、第四电流镜(44)输入端及运输放大器输入正端；所述第三电流镜(43)包括多个栅极均与运算放大器输出端连接的多个PMOS管，以第五镜像电流I3和第二镜像电流I2提供至第三电流镜(43)输入端的电流I1作为为参考电流镜像形成第六镜像电流Iail ;第六镜像电流Im和电流I1相等；所述第三电流镜(43)第六镜像电流Icm的输出端与运算放大器输入负端连接，第六镜像电流Im提供至运算放大器输入负端；为电荷泵第一支路充电电流；所述第四电流镜(44)包括栅极均与运算放大器输出端连接的多个NMOS管，以第五镜像电流13和第二镜像电流I2提供至第四电流镜(44)输入端的电流I4为参考电流镜像形成第七镜像电流Idis2，第七镜像电流Idis2和电流I4相等；所述第四电流镜(44)第七镜像电流Idis2输出端与运算放大器输入负端连接，所述第七镜像电本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种双补偿电荷泵，包括电流源和运算放大器、其特征在于，还包括第一电流镜（41）、第二电流镜（42）、第三电流镜（43）、第四电流镜（44）、充电开关（45）和放电开关（46）；所述第一电流镜（41）包括多个栅极相连的NMOS管；以电流源Iref作为参考电流镜像形成第一镜像电流I0、第二镜像电流I2和第三镜像电流IDIS1；其中第一镜像电流I0与参考电流Iref相等，第二镜像电流I2与第三镜像电流IDIS1相等；所述第一电流镜（41）第一镜像电流I0的输出端与第二电流镜（42）输入端连接，所述第一镜像电流I0提供至第二电流镜（42）输入端；所述第一电流镜（41）第二镜像电流I2的输出端与运算放大器输入正端连接；所述第一电流镜（41）第三镜像电流IDIS1的输出端与运算放大器输入负端连接，所述第三镜像电流IDIS1提供至运算放大器输入负端，为电荷泵第一支路放电电流；所述第二电流镜（42）包括多个栅极相连的PMOS管；以第一镜像电流I0作为参考电流镜像形成第四镜像电流ICH2和第五镜像电流I3；其中第四镜像电流ICH2和第五镜像电流I3相等；所述第二电流镜（42）第四镜像电流ICH2的输出端与运算放大器输入负端连接，所述第四镜像电流ICH2提供至运输放大器输入负端，作为电荷泵第二支路充电电流；所述第二电流镜（42）第五镜像电流I3的输出端与运算放大器的输入正端连接，所述第三电流镜输入端（43）、第四电流镜（44）输入端和运算放大器的输入正端连接；第五镜像电流I3和第二镜像电流I2提供至第三电流镜(43)输入端、第四电流镜(44)输入端及运输放大器输入正端；所述第三电流镜（43）包括多个栅极均与运算放大器输出端连接的多个PMOS管，以第五镜像电流I3和第二镜像电流I2提供至第三电流镜（43）输入端的电流I1作为为参考电流镜像形成第六镜像电流ICH1；第六镜像电流ICH1和电流I1相等；所述第三电流镜（43）第六镜像电流ICH1的输出端与运算放大器输入负端连 接，第六镜像电流ICH1提供至运算放大器输入负端；为电荷泵第一支路充电电流；所述第四电流镜（44）包括栅极均与运算放大器输出端连接的多个NMOS管，以第五镜像电流I3和第二镜像电流I2提供至第四电流镜（44）输入端的电流I4为参考电流镜像形成第七镜像电流IDIS2，第七镜像电流IDIS2和电流I4相等；所述第四电流镜（44）第七镜像电流IDIS2输出端与运算放大器输入负端连接，所述第七镜像电流IDIS2提供至运算放大器输入负端，为电荷泵第二支路放电电流；所述运算放大器输出负端为电荷泵电压输出端；所述充电开关和放电开关分别连接上控制信号和下控制信号，通过所述充电开关控制第一支路充电电流ICH1和第二支路充电电流ICH2，通过所述放电开关控制第一支路放电电流IDIS1和第二支路放电电流IDIS2。...

