專利名稱：用于在鎖相環(huán)內(nèi)的電容倍增的方法及裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及電容倍增，特別是指利用兩個(gè)充電泵的電容倍增。
技術(shù)背景各種各樣的電子電路應(yīng)用都涉及到集成電路(IC)的利用。例如，利用IC有助于能夠?qū)⒎浅４髷?shù)目的電路組件納入到一個(gè)非常小的區(qū)域中。當(dāng)實(shí)施一項(xiàng)特殊設(shè)計(jì)而需要涉及到晶體管及二極管等有源組件時(shí)，IC是特別有用的。例 如，利用現(xiàn)今的半導(dǎo)體技術(shù)，數(shù)億到甚至數(shù)十億的有源組件都可納入到單一IC中。然而，許多電路應(yīng)用也需要使用無源組件，例如，電阻器、電容器及電感 器。在某些應(yīng)用中，無源組件的形成可以是直接實(shí)施在半導(dǎo)體芯片本身之中。 然而，其它的應(yīng)用卻排除使用無源組件的半導(dǎo)體芯片實(shí)施方式，因?yàn)楣韫に嚨?電抗或電阻性密度無法支持所需的電抗或電阻大小。例如，現(xiàn)今硅工藝的最大電容密度是10飛母托(fempto)法拉每平方微米 (fF 2)的數(shù)量級(jí)。因此，利用半導(dǎo)體芯片內(nèi)的實(shí)際晶體管來實(shí)施10nF電容將 會(huì)需要1平方毫米(mm2)的半導(dǎo)體芯片面積，而由于過大的半導(dǎo)體面積的需求， 因此排除了其使用在許多應(yīng)用中的可能性。因此，許多電子設(shè)計(jì)都需要使用在 半導(dǎo)體芯片外部的離散的電容性構(gòu)件，從而可在不需要利用到半導(dǎo)體芯片面積 下實(shí)施較大的電容值。例如，其中一種此類的電子設(shè)計(jì)牽涉到所謂的"凈化"鎖相環(huán)(PLL)的使用。 凈化PLL被用來從一參考輸入時(shí)鐘過濾相位抖動(dòng)及相位噪聲。就其本身而言， 其環(huán)路帶寬必需是相當(dāng)小的，因而由于高頻噪聲所導(dǎo)致的相位變化可以實(shí)質(zhì)加 以移除。于是， 一大部分的半導(dǎo)體芯片面積是被環(huán)路濾波器電容所占用，因?yàn)?在環(huán)路帶寬以及環(huán)路濾波器欲達(dá)成所要的環(huán)路帶寬所需的電容值之間存在一 個(gè)反向關(guān)系。因此，電路設(shè)計(jì)者僅剩的選擇是使用大量的半導(dǎo)體芯片面積來實(shí)施環(huán)路濾 波器電容、或是使用 一個(gè)在半導(dǎo)體芯片外部的離散的電容組件來實(shí)施環(huán)路濾波 器電容。因此，持續(xù)開發(fā)能夠提供電路設(shè)計(jì)者在半導(dǎo)體芯片內(nèi)實(shí)施電容性構(gòu)件 的替代性選項(xiàng)的方法。此種方法應(yīng)該增加所產(chǎn)生的電容，同時(shí)最小化所使用的 半導(dǎo)體芯片面積。發(fā)明內(nèi)容為了克服在現(xiàn)有^t術(shù)中的限制，并且克服在閱讀及了解本說明書之后將會(huì) 變成明顯的其它限制，本發(fā)明的各種實(shí)施例揭示一種有效地倍增一個(gè)集成在一 個(gè)半導(dǎo)體芯片內(nèi)的電容器的電容大小的裝置及方法，同時(shí)最小化實(shí)現(xiàn)該電容器 所需的半導(dǎo)體面積。根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例， 一個(gè)鎖相環(huán)(PLL)包括一個(gè)被耦接以接收一參 考信號(hào)以及一 PLL輸出信號(hào)的偵測器，該偵測器適配于提供一指示在該參考 信號(hào)以及PLL輸出信號(hào)之間的差值的誤差信號(hào)。該P(yáng)LL進(jìn)一步包括一個(gè)被耦 接以接收該誤差信號(hào)并且適配于響應(yīng)該誤差信號(hào)以提供一第一電流信號(hào)的第 一充電泵。該P(yáng)LL進(jìn)一步包括一個(gè)被耦接以接收該第一電流信號(hào)的環(huán)路濾波 器。該環(huán)路濾波器包含一個(gè)電阻組件，該電阻組件具有一個(gè)耦接至該第一充電 泵的第一導(dǎo)體以及一個(gè)耦接至一個(gè)公共節(jié)點(diǎn)的第二導(dǎo)體； 一個(gè)電容組件，該電 容組件具有一個(gè)耦接至該公共節(jié)點(diǎn)的第一導(dǎo)體以及一個(gè)耦接至一參考電位的 第二導(dǎo)體；以及一個(gè)電流鏡，該電流鏡耦接至該公共節(jié)點(diǎn)并且適配于與該電容 器所傳導(dǎo)的電流大小成比例來傳導(dǎo)該第一電流信號(hào)的一個(gè)第一部分。該P(yáng)LL 進(jìn)一步包括一個(gè)被耦接至該公共節(jié)點(diǎn)并且耦接以接收該誤差信號(hào)的第二充電 泵。