一种宽温度范围电流恒定电荷泵

刘颖斌， 韦保林， 韦雪明， 徐卫林， 段吉海

(桂林电子科技大学 广西精密导航技术与应用重点实验室，广西 桂林 541004)

当今社会，GNSS接收机、便携式数字电视广播设备和通信系统发挥着越来越重要的作用。锁相环(PLL)作为这些设备的关键部分，它的性能好坏直接影响整个系统的工作情况[1]。电荷泵作为PLL的关键部分，其作用是把鉴频鉴相器(PFD)输出的数字信号转化为稳定的模拟电流。在以往的研究和设计中，多数研究通过在电荷泵中加入运算放大器来降低电荷泵的失配率[2]，增大电荷泵的匹配范围[3]。然而，这种方案只能保证电荷泵在常温时具有稳定的输出电流，随着温度的大范围变化，MOS管的饱和区电流会发生变化，电荷泵的输出电流也会发生变化，这将会导致锁相环系统的环路带宽和峰峰值抖动周期发生波动。通过介绍一种传统的运放型电荷泵，分析了运放型电荷泵的原理和输出电流随温度发生变化的原因，并采用TSMC 0.18 μm工艺设计了在不同温度时电荷泵输出电流保持相同的电荷泵电路，从而稳定了锁相环系统的环路带宽和峰峰值抖动周期。

1 传统电荷泵电路

1.1 传统运放型电荷泵的工作原理

图1是一种传统的运放型电荷泵，在该运放型电荷泵中，为了降低电荷泵充放电电流的失配率，增大电荷泵的电流匹配范围，通常在电荷泵中加入运算放大器来保证镜像电流源的精确镜像[4]。

图1 传统运放型电荷泵

图1中，电流源Iref代表一个基准电流源，通过MOS管M2、M3连接成cascode结构，来增大电流源Iref的输出阻抗，降低电荷泵的电流失配率。运算放大器A1连接成负反馈的结构，使Vx与Vout电压保持相等，从而保证镜像电流源的精确镜像。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的情况下，当UP和DN为低电平，电荷泵处于充电状态，有I1=I2=I3；当UP和DN为高电平时，电荷泵处于放电状态，有I4=I2=I3，从而保证I4=I1。

1.2 传统运放型电荷泵的温度特性

由于MOS管的载流子迁移率和阈值电压都随温度的升高而改变[5]，所以MOS管的饱和区电流也会随着温度的升高而改变。当MOS管的外部栅极偏置电压是固定电压时，MOS管工作在饱和区时的漏极电流与温度的关系如图2(a)所示。因此，MOS管工作在饱和区时的漏极电流随着温度的升高而增大。由此可知，图1所示的电荷泵的输出电流(ICP)随着温度的升高而增大，仿真结果如图2(b)所示。

图2 电流随温度变化

由图2(b)知，当温度从-40 ℃升高到100 ℃时，电荷泵的输出电流从77 μA增大到135 μA，电荷泵输出电流的偏差达到了58 μA。当锁相环处于锁定状态时，锁相环的环路带宽可表述为公式[6]

式中：R1为低通滤波器的电阻；C1和C2为低通滤波器的电容；ICP为电荷泵的输出电流；KVCO为LC压控振荡器的压控增益；N为分频器的分频比。由于锁相环的峰峰值抖动周期会随着环路带宽的变化而发生波动[7]，所以当电荷泵的输出电流发生变化时，锁相环的峰峰值抖动周期也会发生波动。

2 宽温度范围恒流电荷泵电路

基于上述问题，设计了一种在-40～100 ℃范围内可保持输出电流相同的电荷泵电路，电路模型如图3所示。鉴频鉴相器的输出信号与温度控制信号共同控制电荷泵各条开关支路的工作状态，并使用一个电流累加器使总输出电流等于各条开关支路的电流之和，以保证当温度发生变化时，总输出电流保持不变。

