CN107769545A - 一种用于pll中带电容漏电补偿的电荷泵电路 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种用于PLL中带漏电补偿的电荷泵电路，包括：电荷泵，用于在鉴频鉴相器PFD的第一鉴相输出UP和第二鉴相输出DN的控制下，通过控制充电开关和放电开关的导通和截止来完成对环路滤波器的充放电；环路滤波器，用于将该电荷泵的输出进行平滑和滤波以输出稳定的压控电压；漏电补偿电路，用于产生与该环路滤波器的电容在偏置电压为压控电压时的漏电电流等值的补偿电流，通过本发明，能够有效地对电容两端的漏电流进行补偿，进而使PLL能够稳定的工作。
Description
技术领域
本发明涉及一种电荷泵电路，特别是涉及一种用于PLL(Phase Locked Loop，锁相环)中带电容漏电补偿的电荷泵电路。
背景技术
在PLL电荷泵的设计中，低通滤波器的目的是将电荷泵输出的脉冲电流转化为平稳的电压信号。目前，常用的滤波器结构如图1所示，其中R和C0主要起到将电流信号积分的作用，电容C1则起到滤除高频噪声和电压纹波的作用。在整个PLL版图中，电容将占据较大的面积比例，因此选用合适的电容将直接决定PLL的面积竞争力。常用的电容类型有MIM(Metal-Insulator-Metal，金属－绝缘层－金属)电容、MOM(Metal Oxide Metal，金属－氧化物－金属)电容、MOS(Metal-Oxide-Semiconductor，金属氧化物半导体器件即MOS管)电容和VAR(varactor，也称变容二极管电容)电容等。其中，在目前所用的工艺中，VAR具有最大的单位面积电容值，因此从面积角度考虑，VAR电容最可取。但是，随着小尺寸工艺的发展，如目前工艺中VAR在使用时电容两端有漏电流存在(如图2所示)，会造成电容上电荷量的损失，进而使PLL的输出频率有较大的抖动(jitter)，严重时甚至造成PLL无法锁定，失去该有的功能。
发明内容
为克服上述现有技术存在的不足，本发明之目的在于提供一种用于PLL中带电容漏电补偿的电荷泵电路，其能有效地对电容两端的漏电流进行补偿，进而使PLL能够稳定的工作。
为达上述及其它目的，本发明提出一种用于PLL中带漏电补偿的电荷泵电路，包括：
电荷泵，用于在鉴频鉴相器PFD的第一鉴相输出UP和第二鉴相输出DN的控制下，通过控制充电开关和放电开关的导通和截止来完成对环路滤波器的充放电；
环路滤波器，用于将该电荷泵的输出进行平滑和滤波以输出稳定的压控电压；
漏电补偿电路，用于产生与该环路滤波器的电容在偏置电压为压控电压时的漏电电流等值的补偿电流。
进一步地，该电荷泵包括充电电流源、放电电流源、充电开关和放电开关。
进一步地，该PLL锁相环的鉴频鉴相器PFD的第一鉴相输出UP和第二鉴相输出DN分别连接至该充电开关的控制端和放电开关的控制端，充电电流由电源流出连接至该充电开关的输入端，放电电流I由该放电开关的输出端流出连接至地，该充电开关的输出端与放电开关的输入端连接压控电压节点。
进一步地，该漏电补偿电路包括：
漏电模拟单元，用于模拟环路滤波器的滤波电容电容的漏电流；
控制电压和漏电电流传输单元，用于将压控电压传输至漏电电流传输单元后在压控电压的控制下将漏电电流传输至镜像恒流源的输入端；
漏电电流放大单元，将经控制电压和漏电电流传输单元传输的漏电模拟单元产生的漏电流放大m倍。
进一步地，该漏电模拟单元包括第二电容，该第二电容连接于该环路滤波器与控制电压和漏电电流传输单元之间。
进一步地，该第二电容采用与环路滤波器的电容相同工艺的容值为C/m的电容，其中，C为环路滤波器的电容值，m为大于1的整数。
进一步地，该控制电压和漏电电流传输单元包括一放大器和一NMOS管，该放大器反相输入端连接该NMOS管的源极与该第二电容，其同相输入端接该压控电压节点，输出端连接该NMOS管的栅极，该NMOS管的漏极接该漏电电流放大单元。
进一步地，该漏电电流放大单元包括第一PMOS管PM0和第二PMOS管PM1组成的镜像比m:1的镜像恒流源。
进一步地，该NMOS管的漏极连接该第一PMOS管PM0的栅极以及二极管连接的该第二PMOS管PM1的漏极和栅极，该第一PMOS管PM0的源极和第二PMOS管PM1的源极接电源。
进一步地，该环路滤波器中采用的电容类型相同。
与现有技术相比，本发明一种用于PLL中带电容漏电补偿的电荷泵电路能够有效地对电容两端的漏电流进行补偿，进而使PLL能够稳定的工作。
