用于pll環(huán)路濾波器電容器的電容器漏泄補償的制作方法
【專利摘要】電荷泵的輸出部分從相位頻率檢測器接收控制信號并且作為響應向環(huán)路濾波器輸出正電流脈沖和負電流脈沖。該電荷泵的電流控制部分控制該輸出部分，以使得正和負電流脈沖的幅值是相同的。在電流控制部分內，存在“電荷泵輸出電壓副本節(jié)點”(CPOVRN)。這一CPOVRN上的電壓被維持成與電荷泵輸出節(jié)點上的電壓相同。電容器漏泄補償電路通過感測CPOVRN上的電壓來間接感測跨環(huán)路濾波器的漏泄電容器的電壓補償電路跨副本電容器施加所感測到的電壓，對通過該副本漏泄的電流進行鏡像，并將所鏡像出的電流以補償電流的形式提供給漏泄電容器。
【專利說明】用于PLL環(huán)路濾波器電容器的電容器漏泄補償
[0001]背景信息

【技術領域】
[0002]本公開涉及鎖相環(huán)(PLL)中的電容器漏泄補償電路。
[0003]背景信息
[0004]鎖相環(huán)(PLL)的環(huán)路濾波器可涉及具有相對大的電容的電容器。以集成電路的形式來實現(xiàn)這一電容器對該集成電路上的面積量的消耗可能大到不可取。該電容器可以用不同的方式來實現(xiàn)。如果該電容器按一種方式來實現(xiàn)，則該電容器將占據更大量的集成電路面積，但將只漏泄到很小的程度。另一方面，如果該電容器以另一種方式來實現(xiàn)，則該電容器可占據較小量的集成電路面積，但將漏泄到較大程度。在一些情況下，該電容器被實現(xiàn)為相對小但有漏泄的電容器，但隨后提供電容器漏泄補償電路。電容器漏泄補償電路包括被稱為“副本”電容器的、該漏泄電容器的小型版本。該較大電容器和副本電容器如何作為電壓的函數來漏泄的方式是相同的，只是副本電容器與它比該較大電容器小多少成比例地漏泄得更少。該電容器漏泄補償電路操作來在環(huán)路濾波器工作時維持跨副本電容器的電壓與跨環(huán)路濾波器的漏泄電容器的電壓相同。然而，電容器漏泄補償電路檢測通過副本電容器漏泄的電流。因為副本電容器與環(huán)路濾波器中的漏泄電容器之間的大小關系是已知的，所以補償電路操作以將檢測到的漏泄電流量的倍數提供到環(huán)路濾波器中的漏泄電容器上。理想情況下，這一補償電流的幅值與通過環(huán)路濾波器的漏泄電容器漏泄的電流的幅值相同。這樣的電容器漏泄電流補償電路允許環(huán)路濾波器的電容器被實現(xiàn)為相對有漏泄的較小型的電容器，從而與在環(huán)路濾波器是使用漏泄較少的較大型電容器來實現(xiàn)的情況下該環(huán)路濾波器將具有的大小相比節(jié)省了集成電路面積。所消耗的集成電路面積總量、電流消耗總量、以及漏泄電容器和補償電路的組合的性能應當優(yōu)于在用較大型但較少漏泄的電容器實現(xiàn)環(huán)路濾波器的情況下的該環(huán)路濾波器的替換集成電路面積量、電流消耗量、以及環(huán)路濾波器性能。
[0005]電容器漏泄補償電路的第一示例在美國專利號6，956，417的圖10中闡明。這一電容器漏泄補償電路190可以是涉及相位檢測器、電荷泵、環(huán)路濾波器、壓控振蕩器(VCO)以及環(huán)路分頻器的鎖相環(huán)的一部分。電阻器Rkef和電容器Cl構成環(huán)路濾波器。電容器Cl是漏泄電容器。電容器C4是副本電容器。電壓V。是跨漏泄電容器的電壓。電容器漏泄補償電路190感測這一電壓并將補償電流回供到同一節(jié)點V。上。這一電路是有時被稱為“直接感測”電路的示例，因為它自己感測漏泄電容器上的電壓。
[0006]電容器漏泄補償電路的第二示例在美國專利號6，963，232的圖4中闡明。附圖標記54標識了漏泄電容器。電流57是通過電容器54漏泄的電流。電容器59是副本電容器。漏泄補償電路39在VCO 42的輸入處間接感測跨漏泄電容器的電壓，跨副本電容器施加這一電壓，檢測通過副本電容器漏泄的電流70，并以補償電流58的形式將檢測到的漏泄電流的倍數提供到節(jié)點67上。補償電流58對通過電容器54漏泄到地的電流57進行補償。這一電路是“間接感測”的示例，因為漏泄補償電路間接地感測漏泄電容器上的電壓。


【發(fā)明內容】

[0007]鎖相環(huán)(PLL)包括相位頻率檢測器(PFD)、電荷泵(CP)、環(huán)路濾波器、壓控振蕩器(VCO)、環(huán)路分頻器、以及電容器漏泄補償電路。電荷泵包括電流控制部分和輸出部分。輸出部分從PFD接收控制信號并且作為響應來經由電荷泵輸出節(jié)點向環(huán)路濾波器輸出正電流脈沖和負電流脈沖。電流控制部分控制輸出部分，以使得正電流脈沖的幅值和負電流脈沖的幅值相同。在電流控制部分內，存在在本文中被稱為“電荷泵輸出電壓副本節(jié)點”(CP0VRN)的節(jié)點。電荷泵輸出節(jié)點上的電壓的副本呈現(xiàn)于CPOVRN上。在一個示例中，電流控制部分內的運算放大器操作來將這一 CPOVRN上的電壓保持得基本上等于電荷泵輸出節(jié)點上的電壓。
