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TWI690141B - 電荷泵和鎖相環 - Google Patents

電荷泵和鎖相環 Download PDF

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TWI690141B
TWI690141B TW107146605A TW107146605A TWI690141B TW I690141 B TWI690141 B TW I690141B TW 107146605 A TW107146605 A TW 107146605A TW 107146605 A TW107146605 A TW 107146605A TW I690141 B TWI690141 B TW I690141B
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capacitor
electrode
charge pump
coupled
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薛育理
沈致賢
洪兆慶
黃柏鈞
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聯發科技股份有限公司
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Abstract

提供一種電荷泵，該電荷泵包括：上拉電路，用於選擇性的給所述電荷泵的輸出端提供電荷，其中，所述上拉電路包括：第一電晶體；第一電容器，與所述第一電晶體的一個電極耦接；以及開關電容電路，耦接在供電電壓和所述第一電晶體的另一個電極之間，用於提升所述第一電晶體的另一個電極的電壓，以經由所述第一電晶體對所述第一電容器充電，在所述充電之後所述第一電容器和所述電荷泵的輸出端處於電荷分配操作中。

Description

電荷泵和鎖相環
本發明總體涉及電荷泵，特別涉及具有電平移位機制的電荷泵和鎖相環。
傳統的電荷泵通常包括兩個電流源，用於對輸出節點充電和放電，以產生適當的控制電壓給後續的壓控振盪器(voltage-controlled oscillator，VCO)，以便產生輸出時鐘信號。兩個電流源通常分別由P型電晶體和N型電晶體實現，並且P型電晶體或N型電晶體的漏-源(drain-to-source)電壓通常設計得較大以具有較低的雜訊。然而，較大的漏-源電壓意味著給後續的VCO的控制電壓具有較窄的範圍。如果電荷泵應用於低壓應用(即低供電電壓)，則這種窄的餘量(headroom)問題可能變得更糟，並且電荷泵的功能和雜訊可能變差。
因此，本發明的目的是提供一種電荷泵，其允許電荷泵的輸出端的電壓具有較大範圍。
本發明實施例提供一種電荷泵，包括：上拉電路，用於選擇性的給 所述電荷泵的輸出端提供電荷，其中，所述上拉電路包括：第一電晶體；第一電容器，與所述第一電晶體的一個電極耦接；以及開關電容電路，耦接在供電電壓和所述第一電晶體的另一個電極之間，用於提升所述第一電晶體的另一個電極的電壓，以經由所述第一電晶體對所述第一電容器充電，在所述充電之後所述第一電容器和所述電荷泵的輸出端處於電荷分配操作中。
本發明實施例提供一種鎖相環，其包括：相位-頻率檢測器，用於接收輸入信號和回饋信號以產生檢測結果；上述電荷泵，用於根據所述檢測結果產生控制信號；壓控振盪器，用於根據所述控制信號產生輸出時鐘信號；以及分頻器，用於對所述輸出時鐘信號進行分頻，以產生所述回饋信號。
本發明實施例提供另一種電荷泵，其包括：上拉電路，用於選擇性的給所述電荷泵的輸出端提供電荷，其中，所述上拉電路包括：第一電晶體；第一電容器，與所述第一電晶體的第一電極耦接；以及開關電容電路，耦接在供電電壓和所述第一電晶體的第二電極之間；開關，耦接在所述第一電晶體的第一電極和所述電荷泵的輸出端之間；其中，當所述上拉電路操作在第一階段，所述開關電容電路被控制以經由所述第一電晶體對所述第一電容器充電，並且所述開關被控制來斷開所述第一電晶體的第一電極和所述電荷泵的輸出端之間的連接，並且當所述上拉電路操作在第二階段中時，所述開關電容電路被控制以與所述第一電晶體的第二電極斷開連接，並且所述開關被控制將所述第一電晶體的第一電極與所述電荷泵的輸出端連接。
