電荷泵鎖相環(huán)具有低功耗、高速、低抖動(dòng)和低成本等特點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于無(wú)線電通信、頻率綜合器、時(shí)鐘恢復(fù)電路中。電荷泵電路在鎖相環(huán)路(PLL)中起著非常重要的作用，其主要功能是把鑒頻鑒相器(PFD)的數(shù)字信號(hào)UP和DOWN轉(zhuǎn)換為模擬信號(hào)，從而控制壓控振蕩器(VCO)的頻率。當(dāng)PFD給出高精度的相位誤差時(shí)，電荷泵對(duì)整個(gè)環(huán)路的性能起決定性作用。當(dāng)PLL鎖定在某個(gè)頻率時(shí)，電荷泵電路的輸出必須保持在一個(gè)常數(shù)。因此，在設(shè)計(jì)電荷泵電路時(shí)，產(chǎn)生一個(gè)穩(wěn)定步長(zhǎng)的電壓是很重要的。實(shí)際的電荷泵不可避免的存在電荷泄漏、充放電流失配、泵開(kāi)關(guān)時(shí)間延時(shí)不同等不利因素，這些因素都不同程度地造成輸出頻率的相位偏差，進(jìn)而降低輸出時(shí)鐘的抗噪聲性能。該系統(tǒng)設(shè)計(jì)采用差分電路結(jié)構(gòu)，此結(jié)構(gòu)具有以下優(yōu)點(diǎn)：消除了跳躍現(xiàn)象;可以丁作在較高頻率，滿(mǎn)足整個(gè)PLL的設(shè)計(jì)要求;由于對(duì)稱(chēng)性，不易產(chǎn)生偏差;減小電源、地及襯底噪聲的影響;NMOS與PMOS開(kāi)關(guān)特性不匹配對(duì)整個(gè)性質(zhì)將不再起決定性作用，原來(lái)要求NMOS與PMOS相匹配的地方，現(xiàn)在只需NMOS或PMOS自身相匹配即可。該電荷泵電路如圖4所示，它由大擺幅電流鏡及由上拉泵和下拉泵電路所構(gòu)成的對(duì)稱(chēng)電荷泵所組成，屬于全差分型電荷泵電路。上拉泵和下拉泵均由差分輸入對(duì)V M1和VM2，電流鏡VM3，偏置電流源Ib和ISMALL，以及弱上拉電流鏡VM4和VM5所組成。該電路是一種新的全差分電荷泵結(jié)構(gòu)，與傳統(tǒng)電荷泵電路相比，該電路具有輸出范圍寬和無(wú)跳躍現(xiàn)象等優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)還可以有效地解決電荷泄漏和充放電失配等問(wèn)題。

　　3.4 調(diào)制電荷泵電路

　　采用調(diào)制電荷泵三角波調(diào)制壓控振蕩器的控制電壓以達(dá)到擴(kuò)頻的效果。文獻(xiàn)[5]中給出了調(diào)制電荷泵的參數(shù)：調(diào)制電流為2.33μA，調(diào)制頻率為30 kHz。電荷泵的輸出都是采用單管，而不是更有利于抑制失配度的級(jí)聯(lián)管，原因在于級(jí)聯(lián)管限制了電荷泵的電壓輸出范圍，壓控振蕩器在1.15～2.43 V線性范圍內(nèi)不是所有情況下都能處于飽和區(qū)工作。該設(shè)計(jì)通過(guò)增加管子的柵長(zhǎng)L，即增加從管子漏端看進(jìn)去的電阻來(lái)減小失配度，而管子增大所引起的時(shí)鐘饋通及電流泄露等問(wèn)題比電流失配對(duì)系統(tǒng)的影響小。

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　　3.5 濾波器電路

　　環(huán)路濾波器(LPF)連接在電荷泵和壓控振蕩器之間，它決定鎖相環(huán)的基本頻率特性。實(shí)際上，正是由于環(huán)路濾波器的存在，鎖相環(huán)才可以選擇工作在任意中心頻率和帶寬內(nèi)。環(huán)路濾波器可以采用無(wú)源濾波器或有源濾波器。該設(shè)計(jì)采用無(wú)源低通濾波器，用基于鎖相環(huán)交流頻域特性分析的方法。在該濾波器的設(shè)計(jì)中，如果鎖相環(huán)帶寬、相位裕度和零極點(diǎn)選擇合理，只需經(jīng)過(guò)1～2次試算，就可以得到正確結(jié)果。這種設(shè)計(jì)方法的優(yōu)點(diǎn)是直接以鎖相環(huán)的交流特性為出發(fā)點(diǎn)，利用使系統(tǒng)穩(wěn)定的簡(jiǎn)單條件，就可以設(shè)計(jì)出環(huán)路濾波器。這為低相位抖動(dòng)、快速鎖定鎖相環(huán)的行為級(jí)設(shè)計(jì)提供了一種快速準(zhǔn)確的途徑。

　　3.6 壓控調(diào)節(jié)器電路

　　考慮到壓控振蕩器易受到電源噪聲的影響，而壓控振蕩器的性能是整個(gè)鎖相環(huán)系統(tǒng)的關(guān)鍵，所以為壓控振蕩器提供1個(gè)穩(wěn)定的電源電壓是非常必要的。本文采用折疊式共源共柵結(jié)構(gòu)，如圖5所示。

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　　圖5中，補(bǔ)償電容為4.7 μF，基準(zhǔn)點(diǎn)電壓Ref來(lái)自帶隙基準(zhǔn)，輸出電壓由反饋電阻和運(yùn)放增益決定：

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　　為了減小輸出電壓的誤差，需要設(shè)計(jì)增益較大的運(yùn)放，考慮到環(huán)路的穩(wěn)定性及環(huán)路建立時(shí)間，把補(bǔ)償電容的極點(diǎn)作為整個(gè)環(huán)路的主極點(diǎn)，這就要求運(yùn)放具有較高的帶寬。

　　用負(fù)載電阻模擬壓控振蕩器，取Rload為150～500 Ω，輸出5.2～18.8 mA電流來(lái)提供壓控振蕩器的電流，這一輸出范圍對(duì)運(yùn)放的電壓輸出范嗣提出嚴(yán)峻要求。為了提高輸出電壓的電源抑制，可以設(shè)計(jì)輸出管VMP1工作在飽和區(qū)，但這就降低了低壓差線性穩(wěn)壓器的效率(近似為輸出電壓與電源電壓的比值);另外也可通過(guò)增加VMP1，管的柵長(zhǎng)來(lái)提高電源抑制，但這樣就使得運(yùn)放的主極點(diǎn)減小，整個(gè)環(huán)路穩(wěn)定性變差。低壓差線性穩(wěn)壓器的設(shè)計(jì)還需綜合考慮電荷泵輸出電壓，壓控振蕩器線性工作范圍等因素。