电荷泵（CP）设计

前言
- 一、电荷泵（CP）原理
- - （1）电流失配问题
  - （2）开关管的时钟馈通问题
  - （3）电荷注入问题
- 二、电荷泵（CP）电路
- 三、电荷泵性能测试
- - 测试原理图
  - 充电测试
  - 放电测试
- 参考文献
- - 各部分链接链接：

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。

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I1I_1I1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I2I_2I2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I1I_1I1与I2I_2I2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 CGD1C_{GD1}CGD1 和CGD2C_{GD2}CGD2 的耦合作用到达电路输出端VcontV_{cont}Vcont时，由于R1C1R_1C_1R1C1很大，在刚开始时，只有C2C_2C2会减弱这种时钟馈通效应：

当电荷泵关断后，C1C_1C1和C2C_2C2共享电荷将减小至：

时钟馈通效应示意图

（3）电荷注入问题

沟道电荷注入是指当开关断开时，存于沟道中的电荷注入 MOS 的源漏，引起源漏电压变化的现象。在下图4-3-4所示简单 CP 电路中，当开关管 M1 和 M2 导通时，其反型层中存在一定数量的沟道电荷，可以表示为：

随着开关的导通，电荷被吸收，而开关关断时，电荷被消除。当开关管进行开关控制时，MOS 开关会通过源极和漏极将沟道电荷对输出端进行注入或吸收。如图4-3-4所示，通常由于 M1 和 M2 的尺寸和过驱动电压不同，不能正好抵消对方的电荷注入或吸收，因此在导通和关断时，控制电压会收到干扰，而这个效应就被称为电荷注入效应。当开关进行关断时，电荷吸收作用类似。

针对这两种非理想效应，可以通过添加 Dummy 开关或采用互补开关进行改善。同时，为了降低开关的寄生电容可以采用最小尺寸的晶体管，但是减小尺寸会导致开关电阻增加，从而降低开关的速度，因此在设计电路时需要进行折衷考虑。

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 W5：W0=2，W4：W3=2，W1：W2=3：1W_{5} ：W_0=2，W_4：W_3=2，W_1：W_2=3：1W5：W0=2，W4：W3=2，W1：W2=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

参考文献

[1]王程程. CMOS电荷泵锁相环的研究与设计[D].重庆邮电大学，2019.
[2]来萧桐. 电荷泵锁相环（CPPLL）中的关键模块设计[D].东南大学，2021.
[3]肖乃稼. 高速CMOS电荷泵锁相环设计[D].合肥工业大学，2017.
[4]钟见. 应用于高速电路中的电荷泵锁相环设计[D].东南大学，2016.
[5]王靖瑞. 基于0.18μm CMOS工艺电荷泵锁相环的研究与设计[D].西安电子科技大学，2021.

分割线

各部分链接链接：

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）

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

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