一种改进型的CMOS电荷泵锁相环电路

引言

在现代通信及电子系统中，锁相环(Phase-Locked Loop, PLL)是一种重要的频率同步与控制技术。CMOS电荷泵锁相环(Charge Pump Phase-Locked Loop, CPPLL)因其开环增益大、捕获范围宽、捕获速度快、稳定度高和相位误差小等优势，被广泛应用于无线通信、时钟恢复及频率合成等领域。然而，传统CMOS电荷泵锁相环电路存在电流失配、电荷共享和时钟馈通等问题，这些问题限制了其性能和应用范围。本文设计了一种改进型的CMOS电荷泵锁相环电路，通过优化电荷泵电路和增加开关噪声抵消电路，有效解决了上述问题，并扩展了锁相环的锁频范围。

系统结构及工作机理

电荷泵锁相环通常由鉴频鉴相器(PFD)、电荷泵电路(CP)、低通滤波器(LPF)、压控振荡器(VCO)以及分频器(FD)构成。其工作原理简述如下：通过检测PFD输入端的参考信号fref与环路反馈信号fdiv的相差和频差，输出相应的电压信号VUP和VDN，以控制CP的工作状态。CP将UP和DN信号转换为压控振荡器的控制电压VC输出。VC通过LPF滤除高频分量，输出直流电平，最终作为VCO的控制信号。随着两路输入信号间的频差与相差不断减小，当VC达到某一恒定的电压值时，环路达到锁定状态。

改进型电路设计

1. 电荷泵电路设计

传统电荷泵电路存在充放电电流失配、电荷共享和时钟馈通等问题，这些非理想因素会引入相位误差，影响锁相环的性能。本文提出了一种改进型的电荷泵电路，通过以下措施优化电路性能：

开关管位置调整：为了抑制开关管时钟馈通现象，将开关管M8和M2与电流镜管M6和M4的位置进行交换，这样可以有效降低开关管漏极电压的变化幅度，从而减少时钟馈通对电荷泵输出的影响。

增加匹配开关管：增加了开关管M1, M7和M9来分别匹配M2, M8和M10，以消除电流镜像的误差。同时，增加的开关管M11和M12分别与M8和M2反相导通，以抵消时钟馈通和电荷共享现象产生的电荷。

负反馈抑制电流失配：针对电流镜失配问题，采用负反馈方式。M5, M6和M10构成电流镜将基准电流Iref镜像后由M6输出电荷泵的充电电流。M5的漏极电流流过M3，M3与M4构成的电流镜由M4输出电荷泵的放电电流。放大器OP的引入，在VX节点形成负反馈，确保VX=VC，从而几乎完全消除了电流镜漏极电压不同带来的充放电电流失配问题。

放大器与电容设计：放大器OP采用轨对轨结构，以保证输入和输出电压的摆幅范围，增大电荷泵输出电压的线性范围。电容C1的引入，既稳定了负反馈环路，又滤除了VX电压的毛刺干扰。

2. 倍频控制模块

为了扩展锁相环的锁频范围，设计中增加了倍频控制(Multiple Frequency Control, MFC)模块。MFC模块与分频器和压控振荡器配合使用，通过控制位的逻辑输入，一方面可以编程锁频倍数，控制整个环路的倍频数;另一方面可以控制VCO差分延迟单元的跨导，从而改变VCO的电压增益，调节其输出范围。这种设计使得锁相环能够覆盖更宽的频率范围，提高了系统的灵活性。

3. 压控振荡器设计

压控振荡器(VCO)是锁相环中的关键模块，其性能直接影响锁相环的输出频率和稳定性。本文设计的压控振荡器采用四级差分延时结构，该结构具有电路结构简单、控制线性度好和噪声小的优点。为了最大化利用电荷泵输出电压的范围，提高锁相环的噪声抑制能力，在压控振荡器延迟单元设计上采用了分段线性的方式，将延迟时间分成三段控制。控制电压VC分别控制MOS管M7, M8和M9的栅极电压，以形成三路不同电流来控制延迟单元的线性范围。同时，为了改善受控电流随控制电压VC的线性度，为M7, M8和M9增加了源极负反馈电阻，优化了阻值分别为0.4, 5和50kΩ。此外，为了提高压控振荡器的工作频率，增加了M7的管子个数，设计中选取M7的管子个数是M8和M9的4倍。