一种带漏电流补偿功能的电荷泵电路的制作方法

1.本发明属于电子电路领域，特别是锁相环和时钟数据恢复电路领域。


背景技术：

2.电荷泵电路被广泛应用于锁相环(pll)和时钟数据恢复(cdr)电路中，图1给出了典型的pll/cdr系统结构图。电荷泵的作用是将输入端的电压信号upb/dn转换为电流信号，再通过输出端的滤波器对电流信号进行积分，最终转换为平稳的电压信号vctrl，控制后面的压控振荡器(vco)。
3.电荷泵的漏电流主要来源于两方面，一方面随着集成电路制造工艺越来越先进，mos管栅氧化层越来越薄，亚阈值电压越来越低，器件自身会存在一定的漏电流，图1中的ileak1～ileak4均表示这种漏电流。其中c1的漏电流ileak3是最大的，因为c1的电容值通常很大，为了节省芯片面积，c1一般会采用mos电容实现，漏电流最严重。另一方面在高速电路设计中，经常会采用差分开关的电荷泵，如图2所示。差分开关管m1/m2和m3/m4由于生产过程中工艺的失配或电压裕度不足等因素存在着不能完全切换的问题，在充电信号up(upb为up的反相信号)和放电信号dn(dnb为dn的反相信号)均为低的情况下，电荷泵不应该有对外的充放电电流，但实际上由于m1/m2和m3/m4的不完全切换，依然存在对外的充电电流ileakup和对外的放电电流ileakdn，最终输出的漏电流等于ileakup-ileakdn。
4.电荷泵的漏电流会导致vctrl电压波动变大，增加pll和cdr的抖动，降低系统性能，严重时可导致系统整体功能失效。
5.与本发明接近的技术方案有[1,2]，方案[1]采用一个闭环的钳位运放ab使得电容c1上面的电压vc1跟随控制电压vctrl，即通过钳位运放ab的输出电流补偿电容c1的漏电流。该方案的缺点是只能补偿滤波器中电容c1的漏电流，无法补偿电荷泵中开关管的漏电流。
[0006]
方案[2]采用mos管t3检测vc电压的大小来产生补偿电流，再通过t2和t1构成的电流镜将补偿电流送回vc端来补偿漏电流。该方案的缺点同样是只能补偿c1的漏电流，无法补偿电荷泵中开关管的漏电流，另一个缺点是漏电流检测方式依赖于t3管的特性，准确度不高。
[0007]
也就是说，现有技术只能补偿滤波器中电容的漏电流，无法补偿电荷泵开关管的漏电流。


