1、引言

　　目前，电荷泵锁相环是所有锁相环中最受关注的一种，例如它在射频的频率合成器、数字电路中的时钟产生以及时钟恢复电路中都被广泛采用，这主要是因为电荷泵锁相环具有良好的跟踪能力和捕获能力。研究开发性能良好的电荷泵锁相环有着重要的现实意义[1]。同时，cmos工艺具有工作电压范围宽、静态功耗低、抗干扰能力强等优点，是当今集成电路制造业的主流工艺[2]。因此，使用cmos工艺设计的锁相环路应用范围越来越广，而电荷泵是电荷泵锁相环里面除vco外最重要的电路模块，而电流失配、电荷共享、过冲和时钟馈通等现象一直限制着电荷泵性能的提高[3]，因此研究性能良好的电荷泵有非常重要的现实意义。

2、传统电荷泵

2．1基本原理

　　图l是典型的电荷泵结构。此处电荷泵为两个受鉴频鉴相器(pfd)输出信号控制的开关电流源，它与后面的环路滤波器共同作用，将pfd的逻辑信号转化为电压信号，该电压信号进而调节压控振荡器的振荡频率[4]。

当鉴频鉴相器输出电压信号up为高时，电荷泵上端开关导通，电荷泵将以电流ip对滤波器充电。

　　当鉴频鉴相器输出电压信号dn为高，打开电荷泵下端开关，电荷泵以电流ip对滤波器放电。因为这种结构的鉴频鉴相器通过电流充、放电来改变低通滤波器的电压vout所以对vout电压幅值没有限制。因此电荷泵锁相环的捕获范围很宽，直接由压控振荡器能够工作的频率范围来决定。同时，当电荷泵上下的开关都关断时，低通滤波器的电压可以保持vout不变，而且up和dn信号表征的是输入与输出之间的相差，up和dn均为低电平说明鉴频鉴相器的输出相差为0。所以，这种结构的电荷泵和鉴频鉴相器具有锁定时相差为0的优点。

　　当鉴频鉴相器和电荷泵一同使用时，电路结构如图2所示。电路有充电、放电和保持三种状态。当qa=qb=0时，k1和k2关断，保持vout不变。如果qa为高，qb为低，电容cp通过i1充电。反之，如果qa为低，qb为高，cp通过i2放电。因此，如果a超前b，qa连续产生脉冲，vout值逐渐升高，呈阶梯形。i1和i2就分别为上述的up和down电流，通常取一样的值[5]。虽然电路能正常工作，但也产生了下述的电荷共享问题。

2．2"电荷共享"问题

　　电荷泵的"电荷共享"是电荷泵的主要问题之一，问题来源于电流源漏端所存在的一定的电容间。其原理如图3所示，开关s1和s2都断开，那么m1使结点x放电到零电位，m2使结点y充电到vdd。在下一个相位比较瞬间，开关s1和s2都导通，从而vx的电压上升，vy电压下降，如果忽略在开关s1和s2上的电压降，则有vx一vy一vcont(图b)，如果相位误差为零，而且且id1=｜id2｜，则在开关导通时，vcont值将发生跳变。此时即使cx=cy，vx和vy的变化量也不相等。例如，若vcont比较高，则vx变化量大而vy变化量较小。这两者变化的差额必须由cp来提供，从而导致vcont跳动[7]。

3. 抑制"电荷共享"的方法

上述电荷共享现象可以通过"自举"（bootstrapping）的办法来消除[8]。

　　如图4所示，其思路就是在相位比较完后，将vx和vy的电位"固定"到vcont。当s1和s2断开时，s3和s4导通，再用单位增益放大器将结点x和y的电位保持在vcont，在下一个相位比较瞬间，s1和s2导通，s3和s4断开，这时候vx和vy的电位都等于vcont，所以在cp和x点、y点的电容之间不会发生电荷共享。而新型低电荷共享的电荷泵就是这种结构的具体电路实现。

4、低电荷共享的新型电荷泵

　　图5是本文提出的新型电荷泵电路，它将单一晶体管的开关改为双向传输门，这使电流传输不受晶体管阈值电压的影响，并可扩大x、y两点的电压跟随范围。用一个单端放大器构成负反馈，形成电压跟随器，偏置电流源同时为放大器提供尾电流。改进后的电荷泵同一般的电荷泵相比，多了一个跟随器，这个跟随器使得电流源在关断时，漏端电压能够跟随vcont,这样当开关打开时，可以认为△v等于零，同时避免了两个电流源漏端寄生电容的电荷共享效应。否则会引起较大的上下电流不对称效应，增大锁相环的抖动。

5、传统电荷泵和新型电荷泵的对比

　　对比仿真采用gsmc0．18dμm工艺库，在相同的尺寸和各种工艺角 tt、ff、ss，供电电压1．8v10％，温度0℃到125℃等仿真条件下进行，仿真软件为spectre和hspice。这里的传统电荷泵结构仅比上述的新型电荷泵少了

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