TW200828813A - Charge pump circuit and method for reducing current mismatch and phase locked loop system - Google Patents

Description

200828813 九、發明說明： 【發明所屬之技術領域】 本發明係有關於電荷泵（chargepump)，尤指一種可降低電流 不匹配（current mismatch )之電荷泵及相關方法。 【先前技術】 電荷泵是鎖相迴路（phase locked loops，PLLs)中不可或缺的 元件，電荷泵通常由電容器所構成，並且耦接於充電電路（up circuit)與放電電路（downcircuit)之間，對電容器進行充電之電 流源係依據充電脈衝（uppulse)而提供給充電電路，而對電容器 進行放電之電流吸收源則依據放電脈衝（downpulse)而提供給放 電電路。對電容器充電或放電的電荷量分別取決於充電脈衝及放 電脈衝的持續時間（duration )。 若電流源與電流吸收源的電流值無法彼此匹配，亦即產生了 電流不匹配情形時，將會降低電荷泵的整體效能，舉例來說，在 鎖相迴路系統中，電流不匹配將導致淨電荷(net charge)輸入至電容 器，所以迴授時脈（feedback clock)訊號的相位及頻率將無法與 參考時脈（referenceclock)訊號的相位及頻率達到匹配。 請參閱第1圖，第1圖係為習知電荷泵電路14〇耦接於迴路 遽波器138的示意圖。電荷泵電路140包含之電晶體1〇2及1〇6 提供電流源，而電晶體124及126則提供電流吸收源，此外，電 5 200828813 晶體112形成充電電路來連通電流源，而電晶體116則形成放電 電路來連通電流吸收源。電晶體1〇〇及104則用來提供參考電流， 在閒置（idle)時間内，例如當充電/放電脈衝都處於低準位時，電 晶體110及114將可正常運作，而來自電晶體1〇2與1〇6的電流 將會被控制以對電容器122充電以產生儲存電壓VsT〇RE。 菖開關118及120被開啟時，不匹配電流將被注入取樣電容 器122並且給電晶體126 一個大小為Vst〇re的偏壓。當電流吸收 源的吸收電流量小於電流源的供應電流量而造成電流不匹配時 (亦即V_>VS1ORE)，則電容器122將會被充電，而且將有更多的 電流經由電晶體126而被汲取；#電流吸收源的魏電流量大於 電流源的供應電流量而造成電流不匹配時（亦即v_<Vstqre)，則 電容器122將被放電，而且較少的電流會經由電晶體126而被汲 取’麵授迴路使電荷泵電路⑽之電流能夠相匹配，其缺點在 於電何泵電路140的校正係相關於中間節點的電壓％，但是此電 ==綱路140的輸出’由於經過迴路親請 二，回下降，所以電荷泵電路140的輸出電壓v+將會等 v+ m 的輸丨 V_ ’然岐魏秘絲相對於 V+而進仃校正的話，如此一 電壓不正確。 x將☆致迴路遽波器⑽的輸出 【發明内容】 種經由校正電流源及電 口此，本發明的目的之一在於提供一 200828813 流吸收源而可降低電流不匹配的電荷泵電路。 依據本發明之申請專利範圍，其係揭露一種電荷泵電路。電 荷泵電路包含m流供給電路，用以提供m給電荷 泵電路；第二電流供給電路，用以提供電流吸收源給電荷泵電路； 虛設電流路徑，接於第一電流供給電路與第二電流供給電路之 門^含有苐一開關元件、第一開關元件以及位於第一開關元件 與^二開關元件間之第一節點；第—電容器，轉接於第一節點； 正常電流路徑，輸於第—電流供給電路與第二電流供給電路之 間’包，有-第三關元件…第四開關元件以及位於第三開關 元件與第四_元件間之第二節點；第二電容器，_於第二節 點，電壓隨轉器’輕接於正常電流路徑之第二節點；一開關，耦 接於私Μ軸n之—輸出節點與虛設電流路徑之第—節點之間， 射當開關在第-期間内開啟時，第—節點與第二節點處於^一 電壓，而當開關在第二期間内關閉時，第二節點處於第一電墨， 鱗於第二賴；从校正魏，_於虛設電流路徑 =一賴及電壓_器之輸出節點，用以比較第—電壓與第二 私壓來平衡電流源與電流關之電流不匹配。 