該第二充電泵適配于從該環(huán)路濾波器取出該第一電流信號(hào)的一個(gè)第二部 分。根據(jù)本發(fā)明的另一實(shí)施例， 一種電容倍增電路系包括一個(gè)適配于提供一電 流信號(hào)的第一充電泵以及一個(gè)電阻器，該電阻器具有一個(gè)耦接至該第一充電泵 的第一導(dǎo)體以及一個(gè)耦接至一個(gè)第一節(jié)點(diǎn)的第二導(dǎo)體。該電阻器適配于傳導(dǎo)該 電流信號(hào)至該第一節(jié)點(diǎn)。該電容倍增電路進(jìn)一步包括一個(gè)電容器，該電容器耦 接至該第一節(jié)點(diǎn)并且適配于從該第一節(jié)點(diǎn)傳導(dǎo)該電流信號(hào)的一個(gè)第一部分。該5電容倍增電路進(jìn)一步包括一個(gè)耦接至該第一節(jié)點(diǎn)并且適配于從該第一節(jié)點(diǎn)傳 導(dǎo)該電流信號(hào)的一個(gè)第二部分的電流鏡。該電流信號(hào)的第二部分在大小上與該 電流信號(hào)的第一部分成比例。該電容倍增電路進(jìn)一步包括一個(gè)耦接至該第一節(jié) 點(diǎn)并且適配于從該第一節(jié)點(diǎn)傳導(dǎo)該電流信號(hào)的一個(gè)第三部分的第二充電泵。該 電流信號(hào)的第二及第三部分被傳導(dǎo)以相對(duì)于由該電阻器所傳導(dǎo)的該電流信號(hào) 的大小來減少該電流信號(hào)的第 一部分的大小。根據(jù)本發(fā)明的另 一實(shí)施例， 一種操作一個(gè)鎖相環(huán)(PLL)的方法包括利用一 個(gè)第一充電泵來產(chǎn)生一電流信號(hào)，其中該電流信號(hào)指出一個(gè)由該P(yáng)LL測量到 的相位誤差。該方法進(jìn)一步包括通過一個(gè)電阻器來傳導(dǎo)該電流信號(hào)至該P(yáng)LL 的一個(gè)環(huán)路濾波器的一個(gè)公共節(jié)點(diǎn)，從該公共節(jié)點(diǎn)通過一個(gè)電容器來傳導(dǎo)該電 流信號(hào)的一個(gè)第一部分，從該公共節(jié)點(diǎn)通過一個(gè)電流鏡來傳導(dǎo)在比值上與該電 流信號(hào)的第一部分成比例的該電流信號(hào)的一個(gè)第二部分，以及利用一個(gè)第二充 電泵以從該公共節(jié)點(diǎn)傳導(dǎo)該電流信號(hào)的一個(gè)第三部分。該電流信號(hào)的該第一部 分的大小是相對(duì)于由該電阻器所傳導(dǎo)的電流信號(hào)的大小來減少，以在該電容器 的電容大小上產(chǎn)生有效的增加。


圖1為鎖相環(huán)(PLL)的一個(gè)范例的應(yīng)用；圖2為圖1的PLL的一個(gè)范例的框圖；圖3為圖2的PLL的環(huán)路濾波器的一個(gè)范例的框圖；圖4為圖3的電容倍增電路的一個(gè)范例的電路原理圖；圖5為一個(gè)電容倍增算法的一個(gè)范例的流程圖。
具體實(shí)施方式
下面結(jié)合附圖及元件符號(hào)對(duì)本發(fā)明的實(shí)施方式做更詳細(xì)的說明，從而使熟 悉所述項(xiàng)領(lǐng)域者在研讀本說明書后能據(jù)以實(shí)施。一般而言，本發(fā)明的各種實(shí)施例應(yīng)用到電容倍增技術(shù)。此種電容倍增技術(shù) 可通過離散組件的使用而被利用、或者相反的是這些電容倍增技術(shù)可在一個(gè)集 成電路(IC)之中被利用。在一個(gè)IC中利用電容倍增技術(shù)之所以吸引人是有許多原因的，不只是完全包含在一個(gè)單片硅芯片或IC的范圍內(nèi)實(shí)施相當(dāng)大的電 容值而已。例如，通過在一個(gè)IC內(nèi)電容倍增的使用，對(duì)于外部電容器的需求可被消除，因?yàn)橥ㄟ^電容倍增所達(dá)成的大電容值可能會(huì)大到足以排除對(duì)于外部 電容器的需求。電容倍增的應(yīng)用實(shí)際上是無限的。例如，在一個(gè)實(shí)施例中，電容倍增可以應(yīng)用在鎖相環(huán)(PLL)的環(huán)路濾波器中，該鎖相環(huán)(PLL)是被實(shí)施在一個(gè)單片硅芯 片之中。尤其，這些需要相當(dāng)小的環(huán)路帶寬的PLL都可以利用電容倍增來在 該單片硅芯片之中實(shí)現(xiàn)一有效的電容，該電容大到足以符合環(huán)路帶寬的要求。所述產(chǎn)生的PLL于是可被利用來促進(jìn)任何需要PLL動(dòng)作的通訊協(xié)議，例 如，以通訊系統(tǒng)100為例。通訊系統(tǒng)100是利用集成電路(IC)102以進(jìn)行和外 部的通訊設(shè)備(未顯示)的串行通訊。