一種低功耗射頻CMOS電荷泵鎖相環(huán)的設(shè)計(jì)

劉忠來

（美光半導(dǎo)體（上海）有限責(zé)任公司，上海 200233）

一種低功耗射頻CMOS電荷泵鎖相環(huán)的設(shè)計(jì)

劉忠來

（美光半導(dǎo)體（上海）有限責(zé)任公司，上海 200233）

CMOS電荷泵鎖相環(huán)的應(yīng)用越來越廣泛，這也加強(qiáng)了人們?cè)搩?nèi)容的研究與分析。過去，受各方面技術(shù)原因的限制，CMOS電荷泵鎖相環(huán)在具體應(yīng)用過程中的能量消耗較大，這對(duì)其應(yīng)用造成了一定的不良影響，而近幾年隨著各項(xiàng)技術(shù)的逐漸成熟，人們加強(qiáng)了對(duì)低功耗射頻CMOS電荷泵鎖相環(huán)設(shè)計(jì)的研究，從而滿足低功耗、快速鎖定要求。目前，人們?cè)谠擁?xiàng)內(nèi)容的研究上已經(jīng)取得了一定的成績(jī)，但是與期望的標(biāo)準(zhǔn)還存在一定差距。文章研究了一種低功耗射頻CMOS電荷泵鎖相環(huán)的設(shè)計(jì)。

CMOS；電荷泵；鎖相環(huán)

低功率射頻通常會(huì)通過低電源電壓的方式實(shí)現(xiàn)，但是從實(shí)際設(shè)計(jì)情況來看，電壓通常都會(huì)受到工作頻率的限制。此外，也會(huì)對(duì)電源和地之間提供的尾電流的偏置電路的級(jí)聯(lián)級(jí)數(shù)造成限制。而隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，人們對(duì)鎖相環(huán)提出了更高的要求，盡量降低其在具體運(yùn)行過程中的能源消耗，盡量占較小的芯片面積，確保其應(yīng)用的合理性，這是人們未來研究的主要方向。

1 相關(guān)概念介紹

1.1 電荷泵

電荷泵也被稱作開關(guān)式電容變換器，是在具體運(yùn)行過程中，通過快速或泵送電容的方式完成相應(yīng)儲(chǔ)能的一種變換器。該變換器的應(yīng)用十分廣泛，長(zhǎng)期以來人們都沒有停止對(duì)其的研究，并且取得了不錯(cuò)的成果。

利用電荷泵可以使輸入的電壓降低或升高，同時(shí)對(duì)該裝置進(jìn)行應(yīng)用，也可以形成復(fù)壓。電荷泵在過去10年里得到了廣泛的應(yīng)用，其輸出效率和輸出功率都得到了一定程度發(fā)展[1]。

1.2 鎖相環(huán)

鎖相環(huán)及時(shí)實(shí)現(xiàn)對(duì)相位環(huán)路的鎖定，其是一種典型的反饋控制電路，通過對(duì)外部輸入的參考信號(hào)的應(yīng)用，對(duì)環(huán)路內(nèi)部震動(dòng)信號(hào)的相位和頻率進(jìn)行合理控制，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)輸出信號(hào)頻率以及輸入信號(hào)頻率的自動(dòng)跟蹤，該項(xiàng)跟蹤是自動(dòng)進(jìn)行的，并不需要人為控制，通常來說，其主要應(yīng)用在閉環(huán)跟蹤電路。其是無(wú)線電發(fā)射頻率中相對(duì)較為穩(wěn)定的一種方式，主要有壓控制振動(dòng)器（Voltage-Controlled Oscillator，VCO）和鎖相環(huán)集成電（Phase Locked Loop Integrated Circuit，PLLIC）共同組成[2]。VCO給出一個(gè)信號(hào)，其中一部分作為輸出，另一部分通過分頻后同PLLIC形成的本振信號(hào)進(jìn)行對(duì)比分析，為了確保頻率不會(huì)發(fā)生改變，則需要相位差發(fā)生改變，若相位差發(fā)生了改變，PLLIC的電壓輸出端的電壓也將會(huì)發(fā)生改變，對(duì)VCO進(jìn)行控制，直到相位差恢復(fù)后，該控制才會(huì)結(jié)束，從而實(shí)現(xiàn)鎖相目的。

2 電路設(shè)計(jì)技術(shù)

