【锁相环中电荷泵的研究】电荷泵锁相环
[摘 要]锁相环的运用已经越来越广泛,从时钟产生器到无线通信到有线通信,光通信等等。在实际应用中,很多工程师都倾向于使用电荷泵型锁相环。因为它更容易实现尽可能大的或者无限开环增益。这样,电荷泵在该种结构中将充当非常重要的角色,其中的不理想性将会对整个系统的性能,比如时钟抖动,相位噪声,锁定时间,带宽,功耗等的设计带来挑战。本文将就以上问题进行详细的分析和研究。最后本文提出了一种改善性能的增益提高技术电荷泵。
[关键词]锁相环 电荷泵 相位噪声 抖动
[中图分类号]TN4[文献标识码]A[文章编号]1007-9416(2010)03-0127-02
引言
基于电荷泵型的锁相环已经被广泛采用与无线通信系统中,特别是射频收发机的频率综合器中。随着无线通信不断地发展,通信系统对终端的要求不断地提高,诸如集成度,功耗,噪声等等。而在无线收发机中,频率综合器是一个非常关键的部分,它的性能将影响整个系统是否能够正常工作。作为基于电荷泵的频率综合器,电荷泵在其中起着非常关键的作用。本文接下来几个部分将对电荷泵做一详细全面的研究。
1 设计中的不理想性
一般的电荷泵型锁相环如图1所示[1]。理想情况下,电荷泵和鉴频鉴相器为系统提供了无限的直流增益,于是输入和输出的相位差为0。但是,作为电荷泵,其本身存在很多固有的不理想性,致使实际的频率综合器会有很多不理想效应产生,从而导致性能的降低。因此,下面将对其中重要的不理想效应进行研究和分析。
1.1 漏电流
漏电流是电荷泵固有的不理想性,或者说是和完全和工艺相关的。随着工艺的不断改进,特别是深亚微米级的CMOS工艺,漏电流的问题变得越来越严重。因为漏电流而导致的相位失配相对来说问题不大,但是由此而产生的参考毛刺在频率综合器中是值得特别注意的。
由于漏电流造成的相位失配可以有下式得出[2],其中是相位失配,是漏电流大小,表示电荷泵的电流大小。
由于相位失配所导致的边带,也就是参考毛刺的大小为:
其中,为环路滤波器的极点,是环路滤波器的电阻值,是压控振荡器的增益。
1.2 电流源的失配
另一种重要的不理想性是电流源的失配。在CMOS电荷泵中存在两个电流源,分别是PMOS电流源和NMOS电流源。两个电流源分别有UP和DOWN两个开关来控制。于是,电流的失配和开关时间的视频必然会存在于电荷泵中。对于开关时间的失配是一个很容易解决的问题,但对于电流的失配是一个难以解决的问题,值得更进一步的研究。我们假设PMOS和NMOS电流源同时导通时间为,两个电流源的失配电流大小为,于是我们可以估算出由于电流失配而导致的相位失配:
(1.3)
由公式可知,我们有以下几个途径减小由于适配造成的相位差影响:第一,从根源出发,减小电流源的适配度,但往往这很难做到,因为这个和工艺,和后续的版图等等都有关系,而且做到完全匹配是不可能做到的;第二,可以减小两个电流源同时导通的时间,但这个又受到其他性能的影响,最主要的便是为了避免电荷泵的死区,所以我们必须首先保证能避免死区所需要的最小输出脉冲宽度,这也是两个电流源同时导通的最小时间;第三,我们可以增大电荷泵的绝对电流值,但是正如前面分析,的值关联到很多其他动态性能,比如环路增益,带宽等等之类的,更关键的我们必须考虑到功耗的问题,所以往往不能过大;最后,我们可以通过增加来减小这个效应。但是增加意味着减小参考频率,这就制约了整个环路所能工作的最大带宽。为了保证环路的稳定性,通常环路带宽取参考频率的二十分之一到十分之一为合适。
1.3 沟道调制效应伴随的恒流输出电压
沟道调制效应是MOS管所固有的二级非理想效应,这个效应在电荷泵中同样存在。由于沟道调制效应而造成的非恒流输出电压在很大程度上制约着频率综合器的整体性能。在很多设计中,我们必须非常重视该效应。
当输出电压改变时,由于电荷泵有限的输出电阻,导致电荷泵的输出电流随着电压的改变而改变,从而无法达到一个恒定的电流。当锁相环处于锁定状态,控制线上的控制电压将因此而产生电压的波动。从而会进一步造成压控振荡器的输出相位噪声和边带都变差[3]。