依據本發明之申請專利範圍，豆揭 右：挺料Π 關”揭路種方法。該方法包含 與電即㈣州Γ 供開_接於第一節點 Μ耦时之間；輸入電流源至第一 吸收源至第二電流供、。㈣’輸入電抓 ’在弟'獨叫啟開關崎第-節 200828813 點與第二節點獲得第一電壓；在第二期間内關閉開關以於第一節 點獲得一第二電壓；以及比較第一電壓與第二電壓以平衡電流源 與該電流吸收源間之電流不匹配。 依據本發明之申請專利範圍，其亦揭露應用上述電荷泵電路 之鎖相迴路系統。該鎖相迴路系統包含有：相位比較器，用以接 收參考時脈訊號及時脈訊號，以及用以比較參考時脈訊號之相位 與時脈訊號之相位以輸出一相位差訊號；電荷泵電路，能夠校正 電流不匹配，並依據相位差訊號產生輸出電流；迴路濾波器，用 以將電荷系電路之輸出電流轉換成輸出電壓；以及壓控振盪器， 用以產生λ號作為時脈訊號，其中訊號之頻率取決於迴路濾波器 之輸出電壓。 〜本發明所賊之電荷泵電路改善了先前技射的缺點，主要 系藉由提t、系統’其可利用電流吸收源的相關電壓與電流源的 相關電壓來直接進行校正，此外，僅f要解的計算程序便可利 用比較絲獲付細於電流不匹配資⑽邏輯準位，再者，本發 月所揭路之電减電路不f要娜的元件或是大幅增加電路面積。 【實施方式】 在說明書及後續的Φ 士主奎# 稱 特定的元件。所屬領心=圍=用了某些職 可能會用不同的名詞來稱呼二=者:可理解’硬趙製造商 個70件。本說明書及後續的申請 8 200828813 專利feu並不以名稱的差異來作為區分元件的方式，而是以元件 在功此上的差異來作為區分的準則。在通篇說明書及後續的請求 相當中所提及的「包含」係為—開放式的用語 ，故應解釋成「包 含4不限疋於」。此外，Γ麵接」一詞在此係包含任何直接及間接 的電乳連接手段。因此’若文中描述—第—裝置麵接於一第二裝 置，則代表該第一裝置可直接電氣連接於該第二裝置，過透過其 他裝置或連接手段間接地電氣連接至該第二裝置。 晴參閱第2圖，第2圖係為本發明電荷泵電路200之一實施 例的示思圖。如第2圖所示，電荷泵電路2〇〇包含有第一電流供 給電路202 ,用來提供電流源Iup，以及第二電流供給電路2〇8, 來^仏電k及收源Idn。此外，虛設電流路徑(dummy current卩如匕） 係轉接於第-電流供給電路2G2與第二電流供給電路观之間， 且虛設電流路徑包含有第一開關元件232，耦接於第二開關元件 234。另外，虛設電流路徑更包含有第一節點236，耦接於第一開 關元件232與第二開關元件234之間，其中第一節點236另雛 至第一電容器238。 正常電流路徑係耦接於第一電流供給電路202與第二電流供 給電路208之間。正常電流路徑包含有第三開關元件212，耦接於 第四開關元件214。且正常電流路徑更包含有第二節點216，耦接 於第三開關元件212與第四開關元件214之間，其中第二節點216 另耦接至第二電容器218。 200828813 開關228耦接於第一節點236，以及電壓隨耦器(v〇kage follower)220係耦接於第二節點216。此外，開關228另耦接至電 壓隨耦器220之輸出端。在此實施例中，開關228係為互補式金 氧半（complementary metal-oxide semiconductor，CMOS)電晶體， 而電壓隨撼、22〇料放大n。然而，此並非為本發明電荷果電 路200之限制。第—節點236與第二節點216皆_於比較器 250 ’而比較器、250則麵接於狀態機(state machine)260，請注意， 第-節點236係、經由節點242❿耦接於比較器25〇。

明同日守參考第5圖及第2圖，第5圖係為開關a8、第一開關 元件232、第二開關元件234、第三開關元件212、第四開關元件 214及比較器2如的時序圖。如熟習此項技藝者所知，當正常電流 路徑被開啟時，虛設電流路徑則會被關閉，反之祕。而告正常L 齡顺（精通）。充“ 流源邮並對第二電容_進行充電由= 開關

