一种新型电流舵型电荷泵电路专利检索-端子电池与电池专利检索查询-专利查询网

一种新型电流 舵型电荷 泵 电路

阅读：1040发布：2020-05-18

专利汇可以提供一种新型电流舵型电荷泵电路专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且本发明公开了一种新型电流舵型电荷泵电路，包括单位增益跟随器OPA1、误差放大器 OPA2、NMOS管M1、NMOS管M3、NMOS管M9-M12、PMOS管M2、PMOS管M13、PMOS管M4-M8。本发明中加入了单位增益运放OPA1和误差放大运放OPA2，有效的扩展了电流匹配动态范围，从而避免了VCO牺牲其电压调谐范围，对于误差运放结构，由于其增益较之单位增益运放更高，因此可以得到更好的电流匹配结果，提高电荷泵开关速度，降低锁相环输出功率谱中的毛刺。，下面是一种新型电流舵型电荷泵电路专利的具体信息内容。

权利要求

1.一种新型电流舵型电荷泵电路，其特征在于：包括单位增益跟随器OPA1、误差放大器OPA2、NMOS管M1、NMOS管M3、NMOS管M9-M12、PMOS管M2、PMOS管M13、PMOS管M4-M8；
所述单位增益跟随器OPA1的正极输入端通过节点分别与NMOS管M3的漏极、PMOS管M4的漏极、误差放大器OPA2的正极输入端连接，所述单位增益跟随器OPA1的负极输入端与输出端连接，所述单位增益跟随器OPA1的输出端通过节点分别与NMOS管M1的漏极、PMOS管M2的漏极连接，所述NMOS管M3的源极与NMOS管M1的源极连接后共同接入NMOS管M10的漏极，所述PMOS管M4的源极与PMOS管M2的源极连接后共同接入PMOS管M7的漏极，所述NMOS管M3、NMOS管M1、PMOS管M4、PMOS管M2的栅极均空置；所述单位增益跟随器OPA1的正极输入端与NMOS管M3的漏极之间通过节点连接Vout输出端子；
所述误差放大器OPA2的负极输入端通过节点分别与NMOS管M12的漏极、PMOS管M13的漏极连接，所述误差放大器OPA2的输出端通过节点分别与PMOS管M7、PMOS管M8的栅极连接，所述PMOS管M8的漏极与所述PMOS管M13的源极连接，所述PMOS管M13的栅极接电源VDD，所述PMOS管M5-M8的源极、NMOS管M12的栅极接地；
所述NMOS管M12的源极与NMOS管M11的漏极连接，所述NMOS管M11的栅极与NMOS管M9、NMOS管M10的栅极连接，所述NMOS管M9、NMOS管M10、NMOS管M11的源极共同接电源VDD，所述NMOS管M9的漏极通过节点分别与NMOS管M9的栅极、PMOS管M6的漏极连接，所述PMOS管M6的栅极通过节点分别与PMOS管M5的栅极、PMOS管M5的漏极连接，所述PMOS管M5的漏极连接电流源。
2.根据权利要求1所述的一种新型电流舵型电荷泵电路，其特征在于：所述单位增益跟随器OPA1、误差放大器OPA2均采用的是轨到轨运算放大器。
3.根据权利要求1所述的一种新型电流舵型电荷泵电路，其特征在于，所述Vout输出端子通过节点连接电容的一端，所述电容的另一端接地。
4.根据权利要求1所述的一种新型电流舵型电荷泵电路，其特征在于:所述NMOS管M3为充电开关，所述NMOS管M3的栅极用于连接PFD的数字信号UP；所述NMOS管M1为充电开关的互补开关，所述NMOS管M1的栅极用于连接PFD的数字信号UPN。
5.根据权利要求1所述的一种新型电流舵型电荷泵电路，其特征在于:所述PMOS管M4为放电开关，所述PMOS管M4的栅极用于连接PFD的数字信号DW；所述PMOS管M2为放电开关的互补开关，所述PMOS管M2的栅极用于连接PFD的数字信号DWN。

说明书全文

一种新型电流 舵型电荷 泵 电路

技术领域

[0001] 本发明涉及电荷泵领域，尤其涉及一种新型电流舵型电荷泵电路。

背景技术

[0002] 电荷泵（CP）是在鉴频鉴相器（PFD）输出的数字信号UP和DW的控制下，将电荷分配给环路滤波器的电子开关。当PFD的鉴相灵敏度足够高时，CP在很大程度上决定锁相环的性能。

