專利名稱：用于鎖相回路具有快速開關反應速度的串級耦合電荷泵的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種應用于鎖相回路的電荷泵，特別是涉及一種在導通及 轉為不導通時具有快速響應時間的電荷泵。
背景技術：
在應用鎖相回路以產(chǎn)生一特定頻率時，電荷泵扮演一重要的角色。通常相位頻率檢測器(phase and frequency detector， PFD)是以基頻訊號 (reference frequency signals) 以及電壓控制震蕩器(voltage controlled oscillator, VC0)所產(chǎn)生的分頻訊號(divided frequency signals)作為輸入訊號，當基頻訊號的相位領先分頻訊號的相位時，相位 頻率檢測器會輸出一上行(UP)訊號。反之，當分頻訊號的相位領先基頻訊 號的相位時，相位頻率檢測器則輸出 一 下行(DOWN)訊號。這些上行及下行訊號接著被傳送至電荷泵的控制開關，電荷泵則于接 收到上行訊號時，扮演電流來源的角色以將電流傳送至低通濾波器(low pass filter);于接收到下行訊號時，則扮演電流槽的角色以自低通濾波 器抽出(sink)電流。至于低通濾波器中電流正向或反向的流動則令電壓控 制震蕩器據(jù)以調(diào)整其輸出頻率。電壓控制震蕩器輸出的訊號則通過分頻器 (frequency divider)再輸入至相位頻率4企測器，形成一循環(huán)，而此循環(huán)將 持續(xù)到基頻訊號與分頻訊號的相位互相匹配為止。因此，當電荷泵在接收到上行或下行訊號，且不受不同負載影響而可 轉換穩(wěn)流流動方向時，其轉換的響應時間對于噪聲的降低以及整體鎖相回 路效能具有相當大的影響。請參考圖1。圖1為已知電荷泵100的示意圖。電荷泵100包含一串級 耦合電流鏡以及一金屬氧化物半導體開關的源節(jié)點開關。由于電流鏡是連 接高輸出阻抗，因此電荷泵的電流較不受輸出電壓影響而能在不受負載影 響的情形下大體上維持一穩(wěn)定的電流流動。電荷泵IOO包含一第一列串級耦合開關，依序為P7、 P8以及P9。開關 P7的源極耦接于VDD而開關P9的漏極則藉由一電流源Icp接地。開關P7、 P8以及P9的柵極則分別接地、耦接于節(jié)點F以及耦接于第一輸入電壓Vbl。電荷泵100還包含一第二列串級耦合開關，依序為P6、 P3、 P4、 N3、 N4以及N6以及一第三列串級耦合開關，依序為P5、 Pl、 P2、 Nl、 N2 以及N5。開關P6以及P5的源^ L皆耦接于VDD，而開關N6以及N5的源極 則皆接地。第二列串級耦合開關中，開關P6、 P3、 P4、 N3、 N4以及N6的 柵極則分別為耦接于接地、節(jié)點F、第一輸入電壓Vbl、第二輸入電壓Vb2、 節(jié)點H以及VDD。第三列串級耦合開關中，開關P5、 Pl、 P2、 Nl、 N2 以及N5的柵極則分別耦接于UPB訊號、節(jié)點F、第一輸入電壓Vbl、第二 輸入電壓Vb2、節(jié)點H以及而訊號。節(jié)點F亦耦接于節(jié)點G，而節(jié)點G則 耦接于開關P4以及開關N3的漏極間。此外，于VDD以及節(jié)點E (耦接于節(jié)點F)間亦具有一電容C1、于接地 端與節(jié)點H間具有一電容C2。 DN訊號以及UPB訊號則由先前提到的相位頻 率檢測器所輸出的上行以及下行訊號導出，其是用來將該電荷泵100變換 為電流源或電流槽，其中UPB訊號為上行訊號(UP BAR)的反相訊號，因此 當上行訊號自高電位轉變?yōu)榈碗娢粫r，UPB訊號則自低電位轉變?yōu)楦唠娢唬?反之亦然。至于開關Pl至P9可使電荷泵IOO作為電流源使用，而開關Nl至N5 可使電荷泵100作為電流槽使用。