在一個(gè)實(shí)施例中，IC102可代表一個(gè)可編 程的邏輯組件(PLD)，例如，現(xiàn)場可編程的門陣列(FPGA),通過可配置的邏輯 部分(即構(gòu)造104)以及配置模塊110的相關(guān)處理器所支持的功能被用來實(shí)施支 持各種通訊協(xié)議的通訊堆棧124及126。在此種配置下，從FPGA構(gòu)造104向外的數(shù)據(jù)幀可以從例如是通訊堆棧 124的應(yīng)用層經(jīng)由通訊路徑114而傳遞至物理層。類似地，進(jìn)入FPGA構(gòu)造104 的數(shù)據(jù)幀可以從例如是通訊堆棧126的物理層經(jīng)由通訊路徑122而傳遞至應(yīng)用 層。例如，由通訊系統(tǒng)IOO所實(shí)施的特定通訊協(xié)議可以是千兆以太網(wǎng)，該物理 (PHY)層是利用數(shù)千兆的收發(fā)器(MGT)112的物理媒體附加(PMA)及物理編碼 子層(PCS)所實(shí)施的。例如，與該P(yáng)MA功能一起內(nèi)含的是MGT 112的并串轉(zhuǎn)換器/串并轉(zhuǎn)換器 (SERDES)、傳輸線驅(qū)動(dòng)器、接收器的輸入放大器、時(shí)鐘產(chǎn)生以及時(shí)鐘與數(shù)據(jù) 恢復(fù)(CDR)部分(未顯示)。另 一方面，與該P(yáng)CS功能一起內(nèi)含的是編碼/譯碼功能，其中可以是犯/1 OB 或64B/66B的編碼/譯碼被執(zhí)行。該P(yáng)CS功能也可以執(zhí)行加擾/解擾的功能并且 支持信道綁定和時(shí)鐘校正的彈性緩沖。支持FPGA構(gòu)造104及MGT 112的配 置及/或部分的重新配置的是配置模塊110,該配置模塊IIO可以提供一個(gè)在板 的微處理器以進(jìn)一步使得通訊協(xié)議支持以及PMA/PCS參數(shù)控制成為可行的。在一個(gè)替代的實(shí)施例中，通訊系統(tǒng)100可代表一個(gè)同步的光網(wǎng)絡(luò)(SONET) 的光傳輸系統(tǒng)。就其本身而論，發(fā)送器106的輸出必須符合抖動(dòng)產(chǎn)生要求以達(dá) 成高質(zhì)量的光傳輸。然而，如果參考時(shí)鐘118提供一過度有噪聲的輸出，則為 了衰減在參考時(shí)鐘118的輸出上的抖動(dòng)，凈化PLL116可能是必要的，以便于 符合在發(fā)送器106的輸出處的抖動(dòng)產(chǎn)生規(guī)范。應(yīng)注意到的是，可利用單一PLL 在MGT 112的發(fā)送器106及接收器108。參考圖2,可被利用以實(shí)施圖1的PLL 116的一個(gè)第三階類型II的PLL 的一個(gè)范例的框圖被描述。PLL 116的實(shí)施可以完全內(nèi)含在一個(gè)單片硅芯片中，以下更詳細(xì)討論的，電流信號(hào)216及電流信號(hào)218對(duì)于內(nèi)含在環(huán)路濾波器210 中的環(huán)路濾波器電容(未顯示)的可編程的倍增提供一個(gè)額外的自由度。就其本 身而言，在該單片硅芯片中所實(shí)施的實(shí)際環(huán)路濾波器電容可被建構(gòu)以使得所需 的半導(dǎo)體面積量最小化。再者，電容倍增可被利用以增大所實(shí)施的實(shí)際電容， 以產(chǎn)生一個(gè)符合該P(yáng)LL的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)的有效電容。PLL 116的一個(gè)例證是一個(gè)充電泵為基礎(chǔ)的PLL(CPLL), CPLL是一種吸 引人的PLL設(shè)計(jì)實(shí)施，其通過解耦各種的設(shè)計(jì)參數(shù)，例如，環(huán)路帶寬、阻尼 因子以及鎖定范圍來促進(jìn)彈性設(shè)計(jì)的平衡。例如，CPLL116是由相位/頻率偵 測器204、充電泵#1 206、充電泵#2 208、環(huán)路濾波器210、壓控振蕩器(VCO)212 以及選擇配制的分頻器214所組成，該分頻器214可被利用在需要時(shí)鐘倍增的 PLL應(yīng)用中。時(shí)鐘倍增可能是必要的，例如，當(dāng)VCO 212的輸出頻率是運(yùn)作在5千兆 赫(GHz)的范圍中，但是參考振蕩器202可能只是運(yùn)作在156.25兆赫(MHz)的 頻率。在這一例子中，32倍的時(shí)鐘倍增是通過反饋分頻的使用而被實(shí)施，使 得由參考振蕩器202所提供的156.25Mhz參考信號(hào)fREF可以在相位及頻率上 比作為VCO 212的5GHz輸出。就其本身而論，該反饋頻率fFEEDBACK可 根據(jù)方程式(l)而被產(chǎn)生<formula>formula see original document page 8</formula>其中fVCO是VC0 212的輸出頻率，而M是由分頻器214所提供的整數(shù) 除數(shù)。