CN107147281B - 一种动态电流补偿的电荷泵 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种动态电流补偿的电荷泵，包括电流输入级电路(1)、电流源偏置电路(2)、电流注入电路(3)、与电流注入电路(3)并联的动态电流补偿电路(4)、输出电流源偏置电路(5)和电流输出级电路(6)。通过与电流注入电路(3)并联的动态电流补偿电路(4)来动态调整输出电流‑电压曲线，使得电荷泵能在较大输出电压范围内保持较好的电流匹配精度。本发明在传统结构的基础上，引入与电流注入电路(3)并联的动态补偿电路(4)，以极小的代价，实现了在较大输出电压范围内保持较好的电流匹配。

Description

一种动态电流补偿的电荷泵
技术领域
本发明涉及电荷泵技术领域，具体涉及一种动态电流补偿的电荷泵。
背景技术
基于锁相环技术实现的频率综合器因其功耗低、性能好等优点被广泛应用于通信***中。频率综合器的性能直接决定着通信***的信号质量。比如，频率综合器的杂散(spur)会将带外的干扰信号变频到信道内，恶化通信信号的信噪比(SNR)。因此频率综合器的杂散(spur)性能非常重要。
锁相环频率综合器的杂散(spur)是由压控振荡(VCO)的控制信号上叠加的一个周期性波动对压控振荡器的频率进行调制导致的。该周期性的波动主要是由鉴频鉴相器(PFD)和电荷泵(CP)的非线性造成的，其中电荷泵的电流失配的影响最为严重。对与一定的输出频率范围，较大的控制电压调谐范围可以降低压控振荡器的增益，有利于提高频率综合器的噪声性能。但由沟道长度调制效应，较大的输出电压范围会导致较大的电荷泵电流失配。因此，电荷泵的电流失配和输出电压范围是锁相环频率综合器的重要参数。
为了减轻或者消除电荷泵的电流失配，很多技术被发明。增大电流源管的沟道长度可以减小沟道长度调制效应产生的电流失配，但是这是以面积为代价的。使用共栅共源结构的电流源可以有效的提高输出阻抗，但是这种共栅共源结构的电流源需要消耗更多的电压，导致输出的电压范围减小。图2是J-S Lee等发明的一种新型电荷泵结构([1]J-S Leeet al.,“Charge pump with perfect current matching characteristics in phase-locked loops,”Electron.Lett.,vol.36,no.23,pp.1907-1908,Nov.2000)。通过使用一个高增益的误差运算放大器，参考支路电流源的漏端电压精确跟随输出电压变化，因此该结构可以获得较低的电流失配。但是该结构增加了设计的复杂度和电荷泵的功耗、恶化了电荷泵的噪声性能。图3是T-H Lin等在传统结构的基础上改进的电荷泵结构([2]T-H Lin etal.,“Dynamic Current-Matching Charge Pump and Gated-Offset LinearizationTechnique for Delta-Sigma Fractional-N PLLs,”IEEE Trans.Circuits Syst.I,vol.56,no.25,pp.877–885,May 2009)。该结构通过改变引入的并联场效应管的电阻，补偿沟道长度调制效应的影响。该发明以较小的代价获得了较好的电流匹配效果，但是该结构的电荷泵输出电压范围并没有很大的提高。
本发明在传统电荷泵结构的基础上，增加了与电流注入电路并联的反馈场效应管。与T-HLin等提出的采用反馈电阻的方式不同的是，本发明采用动态电流补偿的方式得到较好的电流匹配效果和较大的输出电压范围。
发明内容
本发明的目的是为了以尽量小的代价为锁相环频率综合器提供低电流失配、大输出电压范围的电荷泵，减小锁相环频率综合器输出的杂散。
本发明为了达到上述目的，在传统结构的基础上进行改进，得到一种新的电路结构：