[0003] 电荷泵可以视作由开关UP、DW控制的两个电流源，简单的电荷泵电路如图1.1 所示。电荷泵工作时有三种状态：当信号UP为“1”，信号DW为“0”时，开关S1闭合、S2断开，电容L通过电流源IUP充电，Vctrl增大；当信号UP为“0”，信号 DW为“1”时，开关Sl断开、S2闭合，电容L通过电流源IDW放电，Vctrl减小；当信号 UP和DW同为“零”时，开关Sl、S2同时断开，电容L通过的电流为零，Vctrl保持不变。

[0004] 传统的CMOS电荷泵电路一般使用MOS管实现开关的功能，如图1.2所示， UP和DW两个信号直接加在MOS管的栅极，控制其导通与否。

[0005] 传统的CMOS电荷泵的非理想效应有：(1)失配现象
电荷泵中的失配包括电流失配和开关时间失配。电流失配指的是充放电电流源的不匹配性造成的冲、放电电流不相等，主要包含充电电流源与放电电流漏设计不对称、充电电流源与放电电流漏随输出电压变化趋势不同以及开关闭合瞬间充、放电电流抖动三种电流失配，这些失配主要由晶体管的一些工艺参数决定的。开关时间失配则是指由于PFD的非理想性，当PFD的两输入信号相位差为零时，其输出端的窄脉冲UP、 DW时长不相等的情况。

[0006] (2)电荷共享电荷共享是指由开关寄生电容引起的输出电平不正确的现象。

[0007] (3)电荷注入假设MOS管导通，源极和漏极电压近似相等，当开关断开后，反型层中部分电荷会流出并注入电容，这种现象就称作“电荷注入”。“电荷注入”使得存储在电容上的电压值发生变化并影响控制VCO输出的控制电压。

[0008] (4)时钟馈通当控制CP开关的信号上升、下降沿变化很快时，这个信号可能会通过MOS开关的栅漏或栅源交叠电容耦合到输出电容上，这种给输出电压带来误差的效应称为时钟馈通。

[0009] 因此，在电荷泵的设计中，在电荷泵的指标中，失配对锁相环系统性能影响最大，电荷泵的设计中要重点考虑如何减少失配以提升性能，首先需要解决电流失配的问题，即如何在尽量宽的输出电压范围内提高电流的匹配，此外电荷注入、开关速度等因素对电荷泵的性能也有所影响，在电路设计中也应该加以考虑。

发明内容

[0010] 本发明的目的是为了解决上述问题，提出了一种新型电流舵型电荷泵电路。

[0011] 为达到上述目的，本发明采用的技术方案是：一种新型电流舵型电荷泵电路，包括单位增益跟随器OPA1、误差放大器OPA2、NMOS管M1、NMOS管M3、NMOS管M9-M12、PMOS管M2、PMOS管M13、PMOS管M4-M8；所述单位增益跟随器OPA1的正极输入端通过节点分别与NMOS管M3的漏极、PMOS管M4的漏极、误差放大器OPA2的正极输入端连接，所述单位增益跟随器OPA1的负极输入端与输出端连接，所述单位增益跟随器OPA1的输出端通过节点分别与NMOS管M1的漏极、PMOS管M2的漏极连接，所述NMOS管M3的源极与NMOS管M1的源极连接后共同接入NMOS管M10的漏极，所述PMOS管M4的源极与PMOS管M2的源极连接后共同接入PMOS管M7的漏极，所述NMOS管M3、NMOS管M1、PMOS管M4、PMOS管M2的栅极均空置；所述单位增益跟随器OPA1的正极输入端与NMOS管M3的漏极之间通过节点连接Vout输出端子；
所述误差放大器OPA2的负极输入端通过节点分别与NMOS管M12的漏极、PMOS管M13的漏极连接，所述误差放大器OPA2的输出端通过节点分别与PMOS管M7、PMOS管M8的栅极连接，所述PMOS管M8的漏极与所述PMOS管M13的源极连接，所述PMOS管M13的栅极接电源VDD，所述PMOS管M5-M8的源极、NMOS管M12的栅极接地；
所述NMOS管M12的源极与NMOS管M11的漏极连接，所述NMOS管M11的栅极与NMOS管M9、NMOS管M10的栅极连接，所述NMOS管M9、NMOS管M10、NMOS管M11的源极共同接电源VDD，所述NMOS管M9的漏极通过节点分别与NMOS管M9的栅极、PMOS管M6的漏极连接，所述PMOS管M6的栅极通过节点分别与PMOS管M5的栅极、PMOS管M5的漏极连接，所述PMOS管M5的漏极连接电流源。