在此例中，M可被設(shè)為32,因?yàn)?GHz/32-156.25Mhz(等于該參考頻率fREF)。在動(dòng)作中，相位/頻率偵測器204供應(yīng)兩對(duì)數(shù)字信號(hào)(例如，UP及DN)以 及互補(bǔ)信號(hào)(例如，/UP及/DN),其對(duì)應(yīng)于在fREF以及fFEEDBACK之間的相 位/頻率誤差。例如，若分頻器214的輸出的相位/頻率落后信號(hào)fREF,則信號(hào) UP的脈沖寬度可增加，并且信號(hào)DN的脈沖寬度可減少，以使得VC0 212的 相位/頻率在相位/頻率上超前。相反地，若分頻器214的輸出的相位/頻率相對(duì) 于信號(hào)fREF是超前的，則信號(hào)UP的脈沖寬度可減少，并且信號(hào)DN的脈沖 寬度可增加，以使得VC0 212的相位/頻率在相位/頻率上延遲。充電泵206及208是通過響應(yīng)于該相位/頻率誤差信號(hào)以產(chǎn)生電流信號(hào)216 1216以及電流信號(hào)218 1218,來對(duì)該相位/頻率誤差信號(hào)做出反應(yīng)。例如，若 信號(hào)UP的脈沖寬度增加，則電流信號(hào)216及218的大小也可增加。相反地， 若信號(hào)DN的脈沖寬度減少，則電流信號(hào)216及218的大小也可減少。應(yīng)注意 到的是，電流信號(hào)1216及1218的符號(hào)在極性上是相反的，使得對(duì)于一個(gè)上升 脈沖而言，1216流入環(huán)路濾波器210，同時(shí)1218從環(huán)i 各濾波器210流出。反 之，對(duì)于一個(gè)下降脈沖而言也是成立的，使得電流1216流出環(huán)路濾波器210, 同時(shí)1218流入環(huán)路濾波器210。電流信號(hào)1216及1218接著通過環(huán)路濾波器210 ^皮轉(zhuǎn)換成為一誤差電壓 VERROR，該誤差電壓VERROR接著被供應(yīng)至VCO 212以設(shè)定VCO 212的 輸出頻率fVCO。通過負(fù)反饋，在fREF與fFEEDBACK之間的相位/頻率誤差 是通過CPLL 116的動(dòng)作而被強(qiáng)迫實(shí)質(zhì)為零。通過改變該除數(shù)M的值，輸出頻 率fVCO可被編程來運(yùn)作在特定的應(yīng)用所需的一或多個(gè)十倍頻率的一個(gè)頻率 范圍上，同時(shí)維持和參考頻率fREF的頻率/相位相干性?，F(xiàn)在參考圖3，環(huán)路濾波器210的一個(gè)范例的電路原理圖被描述。環(huán)路濾 波器210是因?yàn)榉糯笃?12的動(dòng)作而被說成是有源環(huán)路濾波器；如同在以下更 詳細(xì)討論的，該放大器312提供選擇性的噪聲濾波功能。放大器312實(shí)際上亦 通過其高輸入阻抗來確保充電泵#1 206的輸出電流信號(hào)1216的大小完全由電 阻器310傳導(dǎo)。當(dāng)充電泵#2 208的輸出電流1218的大小接近充電泵#1 206的 輸出電流I216的大小時(shí)，此條件變成是重要的。然而，在一個(gè)替代的實(shí)施例 中，若在沒有放大器312之下，由電阻器314及電容器316所呈現(xiàn)的阻抗被做成是大到足以實(shí)質(zhì)保證實(shí)際所有的電流1218都通過電阻器310傳導(dǎo)時(shí)，則放 大器312可被移除。在一個(gè)替代的實(shí)施例中，若放大器312被移除，則電阻器 314也可^皮移除。電容倍增電路302被釆用來放大電容器306的電容大小，以產(chǎn)生一有效的 電容C，306,該電容C，306大于電容器306 C306的實(shí)際電容值。尤其，電流 308促成第一電容倍增器，電容器306的電容大小被放大一個(gè)因子(1+(3LF), 該因子(1+PLF)是電流鏡308的可編程的電流增益。因此，由電流鏡308傳導(dǎo) 的電流是由電容器306傳導(dǎo)的電流1306的一個(gè)倍數(shù)。電容倍增是如下所述地在節(jié)點(diǎn)320處被達(dá)成。在節(jié)點(diǎn)320處的有效阻抗是 與輸入到節(jié)點(diǎn)320的電流(即電流I216)的量成反比。若在節(jié)點(diǎn)320處的電壓維 持固定，流入節(jié)點(diǎn)320的電流量增加時(shí)，則在節(jié)點(diǎn)320處的阻抗凈皮有效降低。 由于在節(jié)點(diǎn)320處的阻抗是電容性的，所以有效的電容必須因而增加，這是因 為電容器306的阻抗與其電容成反比。除了由充電泵#2 208傳導(dǎo)的電流的符號(hào)相對(duì)于電流1216為負(fù)的之外，充 電泵#2 208提供一個(gè)類似的電容倍增器。