技术实现要素：

[0008]
本发明所要解决的主要技术问题是提出了一种带漏电流补偿功能的电荷泵电路，能够同时补偿电荷泵开关管的漏电流和滤波器中电容漏电流的技术方案。
[0009]
为了解决上述的技术问题，本发明提供了一种带漏电流补偿功能的电荷泵电路，包括：电荷泵电路、滤波器电路、漏电流检测电路、漏电流补偿算法和漏电流补偿电路；
[0010]
所述电荷泵电路将输入端的电压信号转换为电流信号，再通过滤波器电路对电流
信号进行积分以转换为电压信号vctrl；
[0011]
所述漏电流检测电路用于检测vctrl节点的漏电流的极性，若漏电流检测电路输出为低，表示漏电流为负值；若漏电流检测电路的输出为高，表示漏电流为正值；
[0012]
所述漏电流补偿算法根据漏电流的极性调节漏电流补偿电路输出的补偿电流；若漏电流为正值，则减小补偿电流；若漏电流为负值则增加补偿电流。
[0013]
在一较佳实施例中：所述漏电流补偿算法增加或减小补偿电流后，所述漏电流检测电路再次检测vctrl节点的漏电流的极性；若漏电流的极性没有发生翻转，则再次增加或减小补偿电流，直至漏电流的极性发生翻转。
[0014]
在一较佳实施例中：所述漏电流检测电路包括关断开关kp和kn，所述关断开关kp和kn受pd关断信号的控制，当pd关断信号为1时，关断开关kp和kn闭合，漏电流检测电路关闭；当pd关断信号为0时，关断开关kp和kn断开，漏电流检测电路正常工作。
[0015]
在一较佳实施例中：所述漏电流补偿电路为镜像电流源阵列，每一路电流源分别由一开关控制；所述漏电流补偿电路根据漏电流补偿算法的档位控制，选择打开或关闭不同电流源的开关，调节补偿电流icomp的大小。
[0016]
在一较佳实施例中：当所述漏电流补偿电路的所有开关都打开或关闭时，漏电流的极性依然没有发生翻转，则漏电流补偿算法将失败标志置1，将pd关断信号置1。
[0017]
在一较佳实施例中：当所述漏电流的极性发生翻转时，则漏电流补偿算法将成功标志置1，将pd关断信号置1。
[0018]
在一较佳实施例中：所述漏电流检测电路包括运放电路和连接在运放电路输出级的电流镜电路；
[0019]
并且所述运放电路的输出端和电流镜电路的输出端连接至比较器的正极和负极。
[0020]
在一较佳实施例中：所述运放电路的输出端和反向输入端短接并连接至所述vctrl节点，形成一个单位增益负反馈环路；所述运放电路的同相输入端连接到共模电压vcm，vcm为vctrl电压正常工作范围的中间值。
[0021]
在一较佳实施例中：所述漏电流检测电路用于检测所有和vctrl节点有连接的单元的漏电流。
[0022]
在一较佳实施例中：所述电荷泵电路为单端开关电荷泵或差分开关电荷泵。
[0023]
相较于现有技术，本发明的技术方案具备以下有益效果：
[0024]
1.本发明提供了一种带漏电流补偿功能的电荷泵电路，通过检测—判断—补偿三个步骤对电荷泵中所有类型的漏电流做出准确补偿。
[0025]
2.本发明提供了一种带漏电流补偿功能的电荷泵电路，漏电流检测电路中采用了一个闭环的两级运放钳位vctrl电压等于vcm，这样所有和vctrl节点有连接的单元的漏电流，均会被一起检测到。然后通过对两级运放输出级的电流做镜像将漏电流的极性检测出来，进而判断是应该增加还是减小补偿电流。
附图说明
[0026]
图1为典型的pll/cdr系统结构图；
[0027]
图2为典型的差分开关电荷泵和漏电流示意图；
[0028]
图3为现有技术方案1的电路图；
[0029]
图4为现有技术方案2的电路图；
[0030]
图5为本发明优选实施例的模块图；
[0031]
图6为本发明优选实施例中漏电流检测电路图；
[0032]
图7为本发明漏电流补偿算法流程图；
[0033]
图8为本发明漏电流补偿电路原理图。
具体实施方式
[0034]
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述；显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例，基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
[0035]
在本发明的描述中，需要说明的是，术语“上”、“下”、“内”、“外”、“顶/底端”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，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。
[0036]
在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“设置有”、“套设/接”、“连接”等，应做广义理解，例如“连接”，可以是壁挂连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接，可以是机械连接，也可以是电连接，可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通，对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
[0037]
参考图5-图8，本实施例提供了一种带漏电流补偿功能的电荷泵电路，包括：电荷泵电路、滤波器电路、漏电流检测电路、漏电流补偿算法和漏电流补偿电路；
[0038]