[0008]環(huán)路濾波器從電荷泵輸出節(jié)點接收正電流脈沖和負電流脈沖，對這些脈沖進行濾波，并將結果所得的控制電壓信號VTUNE提供在VCO的控制輸入引線上。環(huán)路濾波器中存在相對大的電容器。當PLL在工作時，這一大型電容器經歷了顯著漏泄。在一個示例中，環(huán)路濾波器的這一漏泄電容器是薄氧化層金屬氧化物半導體電容器(MOSCAP)。電容器漏泄補償電路通過感測電荷泵的電流控制部分內的CPOVRN上的電壓來間接檢測跨這一漏泄電容器的電壓。電容器漏泄補償電路跨副本電容器施加所感測到的電壓，其中副本電容器是環(huán)路濾波器的漏泄電容器的副本，但區(qū)別在于該副本電容器具有顯著更小的大小和電容。電流通過副本電容器漏泄。這一漏泄電流被提供給電容器漏泄補償電路的電流鏡，以使得電流鏡按補償電流的形式輸出多倍的副本電容器漏泄電流。補償電流被提供在環(huán)路濾波器的漏泄電容器的極板處的節(jié)點上。被提供在環(huán)路濾波器的漏泄電容器的極板上的補償電流基本上等于通過環(huán)路濾波器的漏泄電容器漏泄的電流。
[0009]環(huán)路濾波器進一步包括兩個無源低通濾波器。這兩個低通濾波器在漏泄電容器的極板處的節(jié)點與VCO的控制輸入引線之間串聯(lián)耦合。從電容器漏泄補償電路的電流鏡穿過環(huán)路濾波器到達VCO的控制輸入引線的不想要的噪聲由于必須穿過這兩個低通濾波器而被衰減。還可能存在從電容器漏泄補償電路的輸入往回穿過電荷泵、穿過電荷泵輸出節(jié)點、穿過環(huán)路濾波器并到達VCO的控制輸入的不想要的噪聲。在一個示例中，這一路徑中的噪聲由電荷泵的運算放大器(運算放大器操作以將CPOVRN上的感測電壓保持成與電荷泵輸出節(jié)點上的電壓相同)以及由環(huán)路濾波器的各低通濾波器之一來衰減。
[0010]前述內容是概要并因此必然包含對細節(jié)的簡化、泛化和省略；因此，本領域技術人員將領會，本概要僅是解說性的而非意在以任何方式構成限定。正如僅由權利要求書定義的在本文中所描述的設備和/或過程的其他方面、發(fā)明性特征、以及優(yōu)點將從本文中闡述的非限定性詳細描述中變得明了。
[0011]附圖簡述
[0012]圖1是根據一個新穎方面的模擬鎖相環(huán)(PLL)的示圖。
[0013]圖2是更詳細地示出圖1的PLL的電荷泵、環(huán)路濾波器、以及電容器漏泄補償電路的示圖。.
[0014]圖3是圖1的PLL的電荷泵和電容器漏泄補償電路的另一示圖。
[0015]圖4是示出噪聲從電容器漏泄補償電路中的噪聲源傳遞到圖1的PLL中的VCO的輸入引線時可能取道的兩條可能路徑的示圖。
[0016]圖5是將在環(huán)路濾波器的電容器被實現(xiàn)為不帶任何電容器漏泄補償電路的厚氧化層MOSCAP時與在電容器被實現(xiàn)為帶有圖2的電容器漏泄補償電路的有漏泄薄氧化層MOSCAP時所占據的集成電路面積量進行比較的示圖。
[0017]圖6是示出與使用厚氧化層MOSCAP且沒有電容器漏泄補償電路相比，在使用圖2的電容器漏泄補償電路時實現(xiàn)的百分比面積節(jié)省的示圖。
[0018]圖7是示出在PLL是使用不帶有電容器漏泄補償電路的厚氧化層MOSCAP的實現(xiàn)的情況下的VTUNE的頻率分量的示圖。
[0019]圖8是示出PLL是圖1的PLL且涉及圖2的電容器漏泄補償電路的情況下的VTUNE的頻率分量的示圖。
[0020]圖9是示出PLL的VCO輸出信號中的閉環(huán)相位噪聲的示圖，其中PLL使用厚氧化層MOSCAP電容器并且不具有電容器漏泄補償電路。
[0021]圖10是示出圖1的PLL的VCO輸出信號中的閉環(huán)相位噪聲的示圖，其中PLL使用薄氧化層MOSCAP并且涉及圖2的電容器漏泄補償電路。
[0022]圖11是根據一個新穎方面的方法的流程圖。
[0023]詳細描述
[0024]圖1是根據一個新穎方面的集成在單個集成電路上的模擬鎖相環(huán)(PLL) 100的示圖。PLL 100在導體102上接收參考時鐘信號FREF 101并在導體104上輸出一輸出信號VC0_0UT 103。輸出信號VC0_0UT的頻率是輸入信號FREF 101的頻率的期望整數倍。通過改變反饋分頻器105進行分頻的整數，輸出信號VC0-0UT103的頻率可在從大約IGHz到大約3GHz的范圍中變化。PLL 100包括相位頻率檢測器(PFD) 106、電荷泵(CP) 107、環(huán)路濾波器108、壓控振蕩器(VCO) 109、反饋分頻器105、以及電容器漏泄補償電路110。PFD 106將反饋信號FDIV 111的邊沿的時間比對輸入信號FREF 101的邊沿的時間并輸出控制信號UP, UPB, DN以及DNB。這些控制信號指示這兩個邊沿之間的相對時間差。
[0025]例如，如果PFD 106檢測到反饋信號FDIV 111的邊沿在輸入信號FREF 101的邊緣之后，則在這些邊沿之間的時間期間控制信號UP、UPB、DN以及DNB被斷言。FDIV 111與FREF 101的邊沿之間的時間差越長，控制信號UP、UPB、DN以及DNB被斷言的時間也越長。電荷泵107將被斷言的控制信號轉換成對應的正電流脈沖ICP 112，該對應的正電流脈沖ICP 112被輸出到電荷泵輸出節(jié)點113上。