[0012] 进一步地，所述单位增益跟随器OPA1、误差放大器OPA2均采用的是轨到轨运算放大器。

[0013] 进一步地，所述Vout输出端子通过节点连接电容的一端，所述电容的另一端接地。

[0014] 进一步地，所述NMOS管M3为充电开关，所述NMOS管M3的栅极用于连接PFD的数字信号UP；所述NMOS管M1为充电开关的互补开关，所述NMOS管M1的栅极用于连接PFD的数字信号UPN。

[0015] 进一步地，所述PMOS管M4为放电开关，所述PMOS管M4的栅极用于连接PFD的数字信号DW；所述PMOS管M2为放电开关的互补开关，所述PMOS管M2的栅极用于连接PFD的数字信号DWN。

[0016] 有益效果：本发明中加入了单位增益运放OPA1和误差放大运放OPA2，有效的扩展了电流匹配动态范围，从而避免了VCO牺牲其电压调谐范围，对于误差运放结构，由于其增益较之单位增益运放更高，因此可以得到更好的电流匹配结果，提高电荷泵开关速度，降低锁相环输出功率谱中的毛刺。
附图说明

[0017] 图1.1为简单电荷泵电路原理图。

[0018] 图1.2为传统的CMOS电荷泵电路原理图。

[0019] 图2为本发明的一种新型电流舵型电荷泵电路原理图。

[0020] 图3.1为OPA1交流小信号仿真，增益稳定在约50db示意图。

[0021] 图3.2为 OPA2交流小信号仿真，增益稳定在约50db示意图。

[0022] 图4.1为CP静态匹配仿真电路图。

[0023] 图4.2为 CP静态匹配曲线图。

[0024] 图5为CP充放电瞬态前仿真电路图。

[0025] 图6.1为CP充电过程仿真波形图。

[0026] 图6.2为CP放电过程仿真波形图。

[0027] 图7为1.4mA下CP放电波形图。

[0028] 图8为150ps窄脉冲下CP电流波形图。

[0029] 图9.1仿真条件：TT/27℃时 PFD_CP输出特性曲线。

[0030] 图9.2仿真条件：SS/125℃时 PFD_CP输出特性曲线。

[0031] 图9.3仿真条件：FF/-55℃时 PFD_CP输出特性曲线。

具体实施方式

[0032] 下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。

[0033] 实施例1：如图2所示，一种新型电流舵型电荷泵电路，包括单位增益跟随器OPA1、误差放大器OPA2、NMOS管M1、NMOS管M3、NMOS管M9-M12、PMOS管M2、PMOS管M13、PMOS管M4-M8；
所述单位增益跟随器OPA1的正极输入端通过节点分别与NMOS管M3的漏极、PMOS管M4的漏极、误差放大器OPA2的正极输入端连接，所述单位增益跟随器OPA1的负极输入端与输出端连接，所述单位增益跟随器OPA1的输出端通过节点分别与NMOS管M1的漏极、PMOS管M2的漏极连接，所述NMOS管M3的源极与NMOS管M1的源极连接后共同接入NMOS管M10的漏极，所述PMOS管M4的源极与PMOS管M2的源极连接后共同接入PMOS管M7的漏极，所述NMOS管M3、NMOS管M1、PMOS管M4、PMOS管M2的栅极均空置；所述单位增益跟随器OPA1的正极输入端与NMOS管M3的漏极之间通过节点连接Vout输出端子，Vout输出端子通过节点连接电容的一端，所述电容的另一端接地；
所述误差放大器OPA2的负极输入端通过节点分别与NMOS管M12的漏极、PMOS管M13的漏极连接，所述误差放大器OPA2的输出端通过节点分别与PMOS管M7、PMOS管M8的栅极连接，所述PMOS管M8的漏极与所述PMOS管M13的源极连接，所述PMOS管M13的栅极接电源VDD，所述PMOS管M5-M8的源极、NMOS管M12的栅极接地；
所述NMOS管M12的源极与NMOS管M11的漏极连接，所述NMOS管M11的栅极与NMOS管M9、NMOS管M10的栅极连接，所述NMOS管M9、NMOS管M10、NMOS管M11的源极共同接电源VDD，所述NMOS管M9的漏极通过节点分别与NMOS管M9的栅极、PMOS管M6的漏极连接，所述PMOS管M6的栅极通过节点分别与PMOS管M5的栅极、PMOS管M5的漏极连接，所述PMOS管M5的漏极连接电流源。

[0034] 单位增益跟随器OPA1、误差放大器OPA2均采用的是轨到轨运算放大器。

[0035] NMOS管M3为充电开关，NMOS管M3的栅极用于连接PFD的数字信号UP；NMOS管M1为充电开关的互补开关，NMOS管M1的栅极用于连接PFD的数字信号UPN。