因此，在此例中，電容器306的電容 被放大一個(gè)成比例于1/(l-pCP)的因子，其中卩CP是一個(gè)大于或等于0，但小 于1的可編程的值。因此，卩LF及pCP代表第一及第二電容放大因子，其結(jié) 合以產(chǎn)生一個(gè)可通過方程式(2)力。以描述的電容倍增器<formula>formula see original document page 10</formula>(2)由于PCP小于1,所以分母項(xiàng)l-(3CP變成該1+|3LF分子項(xiàng)的一個(gè)倍增器， 其在電容C306被倍增以產(chǎn)生有效的電容C，306時(shí)，提供一個(gè)平方的效果。類似地，電容C316可通過選配的電流鏡318的動(dòng)作而被倍增該放大因子 (l+(3LF)，以產(chǎn)生如方程式(3)中所表示的用于電容器316的電容倍增器C;16=C316(1 + AF) (3)因此，環(huán)路濾波器210的有效阻抗可由方程式(4)而得<formula>formula see original document page 10</formula>其中1，306= 310*(:，306, t，316=R314*C，316, A是放大器312的增益， R310是電阻器310的電阻大小，并且R314是電阻器314的電阻大小。為了維持穩(wěn)定性(例如，至少一個(gè)60。相位裕度)，時(shí)間常數(shù)t，306應(yīng)該至少 是比t，316大16倍，此隱含假設(shè)R310等于R314時(shí)，C，306應(yīng)該是比C，316 大16倍。通過取C，306對(duì)C，316的比值，可得C' C 1^306 = *^306 *1 (5)C316 C3I61 -々C/J給出卩CP的一個(gè)實(shí)際最大值可被設(shè)定為例如是0.9,則方程式(5)的電容比 值是遠(yuǎn)大于16，因?yàn)樵诖蠖鄶?shù)實(shí)際的實(shí)施例中，C306是遠(yuǎn)大于C316。因此， 電容器C316利用電流鏡318的電容倍增可能不是必要的，因而在這些實(shí)施例 中，電流鏡318可被移除。通過設(shè)定卩CP為例如是0.9，并且通過假設(shè)C，306的最大值為例如是10 納法拉(nF)，則方程式(2)可被運(yùn)用來找出C306的實(shí)際電容值，即如方程式(6) 中所得。C306 =^^~~ (6)因此，通過設(shè)定(3LF為例如是20，可得到47.62pF的C306的實(shí)際電容值。由于環(huán)路濾波器210可被實(shí)施為一個(gè)差動(dòng)環(huán)路濾波器，所以95.24pF的總電容大小可能需要兩個(gè)電容器。假設(shè)10fF/|ii2的電容密度，則兩個(gè)10nF電容器所需的總硅面積是由方程式(7)而得面積=C誦i = 95.2" (7) 10 其得到0.009524 mm2。換言之，98iux98^i的半導(dǎo)體芯片面積是利用兩個(gè)實(shí) 際做成的電容器47.62pF(例如，C306)來實(shí)施兩個(gè)10nF有效倍增的電容器(例 如，C，306)所需的。在沒有該電容倍增因子(1+(3LF)/(1-PCP)之下，將會(huì)花費(fèi)2 平方毫米(mm2)的半導(dǎo)體芯片面積來實(shí)施兩個(gè)10nF電容器。亦應(yīng)該注意到的 是，電阻器310及314可利用晶體管而被實(shí)施，以進(jìn)一步減少環(huán)路濾波器210所需的半導(dǎo)體芯片面積。凈化PLL的一項(xiàng)主要功能是從一個(gè)有噪聲的參考時(shí)鐘或參考振蕩器過濾噪聲。大致來說，CPLL有兩個(gè)主要的噪聲來源參考噪聲以及VCO噪聲。 首先檢視CPLL 116的參考噪聲的噪聲轉(zhuǎn)換函數(shù)，得到①艦 i + t^ i + t; l + r"其中Gfwd是從相位/頻率偵測器204至PLL輸出的正向增益，M是分頻 器214的除數(shù)，T是該正向增益Gfwd與逆向增益Grev的乘積，并且A是放 大器312的增益。該逆向增益Grev被定義為從該P(yáng)LL輸出至相位/頻率偵測器 204的輸入的增益。在0Hz的頻率或DC之下，方程式(8)的參考噪聲轉(zhuǎn)換函數(shù)的值等于M, 而在非常高頻之下，方程式(8)的參考噪聲轉(zhuǎn)換函數(shù)的值等于0。因此，假設(shè)所 有其它的環(huán)路構(gòu)件保持固定的，該參考噪聲轉(zhuǎn)換函數(shù)的頻率響應(yīng)是低通的，并角頻率。應(yīng)該注意的是，當(dāng)調(diào)整放大器312的增益A時(shí)，該環(huán)路電阻(電阻器310 及314)的值應(yīng)該與該增益的平方根成反比來加以放大，即如由方程式(9)所述以維持穩(wěn)定性。