[发明专利]一种低电荷注入电荷泵及低电荷注入的方法

说明书

技术领域

本发明涉及模拟电荷泵电路领域，具体涉及在锁相环等高速低噪通信电路中应用的一种低电荷注入电荷泵电路。

背景技术

电荷泵(Charge Pump)作为一种基本电路单元，广泛应用于锁相环等系统电路中。通常，一个锁相环(PLL)电路包括一个鉴频鉴相器(PFD)，一个电荷泵(CP)和环路滤波器(LPF)和一个压控振荡器(VCO)，如图1所示。鉴相器检测输入的参考时钟信号(CK_ref)与压控振荡器输出时钟信号(CK_out)之间的相位差产生充电(UP)和放电(DN)信号。电荷泵根据鉴相器的输出结果来对环路滤波器进行充电和放电，压控振荡器随环路滤波器上的电压(VC)的变化而改变输出时钟的频率。整个电路形成反馈结构，当PFD检测到参考时钟的频率和相位大于反馈时钟时，产生UP信号，UP信号控制电荷泵和环路滤波器使VC电压上升并导致输出时钟频率增加；当PFD检测到参考时钟的频率和相位小于反馈时钟时，产生DN信号，DN信号控制电荷泵和环路滤波器使VC电压下降并导致输出时钟频率减小；当参考时钟与反馈时钟同步时，没有UP和DN信号产生，VC电压维持不变，整个系统稳定。

电荷泵一般通过开关切换电流源和电流漏到输出节点，节点上的输出电压由累积的电荷决定。如图2所示为一种常见的电荷泵电路结构，该电荷泵电路包括电流源Ip、电流漏In、上拉信号(UP)控制的开关Sp、下拉信号控制的开关Sn和电容电阻(RC)环路滤波器LP。电流源Ip的两端分别连接电源和开关Sp，而电流漏In的两端连接地和开关Sn。当上拉信号有效时，开关Sp闭合，允许电源经电流源Ip对输出节点(VC)充电，VC电压上升。当下拉信号有效时，开关Sn闭合，允许输出节点经过电流漏In到地放电，VC电压下降。RC环路滤波器连接到输出节点VC，用来调节电压变化的速率。

由于模拟电路中开关通常采用MOS管来实现，且开关Sp通常采用PMOS管来实现，开关Sn通常采用NMOS管来实现。当开关Sp闭合时，即对应PMOS管为导通状态时，该PMOS管源漏极之间的沟道存在电荷。当开关断开时，即对应PMOS管为截止状态时，沟道电荷会通过源端和漏端流出，其一部分电荷流向电流源Ip，另一部分电荷流向输出端VC。同样的，当开关Sn闭合时，即对应NMOS管为导通状态时，该NMOS管源漏极之间的沟道存在电荷；当开关断开时，即对应NMOS管为截止状态时，沟道电荷会通过源端和漏端流出，其一部分电荷流向电流漏In，另一部分电荷流向输出端VC。这种现象称为沟道电荷注入(Channel Charge Injection)，会引起VC电压不必要的波动，VC电压控制压控振荡器，其电压的波动转化为VCO输出时钟信号的相位抖动(Jitter)，导致PLL性能的下降。

另一方面，如图2所示电路中，开关Sp和Sn均靠近输出端VC，因此由于馈通效应，即开关的闭合和断开的跳变信号通过寄生电容耦合到输出端VC会对输出端形成干扰，使输出电压产生纹波。

因此需要一种改进的电荷泵来解决开关切换引起的电荷注入对输出电压的影响。

发明内容

本发明实施例提供了一种低电荷注入电荷泵，包括：一电流源Ip和一电流漏In直接连接于电荷泵输出节点VC两侧；电流源Ip另一端通过开关Sp连接到电源，电流漏In另一端通过开关Sn连接至地；电流源Ip与开关Sp的连接点p1通过串联开关Sp1、Sp2连接到地；电流漏In与开关Sn的连接点p2通过串联开关Sn1、Sn2连接到电源；其中，开关Sp2的控制信号比开关Sp的控制信号延迟Δt时间，开关Sp1的控制信号与开关Sp的控制信号相反；开关Sn2的控制信号比开关Sn的控制信号延迟Δt时间，开关Sn1的控制信号与开关Sn的控制信号相反。

所述电流源Ip通过PMOS管Mp2实现，所述电流漏In通过NMOS管Mn2实现，所述开关Sp、开关Sp1、开关Sp2分别通过PMOS管Mp1、PMOS管Mp3、PMOS管Mp4实现，所述开关Sn、开关Sn1、开关Sn2分别通过NMOS管Mn1、NMOS管Mn3、NMOS管Mn4实现；

所述开关Sp2的控制信号比开关Sp的控制信号延迟Δt时间和所述开关Sp1的控制信号与开关Sp的控制信号相反的实现电路为：一控制信号UP经一传输门后控制PMOS管Mp1的栅极，经一级反相器INV1后控制PMOS管Mp3的栅极，经两级反相器INV1和INV2后控制PMOS管Mp4的栅极；