基于开关复用技术的低功耗电荷泵

1.本发明属于数模混合集成电路领域，具体涉及一种基于开关复用技术的低功耗电荷泵。


背景技术：

2.相位噪声是评估锁相环的重要性能指标之一。在电荷泵锁相环中，低频相位噪声由电荷泵决定、高频相位噪声由压控振荡器(vco)决定，低频相位噪声的好坏会直接影响输出信号的时间抖动。因此，为了得到更好的低频相位噪声，电荷泵的输出电流要足够大，并且为了保证其杂散性能，电荷泵的非理想效应也需要被考虑，如时钟馈通、电荷共享、电荷输入、电流失配等。
3.如图1所示，相关技术中，电荷泵通过采用一个运放将输出点b’和参考点a’进行钳位，以使电流失配率降低，但是，此种设计方式并不能改善其他非理想效应。此外，相关技术中还存在利用两个运放将输出端b’和参考点a’进行钳位的设计方式，然而，该结构的电荷泵虽然使得电荷共享、电荷注入等效应的影响大大减小，却又会导致功耗过增加；特别是，对于输出电流较大的电荷泵，虽然两个运放的使用可以实现高度匹配，但是其功耗也会成倍数增加。


技术实现要素：

4.为了解决现有技术中存在的上述问题，本发明提供了一种基于开关复用技术的低功耗电荷泵。本发明要解决的技术问题通过以下技术方案实现：
5.本发明提供一种基于开关复用技术的低功耗电荷泵，包括：电流源、控制模块、钳位模块和电流镜模块；其中，
6.所述电流镜模块与所述电流源连接，用于按照预设比例复制所述电流源的电流，所述电流镜模块包括第一节点和晶体管：m1、m2；
7.所述控制模块用于控制电荷泵输出电流脉冲，包括晶体管：m3、m4、m5和m6；其中，m3的源极、漏极分别与m1的漏极和m4的漏极连接，m4的源极与m2的漏极连接，m5的源极、漏极分别与m1的漏极和m6的漏极连接，m6的源极与m2的漏极连接；
8.所述m3与m4之间包括第二节点，m5和m6之间包括第三节点；其中，所述第一节点与所述第三节点连接，所述钳位模块与所述第一节点和第二节点连接，用于钳位第一节点、第二节点和第三节点的电位相同。
9.在本发明的一个实施例中，还包括电源信号端；
10.所述电流镜模块还包括晶体管：m7、m8、m9、m10和m11；其中，m7的漏极与所述电流源连接、源极与m2的源极连接、栅极与m2的栅极及m8的栅极连接，m8的源极与m2的源极连接、漏极与m9的源极连接，m9的栅极接地、漏极与所述第一节点连接，m10的栅极与电源信号端连接、漏极与所述第一节点连接、源极与m11的漏极连接，m11的源极与m1的源极连接、栅极与m1的栅极均连接至第四节点。
11.在本发明的一个实施例中，所述钳位模块包括运算放大器，所述运算放大器包括第一输入端、第二输入端和输出端；其中，所述第一输入端与所述第一节点连接、所述第二输入端与所述第二节点连接，所述输出端与所述第四节点连接。
12.在本发明的一个实施例中，还包括电流输出端，m3和m4的漏极与电流输出端连接。
13.在本发明的一个实施例中，m1、m2、m3、m4、m5、m6、m7、m8、m9、m10和m11均为场效应管。
14.在本发明的一个实施例中，m2、m4、m6、m7、m8和m9为n型mos管。
15.在本发明的一个实施例中，m1、m3、m5、m10和m11为p型mos管。
16.与现有技术相比，本发明的有益效果在于：
17.本发明提供一种基于开关复用技术的低功耗电荷泵，包括：电流源、控制模块、钳位模块和电流镜模块；其中，电流镜模块与电流源连接，用于按照预设比例复制电流源的电流；控制模块用于控制电荷泵输出电流脉冲，包括晶体管：m3、m4、m5和m6；其中，m3的源极、漏极分别与电流镜模块中m1的漏极和m4的漏极连接，m4的源极与电流镜模块中m2的漏极连接，m5的源极、漏极分别与m1的漏极和m6的漏极连接，m6的源极与m2的漏极连接；m3与m4之间包括第二节点，m5和m6之间包括第三节点；其中，第一节点与第三节点连接，钳位模块与第一节点和第二节点连接，用于钳位第一节点、第二节点和第三节点的电位相同。本发明利用钳位模块对第一节点和第二节点的电压进行钳位并复用双路开关，将第一节点及第三节点直接相连，使得第一节点、第二节点和第三节点的电压相同，不仅有利于减少功耗消耗，也使得电荷泵在工作电压范围内高度匹配。
18.以下将结合附图及实施例对本发明做进一步详细说明。
附图说明
19.图1是相关技术中电荷泵的一种示意图；
20.图2是本发明实施例提供的基于开关复用技术的低功耗电荷泵的一种示意图；
21.图3是本发明实施例提供的基于开关复用技术的低功耗电荷泵的一种工作状态示意图；
22.图4是本发明实施例提供的基于开关复用技术的低功耗电荷泵的另一种工作状态示意图；