例如，若放大器312的增益A增加到100，則電阻器310 及314的電阻值的大小應(yīng)該縮小1/10。相反地，若放大器312的增益A從100 減小至1，則電阻器310及314的電阻值的大小應(yīng)該增加IO倍。該參考噪聲轉(zhuǎn)換函數(shù)的3-dB轉(zhuǎn)角頻率是如下可得，/c 二丄x7216《。.(^。 (10) 其中KVCO是該VCO增益。例如，當(dāng)相較于利用A=100的增益設(shè)定時(shí)的參考噪聲轉(zhuǎn)換函數(shù)的3-dB轉(zhuǎn) 角頻率，通過在方程式(8)中設(shè)定A4，該參考噪聲轉(zhuǎn)換函數(shù)的3-dB轉(zhuǎn)角頻率 減少10倍。因此，整體參考噪聲在CPLL 116的輸出處的貢獻(xiàn)是通過在環(huán)路 濾波器210中的放大器312的增益的降低而被降低。該VCO噪聲轉(zhuǎn)換函數(shù)是由方程式(ll)而得<formula>formula see original document page 13</formula>其值在OHz處是等于O,而在非常高頻處是等于1。因此，該VCO噪聲 轉(zhuǎn)換函數(shù)的頻率響應(yīng)是高通的，其中該3-dB轉(zhuǎn)角頻率是通過該環(huán)路增益T所 界定，且通過放大器312的增益A所放大。當(dāng)放大器312的增益A增加100時(shí)，方程式(ll)的VCO噪聲轉(zhuǎn)換函數(shù)的 3-dB轉(zhuǎn)角頻率增加IO倍。然而，由于該VCO噪聲轉(zhuǎn)換函數(shù)的頻率響應(yīng)是高 通的，因此整體VCO噪聲在CPLL 116的輸出處的貢獻(xiàn)是通過在環(huán)路濾波器 210中的放大器312的增益的增加而減少。相反地，整體VCO噪聲在CPLL 116 的輸出處的貢獻(xiàn)是通過在環(huán)路濾波器210中的放大器312的增益的減少而增 加。因此，通過方程式(8)及(11)，通過在環(huán)路濾波器210中使用放大器312而 帶來一個(gè)額外的自由度，以最佳化該CPLL噪聲效能。在一方面，若參考噪聲 是一項(xiàng)顧慮時(shí)，則放大器312的增益A可被降低，因而參考噪聲在CPLL116 的輸出處的貢獻(xiàn)可被降低。在另一方面，若VCO噪聲是一項(xiàng)顧慮，則放大器 312的增益A可被增加，因而VCO噪聲在CPLL 116的輸出處的貢獻(xiàn)可被降 低。此外，放大器312的使用可提供將一個(gè)DC偏置帶入圖2的VCO 212的 輸入的功能。尤其，充電泵206及208的DC操作范圍可能不匹配VCO 212 的DC操作范圍。就其本身而論，放大器312可被利用來不僅提供可變的增益 A，而且提供一個(gè)可變的DC偏置，該可變的DC偏置可被利用來將充電泵206、 208的DC動(dòng)作范圍與VCO 212的DC操作范圍匹配?，F(xiàn)在參考圖4，電容倍增電路302的一個(gè)范例的電路原理圖被描述。如上 所論述，電容倍增電路302利用充電泵#1 206、充電泵#2 208以及電流鏡308, 以根據(jù)方程式(2)來放大電容器306的實(shí)際電容值。該第一電流倍增因子卩LF的選擇可以通過如圖4中所舉例的電流鏡308 的動(dòng)作的解說來加以說明。電容器306與晶體管428串聯(lián)耦接，此需要電容器 306所傳導(dǎo)的電流1306亦被晶體管434所傳導(dǎo)。晶體管428的柵源電位VGS 通過電流源420以及連接成二極管的晶體管414的動(dòng)作而被保持為實(shí)質(zhì)固定的。因此，通過晶體管434傳導(dǎo)的電流必須隨著電流1306上的任何增加而減 少。由于連接成二極管的晶體管434的柵極與漏極端子是耦接至晶體管410 的柵極端子，所以在通過晶體管434的電流上的減少會(huì)造成在通過晶體管410 的漏極電流上的減少。然而，通過晶體管424所傳導(dǎo)的電流被保持為實(shí)質(zhì)固定 的，因?yàn)榫w管424的VGS是通過電流源420以及連接成二極管的晶體管414 的動(dòng)作而被保持為實(shí)質(zhì)固定的。因此，響應(yīng)于在通過晶體管410所傳導(dǎo)的電流上的減少，電流pLFI306必 須增加以補(bǔ)充晶體管424所需的電流。在電流PLFI306上的增加量是通過電流 鏡308的電流增益所決定。尤其，通過晶體管410所傳導(dǎo)的電流是幾何上成比 例于通過晶體管434所傳導(dǎo)的電流。例如，若晶體管410的信道寬度是大于晶 體管434的信道寬度N倍，則晶體管410所傳導(dǎo)的電流大小是晶體管434所 傳導(dǎo)的電流大小的N倍。因此，通過電容器306所傳導(dǎo)的電流1306與電流 PLFI306的關(guān)系是該倍增因子N，使得該第一倍增因子卩LF等于N?