1设计分析
简单电荷泵电路模型如1所示。
当信号UP为高时，开关与A点连接，V C通过上面的电流源I UP对电容充电；当信号D W为高时，开关与B点相连，V C通过下面的电流源I DW放电；如果U P和D W都为低，则开关位于N点，V C保持不变。
但是，在实际的电荷泵电路中存在着漏电流、过冲注入电流、泵开关延时不同等非理想因素。
1. 1漏电流
电荷泵设计中一个重要的考虑因素是漏电流，1简单电荷泵模型漏电流可能由电荷泵本身产生，也可能由一些片上变容二极管或者电路板上的漏电流造成。在亚微米工艺中很可能出现高达1 nA的漏电流。漏电流引起的相位偏差通常可以忽略不计，但是它对输入参考源频率突变的抑制能力却有很大的影响。设电荷泵电流为I cp，则由电荷泄漏I leak引起的相位偏差为：<ε=2πI leak I cp（1）对于三阶电荷泵锁相环，输出时钟对输入参考源频率突变的抑制能力为：P r =20 lg 2 I cp R 2π<εK VCO 2 f ref - 20 lg f ref f p l（2）
式中R为环路滤波器的电阻值，K VCO为VCO的增益，f ref为参考时钟频率，f p l为滤波器的极点频率，I cp为泵电流。如果环路是过阻尼的，为避免过冲现象和温度变化的影响，则环路带宽f BW在分频比为N时可表示为：f BW≌I cp RK VCO 2πN（3）则（2）式变为：P r =20 lg Nφεf BW 2 f ref - 20 lg f ref f p l（4）如果激励不能满足一定要求，环路带宽将会变得更窄，或者电荷泵电流必须增加。因此设计中应尽量避免漏电流的产生。
1. 2失配现象
在CMOS电荷泵中，通常分别采用PMOS和NMOS作为UP和DW信号的开关，当UP和DW信号控制电荷泵充放电时，将会产生电流失配和开关时间延时失配。设鉴频鉴相器（ PFD）的输出打开时间、参考时钟周期、电荷泵的失配电流分别用Δt on、Tref、Δi表示，则相位偏差的表达式如式（5）< 2 >：| <ε| =2πΔt on T ref I +Δi I - 1 =2πΔt on T refΔi I（5）
假定Δi >0，则激励级可以类似地从（4）式和（5）式得到。用Δq/Q代替（5）式中的Δi/ I就可推广到其它失配情况，这里Δq表示电荷失配，Q表示在参考时钟周期内的总电荷，即：
ΔtonI.上式说明在设计PFD和电荷泵时，应尽量减小打开时间以减小失配，并减小PLL输出的边带噪声。
2CMOS电荷泵的常用结构
2. 1单端电荷泵
一般电荷泵电路以单端结构为主，因为其不需要增加额外的环路滤波器且功耗较低。如所示是基本的单端电荷泵电路。
2 （a）中的电荷泵开关位于MOS管电流源的漏端。该电路主要存在两个问题。，当UP开关关断后，M2漏端的寄生电容被充电至vdd.当UP开关导后，M2的漏端电压从vdd开始下降，在M2的漏端电压达到小饱和电压之前，M2处于线性电阻区。因此，在M2的漏端储存的电荷和流过M2的电流会对负载电容产生一个过冲注入电流，即会产生跳跃现象；同理，对NMOS管M1也存在上述情况。第二，当UP和DW开关都关断时，M2的漏端电位被拉高至vdd，M1的漏端电位则被拉低为gnd，输出OUT保持不变；当开关导通时，由于两点电位不同，M1和M2的漏端以及环路滤波器之间存在电荷分配的问题，造成输出产生抖动，这种抖动相当于噪声源，会影响电荷泵性能。
2 （b）中的电荷泵开关位于MOS管电流源的栅极。该结构能够很好地使MOS管电流镜工作在截止区或饱和区。当电路放电时， M2和M4截止，M2漏端的寄生电容不会被充电，从而避免了过冲电流的产生。但是当电荷泵的输出电流很大，并且为了提高匹配性能而使用了长沟道器件时，M1和M2的栅电容将会起很大的影响。同时，g M3和g M4影响了开关时间常数，因此，为了得到比较好的开关速度，M3和M4的偏置电流不能太小。
2 （c）中的电荷泵开关位于MOS管电流源的源端。该电路中，M1，M2始终处于饱和区。由于开关只连到单个管子上，寄生电容较小，所以这种结构比2 （b）所示结构具有更快的开关时间。同时，gM3和gM4不会影响开关时间，所以，即使在高输出电流的情况下也可以使用低电流偏置。