本發明實施例通過利用電荷泵的上拉電路，使得所述電荷泵的輸出端的電壓具有較大範圍。
在閱讀了在各個附圖和附圖中示出的優選實施例的以下詳細描述之後，本發明的這些和其他目的無疑將對所屬領域具有通常知識者變得顯而易見。
100:電荷泵
110:上拉電路
112:開關電容電路
120:下拉電路
122:電流源
SW1，SW2，SW3，SW4:開關
P2，P1:電晶體
R1:電阻器
C1，C2，C3，C4:電容器
800:鎖相環
810:相位-頻率檢測器
830:環路濾波器器
840:壓控振盪器
850:分頻器
通過閱讀後續的詳細描述和實施例可以更全面地理解本發明，該實施例參照附圖給出。
第1圖是根據本發明一個實施例示出的電荷泵的示意圖；第2圖是根據本發明一個實施例示出的電荷泵的詳細結構；第3A圖是根據本發明一個實施例示出的針對上拉電路(pull-up circuit)的採樣(sample)階段的時序圖；第3B圖是根據本發明一個實施例示出的上拉電路(pull-up circuit)的採樣(sample)階段的示意圖；第4A圖是根據本發明一個實施例示出的針對上拉電路的保持(hold)階段的時序圖；第4B圖是根據本發明一個實施例示出的上拉電路的保持(hold)階段的示意圖；第5圖是根據本發明一個實施例示出的節點N2的電壓；第6A圖是根據本發明一個實施例示出的針對下拉電路(pull-down circuit)的採樣(sample)階段的時序圖；第6B圖是根據本發明一個實施例示出的下拉電路(pull-down circuit)的採樣階段的示意圖；第7A圖是根據本發明一個實施例示出的針對下拉電路的保持階段的時序 圖；第7B圖是根據本發明一個實施例示出的下拉電路的保持階段的示意圖；第8圖是根據本發明一個實施例示出的鎖相環的示意圖。
在整個以下描述和申請專利範圍中使用某些術語來指代特定系統元件。如所屬領域具有通常知識者將理解的，製造商可以通過不同的名稱來指代元件。本文無意區分名稱不同但功能相同的組件。在以下討論和申請專利範圍中，術語“包括”和“包含”以開放式的方式使用，因此應該被解釋為表示“包括但不限於......”。術語“耦接”旨在表示間接或直接電連接。因此，如果第一設備耦接到第二設備，則該連接可以通過直接電連接，或通過經由其他設備和連接的間接電連接。
第1圖是示出根據本發明的一個實施例的電荷泵100的示意圖。如第1圖所示，電荷泵100包括上拉電路110和下拉電路120。在電荷泵100的操作中，上拉電路110被配置為接收時鐘信號CLK以選擇性地對電荷泵100的輸出端Nout充電，並且下拉電路120被配置為接收控制信號DN以選擇性地對電荷泵100的輸出端Nout放電，以便產生控制電壓Vc到後續電路，例如VCO。本發明提供的電荷泵100允許電荷泵的輸出端的電壓具有較大範圍並且該電荷泵具有低雜訊。
第2圖示出了根據本發明的一個實施例的電荷泵100的詳細結構。如第2圖所示，上拉電路110包括兩個P型電晶體P1和P2，耦接在P型電晶體P2的漏電極和地電壓之間的一個電阻器R1，開關電容電路(switched-capacitor circuit)112，電容器C1和開關SW3，其中P型電晶體P1的閘電極(gate electrode)耦接到 P型電晶體P2的閘電極，開關電容電路112耦接在供電電壓VDD和P型電晶體P1的源電極(source electrode)之間。電容器C1耦接在P型電晶體P1的漏電極和地電壓之間，開關SW3耦接在電容器C1和輸出端Nout之間。此外，開關電容電路112包括兩個開關SW1和SW2，以及電容器C2，其中電容器C2的第一節點N1連接到時鐘信號CLK，開關SW1耦接在供電電壓VDD和電容器C2的第二節點N2之間，和開關SW2耦接在P型電晶體P1的源電極和電容器C2的第二節點N2之間。在第2圖所示的實施例中，開關SW2由時鐘信號CLK控制，開關SW1和SW3由反向時鐘信號CLKB控制。
