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        一種寬溫度范圍電流恒定電荷泵

        2019-11-28 03:51:20劉穎斌韋保林韋雪明徐衛(wèi)林段吉海

        劉穎斌, 韋保林, 韋雪明, 徐衛(wèi)林, 段吉海

        (桂林電子科技大學(xué) 廣西精密導(dǎo)航技術(shù)與應(yīng)用重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,廣西 桂林 541004)

        當(dāng)今社會,GNSS接收機(jī)、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(gè)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(jì)中,多數(shù)研究通過在電荷泵中加入運(yùn)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(shí)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(dǎo)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(yùn)放型電荷泵,分析了運(yùn)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(jì)了在不同溫度時(shí)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(yùn)放型電荷泵的工作原理

        圖1是一種傳統(tǒng)的運(yùn)放型電荷泵,在該運(yùn)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(yùn)算放大器來保證鏡像電流源的精確鏡像[4]。

        圖1 傳統(tǒng)運(yùn)放型電荷泵

        圖1中,電流源Iref代表一個(gè)基準(zhǔn)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(yùn)算放大器A1連接成負(fù)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(dāng)UP和DN為低電平,電荷泵處于充電狀態(tài),有I1=I2=I3;當(dāng)UP和DN為高電平時(shí),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(yùn)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(dāng)MOS管的外部柵極偏置電壓是固定電壓時(shí),MOS管工作在飽和區(qū)時(shí)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(shí)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(dāng)溫度從-40 ℃升高到100 ℃時(shí),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(dá)到了58 μA。當(dāng)鎖相環(huán)處于鎖定狀態(tài)時(shí),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(dāng)電荷泵的輸出電流發(fā)生變化時(shí),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(jì)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(gè)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(dāng)溫度發(fā)生變化時(shí),總輸出電流保持不變。

        圖3 改進(jìn)電荷泵電路模型

        為了實(shí)現(xiàn)圖3所示的電荷泵模型,設(shè)計(jì)了圖4所示的電荷泵電路。利用一個(gè)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(jìn)行比較以產(chǎn)生相應(yīng)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(yùn)算放大器A2連接成負(fù)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(dá)到當(dāng)各條開關(guān)支路導(dǎo)通時(shí),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(dāng)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(shí),PMOS開關(guān)導(dǎo)通,電荷泵工作在充電狀態(tài);當(dāng)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(shí),NMOS開關(guān)導(dǎo)通,電荷泵工作在放電狀態(tài);當(dāng)比較器產(chǎn)生的控制信號SW為低電平時(shí),PMOS開關(guān)和NMOS開關(guān)都處于截止?fàn)顟B(tài),負(fù)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(yùn)算放大器A3連接成負(fù)反饋結(jié)構(gòu),保證X點(diǎn)和Y點(diǎn)電壓相等;n是三極管Q1和Q2并聯(lián)個(gè)數(shù)的比值,由于三極管的VBE是一個(gè)負(fù)溫度系數(shù)的電壓,所以ΔVBE是一個(gè)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(jìn)電荷泵電路

        圖5 PTAT電路

        3 版圖設(shè)計(jì)與仿真

        采用TSMC 0.18 μm CMOS工藝設(shè)計(jì),改進(jìn)電荷泵的版圖如圖6所示。在版圖設(shè)計(jì)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(shí),為了保證運(yùn)放在電路中的鏡像作用,需要保證運(yùn)放的2條輸入金屬線長度相等,方向一致[8]。

        圖6 改進(jìn)后電荷泵電路版圖

        當(dāng)電荷泵工作在-40 ℃時(shí),由于MOS管工作在低溫時(shí)的飽和區(qū)電流較小,為了使總輸出電流能夠和常溫(20 ℃)時(shí)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(shí)的飽和區(qū)電流較大,為了使總輸出電流能夠和常溫(20 ℃)時(shí)保持相同,所以在高溫時(shí),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(jìn)電荷泵不同溫度下的工作方式。

        表1 改進(jìn)電荷泵工作方式

        在經(jīng)過溫度補(bǔ)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(jìn)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(jìn)。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(jìn)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(jìn)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(jìn)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(dǎo)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(jìn)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(jìn)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(xiàn)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(xiàn)[9]和文獻(xiàn)[10],失配率與文獻(xiàn)[9]大致相等。

        表2 本文與其他文獻(xiàn)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(dǎo)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。

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