在這些實施例中，開關P1至P9為P型 金屬氧化物半導體(P-M0S)晶體管，開關Nl至N5則為N型金屬氧化物半導 體(N-M0S)晶體管，然而這些P-MOS以及N-M0S晶體管的互換以及伴隨著適 當?shù)恼{(diào)整在這些實施例中皆為可接受的應用。請參考圖2，并一并參考圖1以了解電荷泵100的運作。圖2為當電荷 泵100藉由開關N5柵極的DN訊號的作用，而自不導通狀態(tài)(沒有電流流 出或流入)轉換為電流槽時，開關Nl以及開關N2的相對電壓的時序圖。 特別說明的是，在圖2、圖4以及圖6中，所有電壓以及電流數(shù)值皆為作為 說明的近似值，實際的電壓及電流則會隨不同的電路設計以及制造方法而 有不同的結果。如圖2所示，當DN訊號的電壓升高時，開關N5則被導通同時節(jié)點D 會被拉下至0伏特。同時由于開關N2的柵極維持在相對高的電壓，當節(jié)點D的電壓被拉下至0伏特時，開關N2會被導通，進而造成開關Nl的源極電 壓降低，開關N1亦被導通。當開關N5、 N2以及N1皆被導通時，電荷泵IOO 開始自節(jié)點I (可耦接于一低通濾波器)將電流導至接地。對于本領域的技 術人員而言，當電荷泵IOO從電流槽轉變?yōu)殡娏髟磿r，開關P5柵極的UPB 訊號自高電位轉變至低電位的相仿過程是容易理解的。已知電荷泵100中的開關串級耦合的排列大體上維持了一個不受負載 影響的穩(wěn)流要求。然而，當開關N5不導通時，節(jié)點D會變成浮接點 (floating),因此使得開關N2轉為不導通的過程變得非常緩慢，連帶影響 開關N1轉為不導通的過程亦變得非常緩慢。請注意圖2中三個特別用圓圈 圈起來的地方，可看出節(jié)點D以及節(jié)點C的電壓上升得非常緩慢，導至節(jié) 點I的輸出電流亦非常緩慢地停止。因此若欲由一個較快速的晶體管來導 通一個較慢的晶體管，再由該較慢的晶體管來導通一個更慢的晶體管，這 種漣波效應會導致電荷泵的響應時間變得極慢，且產(chǎn)生一些不必要的噪聲。發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明的目的是當該電荷泵轉為不導通時，降低該電荷泵的響應時間。 本發(fā)明另一目的是當該電荷泵導通時，降低該電荷泵的響應時間。 本發(fā)明所披露的電荷泵包含有一第一開關、 一第二開關、 一第三開關、 一第四開關、 一第五開關、 一第六開關、 一第七開關以及一第八開關。該 第一開關耦接于一第一電壓源以及一第一節(jié)點間，且由UPB訊號控制；該 第二開關耦接于該第一節(jié)點與一第二節(jié)點間；該第三開關耦接于該第二節(jié) 點與一第三節(jié)點間，該第三節(jié)點用來作為該電荷泵的輸出節(jié)點；該第四開 關耦接于該輸出節(jié)點與一第四節(jié)點間；該第五開關耦接于該第四節(jié)點與一 第五節(jié)點間；該第六開關耦接于該第五節(jié)點與接地端間，且由DN訊號控制。 該第七開關耦接于該接地端與該第一節(jié)點間，且由UP訊號控制，該UP訊 號為UPB訊號的反相訊號；該第八開關耦接于一第二電壓源與該第五節(jié)點 間，且由DNB訊號控制，該DNB訊號為DN訊號的反相訊號。該電荷泵還包 含一第一電容以及一第二電容，該第一電容耦接于該第二節(jié)點與一第一電 壓訊號或第二節(jié)點間，該第二電容耦接于該第四節(jié)點與一第二電壓訊號或 第五節(jié)點間。該第一電容以及該第二電容可在電荷泵被導通時，有效地減低電荷泵的漣波延遲，其是由于電荷泵中這些多重串接耦接的開關可幾乎同時被導 通或轉為不導通，因此利用這些串接耦接的開關，電壓泵可具有穩(wěn)流輸出 的特點。