[0026]例如，如果PFD 106檢測到反饋信號FDIV 111的邊沿在輸入信號FREF 101的邊沿之前，則在FDIV 111與FREF 101的邊沿之間的時間期間生成控制信號UP、UPB、DN以及DNB,以使得電荷泵107被控制以從電荷泵輸出節(jié)點113汲取電流脈沖ICP 112。從節(jié)點113汲取電流脈沖與將負電流脈沖提供到節(jié)點113上是一回事。
[0027]這些正電流脈沖和負電流脈沖在環(huán)路濾波器108的電容器114(以及電容器130和131)上被積分，以使得向環(huán)路濾波器的輸出處的節(jié)點116上生成相對慢變的控制信號VTUNE 115。VTUNE 115被提供到VCO 109的控制輸入引線117上。VCO 109將振蕩輸出信號VC0_0UT 103生成到輸出引線118上。信號VC0_0UT的頻率由VTUNE 115的電平來決定。升高VTUNE的電平使得VCO提高信號VC0_0UT 103的頻率，而降低VTUNE的電平使得VCO降低信號VC0_0UT 103的頻率。信號VC0_0UT 103被提供給反饋分頻器105的輸入引線119。反饋分頻器105將VC0_0UT 103信號以整除數來分頻并從其輸出引線120輸出結果所得的較低頻率信號FDIV 111。反饋信號FDIV 111經由導體121提供給PFD 106的第二輸入引線122。PFD 106在PFD 106的第一輸入引線123上接收輸入參考信號FREF101。在PLL 100處于鎖定中時，F(xiàn)DIV信號111的頻率和相位被鎖定到FREF信號101的頻率和相位。
[0028]環(huán)路濾波器108經由電荷泵輸出節(jié)點113從電荷泵107接收正和負電流脈沖ICP112并將結果所得的經濾波的信號VTUNE 115輸出到節(jié)點116上。除大電容器114之外，環(huán)路濾波器108還包括兩個電阻器128和129以及兩個較小電容器130和131。在一個示例中，PLL具有小于10kHz的環(huán)路帶寬，電容器114,130以及131分別具有500pF、20pF以及1pF的電容，且電阻器128和129分別具有40k歐姆和20k歐姆的電阻。如圖所示，電阻器128耦合在電荷泵輸出節(jié)點113與大電容器114之間。電阻器128具有直接連接到電荷泵輸出節(jié)點113的第一引線且它具有直接連接到大電容器114的第二引線。
[0029]在本示例中，大電容器114被實現(xiàn)為具有薄氧化層的片上金屬氧化物半導體電容器(MOSCAP)。電容形成在MOSCAP的柵極金屬與底下的半導體材料中的空間電荷耗盡區(qū)之間。另一方面，電容器130和131是具有比電容器114小得多的電容的電容器。這些電容器130和131也被實現(xiàn)為MOSCAP電容器，但由于它們較小的電容，它們被實現(xiàn)為厚氧化層MOSCAP而不會犧牲過多集成電路面積。在本示例中，給定電容的薄氧化層MOSCAP將消耗具有相同電容的厚氧化層MOSCAO所將消耗的集成電路面積的大約一半，但與厚氧化層MOSCAP電容器相比，薄氧化層MOSCAP電容器將顯現(xiàn)出較高的電流漏泄。隨著PLL控制環(huán)路操作以保持FDIV信號111的相位呈鎖定到FREF信號101的相位，跨電容器114的電壓Vl增加和降低。然而，對于跨電容器114的給定電壓，電容器114將從其第一極板133向其第二極板134漏泄一漏泄電流132。隨著跨電容器114的電壓Vl改變，這一漏泄電流132也改變，但電容器114總是漏泄。在沒有漏泄補償的情況下，通過電容器114的恒定的電流漏泄可因使得VTUNE不當地低而不利地影響PLL操作。但隨著PLL控制環(huán)路操作，控制環(huán)路嘗試補償這一漏泄并且這一補償以增大的VTUNE電壓的形式來表現(xiàn)其自己?？吹搅?VTUNE圍繞妥當的VTUNE值增加和降低，而非是期望的固定值。VTUNE上結果所得的變化(稱為波動)造成PLL輸出信號上有對應的不期望的附加頻率分量。電容器漏泄補償電路110因此操作來將補償電流135提供到節(jié)點136上，以補償從節(jié)點136通過電容器114漏泄到地的漏泄電流132。電容器漏泄補償電路110通過感測電荷泵107內的“電荷泵輸出電壓副本節(jié)點”(CPOVRN)上呈現(xiàn)的電壓137來間接檢測跨電容器114的電壓，如下文進一步詳細解釋的。來自CPOVRN的感測電壓137指示跨電容器114的電壓VI。電容器漏泄補償電路110將感測電壓137接收到它的輸入138上并使用感測電壓137來控制經由輸出139提供到節(jié)點136上的補償電流135的幅值。
[0030]圖2是更詳細地示出電荷泵107、環(huán)路濾波器108以及電容器漏泄補償電路110的示圖。電荷泵107包括電流控制部分141和輸出部分142。電荷泵107分別經由輸入引線124-127從PFD 106接收控制信號UP、UPB、DN以及DNB。電荷泵107從電荷泵輸出引線140輸出電流脈沖。
