低电流失配、宽输出摆幅且可编程的电荷泵电路

发电;变电;配电装置的制造技术1.本发明涉及电荷泵电路技术领域，特别是涉及一种低电流失配、宽输出摆幅且可编程的电荷泵电路。背景技术：2.频率源是毫米波雷达和通信系统中的核心模块，频率源系统的相位噪声、参考杂散等因素不仅会严重降低通信系统的性能，还会导致雷达检测出伪目标，因此优化频率源系统的相位噪声和参考杂散有很大的意义。3.频率源系统的参考杂散是其关键指标，其主要来源于鉴频鉴相器和电荷泵电路。当锁相环进入锁定状态时，鉴频鉴相器会输出一个固定的窄脉冲来消除鉴相盲区，在此窄脉冲内电荷泵的充放电电流源开关都处于打开状态，当电荷泵中充放电电流大小不匹配时，此时电荷泵就会从环路滤波器中抽取电流或者向环路滤波器注入电流，电流的变化将导致压控振荡器的电压产生周期性抖动，也称作电压纹波，在频率源输出的信号频谱上就表现出距离载波参考时钟处产生杂散干扰。然而，现有的电荷泵在性能上还需要进一步的提升。技术实现要素：4.本发明的目的是针对现有技术中存在的技术缺陷，而提供一种低电流失配、宽输出摆幅且可编程的电荷泵电路，是基于源极开关利用运算放大器进行负反馈的新型电荷泵电路，该可编程源极开关负反馈的电荷泵可以减小参考杂散，尽可能降低频率源系统的参考杂散对雷达或者通信系统的影响。5.为实现本发明的目的所采用的技术方案是：6.一种低电流失配、宽输出摆幅且可编程的电荷泵电路，由三倍可编程电流源阵列、开关管m1-m34、运算放大器opa、电流源补偿电路构成；开关管m1、m6、m11为充电电流源开关，开关管m2、m7、m12为充电电源源开关对应的互补开关；开关管m18、m23、m28为放电电流源开关，开关管m19、m24、m29为放电电流源开关对应的互补开关；m3、m8、m13为三倍充电电流源阵列，m4、m5、m9、m10为三倍充电电流源阵列选通开关，开关管m17、m15为1:1电流镜，开关管m1、m6、m11的栅极接vup,开关管m1、m4、m6、m9、m11、m14、m16的源极接vdd，开关管m1的漏极接开关管m2的漏极与开关管m3的源极；开关管m4的栅极接en1、源极接开关管m3的栅极与开关管m5源极，开关管m5的栅极接ne1n,开关管m2、m7、m12的栅极接vupn而源极悬空；7.开关管m5的漏极接开关管m17的栅极，开关管m3、开关管m8、开关管m13的漏极接运算放大器opa的正相输入端，开关管m6的栅极接开关管m7的栅极与开关管m8的源极，开关管m8的栅极接开关管m10的源极与开关管m9的源极，开关管m10的栅极接en2n而漏极接开关管m17的栅极，开关管m11的漏极接开关管m12的漏极与开关管m13的源极，开关管m13栅极与开关管m15栅极相连接后接开关管m17栅极，开关管m15的源极接开关管m14漏极，开关管m14的栅极与开关管m16的栅极相接后接地，开关管m16的栅极接开关管m17的源极；8.开关管m20、m25、m30为三倍放电电流源阵列，开关管m21、m22、m26、m27为三倍放电电流源阵列选通开关；开关管m15的漏极接运算放大器opa的负相输入端，开关管m13的漏极接开关管m33的栅极以及开关管m20、开关管m25、开关管m30的漏极，开关管m32的漏极接运算放大器opa的负相输入端，开关管m32的漏极接开关管m33的漏极并与带隙基准电流源icp的一端连接，带隙基准电流源icp另一端接地，开关管m33的源极接开关管m34的漏极与栅极，开关管m34源极接地，开关管m32的源极接开关管m31的漏极，开关管m31的栅极接vdd而源极接地，开关管m32的栅极接开关管m30的栅极后与开关管m21、开关管m26的漏极相接，开关管m30的源极接开关管m28的漏极与开关管m29的漏极，开关管m26的源极接开关管m27的源极以及开关管m25的栅极，开关管m25的源极接开关管m24与开关管m23的漏极，开关管m23的源极接开关管m20的栅极与开关管m22的源极，开关管m20的源极接开关管m19与开关管m18的漏极，开关管m19、开关管m24以及开关管m29的栅极接vdnn而源极悬空，开关管m18、开关管m23以及开关管m28的栅极接vdn而源极接地，运算放大器opa的输出端与开关管m32、开关管m30的栅极相接后接地。9.其中，开关管m13栅极与开关管m15栅极相连接后与电容c2一端连接，电容电容c2另一端接vdd。10.其中，运算放大器opa的输出端与开关管m32、开关管m30的栅极相接后通过接一个电容c1接地。