一种动态电流补偿的电荷泵，包括电流输入级电路、电流源偏置电路、电流注入电路、与电流注入电路并联的动态电流补偿电路、输出电流源偏置电路和电流输出级电路；电流源偏置电路、电流注入电路、输出电流源偏置电路均由n型电流源和p型电流源组成；电流输入级电路由n型电流源构成；电流输出级电路由n型电流源、p型电流源、第一n型场效应管开关、第二n型场效应管开关、第一p型场效应管开关、第二p型场效应管开关和单位增益运算放大器构成。所述n型电流源由一个n型场效应管构成，其源端接地；电流输入级电路中n型场效应管的漏端和栅端相连，其栅端与电流源偏置电路中n型场效应管的栅端和电流注入电路中n型场效应管的栅端相连；所述p型电流源由一个p型场效应管构成，其源端接电源；电流源偏置电路中p型场效应管的漏端和栅端相连，并与电流源偏置电路中n型场效应管的漏端和电流注入电路中p型场效应管的栅端相连；动态电流补偿电路中p型场效应管的源端连接电源，其漏端与电流注入电路中p型场效应管的漏端相连；动态电流补偿电路中n型场效应管的源端连接地，其漏端与电流注入电路中n型场效应管的漏端相连；输出电流源偏置电路中的p型场效应管的漏端和栅端连接，并与电流注入电路中n型场效应管的漏端、动态电流补偿电路中n型场效应管的漏端和电流输出级电路中p型电流源的p型场效应管栅端连接；输出电流源偏置电路中的n型场效应管的漏端和栅端连接，并与电流注入电路中p型场效应管的漏端、动态电流补偿电路中p型场效应管的漏端和电流输出级电路中n型电流源的n型场效应管栅端连接；电流输出级电路中n型电流源的n型场效应管漏端与第一n型场效应管开关的源端和第二n型场效应管开关的源端连接；电流输出级电路中p型电流源的p型场效应管漏端与第一p型场效应管开关的源端和第二p型场效应管开关的源端连接；电流输出级电路中第一n型场效应管开关的栅端接控制信号DNB，第二n型场效应管开关的栅端接控制信号DN；电流输出级电路中第一p型场效应管开关的栅端接控制信号UP，第二p型场效应管开关的栅端接控制信号UPB；第一n型场效应管开关的漏端与第一p型场效应管开关的漏端连接，并与单位增益运算放大器的输出端相连；第二n型场效应管开关的漏端与第二p型场效应管开关的漏端连接，并与单位增益运算放大器的输入正极端、动态电流补偿电路中p型场效应管的栅端和动态电流补偿电路中n型场效应管的栅端连接；单位增益运算放大器的输入负极端与其输出端相连。
本发明的动态电流补偿的电荷泵通过与电流注入电路中的电流源并联的场效应管补偿电流来改变输出电流-电压曲线，能够在较大输出电压范围内维持较好的电流匹配。
本发明的原理在于：
在没有动态补偿电路情况下，由于沟道长度调制效应，输出电压升高时，电流输出级电路中的n型电流源电流Idn增大，电流输出级电路中的p型电流源电流Iup减小；输出电压降低时，电流输出级电路中的n型电流源电流Idn减小，电流输出级电路中的p型电流源电流Iup增大。因此，输出电压的变化会导致电流输出级电路中的n型电流源电流和p型电流源电流发生反向的变化，产生失配；并且电压范围越大，电流失配越大。
对于本发明中的动态电流补偿的电荷泵，在输出电压升高时，动态电流补偿电路中n型场效应管中的电流Iupc增加，从而增加了流过输出电流偏置电路中的p型电流源的电流，镜像到电流输出级电路中的p型电流源的电流增加，增加的电流补偿了电流输出级电路中的p型电流源因沟道长度调制效应减小的电流，因此电流输出级电路中的p型电流源中的电流保持不变；同时，动态电流补偿电路中p型场效应管中的电流Idnc减小，从而减小了流过输出电流偏置电路中的n型电流源的电流，镜像到电流输出级电路中的n型电流源的电流减小，减小的电流补偿了电流输出级电路中的n型电流源因沟道长度调制效应增加的电流，因此电流输出级电路中的n型电流源中的电流保持不变；得到的结果是，电流输出级电路中的p型电流源和n型电流源的电流值不会因输出电压增大而变化。在输出电压下降时，动态电流补偿电路中n型场效应管中的电流Iupc减小，从而减小了流过输出电流偏置电路中的p型电流源的电流，镜像到电流输出级电路中的p型电流源的电流减小，减小的电流补偿了电流输出级电路中的p型电流源因沟道长度调制效应增加的电流，因此电流输出级电路中的p型电流源中的电流保持不变；同时，动态电流补偿电路中p型场效应管中的电流Idnc增加，从而增加了流过输出电流偏置电路中的n型电流源的电流，镜像到电流输出级电路中的n型电流源的电流增加，增加的电流补偿了电流输出级电路中的n型电流源因沟道长度调制效应减小的电流，因此电流输出级电路中的n型电流源中的电流保持不变；得到的结果是，电流输出级电路中的p型电流源和n型电流源的电流值不会因输出电压减小而变化。