2.1 PFD部分

在具體設(shè)計(jì)過程中，利用動(dòng)態(tài)D觸發(fā)器工程PFD，該方法構(gòu)成的PFD，在具體應(yīng)用過程中具有功耗低、速度快、面積小等諸多優(yōu)點(diǎn)，因此得到了較為廣泛的應(yīng)用。同時(shí)，在具體應(yīng)用過程中，通過對(duì)PFD輸出段的UP和DN信號(hào)在鎖相環(huán)零相差時(shí)，需要保持相同的脈沖寬度，通過這種方式可以很好地克服死區(qū)造成的不良影響，從而最大程度降低VCO輸出相應(yīng)噪聲的積累，是一種比較理想的方式。

2.2 電荷泵積累

電荷泵的設(shè)計(jì)是在傳統(tǒng)電荷泵的技術(shù)上進(jìn)行的，在具體設(shè)計(jì)過程中，采用了泵電流可編程控制，以及抑制電荷分享效應(yīng)技術(shù)。電荷分享效應(yīng)會(huì)使VCO控制端電壓發(fā)生較大的波動(dòng)情況，導(dǎo)致輸出頻率的抖動(dòng)頻率進(jìn)一步加大。在設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)中存在預(yù)算放大器，該預(yù)算放大器在具體運(yùn)行中起到的作用就是防止電荷分享效應(yīng)的發(fā)生，同時(shí)為了使PLL環(huán)路寬帶可以得到改善，將電荷泵中的電流做成可編程控制，提高其性能[3]。

2.3 VCO部分

VCO電路在PLL電路中通常分為以下兩種：（1）差分振蕩電路；（2）電流控制振蕩電路[4]。該兩種結(jié)構(gòu)在具體應(yīng)用過程中，優(yōu)點(diǎn)和確定都十分明顯。通常來說，充分結(jié)構(gòu)電路的輸出頻率相對(duì)窄一些，而電流控制振動(dòng)電路的輸出頻率范圍相對(duì)較寬，其在抑制電源噪音上更加優(yōu)秀。在具體設(shè)計(jì)過程中，如果對(duì)噪音的要求較高，可以考慮對(duì)電流控制抑制振蕩電路進(jìn)行應(yīng)用，從而提高電路的整體性能。

3 電荷泵電路的具體設(shè)計(jì)

3.1 傳統(tǒng)電荷泵存在的主要問題

通過對(duì)傳統(tǒng)電荷泵進(jìn)行分析可以發(fā)現(xiàn)，傳統(tǒng)電荷泵和電路中涉及的各個(gè)開關(guān)存在的非理想特性是無(wú)法避免的。因此，控制電壓Vc會(huì)形成一定紋波，該紋波的產(chǎn)生，將會(huì)對(duì)寄生邊帶性能產(chǎn)生不良影響，將會(huì)引起一系列的問題，例如電荷分享、時(shí)鐘饋通、電流失配等多項(xiàng)問題。這些問題的存在，都將會(huì)對(duì)電荷泵的性能造成不良影響，因此需要做好相應(yīng)的分析。

3.2 電荷泵電路

通過分析不難發(fā)現(xiàn)，傳統(tǒng)電荷泵中形成的電荷注入以及電荷饋通現(xiàn)象的主要原因是，輸出端與開關(guān)直接相連引起的。因此，在具體設(shè)計(jì)過程中，在開關(guān)上的設(shè)計(jì)上采用傳輸門結(jié)構(gòu)，由于P管和N管的柵極點(diǎn)位變化發(fā)生相反，此時(shí)饋送的大部分電荷剛好可以相互抵消，因此，并不會(huì)在電路中的電容器上發(fā)生積累現(xiàn)象，這在一定程度上很好地消除了電荷注入問題[5]。此外，由于電流失配是導(dǎo)致相位發(fā)生偏差的一項(xiàng)關(guān)鍵因素，因此，在具體設(shè)計(jì)過程中，為了對(duì)電流失配情況進(jìn)行抑制，將共源共柵結(jié)構(gòu)引入到電流中，這在一定程度上使PLL性能得到了優(yōu)化。

從電荷泵的整體功能情況來看，電荷泵的主要設(shè)計(jì)在于實(shí)現(xiàn)一個(gè)持續(xù)充放電的電源沉電流，可以分別通過電路中的具體型號(hào)進(jìn)行控制。電荷泵依系統(tǒng)增益的具體情況決定，從而使源沉電流表示電荷泵增益。除了要慎重選擇電荷泵增益外，還要注意使源沉電流的結(jié)構(gòu)對(duì)稱。