诸如开关速度,噪声等等其他不理想因素不在本论文的讨论范围内,所以不做多余的研究和说明。
2 增益提高技术电荷泵
图2.1(a)给出了增益提高技术的基本概念[4]。通过添加一个负反馈回路,我们可以使得输出电阻大大提高,不难得到,
一种简单实现如图2.2(b)所示,其输出电阻,。
运用该技术,我们可以很容易设计出一个单端输出的电荷泵[5],如图2(a)所示。该电荷泵可以具有非常的的输出电阻,从而最大程度上减小了因为有限的输出电阻而导致的电流失配。然而,这个结构存在一个比较严重的缺陷。对于输出电压,我们很容易分析出,最低输出电压为,最高输出电压为。输出电压的摆幅几乎小了2倍的。这对于很多需要有大的调节范围的频率综合器来说是一个很大的问题。在此基础上,本文做出了修改,如图2(b)所示,这样输出电压的摆幅不再受到放大器输入管的限制。从而输出最低电压比稍大,而输出最高电压比稍小。
通过完善,我们利用图2.2(b)所示的电荷泵可以很容易将电流失配降到最小。同时,我们还可以得到最大的输出电压摆幅,从而为满足压控振荡器大的调节范围而不影响电流的失配提供了一个解决方案。
3 仿真结果
图3.1(a)和3.1(b)分别给出了利用不不利用增益提高技术的电荷泵恒流输出电压的仿真结果。结果表示,通过运用增益提高技术,我们几乎可以消除电流失配的不理想性。
4 结语
本文首先研究和分析了电荷泵中存在的几个非常重要的不理想效应。在此基础上,我们又对其中最重要的不理想性做了进一步的研究,并且提出了既能最大程度减小电流失配,同时又能保证最大输出电压摆幅的电荷泵结构。该结构的确表现出了出色的电流失配特性,它可以运用于对电流失配和需要最大频率调节范围的频率综合器中。
[参考文献]
[1] Pavan Kumar Hanumolu,Merrick Brownlee,Kartikeya Mayaram,Un-Ku Moon,“Analysis of Charge-Pump Phase-Locked Loops,”IEEE J.Transactions On Circuits and Systems―I:Regular Papers, Vol.51,No.9,September 2004.
[2] W.Rhee, B.-S.Song,and A. Ali,“A 1.1 GHz CMOS fractional-N frequency synthesizer a 3-bit third-order __ modulator,”IEEE J.Solid- State Circuits,vol.35,no.10,pp.1453～1460,Oct.2000.
[3] H.Arora,N.Klemmer,J.C.Morizio,and P.D.Wolf,“Enhanced phase noise modeling of fractional-N frequency synthesizers,”IEEE J.Trans.Circuits Systems-I,Reg.Papers,vol.52,no.2,pp.379～395, Feb. 2005.
[4] 毕查德 拉杂维.“模拟CMOS集成电路设计”,西安交通大学出版社,西安,2002.12.
[5] Young-Shig Choi and Dae-Hyun Han,“Gain-Boosting Charge Pump for Current Matching in Phase-Locked Loop,” IEEE J.Transactions on Circuits and Systems―II:Express Briefs,Vol.53,No.10, October 2006.
[作者简介]
周叶(1985～),男,江苏常州,硕士研究生。研究方向为模拟集成电路,锁相环(PLL),频率综合器(Frequency Synthesizer)和数据时钟恢复电路(CDR)。
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