2〇s J 从、、工由弟四開關兀件214 ，：二電容器218進行放電。如果一 儲存在第二電容器m上，但若存在 =有電何 將曰出㈣賴，如熟f此項贿麵知 功能在於雜電虔_器的輸出健相等 福^20的 隨搞器220的輪㈣點似的霞也”二二塗，因此電座 _ 228連接的關係，第一節點236虚節’又由於有 /、U 242的電壓也會等於 200828813 第一電壓。 如第5圖所示，開關228仍然保持閉合(導通”充電脈衝輸入 至第一電流供給電路202以經由第一開關元件232傳遞電流源Iup 以對第電谷裔238進行充電，另外，放電脈衝則輸入至第二電 流供給電路208队經由第二開關元件23罐遞電流吸收源來對 第二電容器218進行放電，在此階段，開關228會被打開而斷開 電壓隨耦器220之輸出節點224與第一節點236的連接。請注意， 為了在電流校正發生前對電容器238進行放電，在啟用虛設電流 路徑後才會打開開關單元，而由於存在電流不匹配的現象，第一 節點236將會出現第二電壓，其中第二電壓等於第一電壓的兩倍。 第一電壓及第二電壓接著被輸入至比較器25〇,比較器25〇 比較兩電壓後產生相對應邏輯準位，如第5圖所示，比較器25〇 的取樣邊緣(sampling edge)對應於開關228開啟的時候。若 牯，比車父态250將產生高邏輯準位，若1叩<1加時，比較器 將產生低邏輯準位。邏輯準位會被輸入至狀態機26〇，其利用比較 二、250所判斷的結果來選擇性地輸入校正電流至第一電流供給電 路202或第二電流供給電路2〇8，其中高邏輯準位通知狀態機二⑹ 輸入低電流位準(l〇w current level)至電流吸收源，而低邏輯準位則 通知狀恕機260輸入高電流位準(high current level)至電流源。如第 5圖所不’在正常電流路徑被再次啟用之前校正動作完成，亦即， 比較器的取樣時間短於虛設電流路徑的啟用時間。 11 200828813 。月/主思校正電流的量值並非為一固定值，而可以隨特定電 荷泵電路的限制而作相對應變動，就其本身而言，電流校正的操 作可以/函蓋數個充電時段（charging intervai)，而充電時段的數目 及校正電流的量值均並非為本發明之限制，其相關變化均隸屬本 發明之範嘴。 請參閱第3圖，第3圖係為本發明校正電流不匹配之方法之 一實施例的流程圖。本發明方法可概述如下： 步驟301 ··閉合開關228。 步驟302 :接收充電脈衝來導通第三開關單元212，並對第一電容 器238及第二電容器218進行充電。 步驟303 :接收放電脈衝來導通第四開關單元214，並對第一電容 器238及第二電容器218進行放電。 步驟304 :接收充電脈衝來導通第一開關單元232，並對第一電容 器238進行充電。 步驟305 ··打開開關228。 步驟306 :接收放電脈衝來導通第二開關單元234，並對第一電容 器238進行放電。 步驟307 :在第二電容器218的輸出節點242及第一電容器238 的輸出節點216取樣出第一電壓及第二電壓。 步驟308:比較第一電壓與第二電壓以獲得一邏輯準位。 步驟309:是否存在電流不匹配？若是，執行步驟31〇，否則，回 到步驟301。 12 200828813 力驟MO ·右邏解位係為高邏輯準位，輸入低電流位準至電荷泵 電路200 ;若邏輯準位係為低邏輯準位，輸入高電流位 準至電荷泵電路2〇〇，接著回到執行步驟3〇1。 本發明所揭露之電荷泵電路200可應用於鎖相迴路系統中， 用來提尚鎖相迴路系統的準確度。請參閱第4圖，第4圖為應用 包荷泵電路2〇〇之鎖相迴路系統4〇〇的示意圖。請注意，第4圖 所示之電荷泵電路2〇〇與第2圖所示之電荷泵電路2⑻完全相同， 關於電荷泵電路2〇〇的詳細說明已於上說明，在此不再贅述。鎖 相迴路系統4〇〇還包括相位比較器414，迴路濾波器416以及壓控 振盪裔418。迴路濾波器416，耦接至電荷泵電路2〇〇，將電荷泵 電路之輸出電流轉換成輸出電壓；壓控振盪器418，耦接至迴路濾 波器416 ’產生一訊號作為時脈訊號，該訊號之頻率取決於迴路濾 波為之輸出電壓。相位比較器414，雛至壓控振盈器418，接收 參考日才脈峨及㈣控㈣!！ 418輸出之時脈訊號fv，以及比較 參考吋脈訊號之相位與時脈訊號之相位以輸出相位差訊號。而所 屬項域中具有通常知識者應可瞭解鎖相迴路系、统的功㊣，因此為 東。