11.其中，运算放大器opa的输出端与电阻r1的一端连接，电阻r1的另一端连接电容c3的一端，电容c3的另一端接运算放大器opa的负相输入端。12.本发明的可编程的新型宽输出摆幅通过运算放大器负反馈的方式来实现低失配、高平坦度、宽输出电压摆幅的电荷泵电路，实现频率源系统低杂散、低噪声性能，且达到低成本、低功耗的目的；该电路可在cmos工艺下实现，由于其结构简单、面积小、功耗低的特点，可十分方便集成到频率源系统中。附图说明13.图1是本发明的低电流失配、宽输出摆幅且可编程的电荷泵电路的电路图。具体实施方式14.以下结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。15.如图1所示，本发明实施例的低电流失配、宽输出摆幅且可编程的电荷泵电路，由三倍可编程电流源阵列、开关管m1-m34、运算放大器opa、电流源补偿电路构成；开关管m1、m6、m11为充电电流源开关，开关管m2、m7、m12为充电电源源开关对应的互补开关；开关管m18、m23、m28为放电电流源开关，开关管m19、m24、m29为放电电流源开关对应的互补开关；m3、m8、m13为三倍充电电流源阵列，m4、m5、m9、m10为三倍充电电流源阵列选通开关，开关管m17、m15为1:1电流镜，开关管m1、m6、m11的栅极接vup,开关管m1、m4、m6、m9、m11、m14、m16的源极接vdd，开关管m1的漏极接开关管m2的漏极与开关管m3的源极；开关管m4的栅极接en1、源极接开关管m3的栅极与开关管m5源极，开关管m5的栅极接ne1n,开关管m2、m7、m12的栅极接vupn而源极悬空；16.开关管m5的漏极接开关管m17的栅极，开关管m3、开关管m8、开关管m13的漏极接运算放大器opa的正相输入端，开关管m6的栅极接开关管m7的栅极与开关管m8的源极，开关管m8的栅极接开关管m10的源极与开关管m9的源极，开关管m10的栅极接en2n而漏极接开关管m17的栅极，开关管m11的漏极接开关管m12的漏极与开关管m13的源极，开关管m13栅极与开关管m15栅极相连接后接开关管m17栅极，开关管m15的源极接开关管m14漏极，开关管m14的栅极与开关管m16的栅极相接后接地，开关管m16的栅极接开关管m17的源极；17.开关管m20、m25、m30为三倍放电电流源阵列，开关管m21、m22、m26、m27为三倍放电电流源阵列选通开关；开关管m15的漏极接运算放大器opa的负相输入端，开关管m13的漏极接开关管m33的栅极以及开关管m20、开关管m25、开关管m30的漏极，开关管m32的漏极接运算放大器opa的负相输入端，开关管m32的漏极接开关管m33的漏极并与带隙基准电流源icp的一端连接，带隙基准电流源icp另一端接地，开关管m33的源极接开关管m34的漏极与栅极，开关管m34源极接地，开关管m32的源极接开关管m31的漏极，开关管m31的栅极接vdd而源极接地，开关管m32的栅极接开关管m30的栅极后与开关管m21、开关管m26的漏极相接，开关管m30的源极接开关管m28的漏极与开关管m29的漏极，开关管m26的源极接开关管m27的源极以及开关管m25的栅极，开关管m25的源极接开关管m24与开关管m23的漏极，开关管m23的源极接开关管m20的栅极与开关管m22的源极，开关管m20的源极接开关管m19与开关管m18的漏极，开关管m19、开关管m24以及开关管m29的栅极接vdnn而源极悬空，开关管m18、开关管m23以及开关管m28的栅极接vdn而源极接地，运算放大器opa的输出端与开关管m32、开关管m30的栅极相接后接地。18.其中，en1与en1n、en2与en2n是两组差分信号，是由串行外设接口(spi)输出的使能信号，当en1为高电平时，en1n为低电平，开关管m4、m22打开，开关管m5、m21关闭，电荷泵电流变为原来的两倍；同理，当en2为高电平时，开关管m9、m27打开，开关管m10、m26关闭，电荷泵电流也变为原来的两倍；当en1与en2同时为高电平时，en1n与en2n同时为低电平，电荷泵的电流变为原来的三倍。通过spi控制en1与en1n、en2与en2n是两组差分使能信号，可以达到电荷泵电流一倍、两倍、三倍可编程控制的目的。19.