圖1為已知電荷泵的示意圖。圖2為圖1的電荷泵運作的時序示意圖。 圖3為本發(fā)明電荷泵一第一實施例的示意圖。 圖4為圖3的電荷泵運作的時序示意圖。 圖5為本發(fā)明電荷泵一第二實施例的示意圖。 圖6為圖5的電荷泵運作的時序示意圖。 圖7為圖3的電荷泵的電壓與電流波形的時序關系示意圖。 圖8為圖5的電荷泵的電壓與電流波形的時序關系示意圖。 圖9為圖1、圖3以及圖5的電荷泵的導通速度與不導通速度的比較示 意圖。圖10為本發(fā)明電荷泵一第三實施例的示意圖。附圖符號說明100， 300,500， 1000C1-C4徹VblDNUP電荷泵 電容工作電壓 第一輸入電壓 下行訊號 上行訊號P1-P10, Nl-N7 開關A-I Icp Vb2 誰 UPB節(jié)點 電流源第二輸入電壓 DN反相訊號 UP反相訊號具體實施方式
本發(fā)明的第一實施例應用于當開關N5不導通時，加速電荷泵100的響 應速度。請參考圖3。電荷泵300實質(zhì)上具有與電荷泵100相同的結構，因 此其中同樣的組件是以同樣的標號標示。與電荷泵100不同的是，電荷泵 300較電荷泵100多了開關P10以及開關N7。其中開關P10可為一 P-MOS晶體管而開關N7可為一 N-M0S晶體管。然而本發(fā)明亦包含其它不同態(tài)樣的 晶體管的組合。開關P10的漏極耦接于接地端、源極耦接于節(jié)點A,該節(jié)點A位于開關 P5的漏極以及開關Pl的源極間。開關P10的柵極耦接于UP訊號，該UP訊 號為前述UPB訊號的反相訊號。開關N7的漏極耦接于VDD訊號，源極耦接 于節(jié)點D,該節(jié)點D位于開關N5的漏極以及開關N2的源極間。開關N7的 4冊極耦接于MB訊號，該DNB訊號等同于DN BAR訊號且為前述DN訊號的 反相訊號。請參考圖4,并同時合并參考圖3以了解電荷泵300的運作。圖4為當 電荷泵300藉由開關N5柵極處的DN訊號的作用，而自不導通狀態(tài)轉換為 電流槽時，開關Nl以及開關N2的相對電壓的時序圖。圖4顯示電荷泵300轉為不導通時的表現(xiàn)大致上與電荷泵100轉為不 導通時的表現(xiàn)相似，而不同處在于電荷泵300中開關N7的設置改善了響應 的時間。如圖4圓圈處所示，在不導通的階段，節(jié)點D的電壓變得相當高， 如此確保開關N2轉為不導通。因此當開關N7迅速推動節(jié)點D自0電壓至 高電壓時，轉變?yōu)椴粚ǖ臅r間也得以改善。請與圖2圓圈處的波形作比 較。開關N1的源極電壓(亦即節(jié)點C的電壓)上升仍舊緩慢，但轉變?yōu)椴粚?通的速度確有顯著的改善，而電荷泵300的導通表現(xiàn)則仍與電荷泵100相 似。因此，電荷泵300在轉變?yōu)椴粚顟B(tài)所展現(xiàn)出的響應時間的減少可 視為是對電荷泵100的一種改良。然而，當開關N5導通時，開關Nl漏極 的電流導通速度會比開關N2漏極電流的導通速度慢節(jié)點D先降至0伏特， 然后導通開關N2，接著節(jié)點C的電壓下降，然后導通開關N1以抽出自節(jié)點 I而來的電流。當開關N5以及開關Nl被導通時，漣波延遲仍發(fā)生在開關N5以及開關 Nl間，這樣的延遲是由于在這個由開關組成的串接耦接鏈中，每一個后繼 開關的狀態(tài)皆由前一個開關的狀態(tài)所影響，因此當一個較快的節(jié)點和一個 較慢的節(jié)點同時接收適當電壓時，便會發(fā)生這樣的延遲(其中「較快」以 及r較慢」的相對用語是描述接收到適當電壓的順序，不必然是電壓被接 收的速度)。例如，在圖3的實施例中，節(jié)點A是一個r較快」的節(jié)點而節(jié) 點B為一個「較慢」的節(jié)點。接著，本發(fā)明下一個實施例更應用來在開關N5被導通時，加速已知電荷泵100的響應時間。圖5為一個具有改良的導通速度的電荷泵500的示意圖。電荷泵500 和電荷泵300的結構和組件的定義、標號大體上相同，但電荷泵500較電 荷泵300增加了電容C3以及電容C4,其中電容C4的一終端耦接于節(jié)點B(較慢節(jié)點)而另 一終端耦接于一第 一 電壓訊號(可為節(jié)點A, —較快節(jié)點， 位于開關Pl的源極以及開關P5的漏極間)，電容C3的一終端耦接于節(jié)點C(較慢節(jié)點)而另一終端耦接于一第二電壓訊號(可為節(jié)點D, —較快節(jié)點， 位于開關N2的源極以及開關N5的漏極間)。