兒明書内容簡潔起見，有關鎖相迴路系統的詳細說明便在此省 略。 本發明所猶之電觀電路改善了先馳術巾的缺點， 主要係藉由提供一系統，其可利用電流吸收源的相關電壓與電流 源的相關電壓來直接進行校正。此外，僅需要簡單的計算程序便 13 200828813 資訊的1輯準位。 要複雜的元件或是大 可利用比較器250來獲得相關於電流不匹配 再者，本發明所揭露之電荷泵電路2〇〇不需 幅增加電路面積。 圍 以上所述僅為本發明之較佳實侧，凡依本發日种 所做之均等變化與修飾，皆應屬本發明之涵蓋範圍。 乾 【圖式簡單說明】 第1圖係為習知電荷泵電路的示意圖。 第2圖係為本發明電荷泵電路之一實施例的示意圖。 第3圖係為本發明方法之一實施例的流程圖。 第4圖為應用第2圖所示之電荷泵電路之鎖相迴路系統的示意圖。 第5圖係為第2圖所示之電荷泵電路中部分元件的時序圖。 【主要元件符號說明】 100、102、104、10(5、110、電晶體 112、114、116、124、126 108 118、120、228 122、218、238 138 、 416 140 、 200 202 > 208 參考電流源 開關 電容器 迴路濾波器 電何果電路 電流供給電路 200828813 212、214、232、234 開關元件 216、236 節點 220 電壓隨耦器 250 比較器 260 狀態機 414 相位比較器 418 壓控振盪器 15

Claims (1)

1. 200828813 十、申請專利範圍： 1. 一種電荷泵電路，包含有： 一第一電流供給電路，用以提供一電流源給該電荷泵電路； 一第二電流供給電路，用以提供一電流吸收源給該電荷泵電路； 一虛設電流路徑，耦接於該第一電流供給電路與該第二電流供 給電路之間，該虛設電流路徑包含有一第一開關元件、一第 二開關元件以及位於該第一開關元件與該第二開關元件間 之一第一節點； 一第一電容器，耦接於該第一節點； 一正常電流路徑，耦接於該第一電流供給電路與該第二電流供 給電路之間，該正常電流路徑包含有一第三開關元件、一第 四開關元件以及位於該第三開關元件與該第四開關元件間 之一第二節點； 一第二電容器，耦接於該第二節點； 一電壓隨耦器，耦接於該正常電流路徑之該第二節點； 一開關’搞接於該電壓隨辆器之一輸出節點與該虛設電流路徑 之該第一節點之間，其中當該開關在一第一期間内開啟而導 通時，該第一節點與該第二節點具有一第一電壓，而當該開 關在一第二期間内關閉而非導通時，該第二節點具有該第一 電壓，且該第一節點具有一第二電壓；以及 一校正電路，耦接於該虛設電流路徑之該第一節點及該電壓隨 耦器之該輸出節點，用以比較該第一電壓與該第二電壓來平 衡該電流源與該電流吸收源間之一電流不匹配。 16 200828813 電路，其中該開關係為一 . 2.如申請專利範圍第i項所述之電荷泵 互補式金氧半電晶體。 電荷泵電路，其中該校正電路包 3，如申凊專利範圍第1項所述之 含有： 比較器，麵接於該第—節點及該第二節點，用以比較該第一 電壓及該第二電壓來產生相對應之一邏輯準位；以及 狀態機，_於該比較器，用以根據該邏輯準位來輸入一校 正電流至該第-電流供給電路或該第二電流供給電路。 4·如申請專纖M 3項所叙取樣魏，射若 係為一高邏輯準位，則該狀態機便輸入-低電流位準至該第二 電流供給電路，以及若該邏輯準位係為—低邏解位，該狀態 機便輸入-高電流位準至該第—電流供給電路。 心 丨·如申請專機ϋ第3項所叙電荷泵，射職正電流量 係取決於該電荷泵電路。 6. 如申請專繼圍第1項所述之電荷泵電路，財該賴隨轉器 係為一放大器。 7. -種校正電料電路之電料㈣之綠，射該贿果電路 包含有一第一電流供給電路、一第二電流供給電路、輕接於該 17 200828813 第-電流供給f路錢第二電祕給電路間之—虛設電流路 徑，以及耦接於該第—電流供給電路與該第二電流供給電路間 之-正常電流路徑’該顧電流路徑包含有_第—節點，該正 常電流路徑包含有-第二節點，該校正電荷泵電路之電流不匹 配之方法包含有： Φζ供一電壓接於該第二節點·， 提供-開關輪於該第一節點與該電壓隨搞器之間； 輸入-電流源至該第一電流供給電路； 輸入-電流吸收源至該第二電流供給電路； 在一第一期間内，開啟該開關以使該第-節點與該第二節點具 有一第一電壓； 在第一J間内，關閉該開關以使該第一節點具有一第二電 壓；以及 比較4第電壓與销二電壓以平衡該電流源與該電流吸收源 間之一電流不匹配。 