23.图5是本发明实施例提供的基于开关复用技术的低功耗电荷泵与锁相环的连接示意图。
具体实施方式
24.下面结合具体实施例对本发明做进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。
25.图1是相关技术中电荷泵的一种示意图。为了解决电流失配的问题，相关技术中在电荷泵中引入第二运算放大器。具体地，请参见图1，将a’点和b’点分别连接到第一运算放大器op1’的第一输入端和第二输入端、并将第一运算放大器op1’的输出端连接至m10’与m11’构成的电流镜的栅极，从而在电路中形成正反馈和负反馈，使得a’点和b’点的电压保持相同。第二运算放大器op2’采用跟随器的形式，将电荷泵的输出点b’与c’点进行连接，使
得c’点的电压始终和b’点保持一致。
26.相关技术中采用两个运算放大器，虽然使得a’点、b’点和c’点的电压相同，减小了非理想效应对电荷泵的影响，但是由于第二运算放大器op2’具有较大的功耗，从而导致上述电荷泵的使用受限。
27.图2是本发明实施例提供的基于开关复用技术的低功耗电荷泵的一种示意图。如图2所示，本发明实施例提供一种基于开关复用技术的低功耗电荷泵，包括：电流源ibais、控制模块10、钳位模块20和电流镜模块30；其中，
28.电流镜模块30与电流源ibais连接，用于按照预设比例复制电流源ibais的电流，电流镜模块30包括第一节点a和晶体管：m1、m2；
29.控制模块10用于控制电荷泵输出电流脉冲，包括晶体管：m3、m4、m5和m6；其中，m3的源极、漏极分别与m1的漏极和m4的漏极连接，m4的源极与m2的漏极连接，m5的源极、漏极分别与m1的漏极和m6的漏极连接，m6的源极与m2的漏极连接；
30.m3与m4之间包括第二节点b，m5和m6之间包括第三节点c；其中，第一节点a与第三节点c连接，钳位模块20与第一节点a和第二节点b连接，用于钳位第一节点a、第二节点b和第三节点c的电位相同。
31.本实施例中，基于开关复用技术的低功耗电荷泵包括电流源ibais、控制模块10、钳位模块20和电流镜模块30。具体而言，电流镜模块30与电流源ibais连接，控制模块10可以包括晶体管：m3、m4、m5和m6；其中，m3的源极与m1的漏极连接、m3的漏极与m4的漏极连接，m4的源极与m2的漏极连接，m5的源极与m1的漏极连接、m5的漏极与m6的漏极连接，m6的源极与m2的漏极连接；此外，m3与m4之间包括第二节点b，m5和m6之间包括第三节点c，第一节点a与第三节点c连接。上述电荷泵中，电流镜模块30用于按照预设比例复制电流源ibais的电流，控制模块10用于控制电荷泵输出电流脉冲，钳位模块20用于使第一节点a、第二节点b和第三节点c保持相同电位。
32.可以理解的是，本实施例利用钳位模块20对第一节点a和第二节点b进行钳位并复用双路开关，将第一节点a与第三节点c直接相连，使得第一节点a、第二节点b和第三节点c的电压均相同，不仅有利于减少功耗消耗，也使得电荷泵在工作电压范围内高度匹配。
33.可选地，上述基于开关复用技术的低功耗电荷泵还包括电源信号端vdd；
34.电流镜模块30还包括晶体管：m7、m8、m9、m10和m11；其中，m7的漏极与电流源ibais连接、源极与m2的源极连接、栅极与m2的栅极及m8的栅极连接，m8的源极与m2的源极连接、漏极与m9的源极连接，m9的栅极接地、漏极与第一节点a连接，m10的栅极与电源信号端vdd连接、漏极与第一节点a连接、源极与m11的漏极连接，m11的源极与m1的源极连接、栅极与m1的栅极均连接至第四节点d。
35.具体而言，本实施例中m1、m2、m3、m4、m5、m6、m7、m8、m9、m10和m11均为场效应管。示例性地，m2、m4、m6、m7、m8和m9为n型mos管，m1、m3、m5、m10和m11为p型mos管。
36.进一步地，上述基于开关复用技术的低功耗电荷泵还包括电流输出端i
out
，m3和m4的漏极与电流输出端i
out
连接，钳位模块20包括运算放大器op1，运算放大器op1包括第一输入端、第二输入端和输出端；其中，第一输入端与第一节点a连接、第二输入端与第二节点b连接，输出端与第四节点d连接。
37.应当理解，本实施例通过一个钳位运算放大器op1完成两个功能，由于第一节点a
