电荷泵中电流失配的讨论
作者：李 峰 黄 敏
来源：《电脑知识与技术·学术交流》2008年第27期
摘要：电荷泵锁相环在电子通讯技术中的应用非常广泛，本文分析了电荷泵的工作原理以及它对锁相环性能的影响，讨论了电荷泵中的电流失配现象，给出了从晶体管尺寸和电路结构两方面减小电流失配的方法。
关键词：锁相环；电荷泵；电流失配；电流镜
中图分类号：TN911文献标识码：A文章编号：1009-3044(2008)27-2090-02
The Discussion of Current Mismatch in Charge Pump
LI Feng1, HUANG Min2
(1.The First Affiliated Hospital of Anhui Medical University, Hefei 230039, China;2.Anhui Radio & TV University, Hefei 230022, China)
Abstract: Charge pump pha lock loop(PLL) is widely ud in electronic communication technology. We analyzed the principle of charge pump and the influence to the PLL performance. We discusd the current mismatch, then propod the method of decreasing current mismatch which from MOSFET size and circuit structure.
Key words: pha lock loop; charge pump; current mismatch; current mirror
1 引言
随着电子通讯技术的迅速发展，锁相环被广泛应用于各种电子产品中。锁相环的研究一直是学术界的一个研究重点。由于条件所限，国内对于锁相环的研究主要停留在理论方面，高性能锁相环的产品基本依赖进口。而在国外，锁相环技术则在不断发展，从最初采用分离器件到采用集成电路；从采用双极工艺到使用CMOS工艺；从需要外挂电阻和电容到锁相环完全集成在一块芯片上，并可作为嵌入式IP核应用在大的数字系统中。
在各种结构的锁相环结构中，尤以电荷泵锁相环应用最为广泛[1]，这是由于电荷泵锁相环的捕获范围大，工作频率范围仅由压控振荡器的频率范围决定；同时，它在锁定时有静态相差为零的优点，即输出信号可以无相差的跟踪输入信号。电荷泵锁相环属于混合信号锁相环，其中电荷泵与环路滤波器是现代电荷泵锁相环中非常重要的两个模拟电路模块。电荷泵是把鉴频鉴相器的数字电平转化为模拟信号，环路滤波器则是滤去这个模拟信号的高频分量。
科学教派
2 电荷泵的电路原理与结构
电荷泵(Charge Pump，CP)的电路原理图如图1所示，它由两个带开关的电流源组成，一般都使用MOS管开关[2,3]。电荷泵的主要功能就是将鉴相鉴频器输出的数字信号转化为模拟信号，来控制VCO的振荡频率。当鉴相鉴频器输出高精度的相位误差时，电荷泵对整个环路的性能起着决定性的作用。当锁相环的环路锁定在某个频率时，电荷泵的输出电压VC将保持在某个固定电压。电荷泵有效工作时处于三态工作机制[4,5]：
1) 状态1：UP=“1”，DN＝“0”，Ip＝Isource对滤波器充电，VC增加；
2) 状态2：UP=“0”，DN＝“1”，Ip＝Isink对滤波器放电，VC减小；
3) 状态今年春节一定回家3慈善英文：UP=“0”，鸭掌的热量DN＝“0”，电荷泵处于高阻状态，Ip＝0，VC不变。
图2所示为非理想的鉴相鉴频器和电荷泵的工作状态时序图。根据该状态时序图分析，当freffvco，PFD则产生正脉冲DOWN信号，且由于PFD的非理想性，使得UP信号也同时产生复位脉冲信号，此时电荷泵放电且VC减小，如图2(b)所示。
3 电荷泵电流失配
在锁相环中，鉴相鉴频器为了消除死区，引入了一个反馈延迟，在这段延迟时间内，电荷泵的充电电流和放电电流同时打开。在理想情况下，电荷泵的上拉电流和下拉电流完全相等，因此没有净电流注入到环路滤波器，然而实际情况下很难做到两个电流完全相等，
上拉电流和下拉电流之间的不匹配会使环路滤波器有一个净电流差注入，而此电流差使得Vc在每个相位比较的瞬间都增加一个固定值，这将影响VCO的最终输出[6]，最终可能会造成整个PLL环路的失锁。