[0031]在PFD 106沒有斷言這些控制信號的時候，信號UP將處于數字邏輯低，信號UPB將處于數字邏輯高，信號DN將處于數字邏輯低，以及信號DNB將處于數字邏輯高。P溝道場效應晶體管143因此將呈導通，并且N溝道場效應晶體管144將呈導通。P溝道晶體管145將呈截止。N溝道晶體管146將呈截止。從VDD供電電壓導體147穿過晶體管145到達電荷泵輸出節(jié)點113的任何電流路徑將被斷開，從接地導體148穿過晶體管146到達電荷泵輸出節(jié)點113的任何電流路徑也是一樣。電荷泵107在這些時間期間對節(jié)點113上的電容既不充電也不放電。
[0032]在PFD 106正斷言著控制信號以生成正電流脈沖ICP的時候，信號UP將處于數字邏輯高，信號UPB將處于數字邏輯低，信號DN將處于數字邏輯低，以及信號DNB將處于數字邏輯高。P溝道晶體管145將因此呈導通且N溝道晶體管146將呈截止。晶體管143將呈截止。因此，建立了從供電導體147穿過晶體管145、穿過晶體管149并到達節(jié)點113的電流路徑。P溝道晶體管149呈導通及導電的程度決定了正電流脈沖ICP的幅值。P溝道晶體管149導電的程度是由晶體管149的柵極、源極以及漏極上的電壓來決定的，并且這些電壓由電流控制部分141控制。正電流脈沖ICP的歷時由信號FDIV 111和信號FREF 101的邊沿之間的時間差來決定，該時間差造成了對控制信號UP、UPB、DN以及DNB的斷言。
[0033]在PFD 106正在斷言控制信號以生成負電流脈沖ICP的時候，信號DN將處于數字邏輯高，信號DNB將處于數字邏輯低，信號UP將處于數字邏輯低，以及信號UPB將處于數字邏輯高。N溝道晶體管146將呈導通且P溝道晶體管145將呈截止。晶體管144將呈截止。因此，建立了從節(jié)點113穿過晶體管150、穿過晶體管146并到達接地導體148的電流路徑。N溝道晶體管150導電的程度決定了負電流脈沖ICP的幅值。N溝道晶體管150導電的程度是由晶體管150的柵極、源極以及漏極上的電壓來決定的，并且這些電壓由電流控制部分141來控制。負電流脈沖ICP的歷時由信號FDIV 111和信號FREF 101的邊沿之間的時間差來決定，該時間差造成了對控制信號UP、UPB、DN以及DNB的斷言。
[0034]電荷泵107的電流控制部分141包括晶體管151-154以及運算放大器156。晶體管151-154形成從VDD導體147、穿過“電荷泵輸出電壓副本節(jié)點”(CPOVRN) 159并到達接地導體148的電流路徑。晶體管151-154與輸出部分142的晶體管145、149、150以及146相對應，除了 P溝道晶體管151被連接成總是導通并且N溝道晶體管154被連接成總是導通之外。電流控制部分141的晶體管153的柵極以及輸出部分142的N溝道晶體管150的柵極被提供有偏置電壓VBIAS。這一 VBIAS電壓在很大程度上決定了晶體管150的導電性，并且因此設定了由電荷泵生成的負電流脈沖的幅值。
[0035]存在非常小的電流流入或流出運算放大器156的高阻抗輸入引線158。穿過P溝道晶體管152的源極到漏極電流因此與流過N溝道晶體管153的電流相同。期望將這一電流復制到輸出部分142上，以使得在晶體管145導通的情況下這一相同量的電流將流過P溝道晶體管149，并且使得在晶體管146導通的情況下這一相同量的電流將流過N溝道晶體管150。如果P溝道晶體管149的源極、柵極以及漏極電壓與P溝道晶體管152的對應源極、柵極以及漏極電壓相同，則這一電流復制將會發(fā)生。晶體管152和149的柵極因此耦合在一起并被耦合至運算放大器156的輸出引線155，以使得它們的柵極電壓是相同的?？缤耆珜ǖ腜溝道晶體管151的壓降非常小，而在晶體管145被控制為呈導通時跨完全導通的P溝道晶體管145的壓降也非常小。因此，晶體管152和149的源極電壓基本上相同(處于接近供電電壓VDD的電壓)。運算放大器156操作以維持晶體管149上的漏極電壓與晶體管152上的漏極電壓相同。當運算放大器156正在負反饋環(huán)路中操作時，其反相輸入引線157及其非反相輸入引線158上的電壓基本上相同。因為晶體管149的源極、柵極和漏極電壓與晶體管152的源極、柵極和漏極電壓相同，所以這兩個晶體管152和149被相同地偏置，并且流過電流控制部分141的電流被復制以流過輸出部分142中的晶體管149。以相同的方式，N溝道晶體管150的柵極、源極和漏極電壓與N溝道晶體管153的對應柵極、源極和漏極電壓相同。因此，在晶體管146呈導通時，流過電荷泵的輸出部分142的晶體管150的電流與流過電荷泵的電流控制部分141的晶體管153的電流相同。電荷泵的電流控制部分141因此控制晶體管149和150，以使得正電流脈沖ICP的幅值與負電流脈沖ICP的幅值相同。增加VBIAS就提高了正和負脈沖ICP 112兩者的幅值。降低VBIAS就減小了正和負脈沖ICP 112兩者的幅值。在本示例中，VBIAS是固定電壓，但在其他示例中它可以是可變的。
[0036]環(huán)路濾波器108被認為具有兩個輸入160和161以及一個輸出162。如圖所示，環(huán)路濾波器108包括兩個無源RC低通濾波器177和178。電阻器128和電容器130形成第一無源RC低通濾波器177。電阻器129和電容器131形成第二無源RC低通濾波器178。這兩個無源RC低通濾波器177和178在節(jié)點136和VCO 109的輸入引線177之間串聯(lián)耦合在一起。電容器漏泄補償電路110生成到節(jié)點136上的噪聲必須通過這兩個無源RC低通濾波器177和178才能到達VCO 109的控制輸入引線117。