[0036] PMOS管M4为放电开关，PMOS管M4的栅极用于连接PFD的数字信号DW；PMOS管M2为放电开关的互补开关，PMOS管M2的栅极用于连接PFD的数字信号DWN。

[0037] 本发明中，其原理如下：（1）在Vout和X端引进单位增益跟随器OPA1，在单位增益跟随器OPA1的作用下与Vctrl同电势，消除了电荷共享效应，从而消除了电压跳变现象。

[0038] （2）在Vout和Y端引入误差运放OPA2，通过电压输出点Vout与Y点的误差值调节NMOS管M7,M8的栅极电压，减少输出电压对充放电电流的扰动，大大提高了电流精度，减小了电流失配。

[0039] （3）单位增益跟随器OPA1和误差运放OPA2都采用了轨道轨的运算放大器结构，以一对PMOS管和一对NMOS管作为该运放的输入，当输入电压接近0时，PMOS输入对管能够正常工作，当输出电压接近VDD时，NMOS输入对管能够正常工作，从而使得运算放大器的共模输入电压范围达到全摆幅。

[0040] （4）为了达到电流匹配，通过增加镜像电流源的输出阻抗来达到其目的。

[0041] （5）为了提高电荷泵的电流匹配程度，通过将沟道长度设置大一些，以减小沟道长度调制效应。

[0042] （6）电荷泵最大充放电电流可达到2.4mA，步进160uA，最快可以打开150ps的开关脉冲。

[0043] 下面为本发明的电荷泵电路的仿真结果和性能总结：1.1 OPA交流小信号前仿真
仿真得到，OPA1和OPA2运放输入从0到3.3V，两个运放的增益可以稳定在50db，如图3.1和图3.2所示。

[0044] 1.2电荷泵静态匹配前仿真首先按照图4.1对电荷泵的充放电流匹配作前仿验证。可见图中将充放电流开关全部置为开启状态：充电开关 UP 接地，放电开关 DW 接高，在输出电压 Vout端接入一个直流电压源，该电压源的值设为变量Vout，仿真时将 Vout从 0V 3.3V 以 0.1V的步进进行扫~
描，得到前仿输出结果。

[0045] 图4.2给出了在3.3V电源电压、TT工艺角、温度为27℃条件下，电荷泵的静态匹配曲线前仿真结果，可以看到在0.3V至3V的输出电压范围内，电荷泵充放电电流基本匹配，满足所要求的性能指标。

[0046] 1.3电荷泵充放电瞬态前仿真按照图5连接CP电路，在3.3V电源电压、TT工艺角、温度为27℃的条件下对该电路进行前仿真，输入频率为100M的开关脉冲，得到放电仿真波形如图6.1、图6.2所示，其中周期性波形为电流波形，另一波形为电荷泵输电压波形，可以看到该频率电荷泵的充放电功能良好。

[0047] 1.4 CP充放电流精度设置放电电流1.4mA，仿真得到放电电流为1.4095mA，误差小于1%，如图7。

[0048] 1.5 CP开关速度200uA充放电电流下，开关可以打开150ps的脉冲窄脉冲下电流波形，如图8。

[0049] 1.6鉴频鉴相器和电荷泵联合仿真设置PFD鉴相范围100MHz，两路输入相位差为10°，对PFD和CP进行联仿，仿真图9.1、
9.2、9.3中波形代表CP输出电压变化。

[0050] 可以看出，在TT/27℃，SS/125℃，FF/-55℃三种仿真条件下，鉴相频率为100MHz时，CP可以正常进行充放电。

[0051] 以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

标题	发布/更新时间	阅读量
针对电子器件的具有数个接线模块的模块式端子排	2020-05-08	238
具备防止端子腐蚀的充电数据线快充TypeC连接器	2020-05-08	598
电连接器	2020-05-08	380
用于电池模块的汇流条和电池模块	2020-05-08	172
一种三相一体接入式塑壳低压电流互感器	2020-05-11	593
火花塞延伸体	2020-05-08	407
多工器、高频前端电路以及通信装置	2020-05-08	759
DC-DC转换器，包括DC-DC转换器的供电系统以及用于控制DC-DC转换器的方法	2020-05-08	1028
插塞式接线板	2020-05-08	891
电力转换装置和电力转换装置的连接方法	2020-05-08	123

一种新型电流舵型电荷泵电路

一种新型电流舵型电荷泵电路

技术领域

背景技术

发明内容

具体实施方式

该功能需要专业版企业版VIP权限，您可以：