下拉電路120包括電流源122，電容器C3和開關SW4，其中電容器C3的一個節點耦接到時鐘信號CLK，由控制信號DN控制的電流源122耦接到電容器C3的另一個節點，和由反向時鐘信號CLKB控制的開關SW4耦接到電容器C3的該另一個節點和輸出端Nout之間。
第3A圖示出針對上拉電路的時序圖，第3B圖是根據本發明的一個實施例示出的上拉電路110的採樣階段的示意圖。第4A圖示出針對上拉電路的時序圖，第4B圖是根據本發明的一個實施例示出的上拉電路110的保持階段的示意圖。如第3A圖和第3B圖所示，當時鐘信號的電平為低電平(例如，地電壓)時，控制開關SW1以將供電電壓VDD連接到節點N2，控制開關SW2以將節點N2與P型電晶體P1的源電極斷開。控制開關SW3以將電容器C1連接到電容器C4。在第3A圖和第3B圖中所示的採樣階段中，電容器C1連接到電容器C4以執行電荷再分配(re-distribution)，即電容器C1處的電荷可以流到電容器C4直到它們的電壓相等。另外，供電電壓VDD通常具有雜訊和雜散(spur)，在上拉電路110的採樣階段中，電荷再分配路徑(即電容器C1)不與任何供電電壓VDD電連接，因此電 荷再分配路徑和控制電壓Vc將具有較低的雜訊。
第4A圖示出針對上拉電路的時序圖，第4B圖示出保持階段中上拉電路110的示意圖。當時鐘信號CLK的電平為高(例如，VDD)時，上拉電路110處於保持階段，並且控制開關SW1以斷開節點N2與供電電壓VDD的連接，控制開關SW2以將節點N2連接到P型電晶體P1的源電極，並且控制開關SW3以使電容器C1與電容器C4斷開連接。一起參考第4A圖，第4B圖和第5圖，第5圖示出了根據本發明一個實施例的節點N2的電壓Vs。在第3A圖和第3B圖所示的採樣週期中，因為控制開關SW1以將供電電壓VDD連接到節點N2，所以節點N2的電壓Vs等於VDD。因此，當時鐘信號CLK變高並且上拉電路110進入第4B圖所示的保持階段，因為節點N1具有電壓VDD並且電容器C2的跨壓(cross-voltage)不能立即改變，因此電壓Vs立即升壓為“2 * VDD”。然後，節點N2經由開關SW2和P型電晶體P1對電容器C1充電，直到電壓Vs等於VDD。在上拉電路110的保持階段，由於節點N2的電壓Vs在保持階段開始時被升壓到“2 * VDD”，所以由於高電壓Vs導致電荷可以完全被傳輸到電容器C1上。另外，P型電晶體P1和P2形成電流鏡，並且P型電晶體P2被控制為幾乎不關閉(即，P型電晶體P2的閘-源電壓接近閾值電壓)，因此，可以精確地控制電壓Vs，使其在保持階段結束時具有電壓VDD。此外，因為節點N2處的電荷產生不依賴於任何電晶體，所以電荷產生不會受到閾值電壓或電晶體的其他性質的影響，並且因為電晶體P1的Vdsat(即，閘-源電壓和閾值電壓之間的差異)實質為零，所以電荷產生實際上具有零空間消耗(zero headroom)，也就是說，由於電晶體P1沒有佔用跨壓，所以電荷產生沒有額外的消耗電荷。
第6A圖是針對下拉電路的時序圖，第6B圖是根據本發明的一個實施 例示出的下拉電路120的採樣階段的示意圖。第7A圖是針對下拉電路的時序圖，第7B圖是根據本發明的一個實施例示出下拉電路120的保持階段的示意圖。如第6A圖和第6B圖所示，當時鐘信號的電平是低電平(例如地電壓)時，電流源122被禁用，並且控制開關SW4以將電容器C3連接到電容器C4。在第6B圖中所示的採樣階段中，將電容器C3連接到電容器C4以執行電荷再分配，即電容器C3處的電荷可以流到電容器C4直到它們的電壓相等。另外，在下拉電路120的採樣階段中，由於下拉電路120中的電晶體(未示出)的供電電壓VDD通常具有雜訊和雜散而電荷再分配路徑(即電容器C3)不與任何供電電壓VDD電連接，因此電荷再分配路徑和控制電壓Vc將具有較低的雜訊。
