锁相环电路在数模混合电路系统（例如时钟恢复电路和频率合成器等）中起到非常重要的作用。数模混合电路系统中的主要噪声源来自于系统中的数字部分，所以，对于系统所要求的高精度的时钟，其设计难点是锁相环电路的设计。如1所示，电荷泵锁相环电路通常由鉴频鉴相器，电荷泵，低通滤波器，压控震荡器和分频器组成。其中，电荷泵的主要功能是将取自于鉴频鉴相器的数字信号UP和DOWN转换为一个模拟信号，该模拟信号经低通滤波器滤除其中的高频成分作为压控震荡器的电压控制信号。如果电荷泵电路由于各种原因产生线性和非线性电压误差，该误差会在压控震荡器引入噪声，导致压控震荡器输出信号频率的不稳定，进而导致整个锁相环电路的误差或工作的不稳定。
1电荷泵锁相环电路结构图传统的电荷泵电路如2所示， U P和DOWN信号是鉴频鉴相器的输出信号。该输出信号有三个状态：当UP为高， DOWN为低时， M 0导通， M 1截止，电源电压通过电流源对负载电容充电，输出电压V c上升；当UP和DOWN都为低时， M 0和M 1都不导通，输出电压V c保持不变；当U P为低，DOWN为高时， M 1导通， M 0截止，负载电容的电荷通过电流源对地放电，输出电压V c下降。
前面对于传统的电荷泵电路工作原理的讨论是基于M OS开关是理想状态，实际的开关电路由于其MOS管自带的寄生电容，导致其非理想特性，表现在传统电荷泵电路的主要现象为电荷注入，时钟馈通和电荷分享。
（ a）是用镜象电流源实现传统电荷泵的电路，所谓的电荷注入效应为当M OS开关管由导通转变为截止状态时，存储在导电沟道中的电荷会注入到M OS管的漏级，该电荷使得电荷泵的输出电压产生误差；所谓的时钟馈通效应是在M OS开关管的栅级的控制电压会通过M OS管寄生电容C gd耦合到输出端，同样导致输出电压的误差；由于开关管SM1和开关管SM2直接连接于输出端，其电荷分享效应非常明显，两个开关管对于输出端的电荷分享效应也同样会使输出电压产生误差。这些误差电压会导致输出电压的抖动，从而使得对下一级的压控震荡器引入相位噪声，该相位噪声导致压控震荡器的输出震荡频率不稳定。
传统上消除电荷注入等效应在输出端产生的影响的直接方法为在输出端V c， UP和DOWN三点之间接一个单位增益跟随器，保证这三点之间的电压相同，但是，它会导致电路复杂，芯片面积和花费增加。
即要电路保持结构简单，又要减小M OS管带来的误差，通过以上传统电荷泵电路分析可知，改变开关管的位置可以减小开关电路的寄生效应所带来的影响。
（ b）和（ c）为改变开关管位置的电荷泵电路。图（ b）为将开关位置分别放到P 2和N 2的栅级，该方法可使得电荷泵输出波形的过冲现象得到了改善。但是，由于P 2， N 2管栅级的寄生电容很大，开关MOS管的速度将减小，从而限制了电荷泵的工作频率。虽然可以通过增大偏置电流来提高工作速度，但会增加电荷泵的功耗。图（ c）是将开关管的位置设置到电流源的源端，开关不和输出直接相连，这样，电路的电压输出几乎不受电荷注入等效应的影响，同时也不需要通过增加偏置电流来提高工作速度。可以实现结构简单，输出稳定，低功耗的目的。此外， P 2和N 2始终工作在饱和区，可以消除电荷分享效应。
电荷泵电路结构图根据以上对电荷泵电路结构的分析，本文分别提出两种新型电荷泵电路，这两种电路分别采用正反馈，上拉电流镜和高摆幅电流镜方法，用于解决电荷注入等效应在输出端产生的误差，它具有高速，低功耗的特性，在很低的电源电压下仍然能够很好的工作。
1采用正反馈方法的电荷泵电路设计
4为采用正反馈方法的新型电荷泵的主体电路，主要由两个完全相同的差分电路结构和中间的高摆幅电流镜构成。由鉴频鉴相器产生的两对信号（ Up， Up_b）和（ Dn， Dn_b）分别通过两个对称差分电路结构加到差分输入对管的输入级，从电路中我们可以看到，在右边差分电路中， PMOS管M 4， M 5和M 6，M 7分别组成电流镜， M 4， M 5， M 6和M 7分别构成输入对管的负载， M5为正反馈电路；左边的差分电路与右边完全相同。中间的电路为高摆幅电流镜。