在具體設(shè)計(jì)電路結(jié)構(gòu)中，電路的左側(cè)為帶自動(dòng)電路啟動(dòng)電路的威爾遜電流鏡，在電路中起到的主要作用就是形成偏置電流[6]。為了降低振蕩器輸出信號(hào)抖動(dòng)，減少功率消耗，以及電荷泵在具體開關(guān)切換過程中形成的噪音，電荷泵中的電流不可能過大。但是，需要設(shè)計(jì)人員注意的是，如果電流過小，將會(huì)導(dǎo)致縮短時(shí)間延長(zhǎng)，此時(shí)漏電電流和寄生電流也將會(huì)對(duì)電荷泵的具體性能造成不良影響。

綜合各項(xiàng)因素，在具體設(shè)計(jì)過程中，電荷泵的取值大小為12 μA。在設(shè)計(jì)的電路結(jié)構(gòu)中，右側(cè)電路為電荷泵電路，采取的結(jié)構(gòu)為共源共柵結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)的目的是為了提升電荷泵的輸出擺幅，從而有效降低電源更換對(duì)電泵造成的不良影響。在具體設(shè)計(jì)過程中，開關(guān)應(yīng)用傳輸門結(jié)構(gòu)，在結(jié)構(gòu)上增添冗余傳輸門，其主要作用是加快電泵的充電與放電速度[7]。如果在結(jié)構(gòu)中沒有冗余傳輸門，結(jié)構(gòu)在運(yùn)行過程中，關(guān)閉其中的開關(guān)時(shí)，要同時(shí)關(guān)閉電路中的電流源，否則電路中的一些節(jié)點(diǎn)將會(huì)被分別放電與充電，這將會(huì)導(dǎo)致電路運(yùn)行發(fā)生波動(dòng)，其具體應(yīng)用效果無(wú)法令人滿意。而在此啟動(dòng)電源時(shí)，有需要對(duì)電路中的一些節(jié)點(diǎn)進(jìn)行再次充電，這勢(shì)必會(huì)對(duì)電荷泵在具體運(yùn)行過程中的放電速度和充電速度產(chǎn)生不良影響。而電荷泵的結(jié)構(gòu)中安裝傳輸門后，可以確保電路結(jié)構(gòu)始終都處于打開狀態(tài)，這使結(jié)構(gòu)中的節(jié)點(diǎn)可以長(zhǎng)期輸出穩(wěn)定電壓，電壓穩(wěn)定可靠，從而實(shí)現(xiàn)良好的電流平匹配，同時(shí)，為了確保電荷泵共源共柵結(jié)構(gòu)能夠得以實(shí)現(xiàn)，在電路結(jié)構(gòu)中還需要設(shè)置點(diǎn)電壓。

3.3 整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

通過具體分析不難發(fā)現(xiàn)，鎖相環(huán)是一個(gè)將相位作為研究參量的系統(tǒng)。因此，在對(duì)環(huán)路進(jìn)行具體分析時(shí)，可以通過相位研究完成相應(yīng)的分析工作。問題分析中，對(duì)數(shù)學(xué)模型進(jìn)行合理應(yīng)用可以發(fā)現(xiàn)，相位可以視作頻率積分，因此在研究相位過程中，可以進(jìn)行合理轉(zhuǎn)換，將研究?jī)?nèi)容轉(zhuǎn)化為人們熟知的頻率上，然后再開展相應(yīng)的研究工作。Vc是VCO的控制電壓，其變化將會(huì)對(duì)輸出信號(hào)造成直接影響，并且通過Vc可以直接反映出系統(tǒng)的鎖定和捕獲的具體狀態(tài)。因此，驗(yàn)證系統(tǒng)是否可以進(jìn)入鎖定狀態(tài)，在具體操作過程中，只需要對(duì)鎖相環(huán)系統(tǒng)進(jìn)行長(zhǎng)時(shí)間瞬態(tài)仿真即可，該過程可以通過對(duì)Vc觀測(cè)實(shí)現(xiàn)。通過觀測(cè)，如果Vc可以長(zhǎng)期保持一個(gè)電平值，并未發(fā)生波動(dòng)，則表明系統(tǒng)已經(jīng)處于鎖定狀態(tài)，基于此，實(shí)現(xiàn)對(duì)鎖相環(huán)的整體仿真。

4 鎖相環(huán)的仿真及測(cè)試

系統(tǒng)的電源電壓在4.5～5.5 V，在進(jìn)行具體仿真過程中，溫度控制在-50～120 ℃之間。仿真過程中，對(duì)電泵電路放電進(jìn)行控制，電路中的電壓由2.5 V逐漸下降到0 V，對(duì)仿真結(jié)果進(jìn)行觀測(cè)可以發(fā)現(xiàn)，輸出的波形會(huì)出現(xiàn)較小幅度的抖動(dòng)，但是在整個(gè)仿真過程中，并沒有出現(xiàn)大尖峰脈沖，因此設(shè)計(jì)滿足要求。