【技术特征摘要】
1.一种双补偿电荷泵，包括电流源和运算放大器、其特征在于，还包括第一电流镜(41)、第二电流镜(42)、第三电流镜(43)、第四电流镜(44)、充电开关(45)和放电开关(46)； 所述第一电流镜(41)包括多个栅极相连的NMOS管；以电流源IMf作为参考电流镜像形成第一镜像电流Ιο、第二镜像电流I2和第三镜像电流Idisi ;其中第一镜像电流Itl与参考电流IMf相等，第二镜像电流I2与第三镜像电流Idisi相等； 所述第一电流镜(41)第一镜像电流Itl的输出端与第二电流镜(42)输入端连接，所述第一镜像电流I。提供至第二电流镜(42)输入端； 所述第一电流镜(41)第二镜像电流I2的输出端与运算放大器输入正端连接； 所述第一电流镜(41)第三镜像电流Idisi的输出端与运算放大器输入负端连接，所述第三镜像电流Idisi提供至运算放大器输入负端，为电荷泵第一支路放电电流； 所述第二电流镜(42)包括多个栅极相连的PMOS管；以第一镜像电流Itl作为参考电流镜像形成第四镜像电流Ich2和第五镜像电流I3 ;其中第四镜像电流Ich2和第五镜像电流I3相等； 所述第二电流镜(42)第四镜像电流Iqi2的输出端与运算放大器输入负端连接，所述第四镜像电流Iai2提供至运输放大器输入负端，作为电荷泵第二支路充电电流； 所述第二电流镜(42)第五镜像电流I3的输出端与运算放大器的输入正端连接，所述第三电流镜输入端(43)、第四电流镜(44)输入端和运算放大器的输入正端连接；第五镜像电流I3和第二镜像电流I2提供 至第三电流镜(43)输入端、第四电流镜(44)输入端及运输放大器输入正端； 所述第三电流镜(43)包括多个栅极均与运算放大器输出端连接的多个PMOS管，以第五镜像电流I3和第二镜像电流I2提供至第三电流镜(43)输入端的电流I1作为为参考电流镜像形成第六镜像电流Ichi ;第六镜像电流Im和电流I1相等； 所述第三电流镜(43)第六镜像电流Icm的输出端与运算放大器输入负端连接，第六镜像电流Im提供至运算放大器输入负端；为电荷泵第一支路充电电流； 所述第四电流镜(44)包括栅极均与运算放大器输出端连接的多个NMOS管，以第五镜像电流I3和第二镜像电流I2提供至第四电流镜(44)输入端的电流I4为参考电流镜像形成第七镜像电流Idis2，第七镜像电流Idis2和电流I4相等； 所述第四电流镜(44)第七镜像电流Idis2输出端与运算放大器输入负端连接，所述第七镜像电流Idis2提供至运算放大器输入负端，为电荷泵第二支路放电电流；所述运算放大器输出负端为电荷泵电压输出端； 所述充电开关和放电开关分别连接上控制信号和下控制信号，通过所述充电开关控制第一支路充电电流Im和第二支路充电电流Iai2，通过所述放电开关控制第一支路放电电流Idisi和第二支路放电电流Idis2。2.根据权利要求1所述的双补偿电荷泵，其特征在于，所述充电开关由栅极均与上控制信号Vup连接的第五PMOS管和第七PMOS管组成，所述第五PMOS管和第七PMOS管的源极均与电源连接，所述第五PMOS管和第七PMOS管的漏极分别与产生第一支路充电电流的第三电流镜和产生第二支路充电电流的第二电流镜连接，通过第五PMOS管和第七PMOS管分别控制第一支路充电电流Iail和第二支路充电电流Iai2 ；所述放电开关由栅极均与下控制信号Votn连接的第八NMOS管和第十NMOS管组成，所述第八NMOS管和第十NMOS管的源极均接到，所述第八NMOS管和第十NMOS管的漏极分别与产生第一支路放电电流的第一电流镜和产生第二支路放电电流的第二电流镜连接，通过第八匪OS管和第十NMOS管分别控制第一支路放电电流Idisi和第二支路放电电流IDIS2。3.根据权利要求2所述的双补偿电荷泵，其特征在于，所述第一电流镜(41)包括四个NMOS管，分别为栅极均与电流源连接的第一 NMOS管、第三NMOS管、第五NMOS管和第七NMOS管；所述第一 ...

【专利技术属性】
技术研发人员：吴朝晖，江金堂，赵明剑，李斌，
申请(专利权)人：华南理工大学，
类型：实用新型
国别省市：