8·如申清^利範圍第7項所述之校正電荷泵電路之電流不匹配之 方法八中°亥提供~開關耦接於該第一節點與該電壓隨耦器之 間之步驟包含有： 田 、甫气金氧半電晶體耦接於該第一節點與該電壓隨柄器 之間。 申明專利域第7餐述之校正電航電狀電流不匹配之 18 200828813 ， 方法’其中該比較該第一電壓與該第二電壓以平衡該電流源與 该電流吸收源間之一電流不匹配之步驟包含有： 比較該第一電壓與該第二電壓來產生相對應之一邏輯準位；以 及 根據該邏輯準位輸入一校正電流至該第一電流供給電路或該第 二電流供給電路。 10·如申请專利範圍第9項所述之校正電荷泵電路之電流不匹配 之方法，其中該根據該邏輯準位輸入一校正電流至該第一電流 供給電路或該第二電流供給電路之步驟包含有·· 右该邏輯準位係為一高邏輯準位，輸入一低電流位準至該第二 電流供給電路；以及 若該邏輯準位係為-低邏輯準位，輸入一高電流位準至該第一 電流供給電路。 η.如申料利細第9項所述之校正電荷泵電路之電流不匹配 之方法，其中該校正電流量係取決於該電荷泵電路。 12.如申請專利範圍第7項所述之校正電荷系電路之電流不匹配 之方法，其中該提供-電壓隨輕器編妾於該第二節點之步驟包 含有： 提供一放大器耦接於該第二節點。 19 200828813 13· —種鎖相迴路系統，包含有·· 相:比=’用以接收一參考時脈訊號及-時脈訊號，以及 以&又林考時脈職之—相位與該時脈訊號之一相位 以輸出一相位差訊號； 電荷泵電路，其能驗正電料匹配，並肋依據該相位差 吼號產生一輸出電流； 迎路慮波$，用以賴電荷泵電路之該輸出電流轉換成一輸 出電壓；以及 I工辰；為’用以產生一訊號作為該時脈訊號，該訊號之一 頻率取決_迴喊波1找輸ϋ電壓； 其中該電荷泵電路包含有： -第-電流供給電路，用以提供—電流源給該電荷泵電路； -第-電流供給電路，用以提供—電流吸收源給該電荷泵電路； 虛认電机路徑，耦接於該第一電流供給電路與該第二電流供 給電路之間，該虛設電流路徑包含有一第一開關元件、一第 一開關7L件以及位於該第一開關元件與該第二開關元件間 之一第一節點； 一第一電容器，耦接於該第一節點； 一正$兒流路徑，耦接於該第一電流供給電路與該第二電流供 給電路之間，該正常電流路徑包含有一第三開關元件、一第 四開關元件以及位於該第三開關元件與該第四開關元件間 之一第二節點； 一第二電容器，耦接於該第二節點； 20 200828813 電壓Ik搞器，輪於該正常電流路經之該第二節點； •開關= 接於該·隨編、之—輸㈣點與該虛㈣流路徑 第靖點之間，其中當該開關在-第-期間内開啟而導 通時°亥第一節點與該第二節點均具有-第-電壓，而當該 開關在—第二___料通時，該第二節點具有該第 一電壓’且該第一節點處於-第二電壓；以及 杈„電路轉接於該虛設電流路徑之該第一節點及該電壓隨 柄器之該輪出節點，用以比較該第—電壓與該第二電壓來平 衡該電流源與該電流吸收關之-電流不匹配。 R如申清專利範圍第13項所述之鎖相迴路系統，其中該開關係 為一互補式金氧半電晶體。 I5·如申明專利乾圍帛n項所述之鎖相迴路系統，其中該校正電 路包含有： -比較，耦接於該第—節點及該第二節點，用以比較該第一 電壓及該第二電壓來產生相對應之一邏輯準位；以及 一狀態機，耦接於該比較器，用以根據該邏輯準位來輸入一校 正電M L至该第一電流供給電路或該第二電流供給電路。 16·如申明專利範圍第15項所述之鎖相迴路系統，其中若該邏輯 準位係為一高邏輯準位，該狀態機便輸入一低電流位準至該第 一電飢供給電路，以及若該邏輯準位係為一低邏輯準位，該狀 21 200828813 態機便輸入一高電流位準至該第一電流供給電路。 17. 如申請專利範圍第15項所述之鎖相迴路系統，其中該校正電 流量係取決於該電荷泵電路。 18. 如申請專利範圍第13項所述之鎖相迴路系統，其中該電壓隨 搞器係為一放大器。 十一、圖式： 22