[0037]電容器漏泄補償電路110具有輸入138，它通過此輸入138接收來自電荷泵107中的CPOVRN節(jié)點159的感測電壓137。電容器漏泄補償電路110具有輸出139，它從該輸出139將補償電流135提供到環(huán)路濾波器的電容器114的極板133上。如圖所示，電容器漏泄補償電路110包括互連的運算放大器163、兩個P溝道場效應晶體管164和165、以及副本電容器166。運算放大器163的輸出引線167被耦合至晶體管164的柵極168并被耦合至晶體管165的柵極169。晶體管164的源極170和晶體管165的源極171兩者都被耦合至VDD供電導體147。晶體管164的漏極172被耦合至副本電容器166的極板173并被耦合至運算放大器163的非反相輸入引線174，以使得運算放大器163的反相輸入引線175上的電壓將跨副本電容器166被維持?？绺北倦娙萜?66施加的電壓記為電壓V2。晶體管164和165形成電流鏡。流過晶體管165的電流被鏡像成流經晶體管164的電流的N倍那樣大。N在大約20到大約30的范圍中，并且在本示例中是21。副本電容器166是環(huán)路濾波器的漏泄電容器114的N分之一大小，所以在跨這兩個電容器呈現(xiàn)相同電壓的前提下并且在這兩個電容器具有相同的薄氧化層MOSCAP結構的前提下，副本電容器166漏泄的電流是電容器114所漏泄電流的N分之一。漏泄通過副本電容器166的電流被傳導通過電流鏡的晶體管164。由于電流鏡的操作，使得這一副本電容漏泄電流的N倍以補償電流135的形式從晶體管165的漏極176流到節(jié)點136。
[0038]圖3是電荷泵107、電容器漏泄補償電路110、以及環(huán)路濾波器108的一部分的另一示圖。圖3的示圖示出了電流ICP 112的正電流脈沖179。正電流脈沖179流經箭頭180所指示的電流路徑。如以上解釋的，這一電流脈沖179的幅值181由電荷泵的電流控制部分141來確定。該示圖還示出了電流ICP 112的負電流脈沖182。雖然箭頭183指示這一脈沖的路徑從接地導體148延伸到節(jié)點113，但可以理解，該脈沖是負電流脈沖。實際電流流動的方向是從節(jié)點113到接地導體148。如以上解釋的，負電流脈沖182的幅值186由電荷泵的電流控制部分141來確定。
[0039]電容器漏泄補償電路110如下地間接感測跨電容器114的電壓VI。在穩(wěn)態(tài)操作期間，存在非常小的電流跨電阻器128流動。電荷泵輸出節(jié)點113上的電壓因此非常接近節(jié)點136上的電壓。當運算放大器156在穩(wěn)態(tài)操作中操作時，運算放大器156的兩個輸入引線157和158上的電壓之間存在非常小的電壓差。運算放大器操作來將它的非反相輸入引線158上的電壓維持成與其反相輸入引線157上呈現(xiàn)的電壓相同的電壓。節(jié)點159因此被稱為“電荷泵輸出電壓副本節(jié)點”(CPOVRN) 159，因為這一節(jié)點上的電壓是電荷泵輸出節(jié)點113上的電壓的副本。根據一個新穎方面，CPOVRN 159直接連接到電容器漏泄補償電路110的運算放大器163的反相輸入引線175。電容器漏泄補償電路110通過感測CPOVRN159上的感測電壓137來間接感測跨電容器114的電壓VI。電容器漏泄補償電路110的運算放大器163的感測輸入引線沒有直接連接到VCO 109的控制輸入引線117，它也沒有直接連接到漏泄電容器134處的節(jié)點136，它也沒有直接連接到環(huán)路濾波器中的任何其他節(jié)點，它也沒有直接連接到節(jié)點113處電荷泵的輸出。通過對電荷泵107的電流控制部分141中的CPOVRN 159上呈現(xiàn)的電壓進行感測來對跨漏泄電容器114的電壓Vl進行間接感測具有優(yōu)于美國專利號6，956，417和6，963，232的現(xiàn)有技術電路的優(yōu)勢。
[0040]圖4是示出噪聲在從電容器漏泄補償電路110中的噪聲源傳遞而來并傳遞到VCO109的控制輸入引線117時可能取道的兩個可能路徑的示圖。噪聲可能例如由運算放大器163的輸入級生成。這一噪聲可能出現(xiàn)在電容器漏泄補償電路110所輸出的補償電流信號135中。另外，來自導體147的電源噪聲也可呈現(xiàn)于由電容器漏泄補償電路110所輸出的補償電流信號135中。箭頭184指示這樣的噪聲要到達VCO 109的控制輸入引線117將必須取道的路徑。噪聲將必須穿過無源低通濾波器177和178兩者。濾波器177和178有利地衰減這樣的噪聲。另一方面，在美國專利號6，956，417的電路中，漏泄補償電路的電流鏡的漏極直接連接到VCO的輸入。沒有通過居間濾波器對噪聲進行衰減。噪聲被直接注入到VCO的輸入上。