正反馈式电荷泵的主体电路结构图该电路的工作原理如下：当U p为高电平， Up b为低电平； Dn为低电平， Dn b为高电平时， M 2导通， M3截止， M16导通，M15截止，则A点为低电平， B点为高电平， C点为低电平， D点为高电平，所以M 9截止，使得M 10，M 11， M 12， M 13都截止，且M 8导通，电源电压与M 8，负载电容构成充电回路，输出电压上升。 当U p为低电平， Up b为高电平； Dn为低电平， Dn b为高电平时， M 3导通， M 2截止， M 16导通， M 15截止，则A点为高电平， B点为低电平， C点为低电平， D点为高电平； M 8， M 9均截止，电路输出端呈悬浮状态，输出电压保持不变。当U p为低电平， Up b为高电平， Dn为高电平， Dn b为低电平时， M 3导通， M 2截止， M 15导通， M 16截止；则A点为高电平， B点低电平， C点为高电平， D点为低电平；所以M 9导通，使得M 10， M 11， M 12， M 13都导通，且M 8截止，电容上的电荷通过M 11， M12对地放电，输出电压下降。
由以上的工作原理可以看到，该电路通过差分电路的输出控制高摆幅电流镜对负载电容的充放电，不但有效地减小了开关管电路的电荷注入，时钟馈通和电荷分享效应，而且由于左右电路完全对称相同，大大缩小了充放电电流失配和输入信号失配的影响。
为该电荷泵的充电输出波形，经124 ns的时间，电荷泵的电容负载充电到5 V.为该电荷泵的放电输出波形，经127 ns的时间，电荷泵的电容负载放电从5 V到0 V.从两图可以看出，该电荷泵的充放电时间比传统电荷泵要快，且输出电压是稳步变化的。
2采用上拉电流镜方法的电荷泵电路设计
7为采用上拉电流镜方法的新型电荷泵的主体电路，和正反馈式电荷泵的结构基本相同，其电路也是主要由两个完全相同的，左右对称的差分电路结构和中间的高摆幅电流镜构成。
7上拉电流镜式电荷泵的主体电路结构图差分电路结构的不同之处为取代正反馈式电荷泵电路的正反馈电路是由M 5， M6， M7构成的上拉电流镜。从电路中我们可以看到，在右边差分电路中， PM OS管M 4和M 8组成电流镜， M 4为输入管M2的负载；左边的差分电路与右边完全相同。中间的电路为高摆幅电流镜。该电路的工作原理如下。
当U p为高电平， Up b为低电平； Dn为低电平， Dn b为高电平时， M 2导通， M 3截止， M 16导通，M 15截止，则尾电流源M 1的电流全部流过M 2，该电流与流过上拉电流镜M OS管M 5电流的差值镜像到高摆幅电流镜M 8管，由于上拉电流镜M OS管M 5电流值远小于尾电流源M 1的电流，所以，上拉电流镜MOS管M 5电流对电荷泵的输出影响很小。
由于M 15截止，则其负载管M 20截止，导致高摆幅电流镜M 9管截止，使得高摆幅电流镜M 10， M 11， M 12，和M 13管均截止，镜像到高摆幅电流镜M 8管的电流通过M 8管对负载电容充电，所以输出电压上升。
当U p为低电平， U p b为高电平； Dn为低电平，Dn b为高电平时， M 3导通， M 2截止， M 16导通， M 15截止。由于M 2截止，则M 4也截止，上拉电流镜M OS管M 5导通将高摆幅电流镜M 8的栅级电位上拉到V dd，使得M 8截止，通过的分析我们知道高摆幅电流镜的其余MOS管均截止，所以，对于电荷泵的输出节点既没有充电通路，也没有放电通路与之相连，所以输出电压保持不变。当U p为低电平， Up b为高电平， Dn为高电平， Dn b为低电平时， M3导通， M 2截止， M 15导通， M 16截止，则工作原理与相同，流过M 17的电流镜像到高摆幅电流镜M 9管，该电流使高摆幅电流镜M 10， M 11， M 12，和M 13管工作，而M 8截止，电容上的电荷通过M 11，M 12对地放电，所以输出电压下降。
8为该电荷泵的充电输出波形，经过126 ns，电荷泵的电容负载充电到5 V；为该电荷泵的放电输出波形，经128 ns的时间，电荷泵的电容负载放电从5 V到0 V.从两图可以看出，该电荷泵的充放电时间比传统电荷泵要快，且输出电压是稳步变化的电流也趋于稳定。 M 5 M 8所组成的环路相当于一个齐纳二极管串联一个电阻，该电阻代表这个控制电路的线性特性。
3结论
本文设计了两种新型电荷泵。这两种电荷泵都采用左右对称的差分运放和高摆幅电流镜结构，并且分别利用正反馈电路和电流镜上拉电路来提高电荷泵转换的速度，这样不但对开关电路的电荷注入效应，时钟馈通效应，电荷泄露效应具有很好的抑制，并且有效的解决了充放电电流的失配等问题。从两种电荷泵的Cadence Spectre的仿真结果可以看出，这两种电荷泵都具有很高的电荷泵转换速度，在转换状态瞬间，反应平滑，消除了由于电荷注入等效应带来的输出电压的毛刺，大大的减小了对下一级电路压控振荡器噪声的引入，输出的充放电电压步长稳定。两种新型电荷泵的反应速度大致相同，其充放电特性也基本相同，都可以很好地应用于高速锁相环电路中。
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