图3 改进电荷泵电路模型

为了实现图3所示的电荷泵模型，设计了图4所示的电荷泵电路。利用一个温度检测电路产生随温度成线性变化的输出电压，并与不同的参考电压进行比较以产生相应的控制信号(SW)，用于控制电荷泵各条开关支路的工作状态，通过将轨对轨运算放大器A2连接成负反馈的结构，使各条开关支路与参考支路保证精确镜像，以达到当各条开关支路导通时，总输出电流等于各条开关支路电流之和的目的。其中的PMOS开关和NMOS开关分别如图4中虚线框所示，当来自鉴频鉴相器的控制信号UP和DN均为低电平，且比较器产生的控制信号SW为高电平时，PMOS开关导通，电荷泵工作在充电状态；当UP和DN均为高电平，且比较器产生的控制信号SW为高电平时，NMOS开关导通，电荷泵工作在放电状态；当比较器产生的控制信号SW为低电平时，PMOS开关和NMOS开关都处于截止状态，负载电容CL没有电流流入或流出。

在图4所示的电荷泵电路中，温度检测电路采用图5(a)所示的绝对温度比例(PTAT)电路，运算放大器A3连接成负反馈结构，保证X点和Y点电压相等；n是三极管Q1和Q2并联个数的比值，由于三极管的VBE是一个负温度系数的电压，所以ΔVBE是一个正温度系数的电压，通过调整MOS管M1、M2、M3的宽长比使得I3=MI2=MI1，即可使PTAT电路产生随温度成线性变化的输出电压(VPTAT)，仿真结果如图5(b)所示。

图4 改进电荷泵电路

图5 PTAT电路

3 版图设计与仿真

采用TSMC 0.18 μm CMOS工艺设计，改进电荷泵的版图如图6所示。在版图设计中，为了保证电荷泵充电电流和放电电流的匹配特性，PMOS管开关和NMOS管开关需要保持上下对齐。同时，为了保证运放在电路中的镜像作用，需要保证运放的2条输入金属线长度相等，方向一致[8]。

图6 改进后电荷泵电路版图

当电荷泵工作在-40 ℃时，由于MOS管工作在低温时的饱和区电流较小，为了使总输出电流能够和常温(20 ℃)时保持相同，需要电荷泵的所有开关支路参与工作。由于MOS管工作在高温时的饱和区电流较大，为了使总输出电流能够和常温(20 ℃)时保持相同，所以在高温时，仅需要电荷泵的开关支路5参与工作，其它开关支路处于关断状态。表1列出了改进电荷泵不同温度下的工作方式。

表1 改进电荷泵工作方式

在经过温度补偿后，电荷泵的输出电流(Icp)如图7所示。表明随着温度的升高，电荷泵的输出电流都能够保持相同，与图2(b)所示的仿真结果相比有明显改善。

图7 改进电荷泵不同温度下输出电流

另一方面，由于输出电流的稳定性和匹配度优于传统电荷泵结构，提出的电荷泵在相位噪声特性上也有改进。传统的CP电路和提出的CP电路的相位噪声仿真结果如图8所示。改进后电荷泵的相位噪声相对于传统电荷泵的相位噪声改善了大约4 dB。

为了比较传统电荷泵和改进电荷泵对锁相环系统峰峰值抖动周期的影响。分别将其放入锁相环系统中进行仿真，仿真结果对比如图9所示。

图9 不同温度下锁相环系统峰峰值抖动周期比较

由图9可知，由于传统电荷泵的输出电流随着温度的升高而增大，导致锁相环系统的峰峰值抖动周期随着电荷泵输出电流的增大而发生较大波动；而改进后电荷泵的输出电流在-40～100 ℃内基本不变，所以锁相环的峰峰值抖动周期受温度的影响较小。表明改进后的电荷泵电路可有效稳定锁相环系统的峰峰值抖动周期。表2列出了本电路与其他文献中同类型电路的参数比较。从表2可看出，电荷泵的匹配范围要略高于文献[9]和文献[10],失配率与文献[9]大致相等。

表2 本文与其他文献的电荷泵电路参数比较

4 结束语

针对传统电荷泵的输出电流随着温度的升高而增大，导致锁相环系统的环路带宽和峰峰值抖动周期随着电荷泵电流的增大而发生较大波动的缺陷。通过引入温度检测电路来反馈控制电荷泵的输出电流，使电荷泵在不同温度下输出电流保持相同，稳定了锁相环系统的环路带宽和峰峰值抖动周期，提高了锁相环频率合成器的性能。