所述电荷泵电路将输入端的电压信号转换为电流信号，再通过滤波器电路对电流信号进行积分以转换为电压信号vctrl；
[0039]
具体来说，电荷泵电路由充电电流源iup、放电电流源idn、充电开关k1、放电开关k2构成，其中k1和k2既可以是图1中的单端开关，也可以是图2中的差分开关。充电电流源iup通过充电开关k1连接到vctrl节点，放电电流源idn通过放电开关k2连接到vctrl节点。up为充电开关使能信号、dn为放电开关使能信号。滤波器电路由电阻r1、电容c1和c2构成。c2直接连接到vctrl节点，c1通过r1连接到vctrl节点。
[0040]
所述漏电流检测电路用于检测vctrl节点的漏电流的极性，若漏电流检测电路输出为低，表示漏电流为负值；若漏电流检测电路的输出为高，表示漏电流为正值；
[0041]
所述漏电流补偿算法根据漏电流的极性调节漏电流补偿电路输出的补偿电流；若漏电流为正值，则减小补偿电流；若漏电流为负值则增加补偿电流。
[0042]
图6给出了本方案漏电流检测电路的原理图，mos管m1～m8构成一个典型的两级运放，两级运放的第一级由m2～m6组成，输出级由m7和m8组成，m1为偏置电路，r1和c1用于补偿环路稳定性。mos管m3的栅极为两级运放的反相输入端，mos管m4的栅极为两级运放的同相输入端，mos管m7、m8和电容c1的连接点为两级运放的输出端。在本结构中，两级运放的输出端和反相输入端短接并连接到图5中的vctrl节点，形成一个单位增益负反馈环路，两级
运放的同相输入端连接到共模电压vcm，vcm为vctrl电压正常工作范围的中间值。mos管m9是m7的1:1电流镜，m10是m8的1:1电流镜。两级运放的输出节点还被连接到比较器的同相输入端，m9和m10漏极的连接点被连接到比较器的反相输入端，pol为比较器的输出，也是整个漏电流检测电路的输出。kp和kn为关断开关，受pd关断信号的控制，当pd为1时，关闭整个漏电流检测电路，pd为0时，漏电流检测电路正常工作。
[0043]
漏电流检测电路中m7/m8和m9/m10的电流镜像比例，不一定要1:1的关系，可以是1:n的关系，本实施例中为了简单采取了1:1的镜像关系。并且两级运放的结构是可以变化的，属于本实施例的简单替换。
[0044]
本方案的漏电流检测电路，是检测vctrl节点的漏电流大小，所有和vctrl节点有连接的单元的漏电流，包括图5中的r1、c2、k1、k2以及通过r1连接到vctrl的c1的漏电流均会被一起检测到，所以本方案可以对所有漏电流做出补偿。
[0045]
漏电流检测电路的工作原理为；在漏电流补偿过程中，关断信号pd为0，开关kp和kn断开，漏电流检测电路正常工作。vctrl因为闭环运放的钳位作用等于vcm。定义流过mos管m7～m10的电流分别为im7～im10，由于vctrl节点存在漏电流，所以im7不等于im8，又因为m9和m10分别1:1镜像了m7和m8的电流，所以im9不等于im10，但因为v1是高阻节点，没有电流泄放通路，最终因为mos管的沟道长度调制效应，v1电压会偏离vctrl电压。当im9》im10时，v1大于vctrl，pol输出为低，表示漏电流为负值；反之当im9《im10时，v1小于vctrl，pol输出为高，表示漏电流为正值。漏电流补偿流程结束后，关断信号pd置1，开关kp和kn导通，整个漏电流检测电路被关闭。
[0046]
本方案的漏电流补偿算法的流程如图7所示。系统上电后，关断信号pd置0，漏电流检测电路开始工作，电荷泵的充放电控制信号up和dn被强制置0，等待t1时间使系统稳定，通过漏电流检测电路检测漏电流的极性，如果pol为低，说明漏电流为负值，则增大漏电流补偿电路的档位，从而增加补偿电流；如果pol为高，说明漏电流为正值，则减小漏电流补偿电路的档位，从而减小补偿电流。调节完漏电流补偿电路的档位后再次等待t1时间使系统稳定，然后再次判断pol极性，如此循环直到pol的极性发生翻转，即表示补偿算法找到了最优的补偿档位。固定此档位，并将pd信号置1，关掉漏电流检测电路，放开电荷泵的up和dn信号，成功标志置1，流程结束。在寻找最优补偿档位的过程中，如果达到了补偿档位的最大值或最小值，pol极性还没发生翻转，则表明最优的补偿档位寻找失败，失败标志置1，同时将pd信号置1，关掉漏电流检测电路，放开电荷泵的up和dn信号。
[0047]
在本方案的漏电流较准过程中，up和dn信号是置0的，即图5中的开关k1和k2均为断开状态，此时除了开关k1和k2的漏电流，电荷泵不会对滤波器充放电。
[0048]
图8给出了本方案漏电流补偿电路的原理图。m0～m4构成镜像电流源阵列，开关k1～k4控制每一路电流源的通断。ib为偏置电流。漏电流补偿电路会根据补偿算法的档位控制，选择打开或关闭不同电流源的开关，调节补偿电流icomp的大小。本方案采取的是pmos管电流源阵列，也可以采取nmos管电流源阵列作为备选方案，当然也可以是任意其他种类的电流源阵列，比如共源共栅电流源等。此外，本方案的漏电流补偿电路共采用了4路电流源组成阵列，根据补偿精度的需要，可以灵活增加或者减少路数。
[0049]
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的设计构思并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，利用此构思对本发明进行非
实质性的改动，均属于侵犯本发明保护范围的行为。