所以，通过根据输出电压大小动态改变动态补偿电流补偿电路中p型场效应管流过的电流Idnc和n型场效应管流过的电流Iupc，可以在较大的输出电压范围内有效的抵消沟道长度调制效应对电流输出级电路中的p型电流源和n型电流源产生的影响。因此本发明的电荷泵可以在较大输出电压范围内保持较好的电流匹配效果。
本发明与现有技术相比的优点和积极效果为：
1、本发明在传统的技术基础上，引入了与电流注入电路中的电流源并联的动态补偿电路，使得注入到输出电流源偏置电路的电流动态变化，拓宽了在一定电流匹配精度下的输出电压范围；
2、本发明中电路结构，实现了动态的跟踪补偿电流输出级电路中的电流源受沟道长度调制效应导致的变化，使得电流输出级电路中电流源的电流趋于恒定，提高电流匹配的精度，并且只需要极小的额外消耗。
附图说明
图1是锁相环频率综合器的示意图；
图2是现有技术中基于运算放大器反馈的电荷泵结构；
图3是现有技术中引入场效应管反馈电阻的电荷泵电路结构；
图4是一种传统的电荷泵结构；
图5是本发明提出的动态电流补偿电荷泵结构，其中，1为电流输入级电路，2为电流源偏置电路，3为电流注入电路，4为动态电流补偿电路，5为输出电流源偏置电路，6为电流输出级电路，7为n型电流源，8为p型电流源，9为第一n型场效应管开关，10为第二n型场效应管开关，11为第一p型场效应管开关，12为第二p型场效应管开关，13为单位增益运算放大器；
图6是传统电荷泵电流匹配情况图；
图7是基于本发明的电荷泵电流匹配图。
具体实施方式
以下参照附图详细描述本发明的具体实施方式。
具体实施例：
如图5所示，一种动态电流补偿的电荷泵，包括电流输入级电路1、电流源偏置电路2、电流注入电路3、与电流注入电路3并联的动态电流补偿电路4、输出电流源偏置电路5和电流输出级电路6；电流源偏置电路2、电流注入电路3、输出电流源偏置电路5均由n型电流源和p型电流源组成；电流输入级电路1由n型电流源构成；电流输出级电路6由n型电流源7、p型电流源8、第一n型场效应管开关9、第二n型场效应管开关10、第一p型场效应管开关11、第二p型场效应管开关12和单位增益运算放大器13构成。所述n型电流源由一个n型场效应管构成，其源端接地；电流输入级电路1中n型场效应管的漏端和栅端相连，其栅端与电流源偏置电路2中n型场效应管的栅端和电流注入电路3中n型场效应管的栅端相连；所述p型电流源由一个p型场效应管构成，其源端接电源；电流源偏置电路2中p型场效应管的漏端和栅端相连，并与电流源偏置电路2中n型场效应管的漏端和电流注入电路3中p型场效应管的栅端相连；动态电流补偿电路4中p型场效应管的源端连接电源，其漏端与电流注入电路3中p型场效应管的漏端相连；动态电流补偿电路4中n型场效应管的源端连接地，其漏端与电流注入电路3中n型场效应管的漏端相连；输出电流源偏置电路5中的p型场效应管的漏端和栅端连接，并与电流注入电路3中n型场效应管的漏端、动态电流补偿电路4中n型场效应管的漏端和电流输出级电路6中p型电流源8的p型场效应管栅端连接；输出电流源偏置电路5中的n型场效应管的漏端和栅端连接，并与电流注入电路3中p型场效应管的漏端、动态电流补偿电路4中p型场效应管的漏端和电流输出级电路6中n型电流源7的n型场效应管栅端连接；电流输出级电路6中n型电流源7的n型场效应管漏端与第一n型场效应管开关9的源端和第二n型场效应管开关10的源端连接；电流输出级电路6中p型电流源8的p型场效应管漏端与第一p型场效应管开关11的源端和第二p型场效应管开关12的源端连接；电流输出级电路6中第一n型场效应管开关9的栅端接控制信号DNB，第二n型场效应管开关10的栅端接控制信号DN；电流输出级电路6中第一p型场效应管开关11的栅端接控制信号UP，第二p型场效应管开关12的栅端接控制信号UPB；第一n型场效应管开关9的漏端与第一p型场效应管开关11的漏端连接，并与单位增益运算放大器13的输出端相连；第二n型场效应管开关10的漏端与第二p型场效应管开关12的漏端连接，并与单位增益运算放大器13的输入正极端、动态电流补偿电路4中p型场效应管的栅端和动态电流补偿电路4中n型场效应管的栅端连接；单位增益运算放大器13的输入负极端与其输出端相连。