，F(xiàn)在參考充電泵#2 208的動(dòng)作的解說，此有助于該第二倍增因子(3CP的 推導(dǎo)。大致而言，充電泵#2 208相同于充電泵#1 206,除了這些對(duì)應(yīng)于在fREF 與fFEEDBACK之間的相位/頻率誤差的數(shù)字信號(hào)，例如，UP與DN以及其互 補(bǔ)信號(hào)，例如，/UP與/DN是相反的之外。換言之，用于充電泵#2208的電流 控制信號(hào)是分別相關(guān)用于充電泵#1 206的電流控制信號(hào)來加以切換，以便于達(dá) 成在電流信號(hào)1218與1216之間的符號(hào)差異。在動(dòng)作中，電流控制信號(hào)UP是運(yùn)作以增加通過晶體管406及電流源418 所傳導(dǎo)的電流信號(hào)1218的大小，而電流控制信號(hào)/UP是運(yùn)作以減少由晶體管 408所傳導(dǎo)的電流大小。因此，由電流源418所產(chǎn)生的電流是在晶體管406及 晶體管408之間共享，并且電流1218是從公共節(jié)點(diǎn)320取出。應(yīng)該注意的是，電流信號(hào)1218的大小可增加至一個(gè)等于由電流源418所 傳導(dǎo)的電流的最大值。通過調(diào)整電流源418的大小為成比例于電流信號(hào)1216， 例如，對(duì)于所有的1216值而言為等于1216的90%,則可對(duì)于如方程式(2)中的 PCP預(yù)設(shè)0.9的上限。類似地，電流控制信號(hào)DN及/DN是運(yùn)作以增加被"供應(yīng)，，到公共節(jié)點(diǎn)320中的電流I218的大小。當(dāng)/DN是在邏輯低并且DN是在邏輯高時(shí)，所有來自 電流源416的電流1416都流入共模節(jié)點(diǎn)320。或者是，當(dāng)DN是在邏輯低并且 /DN是在邏輯高時(shí)，沒有電流I416流入公共節(jié)點(diǎn)320。同樣應(yīng)該注意的是，電流信號(hào)1218的大小可降低至最小值0。電流信號(hào) 1218的大小可通過將信號(hào)/DN宣告(asserting)為邏輯高的值并且將信號(hào)UP解除 宣告(deasserting)為邏輯低的值而達(dá)成0安培的值?；蛘呤牵?218的大小可通 過彼此匹配電流源416及418,并且即如在該P(yáng)LL鎖定情況期間的情形，通過 脈沖(pulsing)信號(hào)/DN至邏輯低的值，同時(shí)脈沖(pulsing)信號(hào)UP至邏輯高的值 一段相同的持續(xù)期間而被做成0。現(xiàn)在參考圖5， 一種用于倍增電容的范例的方法的流程圖是參考圖4而被 說明。在步驟502中， 一個(gè)第一充電泵被利用來產(chǎn)生一將如同在步驟504中通 過一個(gè)RC網(wǎng)絡(luò)的一個(gè)電阻組件(例如，電阻器310)傳導(dǎo)的電流信號(hào)(例如， 1216)。步驟506中，在被電容器306傳導(dǎo)之前，由電阻器310所傳導(dǎo)的電流 信號(hào)1216在節(jié)點(diǎn)320處被分成個(gè)別的路徑。步驟508中，第一電流路徑被產(chǎn)生來使得電流信號(hào)1216的一部分是通過 電容器306而從節(jié)點(diǎn)320被傳導(dǎo)。步驟510中， 一個(gè)來自節(jié)點(diǎn)320的第二電流 路徑是通過鏡射電容器306所傳導(dǎo)的電流而被產(chǎn)生。該第二電流路徑傳導(dǎo)一個(gè) 成比例于電容器306所傳導(dǎo)的電流量的電流大小。尤其，通過該第二電流路徑 所傳導(dǎo)的電流量是等于電流信號(hào)1306與電流鏡308的電流增益(例如，卩LF)的 乘積。步驟512中， 一個(gè)第三電流路徑被產(chǎn)生，電流信號(hào)1218被產(chǎn)生為具有 一個(gè)相較于電流信號(hào)I216為相反的符號(hào)。此外，電流信號(hào)I218的大小是分?jǐn)?shù) 成比例于電流信號(hào)1216的大小，使得電流信號(hào)1218的大小可被編程在0與 0.9*1216之間的范例范圍。因此，方程式(2)的卩CP可具有在例如是O與0.9之 間的值。卩CP的值可被編程為接近l,但是如上相關(guān)于方程式(5)所論述的，大 于0.9的值可能是不必要的，并且也可能由于匹配及前饋穩(wěn)定性的限制而為不 切實(shí)際的。