專(zhuān)利名稱(chēng)：空閑時(shí)段運(yùn)用采樣保持電路的充、放電電荷泵的校準(zhǔn)裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明是和鎖相環(huán)(PLL)電荷泵技術(shù)相關(guān)，特別是和采樣保持電荷泵相關(guān)。
背景技術(shù)：
數(shù)字系統(tǒng)通常依賴(lài)與操作定時(shí)同步的精確時(shí)鐘和數(shù)據(jù)傳輸。晶體振蕩器常用于產(chǎn)生基頻時(shí)鐘，然后根據(jù)所需頻率，通過(guò)分頻或倍頻產(chǎn)生一個(gè)或多個(gè)頻率。外部時(shí)鐘經(jīng)過(guò)分頻或倍頻可以作為內(nèi)部時(shí)鐘使用。通常時(shí)鐘是采用鎖相環(huán)(以下簡(jiǎn)稱(chēng)PLL)從振蕩器輸出產(chǎn)生。PLL是在今天的數(shù)字系統(tǒng)中被廣泛使用的單元電路。
圖1顯示的是一個(gè)典型的PLL。鑒相器10接收到一個(gè)來(lái)自外部振蕩器或時(shí)鐘源的參考時(shí)鐘。參考時(shí)鐘的相位和頻率與由壓控振蕩器(以下簡(jiǎn)稱(chēng)VCO)14生成的反饋時(shí)鐘做相位和頻率比較。反饋時(shí)鐘就是PLL的輸出時(shí)鐘，或者由VCO14的輸出時(shí)鐘再次分頻輸出。
當(dāng)某一輸出的相位或頻率與另一輸入的相位和頻率并不匹配時(shí)，鑒相器10輸出充電輸入、放電輸入(以下分別簡(jiǎn)稱(chēng)UP，DN)信號(hào)。這些UP，DN信號(hào)電平的變化可以引起電荷泵(CHARGE PUMP)12對(duì)濾波電容20充、放電。對(duì)濾波電容20充放電會(huì)使VCO 14的輸入電壓增加或降低。VCO14根據(jù)該變化調(diào)整輸出時(shí)鐘的頻率。反饋到鑒相器10的時(shí)鐘同樣隨著VCO14的變化而變化。隨著電荷泵(CHARGE PUMP)12對(duì)濾波電容20充、放電，改變輸入到VCO 14的控制電壓VCTL，使反饋時(shí)鐘的相位和頻率得到調(diào)整直到反饋時(shí)鐘得到匹配。鑒相器10停止向電荷泵12提供充電輸入和放電輸入信號(hào)，直到檢測(cè)到濾波電容20漏電或參考時(shí)鐘發(fā)生變化。
持續(xù)時(shí)間較短的脈沖通常被用作UP，DN信號(hào)。例如，鑒相器10可以是一對(duì)簡(jiǎn)單的D觸發(fā)器。當(dāng)檢測(cè)到有參考時(shí)鐘輸入時(shí)，一個(gè)D觸發(fā)器輸出UP脈沖。當(dāng)檢測(cè)到一個(gè)反饋時(shí)鐘輸入結(jié)束時(shí)，UP脈沖結(jié)束。當(dāng)檢測(cè)到反饋時(shí)鐘輸入時(shí)，另一個(gè)D觸發(fā)器產(chǎn)生DN脈沖。當(dāng)檢測(cè)到參考時(shí)鐘輸入時(shí)，DN脈沖被清除。相位差越小，脈沖持續(xù)時(shí)間越短。
通常，當(dāng)不需要相位調(diào)整時(shí)，UP和DN信號(hào)脈沖同時(shí)出現(xiàn)。當(dāng)同時(shí)發(fā)生的UP和DN脈沖的持續(xù)時(shí)間相同時(shí)，電荷泵12就既不提供電流，也不提供相同的充放電電流給濾波電容20，由此提供一個(gè)零凈電荷(net zero charge)。
在系統(tǒng)鎖相的大部分時(shí)間里，電荷泵12應(yīng)該輸出一個(gè)零凈電荷到濾波電容20。如果電荷泵(CHARGE PUMP)12 UP和DN不嚴(yán)格的匹配，一些凈電荷可能會(huì)進(jìn)入到濾波電容20。這些凈電荷會(huì)導(dǎo)致一相位誤差，因?yàn)閂CO14會(huì)受輕微的反饋時(shí)鐘的相位和頻率改變的影響，這樣他將不會(huì)準(zhǔn)確地匹配參考時(shí)鐘。來(lái)自VCO14的反饋時(shí)鐘最終與參考時(shí)鐘相匹配，相位誤差和電荷泵(CHARGE PUMP)UP、DN電流失配成比例。
圖2是輸入到電荷泵的UP和DN信號(hào)并產(chǎn)生VCO控制電壓的時(shí)序圖。當(dāng)一個(gè)輸入?yún)⒖紩r(shí)鐘超前的差異被鑒相器檢測(cè)到時(shí)，一個(gè)UP脈沖產(chǎn)生了。電荷泵通過(guò)把正電荷充入濾波電容，并將控制電壓VCTL提高到VCO(假定VCO輸出頻率正比于控制電壓)以響應(yīng)UP脈沖。UP脈沖的寬度決定了電荷泵充到濾波電容的電量。一旦UP脈沖結(jié)束，控制電壓保持穩(wěn)定。
當(dāng)鑒相器檢測(cè)到相位滯后的差異時(shí)，一個(gè)DN脈沖產(chǎn)生了。電荷泵的DN脈沖將降低濾波電容的電荷，并將控制電壓VCTL減小到VCO，以響應(yīng)DN脈沖。DN脈沖的寬度決定了電荷泵充到濾波電容的電量。一旦DN脈沖結(jié)束，控制電壓保持穩(wěn)定。