图5是本发明提出的具体实现电路的一个实例，在传统电荷泵的基础上增加了动态电流补偿电路4来提高电荷泵的性能。此电路的仿真是基于40nm CMOS工艺，使用1.1V供电电压。
动态电流补偿电路4中的p型场效应管由p型场效应管MfbP实现，其与电流注入电路3中的p型场效应管M5并联，栅端由电荷泵的输出电压Vctrl控制。动态电流补偿电路4中的n型场效应管由n型场效应管MfbN实现，其与电流注入电路3中的n型场效应管M4并联，栅端由电荷泵的输出电压Vctrl控制。当Vctrl升高时，MfbP中的电流Idnc减小，M5中的电流不变，因此注入到输出电流源偏置电路5中的n型场效应管M6的电流减小，补偿n型电流源7中的n型场效应管M8由于沟道长度调制效应引起的Idn增加量；同时，MfbN中的电流Iupc增加，M4中的电流不变，因此注入到输出电流源偏置电路5中的p型场效应管M7的电流增加，补偿p型电流源8中的p型场效应管M9由于沟道长度调制效应引起的Iup减小量。
对Vctrl下降时，MfbP和MfbN对M8和M9中电流的Idn和Iup调节原理是相同的，这里不再赘述。
通过动态电流补偿电路4中的反馈场效应管，使得电流输出级电路6中的Iup和Idn可以在较大输出电压范围内都处于理想的电流值附近，同时电流失配也在该电压范围内保持较小。图6是改进前的传统电荷泵(结构见附图4)电流Iup和Idn的匹配情况，图7是改进后的电荷泵电流Iup和Idn的匹配情况，即在图4基础上引入了动态电流补偿电路4。可以看出，通过引入动态电流补偿电路4，电荷泵的电流失配减小，同时在一定电流匹配情况下的输出电压范围增大了。
通过上述分析可以看出，本发明引入的动态电流补偿技术，实现了高新能电荷泵，同时获得了较低的电流失配和较大的输出电压范围。
本发明未详细公开的部分属于本领域的公知技术。
尽管上面对本发明说明性的具体实施方式进行了描述，以便于本技术领域的技术人员理解本发明，但应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的专利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。

Claims (1)

1.一种动态电流补偿的电荷泵，其特征在于：包括电流输入级电路(1)、电流源偏置电路(2)、电流注入电路(3)、与电流注入电路(3)并联的动态电流补偿电路(4)、输出电流源偏置电路(5)和电流输出级电路(6)；电流源偏置电路(2)、电流注入电路(3)、输出电流源偏置电路(5)均由n型电流源和p型电流源组成；电流输入级电路(1)由n型电流源构成；电流输出级电路(6)由n型电流源(7)、p型电流源(8)、第一n型场效应管开关(9)、第二n型场效应管开关(10)、第一p型场效应管开关(11)、第二p型场效应管开关(12)和单位增益运算放大器(13)构成；所述n型电流源由一个n型场效应管构成，其源端接地；电流输入级电路(1)中n型场效应管的漏端和栅端相连，其栅端与电流源偏置电路(2)中n型场效应管的栅端和电流注入电路(3)中n型场效应管的栅端相连；所述p型电流源由一个p型场效应管构成，其源端接电源；电流源偏置电路(2)中p型场效应管的漏端和栅端相连，并与电流源偏置电路(2)中n型场效应管的漏端和电流注入电路(3)中p型场效应管的栅端相连；动态电流补偿电路(4)中p型场效应管的源端连接电源，其漏端与电流注入电路(3)中p型场效应管的漏端相连；动态电流补偿电路(4)中n型场效应管的源端连接地，其漏端与电流注入电路(3)中n型场效应管的漏端相连；输出电流源偏置电路(5)中的p型场效应管的漏端和栅端连接，并与电流注入电路(3)中n型场效应管的漏端、动态电流补偿电路(4)中n型场效应管的漏端和电流输出级电路(6)中p型电流源(8)的p型场效应管栅端连接；输出电流源偏置电路(5)中的n型场效应管的漏端和栅端连接，并与电流注入电路(3)中p型场效应管的漏端、动态电流补偿电路(4)中p型场效应管的漏端和电流输出级电路(6)中n型电流源(7)的n型场效应管栅端连接；电流输出级电路(6)中n型电流源(7)的n型场效应管漏端与第一n型场效应管开关(9)的源端和第二n型场效应管开关(10)的源