附图说明
图1为现有技术之常用的滤波器结构示意图；
图2为现有技术中VAR电容漏电随电容两端电压的关系示意图；
图3为本发明一种用于PLL中带漏电补偿的电荷泵电路的电路结构图；
图4为本发明具体实施例中漏电流及补偿电流随VC电压的变化示意图；
图5为本发明含电荷泵电路的PLL结构图。
具体实施方式
以下通过特定的具体实例并结合附图说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭示的内容轻易地了解本发明的其它优点与功效。本发明亦可通过其它不同的具体实例加以施行或应用，本说明书中的各项细节亦可基于不同观点与应用，在不背离本发明的精神下进行各种修饰与变更。
图3为本发明一种用于PLL中带漏电补偿的电荷泵电路的电路结构图。如图3所示，本发明一种用于PLL中带漏电补偿的电荷泵电路，包括：电荷泵10、环路滤波器20和漏电补偿电路30。
其中，电荷泵10由充电电流源Icp1、放电电流源Icp2、充电开关S1和放电开关S2组成，用于在鉴频鉴相器PFD的第一鉴相输出UP和第二鉴相输出DN的控制下，通过控制充电开关S1和放电开关S2的导通和截止来完成对环路滤波器20的充放电；环路滤波器20由电阻R、电容C0和电容C1组成二阶滤波器，用于将电荷泵10的输出进行平滑和滤波以输出稳定的压控电压VC，但需说明的是，环路滤波器20不限于二阶滤波器，也可以为其他多阶滤波器，本发明不以此为限；漏电补偿电路30，用于产生与环路滤波器20的电容C0和C1在偏置电压为压控电压VC时的漏电电流等值的补偿电流I。
在本发明具体实施例中，漏电补偿电路30包括漏电模拟单元301、控制电压和漏电电流传输单元302以及漏电电流放大单元303，与环路滤波器20的电容C0和C1相同工艺的容值为(C0+C1)/m(m为大于1的整数)的电容C2组成漏电模拟单元301，用于模拟环路滤波器的滤波电容电容的漏电流；放大器A1(即控制电压传输单元)和NMOS管NM0组成控制电压和漏电电流传输单元302，用于将压控电压传输至漏电电流传输单元后在压控电压的控制下将漏电电流传输至镜像恒流源的输入端；由PMOS管PM0和PMOS管PM1组成的镜像比m:1的镜像恒流源(电流镜)组成漏电电流放大单元303，用于将经控制电压和漏电电流传输单元传输的漏电模拟单元产生的漏电流放大m倍。
具体地，PLL锁相环的鉴频鉴相器PFD的鉴相输出即第一鉴相输出UP和第二鉴相输出DN分别连接至充电开关S1的控制端和放电开关S2的控制端，充电电流Icp1由电源VCC流出连接至充电开关S1的输入端，放电电流Icp2由放电开关S2的输出端流出连接至地GND，充电开关S1的输出端与放电开关S2的输入端、电阻R的一端、电容C1的一端、PMOS管PM0的漏极以及放大器A1的同相输入端相连组成压控电压节点VC，电阻R的另一端连接电容C0的一端，放大器A1的输出端连接NMOS管NM0的栅极，放大器A1的反相输入端连接NMOS管NM0的源极和电容C2的一端，电容C0的另一端、电容C1的另一端和电容C2的另一端接地GND，NMOS管NM0的漏极连接PMOS管PM0的栅极以及二极管连接的PMOS管PM1的漏极和栅极，PMOS管PM0的源极和PMOS管PM1的源极接电源VCC。
在本发明具体实施例中，C0-C2为相同类型的电容，电容面积(C0+C1)：C2＝m：1，m为大于1的整数，PMOS管PM0和PM1的尺寸比为
当电路工作时，由于电容上下两端压差的存在(对于电容C1来说压差即压控电压VC，对于电容C0来说压差近似为压控电压VC)，环路滤波器电容(C0、C1)自身会有漏电流的产生，该电流Ileak随VC的增加而增加，导致压控电压VC降低，从而使后面VCO(压控振荡器)的频率漂移。由于漏电补偿电路的加入，可以根据压控电压VC端电压的不同，对压控电压节点VC进行充电，进而对漏电流起到补偿作用。
在电路工作时，由于电容上下两端压差的存在(对于电容C1来说该压差即压控电压VC，对于电容C0来说该压差近似为压控电压VC)，电容自身会有到地的漏电流产生，C0+C1的总漏电流Ileak(C0+C1)随压控电压VC的增加而增加。对于电容C0+C1，经仿真其漏电流曲线如图4所示(中间红色)。对于电容C2，由于放大器A1和NMOS管NM0的作用，使得电容C2上极板的电压也为压控电压VC，由于电容漏电电流和面积成正比，因此电容C2的漏电流IC2为C0+C1总漏电流Ileak(C0+C1)的m分之一，如图4所示(下面黑色，这里以m＝10为例进行仿真示例)。电流镜PM1和PM0将C2中的漏电流放大m(这里m＝10)倍(补偿电流I＝IPM0)然后注入到压控电压VC端，如图IPM0(上面蓝色)，进从而对电容C0和C1的漏电流起到补偿作用。
