【模拟集成电路】电荷泵（CP）设计

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前言

  本文主要内容是对电荷泵（CP）做出简单介绍，为课程设计部分章节内容，后需给出各部分的设计方案，以及测试结果。

  该设计工程文件（原理图+testbench）资料链接,可以去我的微信公众号——“ZhiLin-Z” 自行下载。

一、电荷泵（CP）原理

  在PLL电路中，如果直接将无源环路滤波器与PFD相连，则会出现PFD的增益不是一个常数，会随着环路滤波器的平均输出变化而变化的问题。如果环路增益变小，将会降低阻尼系数，进而产生很大地过冲。为了解决上述问题可以让PFD驱动一个电荷泵产生一个输出电流而不是输出电压。电荷泵将PFD检测到的相位差信号转换为电流信号，进而控制对环路滤波器进行充放电。当CPPLL环路处于同步带的时环路频率固定，此时PFD无相位和频率的差别，CP输出电压VOUT处于恒定；当CPPLL环路处于捕捉带的时候，参考频率与分频后的频率产生了相位或频率差别，环路失锁，PFD依据鉴频鉴相结果控制CP的充放电依次改变VOUT，进而改变VCO的振荡频率。·

  其工作过程如下：
  （1）当 PFD 输出电压信号 up 为高， down 为低时，开关 S1 闭合， S2 断开，电荷泵上面通路导通，下面通路关断，电荷泵将以电流$I_1$对滤波器充电。
  （2）当 PFD 输出信号 up 为低且信号 down 为高时，开关 S1 断开，S2 闭合，电荷泵下面通路导通，电荷泵将以电流$I_2$对滤波器放电。
  （3）当 up 和 down 信号都为低时，两个开关均断开，因此电荷泵输出处于高阻态，没有对环路滤波器进行充放电，环路滤波器电压保持不变。
  （4）当 up 和 down 信号都为高时，两个开关均导通，将形成从电源到地的通路。若电流源$I_1$与$I_2$相同的话，流过 S1 电流将从 S2 流出，流入环路滤波器的电流也将为 0，因此没有对环路滤波器进行充放电，环路滤波器电压保持不变。
PFD 的输出信号 up 和 down 信号保持高电平的时间差主要取决于两输入信号的相位差，因此，相位差就决定了电荷泵对环路滤波器的充放电时间。其工作过程波形图如下图4-3-2所示。

  实际的电荷泵在工作时，受限于如下非理想效应：

（1）电流失配问题

  由于 PFD 的非理想特性，在系统输入相位差为零的情况下，PFD 的两个输出端 UP 和 DN 也会产生一窄脉冲。即便是在 PLL 锁定的情况下，UP 和 DN 端也会在有限时间内同时打开电荷泵，进而使上下电流源同时打开。由于上下电流源的不匹配，会出现一个电流差，使得电荷泵产生的净电流不为零，会造成 PLL 环路失锁。

（2）开关管的时钟馈通问题

  时钟馈通指的是当 MOS 开关栅极的时钟控制信号发生一个跳变时，由于 MOS 寄生电容的存在，该电压的跳变会耦合至 MOS 源漏处，从而引起源漏电压的变化，这种非理想效应在漏极开关型电荷泵中最为明显。如图4-3-3所示，由于开关管栅漏极覆盖电容的效应，当上拉脉冲和下拉脉冲通过 $C_{GD1}$ 和$C_{GD2}$ 的耦合作用到达电路输出端$V_{cont}$时，由于$R_1{C}_1$很大，在刚开始时，只有$C_2$会减弱这种时钟馈通效应：

  当电荷泵关断后，$C_1$和$C_2$共享电荷将减小至：

（3）电荷注入问题

二、电荷泵（CP）电路

  基于以上原理，此次所设计的 CP 电路原理图如图4-3-5所示。电路中 M0 和 M3 为开关管，分别由控制信号 Down 和 UP 控制其导通和关断。M4 和 M5 为开关管匹配的“虚拟”开关，其作用是为了减小开关管沟道电荷注入效应对输出的影响。以 M0 和 M5 为例，当Down 为高电平时，M0 导通，M5 关闭，在 M5 关闭的同时会将自身沟道电荷注入给 M0 ，帮助其沟道建立；当 Down 为低电平时，M0 关断，M5 导通，此时 M5 吸收 M0 的沟道电荷，帮助其沟道关断。M1 和 M2 也为开关管，其尺寸为 3：1，确保了在信号互补开关时，能够相互吸收对方的注入沟道电荷，减小沟道电荷出入效应，尺寸满足 $W_5：W_0=2，W_4：W_3=2，W_1：W_2=3：1$。另外，此结构由于中间控制管的作用，可以有效的抑制时钟馈通效应。为了驱动这些电路，采用较大驱动能力的反相器产生互补信号，该电路结构可以提供最大的电压裕量。

三、电荷泵性能测试

  图4-3-6是本次电荷泵的测试电路图。

测试原理图

  电荷泵充电过程的仿真波形如图4-3-7所示，给 UP 一个幅度为 1.8V 的脉冲信号，采用瞬态仿真的方式，查看 UP 信号和输出节点的电压信号。由图可知，当 UP 信号处于高电平有效时输出电压线性上升，充电结束后输出电压保持不变，电荷泵充电至完全稳定所需要的时间大致为 46ns。

充电测试

  同理，CP 放电过程的仿真波形如图4-3-8所示，可知电荷泵放电至完全稳定所需要的时间大致 70ns。

放电测试

  该部分工程文件（原理图+testbench），资料链接：https://mbd.pub/o/bread/ZpaVlptp

参考文献

各部分链接链接：

  该设计工程文件（原理图+testbench）资料链接,可以去我的微信公众号——“ZhiLin-Z” 自行下载。

  频率综合器（Frequency Synthesizer，FS）设计    链接：【模拟集成电路】频率综合器（Frequency Synthesizer，FS）设计

  鉴频鉴相器（PFD）设计    链接：【模拟集成电路】鉴频鉴相器设计（Phase Frequency Detector，PFD）

   电荷泵（CP）设计       链接：【模拟集成电路】电荷泵（CP）设计

  压控振荡器（VCO）设计   链接：【模拟集成电路】宽摆幅压控振荡器（VCO）设计

  环路滤波器（LPF）设计    链接：【模拟集成电路】环路滤波器(LPF)设计

  分频器（DIV_TSPC）设计   链接：【模拟集成电路】分频器（DIV_TSPC）设计