端连接；电流输出级电路(6)中p型电流源(8)的p型场效应管漏端与第一p型场效应管开关(11)的源端和第二p型场效应管开关(12)的源端连接；电流输出级电路(6)中第一n型场效应管开关(9)的栅端接控制信号DNB，第二n型场效应管开关(10)的栅端接控制信号DN；电流输出级电路(6)中第一p型场效应管开关(11)的栅端接控制信号UP，第二p型场效应管开关(12)的栅端接控制信号UPB；第一n型场效应管开关(9)的漏端与第一p型场效应管开关(11)的漏端连接，并与单位增益运算放大器(13)的输出端相连；第二n型场效应管开关(10)的漏端与第二p型场效应管开关(12)的漏端连接，并与单位增益运算放大器(13)的输入正极端、动态电流补偿电路(4)中p型场效应管的栅端和动态电流补偿电路(4)中n型场效应管的栅端连接；单位增益运算放大器(13)的输入负极端与其输出端相连；
所述的动态电流补偿的电荷泵通过与电流注入电路中的电流源并联的场效应管补偿电流来改变输出电流-电压曲线，能够在较大输出电压范围内维持较好的电流匹配；
在没有动态补偿电路情况下，由于沟道长度调制效应，输出电压升高时，电流输出级电路中的n型电流源电流Idn增大，电流输出级电路中的p型电流源电流Iup减小；输出电压降低时，电流输出级电路中的n型电流源电流Idn减小，电流输出级电路中的p型电流源电流Iup增大，因此，输出电压的变化会导致电流输出级电路中的n型电流源电流和p型电流源电流发生反向的变化，产生失配；并且电压范围越大，电流失配越大；
对于动态电流补偿的电荷泵，在输出电压升高时，动态电流补偿电路中n型场效应管中的电流Iupc增加，从而增加了流过输出电流偏置电路中的p型电流源的电流，镜像到电流输出级电路中的p型电流源的电流增加，增加的电流补偿了电流输出级电路中的p型电流源因沟道长度调制效应减小的电流，因此电流输出级电路中的p型电流源中的电流保持不变；同时，动态电流补偿电路中p型场效应管中的电流Idnc减小，从而减小了流过输出电流偏置电路中的n型电流源的电流，镜像到电流输出级电路中的n型电流源的电流减小，减小的电流补偿了电流输出级电路中的n型电流源因沟道长度调制效应增加的电流，因此电流输出级电路中的n型电流源中的电流保持不变；得到的结果是，电流输出级电路中的p型电流源和n型电流源的电流值不会因输出电压增大而变化，在输出电压下降时，动态电流补偿电路中n型场效应管中的电流Iupc减小，从而减小了流过输出电流偏置电路中的p型电流源的电流，镜像到电流输出级电路中的p型电流源的电流减小，减小的电流补偿了电流输出级电路中的p型电流源因沟道长度调制效应增加的电流，因此电流输出级电路中的p型电流源中的电流保持不变；同时，动态电流补偿电路中p型场效应管中的电流Idnc增加，从而增加了流过输出电流偏置电路中的n型电流源的电流，镜像到电流输出级电路中的n型电流源的电流增加，增加的电流补偿了电流输出级电路中的n型电流源因沟道长度调制效应减小的电流，因此电流输出级电路中的n型电流源中的电流保持不变；得到的结果是，电流输出级电路中的p型电流源和n型电流源的电流值不会因输出电压减小而变化；
所以，通过根据输出电压大小动态改变动态补偿电流补偿电路中p型场效应管流过的电流Idnc和n型场效应管流过的电流Iupc，可以在较大的输出电压范围内有效的抵消沟道长度调制效应对电流输出级电路中的p型电流源和n型电流源产生的影响；该电荷泵可以在较大输出电压范围内保持较好的电流匹配效果；
在传统的技术基础上，引入了与电流注入电路中的电流源并联的动态补偿电路，使得注入到输出电流源偏置电路的电流动态变化，拓宽了在一定电流匹配精度下的输出电压范围；
其中电路结构，实现了动态的跟踪补偿电流输出级电路中的电流源受沟道长度调制效应导致的变化，使得电流输出级电路中电流源的电流趋于恒定，提高电流匹配的精度，并且只需要极小的额外消耗。
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低杂散相环中电荷泵的设计;黄爱波等;《微电子学》;20091231;第39卷(第6期);第798-801页 *

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