[0041]還存在來自電容器漏泄補償電路110的噪聲可到達VCO 109的控制輸入引線117的第二路徑。在運算放大器163的輸入級生成的噪聲可傳遞出感測運算放大器的反相輸入引線175，并且可沿由箭頭185所指示的路徑傳遞到VCO 109的控制輸入引線117。運算放大器156和第二無源低通濾波器178兩者位于這一路徑185中。這一路徑185中的電路系統(tǒng)(包括運算放大器156和第二低通濾波器178)提供期望的衰減措施，以幫助防止CPOVRN節(jié)點159上的噪聲到達VCO輸入。并非如美國專利號6，963，232的現(xiàn)有技術那樣將感測運算放大器的反相輸入引線直接連接到VCO的輸入，圖4的電路中的感測運算放大器163的反相輸入引線175是連接到CPOVRN節(jié)點159。
[0042]圖3的電路因其使用無源環(huán)路濾波器而類似于美國專利號6，956，417的電路，但它因其補償電路(其輸入和輸出路徑兩者)在它的噪聲被被耦合至VCO輸入之前被濾波而與之不同。圖3的電路因補償電路的輸出被濾波而類似于美國專利號6，963，232的電路，但它因其輸出被更高效地濾波(在美國專利號6，956，417的電路中，補償電路的輸出沒有看到顯式的低通濾波)、其輸入噪聲被濾波、并且它涉及無源濾波器(美國專利號6，963，232的電路具有有源濾波器)而與之不同。
[0043]圖5是將在電容器114被實現(xiàn)為不帶任何電容器漏泄補償電路的厚氧化層MOSCAP時與在電容器114被實現(xiàn)為帶有圖2的電容器漏泄補償電路110的薄氧化層MOSCAP時所占據的集成電路面積量進行比較的示圖。線200指示在電容器114被實現(xiàn)為厚氧化層MOSCAP且在不提供電容器漏泄補償電路的情況下所消耗的集成電路面積量。線201指示在電容器114被實現(xiàn)為薄氧化層MOSCAP且在提供了圖2的電容器漏泄補償電路110的情況下所消耗的總集成電路面積，其中N= 21并且其中電容器114的電容是500pF。在這一情景中，電容器漏泄補償電路110占據大約70微米乘70微米的集成電路面積。電容器漏泄補償電路110的電流消耗是50微安。通過電阻器128的平均漏泄電流是大約0.03微安。相位裕量是89度(在PVT上是60度到127度)。低頻率環(huán)路增益是25dB (在PVT上是2dB到53dB)。2dB環(huán)路增益值是針對漏泄最小的慢工藝角的，而53dB環(huán)路增益值則是針對漏泄較大的快工藝角的。在百分比漏泄校正誤差較大時具有小環(huán)路增益是可以的，因為實際漏泄電流值很小。如果電容器漏泄補償電路110被禁用，則由流過電阻器128的平均電流所指示的漏泄電流132將是大約4.5微安。
[0044]線202指示以下兩種情況之間的集成電路面積差:1)將厚氧化層MOSCAP用于電容器114且不帶有任何電容器漏泄補償電路，以及2)將薄氧化層MOSCAP用于電容器114且?guī)в袌D2的電容器漏泄補償電路。在圖5的示例中，所考慮的每一 MOSCAP實際上包括直接布置在MOSCAP結構上方的側壁電容RTMOM電容器結構，其中由該附加RTMOM電容器結構所提供的側壁電容在緊密間隔的各列金屬(涉及一到四層金屬)之間。
[0045]圖6是示出與使用厚氧化層MOSCAP且不使用電容器漏泄補償電路的情況相比在使用圖2的電容器漏泄補償電路110時實現(xiàn)的百分比面積節(jié)省的示圖。線203指示節(jié)省的百分比面積對于小電容器114值而言很小。這是因為需要相對固定量的集成電路面積來實現(xiàn)電容器漏泄補償電路110，而不管電容器114的大小如何。
[0046]圖7是示出VTUNE的頻率分量的示圖，其中PLL處于穩(wěn)態(tài)，其中FREF信號101是20MHz，其中PLL是將厚氧化層MOSCAP用于電容器114的實現(xiàn)，并且其中沒有電容器漏泄補償電路。理想情況下，VTUNE將是不具有非零頻率分量的DC信號，但現(xiàn)實中，由于VTUNE信號中因電容器漏泄和其他因素所造成的波動，存在較高頻率分量。圖7示出了在20MHz處信號VTUNE的電壓峰值(波動的峰到峰電壓的一半)最差情形是負117dBVp。
[0047]圖8是示出當圖1的PLL在穩(wěn)態(tài)中操作時VTUNE的頻率分量的示圖，其中FREF信號101是20MHz。在20MHz處信號VTUNE的電壓峰值(波動的峰到峰電壓的一半)最差情形是負112dBVp。因此，圖8指示與圖7所示的將厚氧化層MOSCAP用于電容器114的情況相比，圖1的PLL中在VTUNE中存在稍多的波動，但波動增加的量是微小的。
[0048]圖9是示出PLL的VCO輸出信號中的閉環(huán)相位噪聲的示圖，其中PLL將厚氧化層MOSCAP用于電容器114，并且其中PLL不具有電容器漏泄補償電路。
[0049]圖10是示出圖1的PLL的VCO輸出信號VC0_0UT 103中的閉環(huán)相位噪聲的示圖，其中PLL 100將薄氧化層MOSCAP用于電容器114，并且其中PLL 100涉及圖2的電容器漏泄補償電路110。圖10中所指示的相位噪聲只比圖9中指示的相位噪聲稍差。圖9和圖10的圖表中呈現(xiàn)的比較數據是通過模擬具有無噪聲VCO的PLL電路來獲取的。圖9和圖10兩者中指示的少量相位噪聲非常小，以至于在真實PLL中，由VCO所生成的噪聲將占主導地位。因此，將圖2的電容器漏泄補償電路110添加到PLL不會增加總體PLL相位噪聲。