和第三节点c直接相连，第一节点a与第二节点b分别连接到运算放大器op1的第一输入端和第二输入端，且运算放大器op1的输出端连接到电流镜的栅极，因而无需引入第二运算放大器op1，大大减小了功耗的消耗，并使第一节点a、第二节点b和第三节点c的电压保持相同，有利于减小电荷泵非理想效应的影响，进而在保证原有性能的同时，进一步减小电荷泵的功耗。
38.可选地，运算放大器op1中，与第一节点a连接的第一输入端为同相输入端、与第二节点b连接的第二输入端为反相输入端。
39.图3是本发明实施例提供的基于开关复用技术的低功耗电荷泵的一种工作状态示意图，图4是本发明实施例提供的基于开关复用技术的低功耗电荷泵的另一种工作状态示意图，图5是本发明实施例提供的基于开关复用技术的低功耗电荷泵与锁相环的连接示意图。下面，结合图3-5对上述基于开关复用技术的低功耗电荷泵的工作原理进行说明。
40.具体地，请参见图5，cp表示上述电荷泵，pfd表示鉴频鉴相器，vco表示压控振荡器，upb、dn、up、dnb为鉴频鉴相器发送至电荷泵的控制信号，用于控制电流镜模块30中的m3、m4、m5和m6。
41.在锁相环锁定时，基于开关复用技术的低功耗电荷泵有两种工作状态。如图3所示，在第一种工作状态下，m3和m4关闭、m5和m6打开；第二工作状态如图4所示，m3和m4打开、开关管m5和m6则关闭。锁相环锁定之后，在一个参考周期内，电荷泵大部分时间均处于第二工作状态，其余时间全部处于第一工作状态。因此，不同工作状态之间的转换过程也至关重要。
42.可以理解的是，在锁相环锁定且不考虑运算放大器op1的情况下，无论电荷泵处于第一工作状态还是第二工作状态，图3、4所示视角下的右半部分电路镜像于左边部分，因此第一节点a、第二节点b和第三节点c的静态电压是相同的。因此，本实施例复用m9和m6，并将第一节点a与第三节点c直接相连，从而有效解决了相关技术中第二运算放大器op1功耗较大的问题。
43.进一步地，当电荷泵处于第一工作状态时，m3与m4关闭、m5与m6打开，因此第二节点b不能进行充放电，运算放大器op1使得第一节点a的电压与第二节点b的电压相等，又因为第三节点c和第一节点a直接连接，故第一节点a、第二节点b和第三节点c的电压均相同。当电荷泵从第一工作状态转换至第二工作状态时，m3和m4打开、m5和m6关闭，此时由于第二节点b的电压与第三节点c的电压相同，因此不会造成电荷的再分配，从而使得电荷泵避免了电荷分配的不利影响。
44.另外，当电荷泵处于第二工作状态时，m3和m4打开、m5和m6关闭。显然，第一节点a和第二节点b分别连接至运算放大器op1的第一输入端及第二输入端，使得第一节点a的电压和第二节点b的电压相同，从而使i1、i2、i3、i4相同，提高了电荷泵的匹配度。
45.通过上述各实施例可知，本发明的有益效果在于：
46.本发明提供一种基于开关复用技术的低功耗电荷泵，包括：电流源、控制模块、钳位模块和电流镜模块；其中，电流镜模块与电流源连接，用于按照预设比例复制电流源的电流；控制模块用于控制电荷泵输出电流脉冲，包括晶体管：m3、m4、m5和m6；其中，m3的源极、漏极分别与电流镜模块中m1的漏极和m4的漏极连接，m4的源极与电流镜模块中m2的漏极连接，m5的源极、漏极分别与m1的漏极和m6的漏极连接，m6的源极与m2的漏极连接；m3与m4之
间包括第二节点，m5和m6之间包括第三节点；其中，第一节点与第三节点连接，钳位模块与第一节点和第二节点连接，用于钳位第一节点、第二节点和第三节点的电位相同。本发明利用钳位模块对第一节点和第二节点电压进行钳位并复用双路开关，将第一节点及第三节点直接相连，使得第一节点、第二节点和第三节点的电压相同，不仅有利于减少功耗消耗，也使得电荷泵在工作电压范围内高度匹配。
47.在本发明的描述中，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。
48.在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例进行接合和组合。
49.尽管在此结合各实施例对本技术进行了描述，然而，在实施所要求保护的本技术过程中，本领域技术人员通过查看所述附图、公开内容、以及所附权利要求书，可理解并实现所述公开实施例的其他变化。在权利要求中，“包括”(comprising)一词不排除其他组成部分或步骤，“一”或“一个”不排除多个的情况。单个处理器或其他单元可以实现权利要求中列举的若干项功能。相互不同的从属权利要求中记载了某些措施，但这并不表示这些措施不能组合起来产生良好的效果。
50.以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。