最終，根據(jù)圖2所示，相位匹配時(shí)的相位檢測(cè)器同時(shí)輸出UP和DN脈沖?？刂齐妷簩](méi)有變化，但是電荷泵并不是完美的，電荷泵的晶體管被UP和DN脈沖開(kāi)關(guān)時(shí)會(huì)產(chǎn)生干擾。一旦UP和DN使晶體管充電時(shí)失配，一個(gè)凈電荷會(huì)把控制電壓變成如圖所示的樣子。電荷泵晶體管的不匹配降低了PLL的鎖相精度。
電荷泵常常是用CMOS晶體管制作的。CMOS電荷泵總是有誤差，因?yàn)殡娮舆w移率比空穴電子遷移率更高，P溝道晶體管的寬度需要比N溝道更寬，而更寬的晶體管的寄生電容更高，當(dāng)開(kāi)關(guān)時(shí)會(huì)產(chǎn)生更多的注入電荷。P/N求MOS的差異再加上由于工藝，電壓和溫度變化的反應(yīng)。當(dāng)晶體管漏端連接到控制電壓和柵極被UP和DN脈沖開(kāi)關(guān)時(shí)，P/N失配是很厲害的。因而標(biāo)準(zhǔn)CMOS電荷泵的電荷匹配較差。
根據(jù)IBM持有美國(guó)專(zhuān)利號(hào)5,508,660檔案透露的源跟隨(SOURCE-FOLLOWER)電荷泵的例子。它使用了一個(gè)NMOS晶體管驅(qū)動(dòng)控制電壓的高，一個(gè)PMOS晶體管驅(qū)動(dòng)控制電壓的低。這個(gè)設(shè)計(jì)可以處理相位錯(cuò)誤，噪聲和工藝，電壓，溫度跟蹤問(wèn)題。
圖3所示一個(gè)已有技術(shù)采用了源切換電荷泵。P-和N溝道驅(qū)動(dòng)晶體管24，26是共柵晶體管分別偏置在常偏電壓BIASP，BIASN。晶體管24，26是通過(guò)置高和置低它們的源極電壓來(lái)開(kāi)關(guān)，這樣是被它們的源極或源切換控制。
當(dāng)DOWN脈沖DN是高電平時(shí)，N溝道晶體管28打開(kāi)。對(duì)N溝道驅(qū)動(dòng)晶體管26的源極充電，降低它的源極電壓直到柵源電壓超越N溝道極限。電流從濾波電容的上部流出，通過(guò)N溝道晶體管26，N溝道晶體管28到地到對(duì)濾波電容20放電，逐漸減少控制電壓VCTL。
當(dāng)up脈沖UP建立時(shí)，它的反相信號(hào)UPB是低電平脈沖，打開(kāi)P溝道晶體管22。P溝道驅(qū)動(dòng)晶體管24的源極充電，提高它的電壓直到柵源電壓差超過(guò)P溝道極限。從電源來(lái)的電流，穿過(guò)P溝道晶體管22，24對(duì)濾波電容20充電，提高控制電壓VCTL。
晶體管22，28是被UPB和DN脈沖頻繁開(kāi)關(guān)的，對(duì)驅(qū)動(dòng)晶體管24，26的源極電壓的開(kāi)關(guān)使這些晶體管開(kāi)關(guān)。見(jiàn)專(zhuān)利持有者國(guó)家半導(dǎo)體公司的美國(guó)專(zhuān)利號(hào)5,656,563的例子。
當(dāng)晶體管22，28被關(guān)閉，驅(qū)動(dòng)晶體管24，26的源極浮空。關(guān)閉時(shí)間取決于gm/C響應(yīng)速率，這是不想要的，這樣就從濾波電容獲得附加電荷。這可能導(dǎo)致一個(gè)明顯的相錯(cuò)。更嚴(yán)重的是，補(bǔ)給晶體管22，28的生成電流是依賴(lài)于器件的寬長(zhǎng)比和柵源電壓。這樣電荷泵up/down電流就對(duì)工藝，溫度和工作電壓變化非常敏感。
轉(zhuǎn)移到濾波電容的電荷可能不僅僅依賴(lài)于驅(qū)動(dòng)晶體管24、26，BIASP、BIASN的柵源電壓，也依賴(lài)于漏源電壓。柵電壓BIASP和BIASN是和驅(qū)動(dòng)晶體管24，26的漏源電壓無(wú)關(guān)的。這導(dǎo)致更大的失配和相差。
圖3所示的電荷泵脈沖控制信號(hào)UP，DOWN極性相反。一個(gè)低有效UPB脈沖總是和一個(gè)高有效DN脈沖一起工作。從鑒相器來(lái)的UPB，DN在時(shí)間上的不匹配造成更大的失配電流。當(dāng)鑒相器只是輸出正邏輯脈沖，從UP反相產(chǎn)生UPB時(shí)會(huì)有一個(gè)額外的延遲。脈沖寬度及上升和下降時(shí)間經(jīng)反相后會(huì)被改變。此延時(shí)和畸變也會(huì)造成額外相差。

發(fā)明內(nèi)容
為了減少相差需要一個(gè)充放電電流非常匹配的電荷泵?？梢圆捎貌蓸颖３蛛娐方o電荷泵提供偏置。
本發(fā)明采用如下技術(shù)方案，電荷泵的組成電荷泵的充電輸入端，和放電輸入端；輸出端，包括一輸出電容，在充電輸入時(shí)，所述輸出電容充電，在放電輸入時(shí)，所述輸出電容放電；固定電流源，提供一個(gè)相對(duì)恒定的源電流給第一節(jié)點(diǎn)；可變電流源，提供一個(gè)變化源電流給第二節(jié)點(diǎn)，其中變化源電流的電流變化由控制電壓控制；第一驅(qū)動(dòng)晶體管，根據(jù)充電輸入，連接并控制在第一連接節(jié)點(diǎn)與輸出端之間的電流；第二驅(qū)動(dòng)晶體管，根據(jù)放電輸入，連接并控制在第二連接節(jié)點(diǎn)與輸出端之間的電流；第一串聯(lián)晶體管，根據(jù)充電輸入或其反相信號(hào)，連接并控制在第一連接節(jié)點(diǎn)與中間節(jié)點(diǎn)之間的電流；第二串聯(lián)晶體管，根據(jù)放電輸入或其反相信號(hào)，連接并控制在第二連接節(jié)點(diǎn)與中間節(jié)點(diǎn)之間的電流；采樣電容，用于存儲(chǔ)采樣電荷，為可變電流源提供控制電壓；采樣開(kāi)關(guān)，當(dāng)充電輸入和放電輸入為無(wú)效時(shí)，連接并控制中間節(jié)點(diǎn)和采樣電容之間的電流。
