charge-pump circuits in PLL

锁相环中论述charge-pump电路的论文不多,但是charge-pump电路确实高性能PLL的关键所在,尤其是小数分频锁相环。几篇重要的charge-pump论文如下:

(1)1999年Woogeun Rhee 的DESIGN OF HIGH-PERFORMANCE CMOS CHARGE PUMPS IN PHASE-LOCKED LOOPS;

(2)2008年Sander L. J. Gierkink的Low-Spur, Low-Phase-Noise Clock Multiplier Based on a Combination of PLL and Recirculating DLL With Dual-Pulse Ring Oscillator and Self-Correcting Charge Pump

第一篇是经典论文,论述了charge-pump失配对pll spurs的定量分析、charge-pump类型的分析以及charge-pump电路设计的注意事项:


charge-pump对PLL spurs的定量分析

公式(4)给出了明确的优化PLL带内噪声尤其是spurs的方法,减少失配是最优解,文章夜给出了常见的几种charge-pump电路结构:

常见charge-pump电路结构

前面两种结构,分别由于电流源建立非线性和开关速度等非理想因素,其性能没有第3个好,该结构也是charge-pump的经典结构,很多电路也是在该结构的基础上优化,例如将电流源设计成cascode结构或者采用gain-boost增加输出电阻等方式来提高sink current 和charge current的匹配,或者增加一路replica和OP来降低沟道电荷注入等因素的影响等。

尽管论文中,作者推荐全差分charge-pump电路,但是一般单端的PLL都能满足设计的spec,就没有必要设计既耗功耗又浪费面积的全差分锁相环了。

第二篇论文是另外一种常用的思路,采用负反馈来解决问题。


负反馈减少电流失配

电路的基本原理是当Iup和Idown不匹配时,Vtune与Vdump不相等,通过增加/减少电流源处的偏置电压的方式,达到动态匹配的效果。


完整的负反馈动态匹配charge-pump电路

例如,当Iup>Idown时,Vdump处的电压升高,即Vdump>Vsense,NMOS输入的OP输出节点电压升高,降低PMOS电流源的电流(Iup);同时,PMOS输入的OP输出节点电压升高,增加NMOS电流源的电流(Idown);当两者相等时,实现Iup和Idown的动态平衡(匹配)。

负反馈对比

charge-pump电路仿真要点:

(1)DC 输出范围(Vtune范围)

(2)电流mismatching,PVT和MC仿真;、

  (3)输出电流phase noise;

两篇论文都是该领域的经典,charge-pump电流是模拟锁相环系统的关键模块,影响PLL带内噪声,尤其是小数/参考杂散的大小。数字锁相环中该模块被TDC替代,TDC的精度与charge-pump的电流失配一样,决定了PLL的带内噪声。不过,近年来,大家又将注意力集中到了模拟锁相环或者混合结构的锁相环结构中,原因是数字锁相环的离散性不能兼顾大输出范围和低噪声的要求。

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