EJX430A一种适用于相变存储器锁相环时钟的新型电荷泵451用于PCM的锁相环电路应具有低输出噪声与低功耗输出,这要求电荷泵电路尽可能降低热噪声与1/f噪声,但同时需要占用大的面积与高输出阻抗,这样不仅可以减小电流不匹配问题,同时也改善了PSRR。
适用于PCM时钟的电荷泵电路。N管电流源与P管电流源交叉组合,分别与Mn9和Mp7搭配形成电流源,从而消除了N管与P管在工艺上的不匹配,为开关管提供了精确的电流。采用共源共栅结构的电流源消除了沟道长度调制的影响。
Mn3和Mn1为基准电流镜,镜像电流至Mn4和Mn6两路电流臂,这两路电流臂又为Mp1和Mp5提供基准电流,而Mp1将电流镜像至Mp3一路,从而又为Mn8提供基准电流源。最终,Mn8与Mp5分别将电流镜像至Mn9和Mp7管,而up/up_b与dw/dw_b控制电流的开关,从而控制输出端的充放电情况。
电流镜中的NMOS管与PMOS管的不匹配也会引起电荷泵电流的不匹配。采用小尺寸的MOS管,可减小MOS管上的寄生交叠电容;为解决电流失配的问题,应该尽量增加Vgs-Vt,但这会减小电荷泵的动态输出范围。折中考虑Vgs-Vt=0.2V.up/up_b与dw/dw_b开关管采用相同尺寸,且需要在版图规划上做到很好的匹配,否则电荷在一个周期平均抵消,但VCO控制电压会产生波动,增加了干扰纹波。
由于开关信号未接在输出,故up/dw信号没有直接连至环路滤波器,减小了电荷馈通带来的影响。运算放大器OPA的加入保证了输出端电位与参考电位相等。从而使输出端电位稳定,消除了电流不匹配的问题。为了使得信号转换过程中的毛刺最小化,在电源和地之间加入Ca和Cb两个电容。
EJX430A所设计的电荷泵电路采用SMIC40nm1P4M工艺库,用于PCM电路的PLL时钟电路中,电源电压为2.5V,电荷泵输入电流12uA,运算放大器的输入电流为1.5uA,参考时钟为2MHz,作用下的变化情况,可以看出,当up信号由0上升至vdd时,电流为-10A,输出电压向上爬升。
当up信号回归至0时,电流为0,输出电压保持不变。UP信号的变化与电流的变化之间存在150ps左右的开关延迟。故,上一级PFD电路的reset端需要加一些反相器,这样最小的up/dw脉冲宽度超过150ps的开关时间,在CP-PFD转换功能中就不会存在死区。
几种传统电荷泵即使在PLL锁定状态下,up和down也会在有限的时间内同时打开电荷泵,由于工艺等各种原因,会使充电和放电电流间存在一个I△cp的差异,这样即使上下两个开关都打开,电荷泵输出的净电流也不为零,由此在每个相位比较的瞬间都产生一个固定值,从而影响VCO的输出,造成PLL的失锁。
电荷泵中的开关管在关闭时,时钟信号的馈通及对电荷泵开关的电荷注入将影响VCO的控制电压,进一步增加相位误差,使得VCO控制电压发生纹波。开关管NMOS与PMOS间的交叠电容存在于沟道宽度的不匹配,会造成开关管的时钟馈通。
由于各管的源、漏电压都近似等于VCO控制电压,故电荷的干扰主要来源是电荷注入,为减少电荷注入失配问题,采用最小尺寸的MOS管来做开关管。Vc处于悬空状态,跳变现象会使得Vc电压不连续,成为PLL环路的噪声源,导致输出频率的不稳定。
电荷共享是由于相位锁定时up/down信号断开,上拉管的电压上拉为VDD,而下拉管被下拉为GND,都与输出点电压不相同,当两管同时导通时,会在输出点处产生一个扰乱电压,将VCO控制电压错误的抬高或者拉低,导致锁相环工作不稳定。
解决电荷分享的方案是插入一个单位增益放大器使得S1,S2的电压通过负反馈得以耦合。引入的参考电压和差分放大器将使得输出点电压与参考电压分别接到放大器的同相端和反相端。这样构成闭环后就可以运用虚短,使输出端电位与参考电位相等。从而使输出端电位稳定,消除了电流不匹配的问题。
引入的差分放大器的复杂程度远超过电荷泵本身电路,该放大器会有比较大的输出电流,会对原来的电荷泵产生很大影响。全差分结构的电荷泵具有差分电压的固有特性,对共模信号有很好的抑制。全差分结构的电荷泵能够很好抑制电路中不理想因素所致的压控电压Vctrl的抖动,不需要原来的PMOS和NMOS产生的电流之间的匹配,而改为PMOS与PMOS,NMOS与NMOS之间的匹配,相对容易很多。
但由于这种电路结构存在相差,会导致充放电电流不同步,这将对差模干扰起到恶化作用,因此必须尽量保证两开关UP和DOWN的匹配。另一方面,也可增加共源共栅管来防止电流抖动。
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