改进型CMOS电荷泵锁相环电路的应用设计

。另外，在充放电周期中，M3和M4栅极寄生电容在时钟信号的驱动下也会产生电荷的释放和吸收现象，从而影响电荷泵输出，这一现象又称为时钟馈通。

针对传统电荷泵电路中存在的电流失配、电荷共享和时钟馈通的问题，本文提出了一种改进型的电荷泵电路，如图4所示。

图4 用于锁相环的改进型电荷泵电路

如图4所示，首先为了抑制开关管时钟馈通现象，将开关管M8和M2与电流镜管M6和M4的位置进行交换，这样可以有效降低开关管漏极电压的变化幅度。同时，增加了开关管M1,M7和M9来分别匹配M2,M8和M10,以消除电流镜像的误差。

此外，增加的开关管M11和M12分别与M8和M2反相导通，这样就可以抵消时钟馈通和电荷共享现象产生的电荷。

针对电流镜失配的问题，采用了负反馈的方式来抑制充放电电流镜的失配。具体做法是，M5,M6和M10构成电流镜将基准电流Iref镜像后由M6输出电荷泵的充电电流。M5的漏极电流流过M3,然后M3与M4构成的电流镜由M4输出电荷泵的放电电流。放大器OP的引入，在VX节点形成负反馈，就可以严格保证VX=VC,这样几乎完全消除了电流镜漏极电压的不同带来的充放电电流失配问题。

另外，开关管M11和M12的漏极连接到了VX节点，因为VX=VC,所以M11和M12的漏极电压也等于VC,这样做既匹配了时钟馈通和电荷共享现象产生的电荷，又避免了M11和M12的漏极直接连接到VC对电荷泵输出的影响。

放大器OP采用了轨对轨结构，以保证输入和输出电压的摆幅范围，以增大电荷泵输出电压的线性范围。电容C1的引入，既具有稳定负反馈环路的作用，又起到滤波VX电压毛刺干扰的作用。

3、其他模块电路设计

3.1压控振荡器

由于折叠式差分环形压控振荡器的电路结构简单、控制线性度好和噪声小，所以本次设计的压控振荡器采用四级差分延时结构来实现，电路结构如图5所示。

图5 压控振荡器电路

压控振荡器差分延时单元如图6所示。延迟单元的线性度和延迟时间范围决定了压控振荡器的线性度和频率范围。为了最大化利用电荷泵输出电压的范围，以提高锁相环的噪声抑制能力，在压控振荡器延迟单元设计上采用了分段线性的方式，将延迟时间分成三段控制。控制电压VC分别控制MOS管M7,M8和M9的栅极电压，以形成3路不同电流来控制延迟单元的线性范围。其中M10,M11和M12作为开关管由图1中的MFC单元产生逻辑信号进行控制，根据频率范围的不同选择其中一路的电流路径。为了改善受控电流随控制电压VC的线性度，为M7,M8和M9增加了源极负反馈电阻，经验证优化的阻值分别为0.4,5和50kΩ。另外，为了提高压控振荡器的工作频率，增加了M7的管子个数，设计中选取M7的管子个数是M8和M9的4倍。此外，延迟单元的最后一级增加了一缓冲级，将双端输出转换为单端输出。

3.2鉴频鉴相器

鉴频鉴相器电路如图7所示，它由两个带复位功能的D触发器构成，设计时在信号路径上增加了传输门单元，用来匹配UP和DN控制信号之间的延迟。电路采用高电平实现复位，鉴相范围为-2π~2π。通过改变反相器的尺寸，可以调节复位脉冲延时宽度，消除鉴相死区，提高鉴相精度。

图6 压控振荡器差分延迟单元

图7 鉴频鉴相电路

4、结果分析

本文提出的电荷泵锁相环电路基于 Dongbu HiTek 0.18 μm CMOS工艺设计，采用Hspice模型进行了详细的仿真验证。

图8是典型模型下电荷泵充放电电流匹配性仿真结果，仿真结果表明，输出电压在0.25~1.5 V变化时，电荷泵的充放电电流一致性保持很好。表1给出了在不同工艺角、不同输出电压下，电荷泵充放电电流的相对失配量(或相对误差δi,用百分比表示)，由表1的数据可以看出，本文改进的电荷泵电路有效抑制了充放电电流的失配。

图8 电荷泵电流匹配性仿真结果

表1 不同工艺角下电荷泵充放电电流的相对失配量(δi)

图9给出了压控振荡器的控制电压与输出频率关系的仿真结果，从图中可以看出，按照输出频率的不同，延迟单元产生的三段不同的线性度，分别对应图6中的接0.4,5和50 kΩ电阻的电流路径。该线性范围大致可以分为：25~120 MHz为第一段;120~650 MHz为第二段;650 MHz~2.2 GHz为第三段。第一和第二阶段的线性范围较宽，而第三阶段进入高频后线性范围有所下降，但总体来看所采用的分段线性控制实现了较好的效果。

图9 压控振荡器的控制电压与输出频率关系曲线

图10给出了锁相环建立过程的仿真波形，图中给出的是VCO控制电压的波形，在输入参考频率为31.5 MHz、频率反馈设置为32分频时，系统锁定时间约为1.5μs.MFC模块的采用和压控振荡器分段线性的处理有效扩展了锁频范围，输出频率在25 MHz~2.2 GHz内可调。在实际应