以上所述僅為用以解釋本發(fā)明的較佳實(shí)施例，并非企圖據(jù)以對(duì)本發(fā)明做任 何形式上的限制，所以，凡有在相同的精神下所作有關(guān)的任何修飾或變更，都 應(yīng)包括在本發(fā)明意圖保護(hù)的范疇內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種電容倍增電路，其特征在于，包括一個(gè)適配于提供一電流信號(hào)的第一充電泵；一個(gè)具有一耦接至該第一充電泵的第一導(dǎo)體以及一耦接至一第一節(jié)點(diǎn)的第二導(dǎo)體的電阻器，該電阻器適配于傳導(dǎo)該電流信號(hào)至該第一節(jié)點(diǎn)；一個(gè)耦接至該第一節(jié)點(diǎn)并且適配于從該第一節(jié)點(diǎn)傳導(dǎo)該電流信號(hào)的一個(gè)第一部分的電容器；一個(gè)耦接至該第一節(jié)點(diǎn)并且適配于從該第一節(jié)點(diǎn)傳導(dǎo)該電流信號(hào)的一個(gè)第二部分的電流鏡，該電流信號(hào)的第二部分在大小上是成比例于該電流信號(hào)的第一部分；以及一個(gè)耦接至該第一節(jié)點(diǎn)并且適配于從該第一節(jié)點(diǎn)傳導(dǎo)該電流信號(hào)的一個(gè)第三部分的第二充電泵，該電流信號(hào)的第二及第三部分是被傳導(dǎo)以相對(duì)于該電阻器所傳導(dǎo)的電流信號(hào)的大小來減少該電流信號(hào)的第一部分的大小。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的電容倍增電路，其特征在于，該電流鏡包括 一個(gè)具有一耦接至該第一節(jié)點(diǎn)的第一導(dǎo)體以及一耦接至一個(gè)第二節(jié)點(diǎn)的控制端子的第一晶體管；一個(gè)具有一耦接至該第一節(jié)點(diǎn)的第一導(dǎo)體以及一耦接至一個(gè)第三節(jié)點(diǎn)的 控制端子的第二晶體管；以及一個(gè)具有一耦接至該第二節(jié)點(diǎn)的第一導(dǎo)體以及一耦接至該第三節(jié)點(diǎn)的控 制端子的第三晶體管，其中該第三晶體管是幾何上成比例于該第二晶體管。
3. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的電容倍增電路，其特征在于該電流鏡進(jìn)一步包括一個(gè)具有一第 一導(dǎo)體以及一耦接至該第二節(jié)點(diǎn)的控 制端子的第四晶體管，其中該第四晶體管是幾何上成比例于該第一晶體管。
4. 根據(jù)權(quán)利要求3所述的電容倍增電路，其特征在于 該電流鏡進(jìn)一步包括一個(gè)具有一第一導(dǎo)體以及一耦接至該第三節(jié)點(diǎn)的控制端子的第五晶體管。
5. 根據(jù)權(quán)利要求4所述的電容倍增電路，其特征在于 該電流鏡進(jìn)一 步包括一個(gè)耦接至該第三節(jié)點(diǎn)的電流源。
6. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的電容倍增電路，其特征在于，該第二充電泵包括一個(gè)具有一耦接至該第一節(jié)點(diǎn)的第一導(dǎo)體以及一耦接以接收一電流控制 信號(hào)的控制端子的第六晶體管；以及一個(gè)具有一耦接至該第 一節(jié)點(diǎn)的第 一導(dǎo)體以及一耦接以接收該電流控制 信號(hào)的控制端子的第七晶體管。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的電容倍增電路，其特征在于，該第二充電泵進(jìn) 一步包括一個(gè)具有一耦接至該第六晶體管的一個(gè)第二導(dǎo)體的第一導(dǎo)體的第八晶體 管；以及一個(gè)具有一耦接至該第七晶體管的一個(gè)第二導(dǎo)體的第一導(dǎo)體的第九晶體管。
全文摘要
一種利用兩個(gè)充電泵的電容倍增的方法及裝置。一個(gè)第一充電泵提供一電流信號(hào)，該電流信號(hào)首先通過一個(gè)RC網(wǎng)絡(luò)的一個(gè)電阻器來傳導(dǎo)，并且接著在通過該RC網(wǎng)絡(luò)的一個(gè)電容器傳導(dǎo)之前分成三個(gè)電流路徑。一個(gè)第一電流路徑是從節(jié)點(diǎn)提供電流至該RC網(wǎng)絡(luò)的電容器。一個(gè)第二電流路徑放大由電容器所傳導(dǎo)的電流一個(gè)第一電流倍增因子。一個(gè)第三電流路徑提供電流至一個(gè)第二充電泵，該第二充電泵放大來自該第一充電泵的電流一個(gè)第二電流倍增因子，該第二電流倍增因子具有一個(gè)相對(duì)于該第一電流倍增因子為相反的大小符號(hào)的分?jǐn)?shù)值。該第二及第三電流路徑的組合有效放大電容器的電容大小。
文檔編號(hào)H03H11/40GK101326721SQ200680046717
公開日2008年12月17日 申請(qǐng)日期2006年12月6日 優(yōu)先權(quán)日2005年12月12日
發(fā)明者厄爾·E.·史瓦特蘭德, 摩希斯·E.·羅賓斯, 瑪旺·M.·哈梭恩 申請(qǐng)人:吉林克斯公司