本發(fā)明還提供了一個(gè)電流調(diào)整電荷泵，包含一個(gè)電流源，連接在電源和一個(gè)上連接節(jié)點(diǎn)之間；第一驅(qū)動(dòng)晶體管，包括一個(gè)由反相的充電信號(hào)驅(qū)動(dòng)的柵極，與上連接節(jié)點(diǎn)相連的源極，和與中間節(jié)點(diǎn)相連的漏極；第一串聯(lián)晶體管，包括有充電信號(hào)驅(qū)動(dòng)的柵極，與上連接節(jié)點(diǎn)相連的源極，以及與中間節(jié)點(diǎn)相連的漏極；第二驅(qū)動(dòng)晶體管，包括由放電信號(hào)驅(qū)動(dòng)的柵極，與下連接節(jié)點(diǎn)相連的源極，以及與輸出相連的漏極源極；第二串聯(lián)晶體管，包括由反相的放電信號(hào)驅(qū)動(dòng)的柵極，與下連接節(jié)點(diǎn)相連的源極，以及與中間節(jié)點(diǎn)相連的漏極源極；第一開(kāi)關(guān)晶體管，包括由反相的充電信號(hào)驅(qū)動(dòng)的柵極，與中間節(jié)點(diǎn)相連的漏極，以及與中間開(kāi)關(guān)節(jié)點(diǎn)相連的源極；第二開(kāi)關(guān)晶體管，包括由反相的放電信號(hào)驅(qū)動(dòng)的柵極，與中間開(kāi)關(guān)節(jié)點(diǎn)相連的漏極，與電荷存儲(chǔ)節(jié)點(diǎn)相連的源極；一個(gè)采樣電容，連接在電荷存儲(chǔ)節(jié)點(diǎn)和固定電壓之間；一個(gè)固定沉電流晶體管，包括由偏置電壓驅(qū)動(dòng)的柵極，與下連接節(jié)點(diǎn)相連的漏極，以及與中沉節(jié)點(diǎn)(mid-sink)相連的源極；可變沉電流晶體管，包括與電荷存儲(chǔ)節(jié)點(diǎn)相連的柵極，與中沉節(jié)點(diǎn)相連的漏極，以及與地相連的源極。
此外，本發(fā)明提供的一個(gè)精確電荷泵，當(dāng)對(duì)濾波電容器充放電時(shí)，輸出節(jié)點(diǎn)具有相匹配的充電和放電電流，所述精確電荷泵包括一個(gè)充電輸入信號(hào)為高時(shí)，對(duì)濾波電容器充電；一個(gè)充電輸入信號(hào)的反相信號(hào)為低時(shí)，對(duì)濾波電容器充電；一個(gè)放電輸入信號(hào)為高時(shí)，對(duì)濾波電容器放電；一個(gè)放電輸入信號(hào)的反相信號(hào)為低時(shí)，對(duì)濾波電容器放電；固定電流源裝置，產(chǎn)生一個(gè)固定電流到第一節(jié)點(diǎn)；可變電流源裝置，根據(jù)控制節(jié)點(diǎn)的控制電壓產(chǎn)生一個(gè)可調(diào)整電流到第二連接節(jié)點(diǎn)；第一驅(qū)動(dòng)晶體管裝置，響應(yīng)柵極的充電輸入信號(hào)的反相信號(hào)，以產(chǎn)生第一連接點(diǎn)到輸出節(jié)點(diǎn)的電流；第一串聯(lián)晶體管裝置，響應(yīng)柵極的充電輸入信號(hào)，以產(chǎn)生第一連接點(diǎn)到中間節(jié)點(diǎn)的電流；第二驅(qū)動(dòng)晶體管裝置，響應(yīng)柵極的放電輸入信號(hào)，以產(chǎn)生第二連接點(diǎn)到輸出節(jié)點(diǎn)的電流；第二串聯(lián)晶體管裝置，響應(yīng)柵極的放電輸入信號(hào)的反相信號(hào)，以產(chǎn)生第二連接點(diǎn)到中間節(jié)點(diǎn)的電流；采樣電容器裝置，用來(lái)存儲(chǔ)電荷以在控制節(jié)點(diǎn)產(chǎn)生控制電壓；采樣開(kāi)關(guān)裝置，當(dāng)充電輸入信號(hào)的反相信號(hào)和放電輸入信號(hào)的反相信號(hào)都為高時(shí)，對(duì)中間節(jié)點(diǎn)和控制節(jié)點(diǎn)之間進(jìn)行控制。


下面，參照附圖，對(duì)于熟悉本技術(shù)領(lǐng)域的人員而言，從對(duì)本發(fā)明方法的詳細(xì)描述中，本發(fā)明的上述和其他目的、特征和優(yōu)點(diǎn)將顯而易見(jiàn)。
圖1典型PLL的示意圖。
圖2是UP，DOWN輸入到電荷泵和用它的結(jié)果來(lái)控制壓控振蕩器VCO的時(shí)序圖。
圖3所示一個(gè)已有的采用源切換電荷泵。