請參考圖6,并同時合并參考圖5以了解電荷泵500的運作。圖6為當 電荷泵500藉由開關N5柵極處的DN訊號的作用，而自電流槽轉換為電流 源時，開關Nl以及開關N2的相對電壓的時序圖。圖6顯示導通電荷泵500時的表現(xiàn)大致上與導通電荷泵300的表現(xiàn)相 似，而不同處在于導入電容C3后，電荷泵500具有更佳的響應時間。圖6 亦同時顯示了電流槽。當開關N7導通以及轉為不導通時，節(jié)點D的電壓會 分別下降以及上升。而在導通的瞬間，電容C3會瞬時結合節(jié)點D的訊號作 為脈沖下降訊號。相較于開關N2導通以將節(jié)點C下拉至低電壓，此結合的 訊號會促使節(jié)點C更快速地下降至更低的電壓水平。同樣的，相較于開關 N2轉為不導通以將節(jié)點C上拉至高電壓，此結合的訊號會更快速地將節(jié)點 C的電壓上拉至更高的電壓水平，上述的結果皆描述在圖6中。其中圓圈處 顯示了節(jié)點D維持了如圖4的快速上升特性，同時節(jié)點C由于耦接了電容 C3的緣故，在電壓的上升速度上具有顯著的提升，而此增加的電壓上升速 度使得電荷泵500較圖4的電荷泵300具有更快速的導通以及不導通響應 時間。請參考圖10,圖IO為具有更加快速的導通與不導通速度的電荷泵IOOO 的示意圖。電荷泵1000和電荷泵300的結構和組件的定義、標號大體上相 同，但電荷泵1000較電荷泵300同樣增加了電容C3以及電容C4。其中電 容C4的一終端耦接于節(jié)點B (較慢節(jié)點)而另一終端耦接于一第一電壓訊 號(可為前述的UP控制訊號)。電容C3的一終端耦接于節(jié)點C(較慢節(jié)點) 而另一終端耦接于一第二電壓訊號(可為前述的DNB控制訊號，Down BAR 訊號)。電荷泵1000中電容C3以及電容C4的安排使得較慢節(jié)點B和C分 別可以更直接對UP控制訊號以及DNB控制訊號作出反應，更進一步加速響應的時間。因此，開關N2可以依據(jù)UP訊號以及DNB訊號大體上與開關Nl同步被 導通或轉為不導通，不至于受到較快節(jié)點A以及節(jié)點D的影響而產(chǎn)生任何 延遲，其中電容C3以及電容C4可以有效地降低較快節(jié)點以及較慢節(jié)點間 的漣波延遲效應，同時具有串接耦接開關的電荷泵500又能保持穩(wěn)流輸出 的特性。對于本領域的技術人員而言，圖10的實施例顯示了對電荷泵1000 導通以及轉為不導通的響應時間更佳的改良。的串接耦接方式使得本發(fā)明的電荷泵相對于已知單一開關電荷泵而言，在 不受負載影響的情形下，具有相當穩(wěn)定的電流輸出。然而，開關的串接耦 接亦在電荷泵里產(chǎn)生了漣波延遲而減慢了電荷泵的響應時間下一個開關 要導通或不導通須待前一個開關完成導通或不導通的動作。當本發(fā)明的電 荷泵轉為不導通時，藉由分別在接地端以及在第一電壓源與可控制電荷泵 作為電流槽或電流源的訊號間設置的開關來加速電荷泵的響應時間。當要 導通以及不導通電荷泵時，藉由電容分別將較慢節(jié)點與電壓訊號間、以及 將較快節(jié)點與較慢節(jié)點間耦接起來，來加速電荷泵導通或不導通的響應時 間。最后，當本發(fā)明的電荷泵導通或不導通時，藉由電容分別耦接于較慢 節(jié)點與UP控制訊號間以及較慢節(jié)點與DNB控制訊號間，以將電荷泵的導通 與不導通的響應時間最佳化。以上所述僅為本發(fā)明的較佳實施例，凡依本發(fā)明的權利要求所做的均 等變化與修飾，皆應屬本發(fā)明的涵蓋范圍。
權利要求