第7A圖是針對下拉電路的時序圖，第7B圖示出在保持階段中下拉電路110的示意圖。當時鐘信號的電平為高電平(例如，VDD)時，下拉電路120處於保持階段，控制開關SW4以將電容器C3與電容器C4斷開。在圖7B所示的保持階段中，電容器C3的上節點(upper node)的電壓Vs'等於“Vc+VDD”，其中控制電壓Vc的值對應於先前的採樣階段。因此，當時鐘信號CLK變高並且下拉電路120進入保持階段時，因為電容器C3的下節點具有電壓VDD並且電容器C3的跨壓(cross-voltage)不能立即改變，所以電壓Vs'立即升壓到“Vc+VDD”。在下拉電路120的保持階段，由於電容器C3的上節點的電壓Vs'升高到“Vc+VDD”，電流源122可以具有大的操作區間，以便電流源122的雜訊可以有效地減小，並且控制電壓Vc可以具有較大的範圍。
簡要總結第2-7圖中所示的實施例，因為上拉電路110和下拉電路120採用電平移位技術(例如開關電容電路112)，控制電壓Vc具有較大的控制範圍(例如地至VDD)，並且上拉電路110的電荷產生實際上具有零空間消耗(zero headroom)，並且可以為下拉電路120的電流源122保留更多的操作區間以減少雜訊。另外，因為上拉電路110的電荷產生基於類似電流鏡像的拓撲，所以供電電壓的雜訊能被阻擋。
在一個實施例中，電荷泵100可以應用在鎖相環(phase-locked loop)800中，如第8圖所示。在第8圖中，鎖相環800包括相位-頻率檢測器(phase-frequency detector)810，電荷泵100，環路濾波器(loop filter)830，壓控振盪器(Voltage Controlled Oscillator,VCO)840和分頻器(frequency divider)850。在鎖相環800的操作中，相位-頻率檢測器810接收輸入信號(參考時鐘信號)Vin和回饋信號VFB以產生檢測結果，電荷泵100根據檢測結果產生控制電壓Vc，環路濾波器830對控制電壓Vc進行濾波以產生濾波後的控制電壓Vc'，VCO 840根據濾波後的控制電壓Vc'產生輸出時鐘信號CK_OUT，分頻器850對輸出時鐘信號CK_OUT進行分頻，以產生回饋信號VFB。
本發明實施例通過利用電荷泵的上拉電路中的開關電容電路，來提升第一電晶體的另一個電極的電壓，以經由第一電晶體對第一電容器充電，使得所述電荷泵的輸出端的電壓具有較大範圍。
所屬領域具有通常知識者將容易地觀察到，可以在保留本發明的教導的同時對裝置和方法進行多種修改和更改。因此，上述公開內容應被解釋為僅受所附申請專利範圍的範圍和界限的限制。
雖然本發明已以較佳實施例揭露如上，然其並非用以限定本發明，任何所屬領域具有通常知識者，在不脫離本發明的精神和範圍內，當可作些許 的更動與潤飾，因此本發明的保護範圍當以所附申請專利範圍為准。
以上所述僅為本發明之較佳實施例，凡依本發明申請專利範圍所做之均等變化與修飾，皆應屬本發明之涵蓋範圍。
100:電荷泵
110:上拉電路
112:開關電容電路
120:下拉電路
122:電流源
SW1，SW2，SW3，SW4:開關
P2，P1:電晶體
R1:電阻器
C1，C2，C3，C4:電容器

Claims (13)

  1. 一種電荷泵，包括：上拉電路，用於選擇性的給所述電荷泵的輸出端提供電荷，其中，所述上拉電路包括：第一電晶體；第一電容器，與所述第一電晶體的一個電極耦接；以及開關電容電路，耦接在供電電壓和所述第一電晶體的另一個電極之間，用於提升所述第一電晶體的另一個電極的電壓，以經由所述第一電晶體對所述第一電容器充電，在所述充電之後所述第一電容器和所述電荷泵的輸出端處於電荷分配操作中；其中，所述開關電容電路包括：第二電容器，其中所述第二電容器的第一節點耦入第一時鐘信號；第一開關，耦接在所述供電電壓和所述第二電容器的第二節點之間，其中所述第一開關被第二時鐘信號控制以將所述供電電壓與所述第二電容器的第二節點連接或者斷開所述供電電壓與所述第二電容器的第二節點之間的連接，其中，所述第一時鐘信號的相位與所述第二時鐘信號的相位是反向的；以及第二開關，耦接在所述第二電容器的第二節點和所述第一電晶體的所述另一個電極之間，其中所述第二開關被所述第一時鐘信號控制以將所述第二電容器與所述第一電晶體的所述另一個電極連接或者斷開所述第二電容器與所述第一電晶體的所述另一個電極之間的連接。
  2. 根據申請專利範圍第1項所述之電荷泵，其中，當所述第一電容器和所述電荷泵的輸出端處於所述電荷分配操作中時，所述第一電容器與所述供電電壓斷開連接。
