EJX430A一種適用于相變存儲(chǔ)器鎖相環(huán)時(shí)鐘的新型電荷泵451用于PCM的鎖相環(huán)電路應(yīng)具有低輸出噪聲與低功耗輸出，這要求電荷泵電路盡可能降低熱噪聲與1/f噪聲，但同時(shí)需要占用大的面積與高輸出阻抗，這樣不僅可以減小電流不匹配問題，同時(shí)也改善了PSRR。
適用于PCM時(shí)鐘的電荷泵電路。N管電流源與P管電流源交叉組合，分別與Mn9和Mp7搭配形成電流源，從而消除了N管與P管在工藝上的不匹配，為開關(guān)管提供了精確的電流。采用共源共柵結(jié)構(gòu)的電流源消除了溝道長(zhǎng)度調(diào)制的影響。
Mn3和Mn1為基準(zhǔn)電流鏡，鏡像電流至Mn4和Mn6兩路電流臂，這兩路電流臂又為Mp1和Mp5提供基準(zhǔn)電流，而Mp1將電流鏡像至Mp3一路，從而又為Mn8提供基準(zhǔn)電流源。最終，Mn8與Mp5分別將電流鏡像至Mn9和Mp7管，而up/up_b與dw/dw_b控制電流的開關(guān)，從而控制輸出端的充放電情況。
電流鏡中的NMOS管與PMOS管的不匹配也會(huì)引起電荷泵電流的不匹配。采用小尺寸的MOS管，可減小MOS管上的寄生交疊電容；為解決電流失配的問題，應(yīng)該盡量增加Vgs-Vt，但這會(huì)減小電荷泵的動(dòng)態(tài)輸出范圍。折中考慮Vgs-Vt=0.2V.up/up_b與dw/dw_b開關(guān)管采用相同尺寸，且需要在版圖規(guī)劃上做到很好的匹配，否則電荷在一個(gè)周期平均抵消，但VCO控制電壓會(huì)產(chǎn)生波動(dòng)，增加了干擾紋波。
由于開關(guān)信號(hào)未接在輸出，故up/dw信號(hào)沒有直接連至環(huán)路濾波器，減小了電荷饋通帶來的影響。運(yùn)算放大器OPA的加入保證了輸出端電位與參考電位相等。從而使輸出端電位穩(wěn)定，消除了電流不匹配的問題。為了使得信號(hào)轉(zhuǎn)換過程中的毛刺最小化，在電源和地之間加入Ca和Cb兩個(gè)電容。
EJX430A所設(shè)計(jì)的電荷泵電路采用SMIC40nm1P4M工藝庫，用于PCM電路的PLL時(shí)鐘電路中，電源電壓為2.5V，電荷泵輸入電流12uA，運(yùn)算放大器的輸入電流為1.5uA，參考時(shí)鐘為2MHz，作用下的變化情況，可以看出，當(dāng)up信號(hào)由0上升至vdd時(shí)，電流為-10A，輸出電壓向上爬升。
當(dāng)up信號(hào)回歸至0時(shí)，電流為0，輸出電壓保持不變。UP信號(hào)的變化與電流的變化之間存在150ps左右的開關(guān)延遲。故，上一級(jí)PFD電路的reset端需要加一些反相器，這樣最小的up/dw脈沖寬度超過150ps的開關(guān)時(shí)間，在CP-PFD轉(zhuǎn)換功能中就不會(huì)存在死區(qū)。
幾種傳統(tǒng)電荷泵即使在PLL鎖定狀態(tài)下，up和down也會(huì)在有限的時(shí)間內(nèi)同時(shí)打開電荷泵，由于工藝等各種原因，會(huì)使充電和放電電流間存在一個(gè)I△cp的差異，這樣即使上下兩個(gè)開關(guān)都打開，電荷泵輸出的凈電流也不為零，由此在每個(gè)相位比較的瞬間都產(chǎn)生一個(gè)固定值，從而影響VCO的輸出，造成PLL的失鎖。
電荷泵中的開關(guān)管在關(guān)閉時(shí)，時(shí)鐘信號(hào)的饋通及對(duì)電荷泵開關(guān)的電荷注入將影響VCO的控制電壓，進(jìn)一步增加相位誤差，使得VCO控制電壓發(fā)生紋波。開關(guān)管NMOS與PMOS間的交疊電容存在于溝道寬度的不匹配，會(huì)造成開關(guān)管的時(shí)鐘饋通。
由于各管的源、漏電壓都近似等于VCO控制電壓，故電荷的干擾主要來源是電荷注入，為減少電荷注入失配問題，采用最小尺寸的MOS管來做開關(guān)管。Vc處于懸空狀態(tài)，跳變現(xiàn)象會(huì)使得Vc電壓不連續(xù)，成為PLL環(huán)路的噪聲源，導(dǎo)致輸出頻率的不穩(wěn)定。
電荷共享是由于相位鎖定時(shí)up/down信號(hào)斷開，上拉管的電壓上拉為VDD，而下拉管被下拉為GND，都與輸出點(diǎn)電壓不相同，當(dāng)兩管同時(shí)導(dǎo)通時(shí)，會(huì)在輸出點(diǎn)處產(chǎn)生一個(gè)擾亂電壓，將VCO控制電壓錯(cuò)誤的抬高或者拉低，導(dǎo)致鎖相環(huán)工作不穩(wěn)定。
解決電荷分享的方案是插入一個(gè)單位增益放大器使得S1，S2的電壓通過負(fù)反饋得以耦合。引入的參考電壓和差分放大器將使得輸出點(diǎn)電壓與參考電壓分別接到放大器的同相端和反相端。這樣構(gòu)成閉環(huán)后就可以運(yùn)用虛短，使輸出端電位與參考電位相等。從而使輸出端電位穩(wěn)定，消除了電流不匹配的問題。
引入的差分放大器的復(fù)雜程度遠(yuǎn)超過電荷泵本身電路，該放大器會(huì)有比較大的輸出電流，會(huì)對(duì)原來的電荷泵產(chǎn)生很大影響。全差分結(jié)構(gòu)的電荷泵具有差分電壓的固有特性，對(duì)共模信號(hào)有很好的抑制。全差分結(jié)構(gòu)的電荷泵能夠很好抑制電路中不理想因素所致的壓控電壓Vctrl的抖動(dòng)，不需要原來的PMOS和NMOS產(chǎn)生的電流之間的匹配，而改為PMOS與PMOS，NMOS與NMOS之間的匹配，相對(duì)容易很多。
但由于這種電路結(jié)構(gòu)存在相差，會(huì)導(dǎo)致充放電電流不同步，這將對(duì)差模干擾起到惡化作用，因此必須盡量保證兩開關(guān)UP和DOWN的匹配。另一方面，也可增加共源共柵管來防止電流抖動(dòng)。
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