除了上述传统结构，还有多种结构可以提高电路性能，如3所示。3 （a）所示的电路中引进了运放，可以克服2 （a）所示电路的抖动问题。当UP和DW开关关断时，UPB和DWB开关导通，M1和M2的漏端电位不会被拉高为vdd或者拉低为gnd，于是降低了开关打开时的电荷分配效应。当电荷泵的寄生电容与环路滤波器的电容大小相差不大时，这种结构非常有用。但是为了使运放的输出电流与IUP和IDW相匹配，输出和共模输入电压从gnd变化到vdd，运放需要做得很大。因此，运放将会占据很大的版图面积，使电荷泵电路的设计更为复杂。
3 （b）所示电路的性能与 （ a）所示电路相近，但是电流舵开关改善了开关时间，提高了单端电荷泵的速度。该电路大的缺点是PMOS管和NMOS管之间的失配会影响性能。采用 （ c）所示的电路可以克服这个缺点。该电路只用NMOS管做开关，避免了PMOS管和NMOS管之间的失配。
但是，采用PMOS管的电流镜会影响电荷泵的速度。
而且充电电流流过PMOS电流镜，放电电流却没有流过PMOS电流镜，所以，电流镜的性能还是限制了电荷泵的性能。
比较以上结构可以看出，由于结构简单，功耗低以及比较好的开关时间，源端开启的电荷泵结构更有优势。
4所示就是对 （c）所示电路的改进结构。
M4～M13构成共源共栅电流镜，增加了输出阻抗，减小了输出电压对电流的影响。M1和M14是电荷泵的开关，适当地选择它们的尺寸使得开关失配和打开时间都小。当电荷泵打开时，M2、M3和M15用来提供相同的偏置电流。MC1和MC2可以降低对栅极的电荷耦合，并且增加了开关速度。
43 （ c）电路的改进结构
2. 2差分电荷泵
如所示是一种全差分电荷泵电路，该电路采用了交叉耦合电流舵结构< 1 >。交叉耦合结构确保NMOS（M9～M10）和PMOS（M1～M2）电流源始终处于饱和区，因此减小了电荷分配效应。
该电路由两个完全一样的支路构成，两个支路工作在相反的相位，并且分别与一个环路滤波器相连。NMOS开关（M5～M6）和PMOS开关（M3～M4）之间的失配表现为共模偏移，而共模偏移可以被后面的环路滤波器和压控振荡器（VCO）所抑制。
6所示是差分电荷泵的另一种结构。其中M1～M8为共源共栅差分电流开关，M9～M24为NMOS和PMOS电流镜，M25～M28为共模反馈电路。采用共源共栅电流镜，提高了输出阻抗。
全差分结构的电荷泵与单端结构相比具有以下优点。，降低了PMOS管和NMOS管之间的失配对整个性能的影响。原来要求PMOS和NMOS相匹配的地方，只需要PMOS或NMOS自身之间的匹配即可。
6全差分电荷泵的另一结构第二，由于全对称的结构，差分电荷泵只用NMOS管做开关管，UPB和DWB信号的反相延时不会产生偏移。
第三，对于在低电压下工作的情况，单端电荷泵有限的输出电压范围无法满足VCO特定的调节范围，而差分结构可使输出电压摆幅增大一倍。
后，在有片上环路滤波器时，具有两个环路滤波器的差分电荷泵对电源、地以及衬底的抗噪性能更好。
3比较与应用
根据以上分析，电荷泵的结构大致上可以分为以下四类。
（1）传统三态型（， （a） ，）特点是功耗低，速度中等，时钟偏移中等。主要应用于低功耗频率合成器、数字时钟发生器。
（2）电流舵型（ （b） ）特点是静态功耗低，速度高，时钟偏移中等。主要应用于高速PLL，数字时钟发生器。
（3）差分输入单端输出型（ （ c） ）功耗中等，速度中等，时钟偏移小。应用于低偏移的数字时钟发生器和频率合成器。
（4）全差分型（，）静态功耗低，速度高，线性度好，时钟偏移小，能够有效地克服漏电流和噪声干扰。应用于高速单片PLL芯片和频率合成器。
4结论
本文介绍了CMOS电荷泵的几种常用结构，并对其性能特点进行了分析比较。绝大多数PLL中的电荷泵都属于上述四种中的一种，但是在实际应用中需要根据PLL的性能要求，例如时钟偏移、大允许漏电流、VCO的输入电压范围、功耗、速度等来选择合适的结构。
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