圖4是圖示一個(gè)電荷泵和采樣保持電路的電流匹配。
圖5是采樣保持電荷泵的波形圖。
具體實(shí)施例方式
本發(fā)明是對(duì)電荷泵的改進(jìn)。以下說(shuō)明將描述該專(zhuān)利申請(qǐng)細(xì)節(jié)的前后關(guān)系和它的必要需求。很多改進(jìn)及相關(guān)理論將被詳細(xì)論述。因此，本發(fā)明不會(huì)有意的限制詳細(xì)具體的描述，且將會(huì)在寬范圍內(nèi)詳述相關(guān)的原理及展現(xiàn)其新穎的特色。
發(fā)明者實(shí)現(xiàn)了用采樣保持技術(shù)使電荷泵有更好電荷匹配。此電荷泵包含了一個(gè)電流源和一個(gè)電流沉(current sink)。電流從一個(gè)電流源流出，被強(qiáng)迫全部通過(guò)一個(gè)電流沉電流晶體管。沉電流晶體管的柵極和源極連接在一起，其工作在飽和狀態(tài)，并且具有與超過(guò)其閾值電壓的柵-源(gate-to--source)電壓的平方成比例的電流。調(diào)整柵-源電壓以接受(sink)與電流源所產(chǎn)生電流相等的電流。
一個(gè)采樣電容存儲(chǔ)柵-源電壓。在校準(zhǔn)周期內(nèi)，當(dāng)沉電流晶體管的柵極和源極相連時(shí)，對(duì)采樣電容充電。在下一個(gè)時(shí)間周期，柵極和源極斷開(kāi)。存儲(chǔ)在采樣電容中的柵-源電壓驅(qū)動(dòng)電流沉電流晶體管接受同校準(zhǔn)周期中一樣的電流。在下一個(gè)校準(zhǔn)周期中，源極電流被再采樣，且柵-源電壓和電流池被再調(diào)整。加到采樣電容上的電壓逼近一個(gè)目標(biāo)值，該目標(biāo)值與環(huán)路濾波器送出的UP，DOWN電流相匹配。
在電荷泵空閑時(shí)段進(jìn)行校準(zhǔn)和采樣。通常電荷泵可以加以或去除脈沖以響應(yīng)鑒相器。兩兩脈沖之間的空閑時(shí)段可以用來(lái)向源電流采樣并調(diào)整沉電流。
圖4是一個(gè)電荷泵和采樣保持電路匹配電流示意圖。電荷泵140接收到從鑒相器來(lái)的控制信號(hào)UP，UPB，DN，DNB，該鑒相器將PLL或類(lèi)似裝置，例如調(diào)整電荷泵電流的頻率合成器，延遲鎖定環(huán)、擴(kuò)頻時(shí)鐘發(fā)生器。電荷泵140的輸出信號(hào)V+，驅(qū)動(dòng)環(huán)路濾波器138。環(huán)路濾波器138包括從V+通過(guò)被串聯(lián)電阻134分離的電容器130、136，以及電容器128和電阻132接地。環(huán)路濾波器138的輸出VTUNE，是設(shè)定輸出和反饋頻率的VCO感應(yīng)的電壓。另一個(gè)環(huán)路濾波器可以被替代，例如用同節(jié)點(diǎn)的VTUNE和V+替代單個(gè)電容器到接地。
鑒相器產(chǎn)生較高的UP脈沖和較低的UPB脈沖對(duì)環(huán)路濾波器138充電，提高VTUNE電壓，增加VCO的振蕩頻率。鑒相器的較高的DN脈沖和較低的DNB脈沖對(duì)環(huán)路濾波器138放電，降低VTUNE電壓并減慢VCO的振蕩頻率。當(dāng)空閑時(shí)段，例如在參考時(shí)鐘的兩個(gè)沿之間，UP，DN是低，UPB，DNB是高。在該空閑時(shí)段進(jìn)行校準(zhǔn)，通過(guò)連接中間節(jié)點(diǎn)與采樣電容122進(jìn)行源電流采樣，通過(guò)存儲(chǔ)需要的柵極電壓以使沉電流與源電流相匹配。在采樣電容122上的電壓是VSTORE，該電壓反饋到N溝道沉電流晶體管126的柵極來(lái)調(diào)整到地的電流。
電流源由串聯(lián)在電源和節(jié)點(diǎn)V1中間的P溝道晶體管102，106構(gòu)成。電流沉由N溝道晶體管124，126構(gòu)成，它們串聯(lián)在節(jié)點(diǎn)V2和地之間。
電流參考108與地之間形成一個(gè)參考電流，該參考電流使得電流流經(jīng)串聯(lián)到電源的P溝道晶體管100，104。P溝道晶體管104的漏端連結(jié)P溝道晶體管100，102的柵極，偏壓VBIAS1加在P溝道晶體管104，106的柵極。流經(jīng)晶體管102，106的電流相對(duì)恒定，且與輸出電壓V+無(wú)關(guān)。
電流沉N溝道晶體管124的柵極被VBIAS2偏置。采樣電壓VSTORE加在N溝道晶體管126的柵極，相當(dāng)于一個(gè)可調(diào)整電流沉。節(jié)點(diǎn)V2到地的電流就由VSTORE控制。校準(zhǔn)期間調(diào)整該電壓，從而提高通過(guò)P溝道晶體管102，106的電流。
電流是在兩個(gè)節(jié)點(diǎn)V1和V2之間被P溝道晶體管110，112和N溝道晶體管114，116切換。在UPB為較低脈沖時(shí)，輸出節(jié)點(diǎn)V+被充電電流穿過(guò)P溝道晶體管112驅(qū)動(dòng)到高電平，當(dāng)DN為較高脈沖時(shí)，放電電流穿過(guò)N溝道晶體管116，輸出節(jié)點(diǎn)V+則被驅(qū)動(dòng)到低電平。