對(duì)設(shè)計(jì)線路整體進(jìn)行仿真，通過對(duì)仿真結(jié)果進(jìn)行分析不難發(fā)現(xiàn)，Vc值處于穩(wěn)定狀態(tài)，表明在仿真過程中，信號(hào)的頻率不會(huì)隨著時(shí)間的變化而繼續(xù)發(fā)生改變，此時(shí)系統(tǒng)已經(jīng)進(jìn)入了鎖定狀態(tài)。通過對(duì)本次仿真進(jìn)行分析，可以發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)從運(yùn)行開始，到進(jìn)入鎖定狀態(tài)，一共需要經(jīng)歷的時(shí)長(zhǎng)約為7.8 μs。在PLL系統(tǒng)運(yùn)行的起初階段，通過觀察可以發(fā)現(xiàn)，Vc曾出現(xiàn)了過沖現(xiàn)象，但是并未發(fā)生過多振蕩，在經(jīng)歷了較短的時(shí)間后，隨后便進(jìn)入到了快捕帶，最終完成了鎖定，總體特性相對(duì)來說較好。電荷中電流源IBIAS的具體測(cè)試結(jié)果如表1所示，設(shè)計(jì)值的大小為12 μA，具體實(shí)測(cè)結(jié)果的數(shù)值偏高，由于誤差的存在，在完成相應(yīng)的修正后，最終的設(shè)計(jì)值大小為13.58 μA。完成相應(yīng)的修正后的電流值，實(shí)測(cè)值與設(shè)計(jì)值之間的誤差約10%。

表1 電流值測(cè)試結(jié)果

本次研究結(jié)果與相關(guān)人員以及研究資料的結(jié)果對(duì)比，發(fā)現(xiàn)其具體應(yīng)用和設(shè)計(jì)的指標(biāo)存在較大差異，因在對(duì)比分析過程中，僅對(duì)快鎖能力和功能消耗內(nèi)容進(jìn)行了對(duì)比分析，研究結(jié)果表明，本研究在一些特定的領(lǐng)域內(nèi)應(yīng)用，優(yōu)勢(shì)十分明顯。

5 結(jié)語(yǔ)

在傳統(tǒng)電荷泵的技術(shù)下，進(jìn)行適當(dāng)改進(jìn)，在具體改進(jìn)過程中，對(duì)共源共柵結(jié)構(gòu)失配進(jìn)行抑制，并且在具體設(shè)計(jì)過程中，相原結(jié)構(gòu)中增加了冗余傳輸門結(jié)構(gòu)，通過對(duì)該結(jié)構(gòu)的應(yīng)用，使電荷泵的充電與放電速度得到了進(jìn)一步提升，最終的仿真結(jié)果表明，系統(tǒng)在運(yùn)行過程中，進(jìn)入鎖定狀態(tài)需要的時(shí)長(zhǎng)僅為7.8 μs。除此之外，在結(jié)構(gòu)中引入威爾遜電流鏡，為系統(tǒng)的運(yùn)行提供偏置電流，可以降低系統(tǒng)運(yùn)行過程中的能源消耗，實(shí)現(xiàn)降低能耗的目的。

[1] 陽(yáng)怡偉，張靖，吳治軍，等.一種用于CMOS圖像傳感器的鎖相環(huán)設(shè)計(jì)[J].半導(dǎo)體光電，2015（2）：322-326.

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Design of a low power RF CMOS charge pump phase locked loop

Liu Zhonglai
（Micron Semiconductor（Shanghai）Co. Ltd., Shanghai 200233, China）

The increasing application of CMOS charge pump PLL is widely used, it also strengthened the study and analysis of the contents of people. In the past, due to technical reasons are limited, CMOS charge pump phase locked loop in the application process of the large consumption of energy, which caused some adverse effects on its application. In recent years, as the technology matures, people strengthen the study on the design of low power RF CMOS charge pump phase locked loop, so as to meet the requirements of low power consumption and fast locking. At present, people have made some achievements in the study on the standard of expectation but there is still some gaps with the expected standards. This paper studies the design of a low power RF CMOS charge pump phase locked loop.

CMOS; charge pump; phase locked loop

劉忠來（1979— ），男，吉林吉林人，工程師，學(xué)士；研究方向：一種低功耗CMOS集成鎖相環(huán)的設(shè)計(jì)。