[0050]圖11是根據一個新穎方面的方法300的流程圖。經由電荷泵輸出節(jié)點從電荷泵向環(huán)路濾波器提供正電流脈沖和負電流脈沖(步驟301)。在一個示例中，正電流脈沖和負電流脈沖一起即為圖2中記為ICP的電流信號112。這些電流脈沖被用環(huán)路濾波器濾波(步驟302)，其中環(huán)路濾波器包括有漏泄電容器。在一個示例中，環(huán)路濾波器是圖2的環(huán)路濾波器108，且有漏泄電容器是圖2的電容器114。電荷泵內“電荷泵輸出電壓副本節(jié)點”(CPOVRN)上的感測電壓被感測(步驟303)。在一個示例中，感測電壓是圖2的感測電壓137且CPOVRN是圖2中的節(jié)點159。感測電壓由圖2的電容器漏泄補償電路110的運算放大器163來感測。電荷泵中的電路系統(tǒng)用于維持CPOVRN上的感測電壓與電荷泵輸出節(jié)點上的電壓相同。在一個示例中，維持CPOVRN上的電壓與電荷泵輸出節(jié)點上的電壓相同的電路系統(tǒng)是運算放大器156?？绺北倦娙萜魇┘痈袦y電壓(步驟304)。副本電容器漏泄電流漏泄通過副本電容器。在一個示例中，副本電容器是圖2的電容器166。副本電容器漏泄電流被鏡像(步驟305)，由此生成補償電流。在一個示例中，鏡像是由圖2的涉及晶體管164和165的電流鏡來執(zhí)行的。補償電流被提供到有漏泄電容器上(步驟306)。在一個示例中，補償電流是圖2的電流135。這一電流135被提供到圖2中的節(jié)點136上。在一個示例中，步驟303-306由圖2的電容器漏泄補償電路110來執(zhí)行。雖然圖11的方法的各步驟在流程圖中被示出，但這些步驟的操作實際上全部同時執(zhí)行。
[0051]盡管以上出于指導目的描述了某些具體實施例，但本專利文獻的教導具有普遍適用性并且不被限定于以上描述的具體實施例。相應地，可實踐對所描述的具體實施例的各種特征的各種修改、適應、以及組合而不會脫離所闡述的權利要求書的范圍。
【權利要求】
1.一種電路,包括: 包括電容器的環(huán)路濾波器； 包括電荷泵輸出節(jié)點和電荷泵輸出電壓副本節(jié)點(CPOVRN)的電荷泵，其中所述電荷泵輸出節(jié)點被耦合至所述環(huán)路濾波器；以及 感測所述CPOVRN上呈現(xiàn)的感測電壓并跨副本電容器施加這一感測電壓的電容器漏泄補償電路，其中所述電容器漏泄補償電路將補償電流提供到所述電容器的極板上，并且其中跨所述副本電容器的感測電壓基本上等于跨所述電容器的電壓。
2.如權利要求1所述的電路，其特征在于，所述電荷泵包括輸出部分和電流控制部分，其中所述CPOVRN是所述電流控制部分內的節(jié)點，其中所述輸出部分經由所述電荷泵輸出節(jié)點將正電流脈沖和負電流脈沖提供給所述環(huán)路濾波器，并且其中所述電流控制部分控制所述輸出部分以使得所述正電流脈沖與所述負電流脈沖基本上是相同幅值。
3.如權利要求2所述的電路，其特征在于，所述電容器漏泄補償電路進一步包括: 具有柵極、源極、以及漏極的第一晶體管，其中該漏極被耦合至所述副本電容器； 具有柵極、源極、以及漏極的第二晶體管，其中該漏極被耦合至所述環(huán)路濾波器的所述電容器的所述極板；以及 具有非反相輸入引線、反相輸入引線以及輸出引線的運算放大器，其中所述運算放大器的所述輸出引線被耦合至所述第一晶體管的柵極并被耦合至所述第二晶體管的柵極，其中所述非反相輸入引線被耦合至所述副本電容器，并且其中所述反相輸入引線被耦合至所述電荷泵的所述控制部分內的所述CP0VRN。
4.如權利要求2所述的電路，其特征在于，所述環(huán)路濾波器進一步包括: 耦合在所述電荷泵輸出節(jié)點與所述電容器的所述極板之間的電阻器。
5.如權利要求2所述的電路，其特征在于，所述環(huán)路濾波器進一步包括: 耦合在所述電荷泵輸出節(jié)點與壓控振蕩器(VCO)的輸入引線之間的無源低通濾波器。
6.如權利要求2所述的電路，其特征在于，所述電荷泵的所述電流控制部分包括運算放大器，其中所述電流控制部分的所述運算放大器具有第一輸入引線和第二輸入引線，其中所述電流控制部分的所述運算放大器的第一輸入引線被耦合至所述電荷泵輸出節(jié)點，并且其中所述電流控制部分的所述運算放大器的第二輸入引線被耦合至所述CP0VRN。
7.如權利要求2所述的電路，其特征在于，所述環(huán)路濾波器的所述電容器的所述極板經由至少一個無源低通濾波器被耦合至壓控振蕩器(VCO)的輸入引線。
8.如權利要求2所述的電路，其特征在于，所述環(huán)路濾波器的所述電容器的所述極板經由兩個串聯(lián)連接的無源低通濾波器被耦合至壓控振蕩器(VCO)的輸入引線。
9.如權利要求2所述的電路，其特征在于，所述電荷泵的電流控制部分包括第一P溝道晶體管、第二 P溝道晶體管、以及第一 N溝道晶體管和第二 N溝道晶體管，其中所述第一和第二P溝道晶體管以及所述第一和第二N溝道晶體管串聯(lián)耦合在一起以建立從供電電壓導體穿過所述CPOVRN并到達接地導體的電流路徑。
