文档介绍：第 32卷第 1期电子工程师 Vol. 32 No. 1
2006年 1月 ELECTRON IC ENGINEER Jan. 2006
一种高速低功耗电荷泵电路的设计
应一帜
(台州职业技术学院, 浙江省台州市 318000)
【摘 2 要2 】介绍了作为高2 速2锁相环电路集成芯片一部分的高速低功耗电荷泵电路的设计。所设
计的锁相环路适应高频工作环境,电路结构采用当前的主流结构———D /A 混合结构的电荷泵锁相环。
环路中的鉴相器是数字鉴频鉴相器结构,没有反馈回路,提高了工作频率,并且缓解了传统鉴频鉴相
器中死区的产生。电荷泵结构进行了一定的改进,既使电路结构简单,又削弱了 MOS管带来的非理想
特性,使得电荷注入、电荷分享、时钟脉冲馈通等寄生效应得到最大程度的减缓,同时保证高速、低功
耗的电路性能。压控振荡器采用环路振荡器结构,易于集成而且功耗低。
关键词:锁相环, 电荷泵, 高速, 低功耗, 电路设计
中图分类号: TN47
截止区,则所有沟道电荷将流入 MOS的 S端, D 端则
1 电荷泵电路分析
不受影响。采用此法可缓解该结构的不良效应。
电荷泵的基本结构如图 1所示。信号 Up和 Down
控制 Iup和 Idn两个电流源,使其工作在 3种状态。通过
信号 Up和 Down的控制,电流源对电容进行充放电,
从而输出一个直流电平 Vc 。
图 1 电荷泵的理想模型
图 2 传统电荷泵电路结构
在实际电路中,通常由 MOS管实现图 1中的开关
SM1、SM2: PMOS实现 SM1, NMOS实现 SM2。MOS管传统上消除电荷分享等效应的方法是在 Vc 、Up
实现开关电路,显然会引入 MOS管自带的寄生效应, 和 Down这 3 点之间接一个单位增益跟随器(如图 3
导致非理想性能的产生,反映在电荷泵的特性上即出所示) ,时刻保证这 3点之间的电势相同,这样无论是
现电荷注入、时钟馈通以及电荷分享等现象。图 2 ( a) 哪一个开关打开,都不会发生电荷分享效应。但是它
是直接根据图 1理想模型实现的的电荷泵电路的一种的缺点是附加的,运放导致电路复杂度的增加。
结构,其特点是 MOS开关管位于电流源的漏端。为消除图 2 ( a)的缺点,另一种方法是将开关位置
当 MOS开关管从导通转变为截止态时,存储在沟移至栅极,如图 2 ( b)所示,输出端波形的过冲现象会
道中的电荷以及栅极处通过 CGD耦合过来的电荷会在得到明显的改善。但是,由于 P2、N2管栅极处的寄生
MOS管的漏端产生电荷注入和时钟馈通现象,从而直电容较大,开关 MOS管的速度将减小,从而限制了这
接导致 Vc 电压的抖动。又因开关管 SM1、SM2与电荷种电荷泵的工作频率。虽然可以通过增大偏置电流来
泵的输出直接相连接,其电荷分享效应尤为明显。文提高工作速度,但是这将使电路的功耗明显上升。
献[ 3, 5 ]表明,如果一个开关 MOS管在饱和态时进入既要使电路保持结构简单,又要削弱 MOS管带来
的非理想特性,同时保证高速、低功耗的电路性能,可
收稿日期: 2005 05 08; 修回日期: 2005 09 27。
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第 32卷第 1期应一帜