其中，vup与vupn、vdn与vdnn为鉴频鉴相器输出的两对差分脉冲信号，vup为低电平时，m1、m6、m11开关管打开，电荷泵充电电流源导通，为环路滤波器充电，此时vupn为高电平，m2、m7、m12关断，可以抵消充电开关管的开关非理想效应；同理，vdn为高电平时，m18、m23、m28开关管打开，电荷泵放电电流源导通，为环路滤波器放电，此时vdnn为低电平，m19、m24、m29关断，可以抵消放电开关管的开关非理想效应。20.其中，开关管m13栅极与开关管m15栅极相连接后与电容c2一端连接，电容电容c2另一端接vdd。21.其中，运算放大器opa的输出端与开关管m32、开关管m30的栅极相接后通过接一个电容c1接地。22.其中，运算放大器opa的输出端与电阻r1的一端连接，电阻r1的另一端连接电容c3的一端，电容c3的另一端接运算放大器opa的负相输入端。23.本发明实施例中，开关管m1、m6、m11为充电电流源开关，开关管m2、m7、m12对应为充电开关的互补开关；开关管m18、m23、m28为放电电流源的开关，开关管m19、m24、m29对应为放电开关的互补开关。开关管m17、m15为1:1电流镜，开关管m3、m8、m13为三倍充电电流源阵列，开关管m20、m25、m30为三倍放电电流源阵列。开关管m4、m5、m9、m10为三倍充电电流源阵列选通开关，开关管m21、m22、m26、m27为三倍放电电流源阵列选通开关，支持电荷泵充放电电流50ua-150ua可调。24.其中，运算放大器opa两个输入端分别和开关管m13、m15两个管子的漏极相连，通过反馈保证两管子的漏端电压相等，消除沟道调制效应导致的电流失配。25.其中，电阻r1、电容c3作为反馈电路中的弥勒补偿电路，使反馈结构相位裕度达到50°以上，保证系统稳定。26.其中，带隙基准电流源icp为电荷泵电流镜提供稳定的50ua电流。27.其中，滤波电容c1、c2分别接入到电流源m13、m15和m30、m32栅极与地之间，减小开关非理想效应带来的影响。28.其中，开关管m33栅极接到电荷泵输出电压端，通过反馈输出端的电压变化对带隙基准电流源icp电流进行补偿，保证电荷泵输出电流在宽输出电压范围内保持平坦。29.本发明实施例中，通过引入运算放大器opa钳位开关管m13和开关管m15两电流源管的漏端电压，降低充放电电流的失配，运算放大器的输出端连接到开关管m30和开关管m32的栅极，保证电路上电时电荷泵充电电流仍然保持较高的值，环路仍然可以正常反馈,最终电流失配小于0.1％。30.随着输出电压的降低，充放电电流如会因电流镜管的沟道长度调制效应而降低，而电荷泵电流的变化会导致pll环路带宽的改变，可能导致pll环路不稳定。31.为了抵消沟道调制效应带来的影响，采用动态补偿电路对电流源进行补偿，如图1中开关管m33和开关管m34所示，最终电流变化小于2％。32.当时钟信号控制开关管通断时，脉冲对开关管的cgd充放电引起高频毛刺，该毛刺会造成充放电电流失配。33.为了抵消该毛刺，引入时钟馈通抵消dummy晶体管，图中，开关管m1和开关管m2栅极接入互补的脉冲信号，使得vupn和vup产生的高频，毛刺电流可以相互抵消，这样就消除了时钟馈通的影响。34.本发明所提出的新型电荷泵电流失配小、输出电压摆幅大；采用运算放大器负反馈钳位电压，可以达到动态调节充放电匹配的作用，增强电路结构的鲁棒性；以小尺寸有源mos管为主体的模拟电路设计，大大缓解了大面积无源器件所带来的芯片面积问题，芯片微小化更易于集成，同时降低流片成本；提出的可编程电流源阵列可适应多种环路带宽选配，可以通过控制位调整电荷泵输出电流大小，从而增强此电荷泵的广泛适用性。35.以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征和本发明的优点,对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明；36.因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内，不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。37.此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。









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