當(dāng)UP是低時(shí)，電流從電流源晶體管102，106被轉(zhuǎn)向通過(guò)P溝道晶體管110到中間節(jié)點(diǎn)V-。當(dāng)DNB為高時(shí)，電流穿過(guò)N溝道晶體管114。
當(dāng)進(jìn)行校準(zhǔn)時(shí)，UP為低，同時(shí)DNB為高。在空閑時(shí)段，晶體管112，116關(guān)閉晶體管110，114打開(kāi)。電流由P溝道晶體管102，106構(gòu)成的電流源流到節(jié)點(diǎn)V1，然后通過(guò)空閑晶體管110，114到節(jié)點(diǎn)V2，然后再通過(guò)N溝道晶體管124，126構(gòu)成的電流沉。被采樣電容122保持的柵極電壓VSTORE調(diào)整通過(guò)晶體管126的向下的電流。
感測(cè)晶體管118，120的功能在電路中起開(kāi)關(guān)作用。當(dāng)感測(cè)晶體管118，120打開(kāi)時(shí)，它們采用二極管連接模式連接N溝道晶體管126，N溝道晶體管126的柵極VSTORE和漏端被連接在一起穿過(guò)晶體管118，120，114，124，相當(dāng)于一個(gè)理想電流源。采樣電容122的采樣電壓VSTORE對(duì)應(yīng)N溝道晶體管126流入采樣電流源的柵-源電壓。一個(gè)置于飽和區(qū)的CMOS晶體管的電流由它的柵源電壓和器件寬長(zhǎng)比決定。通過(guò)保持晶體管的柵源電壓，該晶體管提供采樣電流。
當(dāng)通過(guò)空閑晶體管110，114的電流流經(jīng)中間節(jié)點(diǎn)V-時(shí)，在空閑時(shí)段對(duì)流經(jīng)中間節(jié)點(diǎn)V-的P溝道晶體管106的電流進(jìn)行采樣。在空閑時(shí)段，同時(shí)打開(kāi)感測(cè)晶體管118，120，對(duì)節(jié)點(diǎn)V-的電流進(jìn)行采樣，晶體管118，120連接V-與采樣電容122。當(dāng)中間節(jié)點(diǎn)電壓V-高于VSTORE時(shí)，V-就向VSTORE充電，當(dāng)中間節(jié)點(diǎn)電壓V-低于VSTORE時(shí)，VSTORE就向V-放電。
N溝道感測(cè)晶體管118的柵極為UPB，在空閑時(shí)段該信號(hào)為高，信號(hào)DNB連接N溝道感測(cè)晶體管120的柵極，在空閑時(shí)段也為高。在上述空閑時(shí)段，采樣電容122的上方節(jié)點(diǎn)VSTORE被調(diào)準(zhǔn)到使流經(jīng)晶體管126的沉電流與進(jìn)入中間節(jié)點(diǎn)V-的電流一致。當(dāng)沉電流小于源電流，V-超過(guò)VSTORE，采樣電容122被充電使VSTORE提高，提高流經(jīng)晶體管126的電流，最終VSTORE低于中間節(jié)點(diǎn)電壓V-。當(dāng)沉電流比源電流大得多時(shí)，V-低于VSTORE，采樣電容122放電且VSTORE降低，穿過(guò)晶體管126的電流減少，最后中間節(jié)點(diǎn)電壓V-升高。由此采樣電容122的電壓VSTORE變化以配合反饋環(huán)路的電流。
圖5是一個(gè)采樣保持電荷泵工作的波形圖。參考時(shí)鐘REFCK和反饋時(shí)鐘FBCK通過(guò)一個(gè)鑒相器作比較。當(dāng)反饋時(shí)鐘太慢，F(xiàn)BCK的上升沿滯后于REFCK的上升沿。UP脈沖為高且UPB脈沖為低。這使電荷泵讓環(huán)路濾波器充電，升高VTUNE和增加VCO頻率，加快反饋時(shí)鐘。這是一個(gè)充電周期。
當(dāng)反饋時(shí)鐘太快時(shí)，F(xiàn)BCK的上升沿領(lǐng)先于REFCK的上升沿。DN脈沖為高且DNB脈沖為低。這引起電荷泵環(huán)路濾波器放電，VTUNE電壓降低且VCO頻率降低，反饋時(shí)鐘變慢。這是一個(gè)放電周期。
當(dāng)FBCK和REFCK的上升沿靠得很近時(shí)，UP和DN會(huì)是高脈沖。這是一個(gè)鎖相周期。相位校準(zhǔn)后充、放電流抵消。
當(dāng)UP和DN脈沖都不是高時(shí)，出現(xiàn)了一個(gè)空閑周期。這些空閑周期發(fā)生在參考時(shí)鐘上升沿之間，可用來(lái)進(jìn)行校準(zhǔn)。
在校準(zhǔn)周期，感測(cè)晶體管118，120都打開(kāi)，中間節(jié)點(diǎn)V-到采樣電容122連通。這導(dǎo)致晶體管126的柵極，漏極通過(guò)其他的晶體管連接。存儲(chǔ)電壓VSTORE是通過(guò)調(diào)整晶體管126的柵源電壓被調(diào)整以更好地使電流匹配。一旦UPB或DNB電壓下降，采樣就結(jié)束，電荷保留在采樣電容122中。這樣在空閑期間，P溝道晶體管102提供的采樣電流實(shí)現(xiàn)了電流沉的調(diào)整，以及所需匹配電流的VSTORE電壓向柵源電壓的收斂。
