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锁相环电荷泵

电荷泵 Charge Pump, CP

电荷泵是将相位信息(时域)转换为模拟量(电压域)的模块。

电荷泵的设计至关重要,特别是在分配比高的情况下

 

电荷泵分类:

传统三态门

低功耗,低噪音

固有的 PFD 补偿,开关噪声

电流转向

高速,中等 PFD 补偿,低噪声

静态电流消耗,开关噪声

差分输入, 单端输出

低 PFD 补偿

中功耗,信号路径不匹配

全差分

高速,低 PFD 补偿,高线性度,高 PSRR

对漏电流,衬底噪声较不敏感

输出摆幅增加

静态电流消耗,需要 CMFB (common mode feedback)

恒定电流流动可能会引起噪声/杂散问题。

 

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图 1  电荷泵

 

电荷泵电路结构:单端型

切换期间产生高峰值电流(a)

需要低 (W/L)3 /(W/L)1 长宽比才能快速切换(b)

对栅极电容较不敏感,但关断时间较长(c)

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图 2 电荷泵电路结构

 

a, 切换开关在漏极的电荷泵

弱的浮动节点受电荷共享和时钟馈通的影响更大

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图 3 切换开关在漏极的电荷泵

 

b, 切换开关在栅极的电荷泵

M1始终处于饱和状态

可以在栅极放置电容以进行噪声过滤。

开关时间慢。

大电流镜比

-承受大电容(M1) 和低 gm(M3)。

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图 4 切换开关在栅极的电荷泵

 

c, 切换开关在漏极的电荷泵

M1始终处于饱和状态

可以在源端放置大电容以进行噪声过滤。

-也缩短了切换时间。

大电流镜比不会影响开关时间

 

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图 5  切换开关在漏极的电荷泵

 

变体:

减少寄生电容和LPF之间电荷共享的反馈(d)

电流转向提供快速切换(e)

半差分,但受电流镜切换的限制(f)

 

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图 6  电荷泵变体结构

 

改进单端型

适用于低功耗,高性能频率合成器

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图 7  改进单端型电荷泵

 

检查瞬态性能:

始终与PFD一起运行

重要的是监视IUP和IDN,而不仅仅是查看IUP – IDN

匹配而不会丢失相位分辨率

-上升沿或下降沿陡峭但有毛刺,还是边缘缓慢而没有毛刺

 

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图 8  瞬态性能

 

低功耗设计的栅极偏置

N次方(整数N)FS中的电荷泵电流可高达10mA

动态偏置可以降低稳态下的功耗

 

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图 9  低功耗电路结构

 

差分电荷泵

当输出摆幅<Vth时,电压偏置可用于M5-M8

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图 10 差分电荷泵

 

共模反馈CMFB电荷泵

线性区的N型场效应管用于共模反馈

采样电压来自电容。

–降低共模反馈环路中的高频噪声

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图 11  共模反馈电荷泵

 

高性能差分电荷泵

全差分和对称 –对鉴频鉴相器补偿不敏感

不受电源/衬底噪声的影响 –适用于片上环路滤波器

高分辨率和良好的线性度

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图 12  高性能差分电荷泵

 

Posted in CMOS模拟集成电路

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