一種寬溫度范圍電流恒定電荷泵

劉穎斌， 韋保林， 韋雪明， 徐衛(wèi)林， 段吉海

(桂林電子科技大學 廣西精密導航技術(shù)與應用重點實驗室，廣西 桂林 541004)

當今社會，GNSS接收機、便攜式數(shù)字電視廣播設(shè)備和通信系統(tǒng)發(fā)揮著越來越重要的作用。鎖相環(huán)(PLL)作為這些設(shè)備的關(guān)鍵部分，它的性能好壞直接影響整個系統(tǒng)的工作情況[1]。電荷泵作為PLL的關(guān)鍵部分，其作用是把鑒頻鑒相器(PFD)輸出的數(shù)字信號轉(zhuǎn)化為穩(wěn)定的模擬電流。在以往的研究和設(shè)計中，多數(shù)研究通過在電荷泵中加入運算放大器來降低電荷泵的失配率[2]，增大電荷泵的匹配范圍[3]。然而，這種方案只能保證電荷泵在常溫時具有穩(wěn)定的輸出電流，隨著溫度的大范圍變化，MOS管的飽和區(qū)電流會發(fā)生變化，電荷泵的輸出電流也會發(fā)生變化，這將會導致鎖相環(huán)系統(tǒng)的環(huán)路帶寬和峰峰值抖動周期發(fā)生波動。通過介紹一種傳統(tǒng)的運放型電荷泵，分析了運放型電荷泵的原理和輸出電流隨溫度發(fā)生變化的原因，并采用TSMC 0.18 μm工藝設(shè)計了在不同溫度時電荷泵輸出電流保持相同的電荷泵電路，從而穩(wěn)定了鎖相環(huán)系統(tǒng)的環(huán)路帶寬和峰峰值抖動周期。

1 傳統(tǒng)電荷泵電路

1.1 傳統(tǒng)運放型電荷泵的工作原理

圖1是一種傳統(tǒng)的運放型電荷泵，在該運放型電荷泵中，為了降低電荷泵充放電電流的失配率，增大電荷泵的電流匹配范圍，通常在電荷泵中加入運算放大器來保證鏡像電流源的精確鏡像[4]。

圖1 傳統(tǒng)運放型電荷泵

圖1中，電流源Iref代表一個基準電流源，通過MOS管M2、M3連接成cascode結(jié)構(gòu)，來增大電流源Iref的輸出阻抗，降低電荷泵的電流失配率。運算放大器A1連接成負反饋的結(jié)構(gòu)，使Vx與Vout電壓保持相等，從而保證鏡像電流源的精確鏡像。在(W/L)1=(W/L)6=(W/L)11，(W/L)4=(W/L)9，(W/L)5=(W/L)10，(W/L)3=(W/L)8=(W/L)13，(W/L)2=(W/L)7=(W/L)12的情況下，當UP和DN為低電平，電荷泵處于充電狀態(tài)，有I1=I2=I3；當UP和DN為高電平時，電荷泵處于放電狀態(tài)，有I4=I2=I3，從而保證I4=I1。

1.2 傳統(tǒng)運放型電荷泵的溫度特性

由于MOS管的載流子遷移率和閾值電壓都隨溫度的升高而改變[5]，所以MOS管的飽和區(qū)電流也會隨著溫度的升高而改變。當MOS管的外部柵極偏置電壓是固定電壓時，MOS管工作在飽和區(qū)時的漏極電流與溫度的關(guān)系如圖2(a)所示。因此，MOS管工作在飽和區(qū)時的漏極電流隨著溫度的升高而增大。由此可知，圖1所示的電荷泵的輸出電流(ICP)隨著溫度的升高而增大，仿真結(jié)果如圖2(b)所示。

圖2 電流隨溫度變化

由圖2(b)知，當溫度從-40 ℃升高到100 ℃時，電荷泵的輸出電流從77 μA增大到135 μA，電荷泵輸出電流的偏差達到了58 μA。當鎖相環(huán)處于鎖定狀態(tài)時，鎖相環(huán)的環(huán)路帶寬可表述為公式[6]

式中：R1為低通濾波器的電阻；C1和C2為低通濾波器的電容；ICP為電荷泵的輸出電流；KVCO為LC壓控振蕩器的壓控增益；N為分頻器的分頻比。由于鎖相環(huán)的峰峰值抖動周期會隨著環(huán)路帶寬的變化而發(fā)生波動[7]，所以當電荷泵的輸出電流發(fā)生變化時，鎖相環(huán)的峰峰值抖動周期也會發(fā)生波動。

2 寬溫度范圍恒流電荷泵電路

基于上述問題，設(shè)計了一種在-40～100 ℃范圍內(nèi)可保持輸出電流相同的電荷泵電路，電路模型如圖3所示。鑒頻鑒相器的輸出信號與溫度控制信號共同控制電荷泵各條開關(guān)支路的工作狀態(tài)，并使用一個電流累加器使總輸出電流等于各條開關(guān)支路的電流之和，以保證當溫度發(fā)生變化時，總輸出電流保持不變。