含电荷泵的PLL电路结构如图5所示。其中NDivider、MDivider和ODivider分别为前置时钟分频器、环路反馈分频器和输出分频器，PFD为鉴频鉴相器，CP为电荷泵，LPF为环路滤波器，VCO为压控振荡器。本发明为电荷泵和环路滤波器部分，图3可以直接替换图5中的电荷泵和滤波器。本发明中的输入信号第一鉴相输出UP和第二鉴相输出DN为PFD的输出信号，本发明中的输出即压控电压VC为VCO的输入。该电荷泵电路能有效地对电容两端的漏电流进行补偿，进而使PLL能够稳定的工作。
上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何本领域技术人员均可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰与改变。因此，本发明的权利保护范围，应如权利要求书所列。
Claims (10)
1.一种用于PLL中带漏电补偿的电荷泵电路，包括：
电荷泵，用于在鉴频鉴相器PFD的第一鉴相输出UP和第二鉴相输出DN的控制下，通过控制充电开关和放电开关的导通和截止来完成对环路滤波器的充放电；
环路滤波器，用于将该电荷泵的输出进行平滑和滤波以输出稳定的压控电压；
漏电补偿电路，用于产生与该环路滤波器的电容在偏置电压为压控电压时的漏电电流等值的补偿电流。
2.如权利要求1所述的一种用于PLL中带漏电补偿的电荷泵电路，其特征在于：该电荷泵包括充电电流源、放电电流源、充电开关和放电开关。
3.如权利要求2所述的一种用于PLL中带漏电补偿的电荷泵电路，其特征在于：该PLL锁相环的鉴频鉴相器PFD的第一鉴相输出UP和第二鉴相输出DN分别连接至该充电开关的控制端和放电开关的控制端，充电电流由电源流出连接至该充电开关的输入端，放电电流I由该放电开关的输出端流出连接至地，该充电开关的输出端与放电开关的输入端连接压控电压节点。
4.如权利要求3所述的一种用于PLL中带漏电补偿的电荷泵电路，其特征在于，该漏电补偿电路包括：
漏电模拟单元，用于模拟环路滤波器的滤波电容电容的漏电流；
控制电压和漏电电流传输单元，用于将压控电压传输至漏电电流传输单元后在压控电压的控制下将漏电电流传输至镜像恒流源的输入端；
漏电电流放大单元，将经控制电压和漏电电流传输单元传输的漏电模拟单元产生的漏电流放大m倍。
5.如权利要求4所述的一种用于PLL中带漏电补偿的电荷泵电路，其特征在于：该漏电模拟单元包括第二电容，该第二电容连接于该环路滤波器与控制电压和漏电电流传输单元之间。
6.如权利要求5所述的一种用于PLL中带漏电补偿的电荷泵电路，其特征在于：该第二电容采用与环路滤波器的电容相同工艺的容值为C/m的电容，其中，C为环路滤波器的电容值，m为大于1的整数。
7.如权利要求6所述的一种用于PLL中带漏电补偿的电荷泵电路，其特征在于：该控制电压和漏电电流传输单元包括一放大器和一NMOS管，该放大器反相输入端连接该NMOS管的源极与该第二电容，其同相输入端接该压控电压节点，输出端连接该NMOS管的栅极，该NMOS管的漏极接该漏电电流放大单元。
8.如权利要求7所述的一种用于PLL中带漏电补偿的电荷泵电路，其特征在于：该漏电电流放大单元包括第一PMOS管PM0和第二PMOS管PM1组成的镜像比m:1的镜像恒流源。
9.如权利要求8所述的一种用于PLL中带漏电补偿的电荷泵电路，其特征在于：该NMOS管的漏极连接该第一PMOS管PM0的栅极以及二极管连接的该第二PMOS管PM1的漏极和栅极，该第一PMOS管PM0的源极和第二PMOS管PM1的源极接电源。
10.如权利要求1所述的一种用于PLL中带漏电补偿的电荷泵电路，其特征在于：该环路滤波器中采用的电容类型相同。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication | ||
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Application publication date: 20180306 |