  3. 根據申請專利範圍第1項所述之電荷泵，進一步包括：第三開關，耦接在所述第一電晶體的所述一個電極和所述電荷泵的輸出端之間，其中，所述第三開關被所述第二時鐘信號控制以將所述第一電晶體的所述一個電極與所述電荷泵的輸出端連接或者斷開所述第一電晶體的所述一個電極與所述電荷泵的輸出端之間的連接。
  4. 根據申請專利範圍第2項或者第3項所述之電荷泵，其中，所述第一電晶體是P型電晶體，所述第一電晶體的所述一個電極是所述第一電晶體的漏電極，所述第一電晶體的所述另一個電極是所述第一電晶體的源電極。
  5. 根據申請專利範圍第1項所述之電荷泵，所述上拉電路進一步包括：第二電晶體，其中所述第二電晶體的閘電極與所述第一電晶體的閘電極耦接，並且所述第二電晶體的第一電極與所述供電電壓耦接；電阻器，耦接在所述第二電晶體的第二電極與地電壓之間，並且所述第二電晶體的第二電極耦接到所述第二電晶體的閘電極。
  6. 根據申請專利範圍第5項所述之電荷泵，所述第一電晶體和所述第二電晶體是P型電晶體，並且所述第二電晶體在正常狀態下幾乎不關閉。
  7. 根據申請專利範圍第1項所述之電荷泵，進一步包括：下拉電路，包括：電流源，經由開關與所述電荷泵的輸出端耦接，用於選擇性的對所述電荷泵的輸出端放電。
  8. 根據申請專利範圍第7項所述之電荷泵，所述下拉電路進一步包括：第三電容器，其中所述第三電容器的第一節點耦入第一時鐘信號，並且所述第三電容器的第二節點與所述電流源耦接；其中，所述開關被第二控制信號控制以將所述電流源與所述電荷泵的輸出端連接，或者斷開所述電流源與所述電荷泵的輸出端之間的連接，並且所述第二時鐘信號的相位與所述第一時鐘信號的相位是反向的。
  9. 一種鎖相環，包括：相位-頻率檢測器，用於接收輸入信號和回饋信號以產生檢測結果；如申請專利範圍第1-8項任一項所述的電荷泵，用於根據所述檢測結果產生控制信號；壓控振盪器，用於根據所述控制信號產生輸出時鐘信號；以及分頻器，用於對所述輸出時鐘信號進行分頻，以產生所述回饋信號。
  10. 一種電荷泵，包括：上拉電路，用於選擇性的給所述電荷泵的輸出端提供電荷，其中，所述上拉電路包括：第一電晶體；第一電容器，與所述第一電晶體的第一電極耦接；以及開關電容電路，耦接在供電電壓和所述第一電晶體的第二電極之間；開關，耦接在所述第一電晶體的第一電極和所述電荷泵的輸出端之間；其中，當所述上拉電路操作在第一階段，所述開關電容電路被控制以經由所述第一電晶體對所述第一電容器充電，並且所述開關被控制來斷開所述第一電晶體的第一電極和所述電荷泵的輸出端之間的連接，並且當所 述上拉電路操作在第二階段中時，所述開關電容電路被控制以與所述第一電晶體的第二電極斷開連接，並且所述開關被控制將所述第一電晶體的第一電極與所述電荷泵的輸出端連接。
  11. 根據申請專利範圍第10項所述之電荷泵，其中，所述開關是第三開關，並且所述開關電容電路包括：第二電容器，其中所述第二電容器的第一節點耦入所述第一時鐘信號；第一開關，耦接在所述供電電壓和所述第二電容器的第二節點之間，其中所述第一開關被第二時鐘信號控制以將所述供電電壓與所述第二電容器的第二節點連接或者斷開所述供電電壓與所述第二電容器的第二節點之間的連接，其中，所述第二時鐘信號的相位和所述第一時鐘信號的相位是反向的；以及第二開關，耦接在所述第二電容器的第二節點和所述第一電晶體的所述第二電極之間，其中所述第二開關被所述第一時鐘信號控制以將所述第二電容器與所述第一電晶體的所述第二電極連接或者斷開所述第二電容器與所述第一電晶體的所述第二電極之間的連接。
  12. 根據申請專利範圍第11項所述之電荷泵，其中，所述第三開關被所述第二時鐘信號控制以將所述第一電晶體的第一電極與所述電荷泵的輸出端連接，或者斷開所述第一電晶體的第一電極與所述電荷泵的輸出端之間的連接。
  13. 根據申請專利範圍第11或者12項所述之電荷泵，其中所述第一電晶體是P型電晶體，所述第一電晶體的第一電極是所述第一電晶體的漏電極，所述第一電晶體的第二電極是所述第一電晶體的源電極。
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