圖3 改進電荷泵電路模型

為了實現(xiàn)圖3所示的電荷泵模型，設(shè)計了圖4所示的電荷泵電路。利用一個溫度檢測電路產(chǎn)生隨溫度成線性變化的輸出電壓，并與不同的參考電壓進行比較以產(chǎn)生相應的控制信號(SW)，用于控制電荷泵各條開關(guān)支路的工作狀態(tài)，通過將軌對軌運算放大器A2連接成負反饋的結(jié)構(gòu)，使各條開關(guān)支路與參考支路保證精確鏡像，以達到當各條開關(guān)支路導通時，總輸出電流等于各條開關(guān)支路電流之和的目的。其中的PMOS開關(guān)和NMOS開關(guān)分別如圖4中虛線框所示，當來自鑒頻鑒相器的控制信號UP和DN均為低電平，且比較器產(chǎn)生的控制信號SW為高電平時，PMOS開關(guān)導通，電荷泵工作在充電狀態(tài)；當UP和DN均為高電平，且比較器產(chǎn)生的控制信號SW為高電平時，NMOS開關(guān)導通，電荷泵工作在放電狀態(tài)；當比較器產(chǎn)生的控制信號SW為低電平時，PMOS開關(guān)和NMOS開關(guān)都處于截止狀態(tài)，負載電容CL沒有電流流入或流出。

在圖4所示的電荷泵電路中，溫度檢測電路采用圖5(a)所示的絕對溫度比例(PTAT)電路，運算放大器A3連接成負反饋結(jié)構(gòu)，保證X點和Y點電壓相等；n是三極管Q1和Q2并聯(lián)個數(shù)的比值，由于三極管的VBE是一個負溫度系數(shù)的電壓，所以ΔVBE是一個正溫度系數(shù)的電壓，通過調(diào)整MOS管M1、M2、M3的寬長比使得I3=MI2=MI1，即可使PTAT電路產(chǎn)生隨溫度成線性變化的輸出電壓(VPTAT)，仿真結(jié)果如圖5(b)所示。

圖4 改進電荷泵電路

圖5 PTAT電路

3 版圖設(shè)計與仿真

采用TSMC 0.18 μm CMOS工藝設(shè)計，改進電荷泵的版圖如圖6所示。在版圖設(shè)計中，為了保證電荷泵充電電流和放電電流的匹配特性，PMOS管開關(guān)和NMOS管開關(guān)需要保持上下對齊。同時，為了保證運放在電路中的鏡像作用，需要保證運放的2條輸入金屬線長度相等，方向一致[8]。

圖6 改進后電荷泵電路版圖

當電荷泵工作在-40 ℃時，由于MOS管工作在低溫時的飽和區(qū)電流較小，為了使總輸出電流能夠和常溫(20 ℃)時保持相同，需要電荷泵的所有開關(guān)支路參與工作。由于MOS管工作在高溫時的飽和區(qū)電流較大，為了使總輸出電流能夠和常溫(20 ℃)時保持相同，所以在高溫時，僅需要電荷泵的開關(guān)支路5參與工作，其它開關(guān)支路處于關(guān)斷狀態(tài)。表1列出了改進電荷泵不同溫度下的工作方式。

表1 改進電荷泵工作方式

在經(jīng)過溫度補償后，電荷泵的輸出電流(Icp)如圖7所示。表明隨著溫度的升高，電荷泵的輸出電流都能夠保持相同，與圖2(b)所示的仿真結(jié)果相比有明顯改善。

圖7 改進電荷泵不同溫度下輸出電流

另一方面，由于輸出電流的穩(wěn)定性和匹配度優(yōu)于傳統(tǒng)電荷泵結(jié)構(gòu)，提出的電荷泵在相位噪聲特性上也有改進。傳統(tǒng)的CP電路和提出的CP電路的相位噪聲仿真結(jié)果如圖8所示。改進后電荷泵的相位噪聲相對于傳統(tǒng)電荷泵的相位噪聲改善了大約4 dB。

為了比較傳統(tǒng)電荷泵和改進電荷泵對鎖相環(huán)系統(tǒng)峰峰值抖動周期的影響。分別將其放入鎖相環(huán)系統(tǒng)中進行仿真，仿真結(jié)果對比如圖9所示。

圖9 不同溫度下鎖相環(huán)系統(tǒng)峰峰值抖動周期比較

由圖9可知，由于傳統(tǒng)電荷泵的輸出電流隨著溫度的升高而增大，導致鎖相環(huán)系統(tǒng)的峰峰值抖動周期隨著電荷泵輸出電流的增大而發(fā)生較大波動；而改進后電荷泵的輸出電流在-40～100 ℃內(nèi)基本不變，所以鎖相環(huán)的峰峰值抖動周期受溫度的影響較小。表明改進后的電荷泵電路可有效穩(wěn)定鎖相環(huán)系統(tǒng)的峰峰值抖動周期。表2列出了本電路與其他文獻中同類型電路的參數(shù)比較。從表2可看出，電荷泵的匹配范圍要略高于文獻[9]和文獻[10],失配率與文獻[9]大致相等。

表2 本文與其他文獻的電荷泵電路參數(shù)比較

4 結(jié)束語

針對傳統(tǒng)電荷泵的輸出電流隨著溫度的升高而增大，導致鎖相環(huán)系統(tǒng)的環(huán)路帶寬和峰峰值抖動周期隨著電荷泵電流的增大而發(fā)生較大波動的缺陷。通過引入溫度檢測電路來反饋控制電荷泵的輸出電流，使電荷泵在不同溫度下輸出電流保持相同，穩(wěn)定了鎖相環(huán)系統(tǒng)的環(huán)路帶寬和峰峰值抖動周期，提高了鎖相環(huán)頻率合成器的性能。