從波形上看所形成的UP或DN脈沖的時(shí)間長(zhǎng)度有不同，且沒(méi)有同樣的超前和滯后的周期，但該時(shí)間長(zhǎng)度可能是一個(gè)固定的時(shí)間。脈寬也可能和超前滯后時(shí)間成比例。例如在REFCLK的各個(gè)其它上升沿以后，或一個(gè)定時(shí)器或計(jì)數(shù)器到預(yù)計(jì)值之后，校準(zhǔn)頻率可以減小。這都可以編程實(shí)現(xiàn)。
業(yè)內(nèi)人士可以用其他變通方法實(shí)現(xiàn)本發(fā)明。例如，用相應(yīng)修改的UP/DOWN校準(zhǔn)控制可以對(duì)P和N溝道器件進(jìn)行倒換。電容器的另外一端連接到電源或者一個(gè)中間電壓或者一些其他電壓。電容可能是沉電流晶體管自身的寄生電容。UP和DOWN脈沖極性倒換作為輸入。也可以采用信號(hào)的倒置。器件的尺寸可變，隨工藝和電路革新。MOS晶體管以外的器件也可能被使用。還可以加入其它器件例如晶體管，電容器，或者電阻。例如，通過(guò)在采樣電容122旁加入一個(gè)串聯(lián)電阻器能夠調(diào)整R-C時(shí)間常數(shù)和反饋通路的響應(yīng)時(shí)間。
多種濾波器可以和電荷泵配合使用。一個(gè)采樣電容可能代替濾波器，或者更復(fù)雜的濾波器。所示的環(huán)路濾波器僅是用于驅(qū)動(dòng)VCO輸入的多種可用的濾波器之一。
實(shí)施例中并未給出電荷泵的所有工作模式。除了同時(shí)的空閑模式和鎖定模式，也可以使用單獨(dú)的空閑模式或者單獨(dú)的鎖定模式。除了使用兩個(gè)串聯(lián)晶體管采樣P溝道晶體管106的參考電流，也可以采用一個(gè)晶體管或者一個(gè)傳輸門(mén)。用一個(gè)與門(mén)產(chǎn)生一個(gè)門(mén)控制信號(hào)，或者，使用DeMorgan’s法則，把UPB，DNB作為輸入，用一個(gè)或非門(mén)產(chǎn)生另一個(gè)門(mén)控制信號(hào)。
當(dāng)輸出電壓稍做改變時(shí)，晶體管的級(jí)連(串聯(lián))幫助減少溝道長(zhǎng)度調(diào)制效應(yīng)，維持恒定電流。級(jí)連晶體管可以工作在飽和態(tài)在短時(shí)內(nèi)可以工作在線性區(qū)域。除了級(jí)連晶體管，也可采用單個(gè)晶體管。其他的技術(shù)也可以用于縮小溝道長(zhǎng)度調(diào)制效果。電流可能流向另一方向，因此源與沉(sink)的術(shù)語(yǔ)也可以倒換。
權(quán)利要求
1.電荷泵的組成電荷泵的充電輸入端，和放電輸入端；輸出端，包括一輸出電容，在充電輸入時(shí)，所述輸出電容充電，在放電輸入時(shí)，所述輸出電容放電；固定電流源，提供一個(gè)相對(duì)恒定的源電流給第一節(jié)點(diǎn)；可變電流源，提供一個(gè)變化源電流給第二節(jié)點(diǎn)，其中變化源電流的電流變化由控制電壓控制；第一驅(qū)動(dòng)晶體管，根據(jù)充電輸入，連接并控制在第一連接節(jié)點(diǎn)與輸出端之間的電流；第二驅(qū)動(dòng)晶體管，根據(jù)放電輸入，連接并控制在第二連接節(jié)點(diǎn)與輸出端之間的電流；第一串聯(lián)晶體管，根據(jù)充電輸入或其反相信號(hào)，連接并控制在第一連接節(jié)點(diǎn)與中間節(jié)點(diǎn)之間的電流；第二串聯(lián)晶體管，根據(jù)放電輸入或其反相信號(hào)，連接并控制在第二連接節(jié)點(diǎn)與中間節(jié)點(diǎn)之間的電流；采樣電容，用于存儲(chǔ)采樣電荷，為可變電流源提供控制電壓；采樣開(kāi)關(guān)，當(dāng)充電輸入和放電輸入為無(wú)效時(shí)，連接并控制中間節(jié)點(diǎn)和采樣電容之間的電流。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的電荷泵，其特征在于所述采樣開(kāi)關(guān)包含采樣晶體管和控制邏輯門(mén)；采樣晶體管在柵極接收邏輯輸出信號(hào)；所述邏輯門(mén)接收充電輸入信號(hào)和放電輸入信號(hào)或充電輸入信號(hào)和放電輸入信號(hào)的反相信號(hào)，并形成邏輯輸出信號(hào)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的電荷泵，其特征在于所述采樣開(kāi)關(guān)管包含串聯(lián)在中間節(jié)點(diǎn)和采樣電容控制節(jié)點(diǎn)之間的第一采樣晶體管和第二采樣晶體管；第一采樣晶體管在柵極接收充電輸入信號(hào)的反相信號(hào)；第二采樣晶體管在柵極接收放電輸入信號(hào)的反相信號(hào)。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的電荷泵，其特征在于所述第一采樣晶體管是N溝道晶體管；第二采樣晶體管也是N溝道晶體管。