在锁相环中电荷泵的性能影响到调制引起的毛刺，而电荷泵电流失配的大小决定了毛刺的大小[7]。假设电荷泵输入端口UP和DN信号相同，△t 是为了消除死区所需要的重合脉冲宽度，在△t 时间内，注入到电容C上的电荷为QC=（I1-I2）△t，如果I1≠I2 ，则QC≠0 。因此VC会随着电容上电荷量的变化而变化，由于环路的负反馈特性，会使得Vc的变化趋向于0，最后在电荷泵输入端口的信号会出现一个相位差来补偿QC (如图3所示)。假设Tref 皮肤干燥综合症和 △I分别为参考频率的周期和电荷泵充放电电流的差值，则最终UP和DN信号的相位差可表示为
(1)
4 减小电流失配的方法
电荷泵的电流源由一个基准电流提供偏置，随着MOS管沟道长度L增大本征失配会减小；过驱动电压增大会减小电流失配的影响，但是输出电压的动态范围也会减小；而MOS管沟道宽度W增大，本征失配会减小，同时过驱动电压也减小将导致失配增大，这两个方面对电流失配的影响有一部分会相互抵消。总的来讲，电流失配对沟道宽度依赖不是很大，但是对沟道长度的依赖性非常大，所以减小电流失配主要从管子的尺寸及电路结构这两个方面来解决。
1) 管子尺寸方面，在沟道面积不变的情况下，增加MOS管的过驱动电压可以有效的减小电流失配；而增加沟道面积也可以明显的减小电流失配。沟道面积的增加是由增加W 和L 得到的，但是W 和L 的增加对于失配的影响完全不同。在电流镜MOS管处于饱和状态时增加L ，在相同的电流偏置下，过驱动电压也会相应的增加，同时工艺参数对于失配的影响也会减小，所以对于电流的失配很有帮助；然而增加 W，过驱动电压会相应的减小，因此对电流失配的影响较小。
2) 电路结构方面，采用共源共栅的电流镜。图顺丰工资待遇4和图5分别为普通电流镜与共源共栅电流镜。假设图4中M1 、M2的W与历史常识100题L相同，图5 中M1、M2、M3与M4的W与L也分别相同。在图5中，假设M1与M2都工作于饱和区，由电流公式可得
(2)
如图5所示，共源共栅结构分别地减弱了VX 和VY 对电流ID1和Id2 的影响，上式中的VX 和VY 之间的差别△V 转换成为P和Q两点之间的电压差△VPQ 为
(3)
也就是说，共源共栅使得Id1 和Id2 的失配减小了（gm3+gmb3）ro3 倍。
参考文献:
[1] Floyd M .Gardner. Charge-Pump Pha-Lock Loops. IEEE Transactions of Communications, -28, NO .11, November 1980.
[2] B. Razavi, Monolithic pha-locked loops and clock recovery circuits: theory and design[M], IEEE press, 1996.
地贫症状
[3] Won-Hyo Lee,Jun-Dong Cho and Sung-Dae Lee, A High Speed and Low Power Pha-Frequency Detector and Charge-Pump[C], IEEE ASPDAC 1999:269-273.
[4] F.M.Gardner, Charge Pump Pha-Lock Loops[J],IEEE Transcommunications, 1980,28(11): 1849-1858.
[5] Mark Van Paemel，Analysis of a charge-pump PLL：A New Model[J],IEEE Transactions on communications , 1994,42(7):2490-2498.
[6] Behzad Razavi, Design of Analog CMOS Integrated Circuits[M]. University of California, Los Angeles, 1996
[7] Rhee, W,Design of high-performance CMOS charge pumps in pha-locked loops[C], ISCASProceedings of the 1999 IEEE International Symposium on Circuits and Systems, 1999:545 - 548.
注：“本文中所涉及到的图表、注解、公式等内容请以PDF格式阅读原文。”