1.一種電荷泵，包含有一第一開關，耦接于一第一電壓源與一第一節(jié)點之間，該第一開關由一第一控制訊號控制；一第二開關，耦接于該第一節(jié)點與一第二節(jié)點間；一第三開關，耦接于該第二節(jié)點與一第三節(jié)點間，該第三節(jié)點耦接于該電荷泵的一輸出端；一第四開關，耦接于該第三節(jié)點與一第四節(jié)點間；一第五開關，耦接于該第四節(jié)點與一第五節(jié)點間；一第六開關，耦接于該第五節(jié)點與接地端間，該第六開關由一第二控制訊號控制；一第一電容，耦接于該第二節(jié)點與一第一電壓訊號或第二節(jié)點間；以及一第二電容，耦接于該第四節(jié)點與一第二電壓訊號或第五節(jié)點間。
2. 如權利要求1所述的電荷泵，其中該第一電壓訊號為該第一節(jié)點。
3. 如權利要求1所述的電荷泵，其中該第一電壓訊號為一第三控制訊 號，該第三控制訊號為該第 一控制訊號的反相訊號。
4. 如權利要求3所述的電荷泵，其中該第二電壓訊號為一第四控制訊 號，該第四控制訊號為該第二控制訊號的反相訊號。
5. 如權利要求4所述的電荷泵，還包含一第七開關，耦接于該接地端與該第一節(jié)點間，該第七開關是由該第 三控制訊號控制；以及一第八開關，耦接于一第二電壓源與該第五節(jié)點間，該第八開關是由 該第四控制訊號控制。
6. 如權利要求5所述的電荷泵，其中該第一、第二、第三以及第七開 關為第一型金屬氧化物半導體晶體管，該第四、第五、第六以及第八開關 為第二型金屬氧化物半導體晶體管，該第二型M0S晶體管對稱于該第一型 M0S晶體管。
7. 如權利要求6所述的電荷泵，其中該第一型MOS晶體管為一 P-M0S 晶體管，該第二型M0S晶體管為一N-MOS晶體管。
8. 如權利要求7所述的電荷泵，其中該第一開關的漏極耦接于該第二開關的源極，該第二開關的漏極耦接于該第三開關的源極，該第三開關的 漏極耦接于該第四開關的漏極，該第四開關的源極耦接于該第五開關的漏 極，該第五開關的源極耦接于該第六開關的漏極，該第七開關的源極耦接 于該第一節(jié)點，該第七開關的漏極耦接于該接地端，該第八開關的源極耦 接于該第五節(jié)點，以及該第八開關的漏極耦接于該第四電壓源。
9. 一種電壓泵，包含有一串級耦合金屬氧化物半導體晶體管電流鏡，包含有一列串級耦合M0S 晶體管；該列串級耦合金屬氧化物半導體晶體管的 一 第 一 晶體管，用來依據(jù)一 第 一控制訊號控制該電荷泵的輸出；該列串級耦合金屬氧化物半導體晶體管的一第二晶體管，耦接于該第 一晶體管的漏極與該列串級耦合金屬氧化物半導體晶體管的一第三晶體管 的源極間，該第三晶體管的漏極耦接于該電荷泵的一輸出端；以及一第一電容，具有一第一終端以及一第二終端，該第一終端耦接于該 第三晶體管的源極，該第二終端耦接于一電壓訊號。
10. 如權利要求9所述的電壓泵，還包含一第一開關，耦接于一第二晶 體管的源極與接地端間，該第一開關由一第二控制訊號控制，該笫二控制 訊號為該第 一控制訊號的反相訊號。
11. 如權利要求10所述的電壓泵，其中該電壓訊號為該第二晶體管的 源極。
12. 如權利要求10所述的電壓泵，其中該電壓訊號為該第二控制訊號。
全文摘要
電荷泵包含一第一開關至一第八開關、一第一電容及一第二電容。第一開關耦接一第一電壓源與一第一節(jié)點間；第二開關耦接該第一節(jié)點與一第二節(jié)點間；第三開關耦接該第二節(jié)點與一作為該電荷泵輸出節(jié)點的第三節(jié)點間；第四開關耦接該輸出節(jié)點與一第四節(jié)點間；第五開關耦接該第四節(jié)點與一第五節(jié)點間；第六開關耦接該第五節(jié)點與接地端間。第七開關耦接該接地端與該第一節(jié)點間；第八開關耦接一第二電壓源與該第五節(jié)點間。第一電容耦接該第二節(jié)點與一第一電壓訊號間，第二電容耦接該第四節(jié)點與一第二電壓訊號間。
文檔編號H03L7/08GK101237234SQ20071015321
公開日2008年8月6日 申請日期2007年9月29日 優(yōu)先權日2007年1月30日
發(fā)明者張瑞裕 申請人:立積電子股份有限公司