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的電荷泵，其特征在于所述第一驅(qū)動(dòng)晶體管是一個(gè)P溝道晶體管；所述第一串聯(lián)晶體管也是一個(gè)P溝道晶體管；第二驅(qū)動(dòng)晶體管是一個(gè)N溝道晶體管；第二串聯(lián)晶體管是一個(gè)N溝道晶體管。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的電荷泵，其特征在于所述充電輸入端施以低脈沖，以使輸出電容器充電；所述放電輸入端施以高脈沖，以使輸出電容器放電。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的電荷泵，其特征在于，進(jìn)一步包括一個(gè)環(huán)路濾波器，包括由電荷泵實(shí)現(xiàn)充、放電的輸出電容；一個(gè)鑒相器，接收反饋時(shí)鐘和參考時(shí)鐘，根據(jù)鑒相結(jié)果，產(chǎn)生充電輸入和放電輸入信號(hào)；一個(gè)壓控振蕩器，感應(yīng)輸出電容的輸出電壓，并產(chǎn)生頻率與輸出電壓相關(guān)的反饋時(shí)鐘。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的電荷泵，其特征在于鎖相環(huán)內(nèi)鑒相器的鑒相結(jié)果之間的空閑時(shí)段內(nèi)，充電輸入信號(hào)為高，放電輸入信號(hào)為低；在空閑時(shí)段內(nèi)，對(duì)中間節(jié)點(diǎn)進(jìn)行采樣。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的電荷泵，其特征在于當(dāng)鎖相環(huán)處于穩(wěn)態(tài)且反饋時(shí)鐘與參考時(shí)鐘的相位之間無(wú)相位差時(shí)的鎖相時(shí)段內(nèi)，充電輸入信號(hào)為低，放電輸入信號(hào)為高；在該鎖相時(shí)段，第一和第二驅(qū)動(dòng)晶體管均打開(kāi)。
10.根據(jù)權(quán)利要求3所述的電荷泵，其特征在于可變電流源包括第一沉電流晶體管，在其柵極接收第一偏置電壓；第二沉電流晶體管，在其柵極接收控制電壓；第一沉電流晶體管和第二沉電流晶體管串聯(lián)在第二連接節(jié)點(diǎn)和地之間。
11.根據(jù)權(quán)利要求10所述的電荷泵，其特征在于第一和第二沉電流晶體管是N溝道晶體管。
12.根據(jù)權(quán)利要求11所述的電荷泵，其特征在于，固定電流源包含第一源晶體管，在其柵極接收第二偏置電壓；第二源晶體管，在其柵極接收第三偏置電壓；第一源晶體管和第二源晶體管串聯(lián)在第一連接節(jié)點(diǎn)和電源之間。
13.根據(jù)權(quán)利要求12所述的電荷泵，其特征在于第一和第二源晶體管是P溝道晶體管。
14.根據(jù)權(quán)利要求13所述的電荷泵，其特征在于，所述電荷泵進(jìn)一步包括偏置產(chǎn)生器，產(chǎn)生第二偏置電壓，所述偏置產(chǎn)生器包括一個(gè)第一偏置晶體管，一個(gè)第二偏置晶體管，和一個(gè)參考電流源串聯(lián)在電源和地之間；第一偏置晶體管的柵極接收第二偏置電壓；第二偏置晶體管的柵極接收第三偏置電壓；第二偏置晶體管和參考電流源之間的節(jié)點(diǎn)產(chǎn)生第二偏置電壓。
15.根據(jù)權(quán)利要求14所述的電荷泵，其特征在于采樣電容連結(jié)在具有控制電壓的控制節(jié)點(diǎn)和地之間。
16.根據(jù)權(quán)利要求15所述的電荷泵，其特征在于第一驅(qū)動(dòng)晶體管和第一串聯(lián)晶體管具有相同的柵尺寸；第二驅(qū)動(dòng)晶體管和第二串聯(lián)晶體管具有相同的柵尺寸；由此串聯(lián)晶體管與驅(qū)動(dòng)晶體管匹配。
17.一個(gè)電流調(diào)整電荷泵，包含一個(gè)電流源，連接在電源和一個(gè)上連接節(jié)點(diǎn)之間；第一驅(qū)動(dòng)晶體管，包括一個(gè)由反相的充電信號(hào)驅(qū)動(dòng)的柵極，與上連接節(jié)點(diǎn)相連的源極，和與中間節(jié)點(diǎn)相連的漏極；第一串聯(lián)晶體管，包括有充電信號(hào)驅(qū)動(dòng)的柵極，與上連接節(jié)點(diǎn)相連的源極，以及與中間節(jié)點(diǎn)相連的漏極；第二驅(qū)動(dòng)晶體管，包括由放電信號(hào)驅(qū)動(dòng)的柵極，與下連接節(jié)點(diǎn)相連的源極，以及與輸出相連的漏極；第二串聯(lián)晶體管，包括由反相的放電信號(hào)驅(qū)動(dòng)的柵極，與下連接節(jié)點(diǎn)相連的源極，以及與中間節(jié)點(diǎn)相連的漏極；第一開(kāi)關(guān)晶體管，包括由反相的充電信號(hào)驅(qū)動(dòng)的柵極，與中間節(jié)點(diǎn)相連的漏極，以及與中間開(kāi)關(guān)節(jié)點(diǎn)相連的源極；第二開(kāi)關(guān)晶體管，包括由反相的放電信號(hào)驅(qū)動(dòng)的柵極，與中間開(kāi)關(guān)節(jié)點(diǎn)相連的漏極，與電荷存儲(chǔ)節(jié)點(diǎn)相連的源極；一個(gè)采樣電容，連接在電荷存儲(chǔ)節(jié)點(diǎn)和固定電壓之間；一個(gè)固定沉電流晶體管，包括由偏置電壓驅(qū)動(dòng)的柵極，與下連接節(jié)點(diǎn)相連的漏極，以及與中沉節(jié)點(diǎn)(mid-sink)相連的源極；可變沉電流晶體管，包括與電荷存儲(chǔ)節(jié)點(diǎn)相連的柵極，與中沉節(jié)點(diǎn)相連的漏極，以及與地相連的源極。
18.根據(jù)權(quán)利要求17所述的電流調(diào)整電荷泵，其特征在于第一串聯(lián)晶體管和第一驅(qū)動(dòng)晶體管是P溝道晶體管；第二串聯(lián)晶體管，第二驅(qū)動(dòng)晶體管，第一開(kāi)關(guān)晶體管，第二開(kāi)關(guān)晶體管，固定沉電流晶體管，和可變沉電流晶體管是N溝道晶體管。
19.一個(gè)精確電荷泵，當(dāng)對(duì)濾波電容器充放電時(shí)，輸出節(jié)點(diǎn)具有相匹配的充電和放電電流，所述精確電荷泵包括一個(gè)充電輸入信號(hào)為高時(shí)，對(duì)濾波電容器充電；一個(gè)充電輸入信號(hào)的反相信號(hào)為低時(shí)，對(duì)濾波電容器充電；一個(gè)放電輸入信號(hào)為高時(shí)，對(duì)濾波電容器放電；一個(gè)放電輸入信號(hào)的反相信號(hào)為低時(shí)，對(duì)濾波電容器放電；固定電流源裝置，產(chǎn)生一個(gè)固定電流到第一節(jié)點(diǎn)；可變電流源裝置，根據(jù)控制節(jié)點(diǎn)的控制電壓產(chǎn)生一個(gè)可調(diào)整電流到第二連接節(jié)點(diǎn)；第一驅(qū)動(dòng)晶體管裝置，響應(yīng)柵極的充電輸入信號(hào)的反相信號(hào)，以產(chǎn)生第一連接點(diǎn)到輸出節(jié)點(diǎn)的電流；第一串聯(lián)晶體管裝置，響應(yīng)柵極的充電輸入信號(hào)，以產(chǎn)生第一連接點(diǎn)到中間節(jié)點(diǎn)的電流；第二驅(qū)動(dòng)晶體管裝置，響應(yīng)柵極的放電輸入信號(hào)，以產(chǎn)生第二連接點(diǎn)到輸出節(jié)點(diǎn)的電流；第二串聯(lián)晶體管裝置，響應(yīng)柵極的放電輸入信號(hào)的反相信號(hào)，以產(chǎn)生第二連接點(diǎn)到中間節(jié)點(diǎn)的電流；采樣電容器裝置，用來(lái)存儲(chǔ)電荷以在控制節(jié)點(diǎn)產(chǎn)生控制電壓；采樣開(kāi)關(guān)裝置，當(dāng)充電輸入信號(hào)的反相信號(hào)和放電輸入信號(hào)的反相信號(hào)都為高時(shí)，對(duì)中間節(jié)點(diǎn)和控制節(jié)點(diǎn)之間進(jìn)行控制。
20.根據(jù)權(quán)利要求19所述的精確電荷泵，其特征在于所述采樣開(kāi)關(guān)裝置包括第一開(kāi)關(guān)晶體管裝置，響應(yīng)柵極的充電輸入信號(hào)的反相信號(hào)，以控制第一通道的電流；第二開(kāi)關(guān)晶體管裝置，響應(yīng)柵極的放電輸入信號(hào)的反相信號(hào)，以控制第二通道的電流；第一開(kāi)關(guān)晶體管和第二開(kāi)關(guān)晶體管串聯(lián)在中間節(jié)點(diǎn)和控制節(jié)點(diǎn)之間。
全文摘要
本電荷泵可產(chǎn)生精確匹配的充放電電流可用于鎖相環(huán)驅(qū)動(dòng)環(huán)路濾波器。一個(gè)可變電流沉電流晶體管通過(guò)它的柵源電壓調(diào)整來(lái)匹配從一個(gè)固定電流源來(lái)的一個(gè)源電流。一個(gè)中間節(jié)點(diǎn)在兩個(gè)串聯(lián)晶體管之間在電流源和沉之間被一個(gè)采樣晶體管采樣，連結(jié)中間節(jié)點(diǎn)到一個(gè)采樣電容器。采樣電容器的電壓就是可變電流沉電流晶體管的柵源電壓。當(dāng)電荷泵在校準(zhǔn)周期時(shí)可變電流沉電流晶體管的柵和漏通過(guò)采樣晶體管連通。當(dāng)沉電流與源電流匹配，存儲(chǔ)在采樣電容器中柵源電壓達(dá)到穩(wěn)態(tài)。驅(qū)動(dòng)晶體管中的充放電電流就與串聯(lián)晶體管一樣，電流完全相同。
文檔編號(hào)H03L7/06GK1747297SQ20051006889
公開(kāi)日2006年3月15日 申請(qǐng)日期2005年5月13日 優(yōu)先權(quán)日2004年8月27日
發(fā)明者張善鑾, 黃永基 申請(qǐng)人:百利通電子(上海)有限公司