10.如權利要求9所述的電路，其特征在于，所述第一P溝道晶體管的柵極是接地的，其中供電電壓呈現(xiàn)于所述第二 N溝道晶體管的柵極上，其中偏置電壓呈現(xiàn)于所述第一 N溝道晶體管的柵極上，并且其中所述第一 N溝道晶體管的漏極被耦合至所述CP0VRN。
11.如權利要求10所述的電路，其特征在于，所述電流控制部分進一步包括運算放大器，其中所述電流控制部分的所述運算放大器具有被耦合至所述第二 P溝道晶體管的柵極的輸出引線、被耦合至所述電荷泵輸出節(jié)點的第一輸入引線、以及被耦合至所述CPOVRN的第二輸入引線。
12.—種方法,包括: (a)將正電流脈沖和負電流脈沖從電荷泵經由電荷泵輸出節(jié)點提供給環(huán)路濾波器； (b)使用所述環(huán)路濾波器對所述正電流脈沖和所述負電流脈沖進行濾波，其中所述環(huán)路濾波器包括電容器； (c)感測所述電荷泵內的電荷泵輸出電壓副本節(jié)點(CPOVRN)上呈現(xiàn)的感測電壓； (d)跨副本電容器施加所述感測電壓以使得副本電流漏泄通過所述副本電容器，其中所述副本電容器是所述環(huán)路濾波器的所述電容器的副本，但具有比所述環(huán)路濾波器的所述電容器小的電容； (e)對所述副本電流進行鏡像并由此生成補償電流；以及 (f)將所述補償電流提供到所述環(huán)路濾波器的所述電容器的極板上。
13.如權利要求12所述的方法，其特征在于，第一運算放大器通過將所述感測電壓接收到所述第一運算放大器的輸入引線上來執(zhí)行(C)的所述感測，其中所述第一運算放大器的輸出引線被耦合至電流鏡，并且其中所述電流鏡生成所述補償電流。
14.如權利要求13所述的方法，其特征在于，進一步包括: (g)使用第二運算放大器來將所述CPOVRN上的所述感測電壓維持成基本上等于所述電荷泵輸出節(jié)點上呈現(xiàn)的電壓，其中所述第二運算放大器的第一輸入引線被耦合至所述電荷泵輸出節(jié)點，并且其中所述第二運算放大器的第二輸入引線被耦合至所述CP0VRN。
15.如權利要求14所述的方法，其特征在于，進一步包括: (h)從供電導體傳導電流穿過所述CPOVRN并到達接地導體。
16.如權利要求12所述的方法，其特征在于，所述環(huán)路濾波器進一步包括耦合在所述電荷泵輸出節(jié)點與所述環(huán)路濾波器的所述電容器的所述極板之間的電阻器。
17.如權利要求12所述的方法，其特征在于，所述環(huán)路濾波器進一步包括串聯(lián)耦合在所述環(huán)路濾波器的所述電容器的所述極板與壓控振蕩器(VCO)的輸入引線之間的兩個無源低通濾波器。
18.如權利要求12所述的方法，其特征在于，所述電荷泵包括電流控制部分和輸出部分，其中所述方法進一步包括: (g)將正電流脈沖和負電流脈沖從所述輸出部分經由所述電荷泵輸出節(jié)點提供給所述環(huán)路濾波器；以及 (h)控制所述輸出部分以使得所述正電流脈沖與所述負電流脈沖的幅值相同，其中所述電流控制部分至少部分地通過將所述CPOVRN上的所述感測電壓維持成基本上等于所述電荷泵輸出節(jié)點上呈現(xiàn)的電壓來執(zhí)行所述控制。
19.一種電路,包括: 包括電容器的環(huán)路濾波器； 包括輸出部分和電流控制部分的電荷泵，其中所述輸出部分將正電流脈沖和負電流脈沖經由電荷泵輸出節(jié)點提供給所述環(huán)路濾波器，并且其中所述電流控制部分控制所述輸出部分以使得所述正電流脈沖與所述負電流脈沖是相同幅值；以及 用于感測所述電荷泵的所述電流控制部分內的電荷泵輸出電壓副本節(jié)點(CPOVRN)上呈現(xiàn)的感測電壓并跨副本電容器施加這一感測電壓的裝置，其中所述裝置還用于將補償電流提供到所述電容器的極板上，以使得跨所述副本電容器的所述感測電壓基本上等于跨所述電容器的電壓。
20.如權利要求19所述的電路，其特征在于，所述電流控制部分包括第一P溝道晶體管、第二 P溝道晶體管、第一 N溝道晶體管、以及第二 N溝道晶體管，其中所述第一和第二 P溝道晶體管以及所述第一和第二N溝道晶體管串聯(lián)耦合在一起以建立從供電電壓導體穿過所述CPOVRN并到達接地導體的電流路徑，并且其中所述電流控制部分進一步包括具有第一輸入引線和第二輸入引線的運算放大器，其中所述運算放大器的所述第一輸入引線被耦合至所述電荷泵輸出節(jié)點，并且其中所述第二輸入引線被耦合至所述CP0VRN。
21.如權利要求19所述的電路，其特征在于，所述環(huán)路濾波器進一步包括串聯(lián)耦合在所述環(huán)路濾波器的所述電容器的所述極板與壓控振蕩器(VCO)的輸入引線之間的兩個無源低通濾波器。
22.如權利要求19所述的電路，其特征在于，所述環(huán)路濾波器進一步包括耦合在所述環(huán)路濾波器的所述電容器的所述極板與所述電荷泵輸出節(jié)點之間的電阻器。
【文檔編號】H03L7/089GK104137420SQ201380011486
【公開日】2014年11月5日 申請日期:2013年3月1日 優(yōu)先權日:2012年3月1日
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