CN1437320A - 电荷泵电路 - Google Patents

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Abstract

一种高速、大电流的电荷泵电路，能够提供可编程改变的电流输出范围。本发明的电荷泵电路包括第一和第二电流镜电路，分别从第一、第二提供电流来产生第一、第二输出电流，并且分别以第一、第二输出电流对输出节点进行充、放电。该电荷泵电路还包括第一和第二电流操纵装置，其中，第一电流操纵装置响应一对差动信号来导引第一提供电流到第一电流镜电路，而第二电流操纵装置则响应另一对差动信号来导引第二提供电流到第二电流镜电路。

Description

电荷泵电路
技术领域
本发明有关于电荷泵(charge-pump)电路，特别指一种适用于补偿式锁相回路(offset phase locked loop)，且具有高速、大电流特性的电荷泵电路。
背景技术
近来移动通信系统的快速成长，已带来对高效能的射频(radiofrequency，RF)集成电路组件的强烈需求。本地振荡器(local oscillator，LO)是这类系统中的一个重要构成组件，为符合无线通信标准的严格要求，本地振荡器需要利用锁相回路(phase locked loop，PLL)技术来提供高度清晰且稳定的信号，在所有的锁相回路类型中，补偿式(offset)的锁相回路减少了发送路径中的滤波器数目而能提供优选的效能、成本及电源效率，因此已由多数的GSM手机所采用。补偿式锁相回路是一种于反馈路径中设置降频(down-conversion)用混频器(mixer)的锁相回路，且其用于发送路径中当作频率转换器，补偿式锁相回路具有跟踪式带通(bandpass)滤波器的特性而无需利用双工器(duplexer)便能抑制GSM接收频段的噪声(发送噪声)，因此提供了一种具成本效益的方式来抑制射频发送器的寄生噪声。
电荷泵(charge-pump)电路是补偿式锁相回路中的基本构成组件，其用来控制压控振荡器(voltage controlled oscillator，VCO)的输出频率。在集成电路设计之中，电荷泵电路必须能提供够大的电流以满足射频发送器所要求的高交换速度，图1是G.Irvine等人所提出的电荷泵电路，参见”AnUp-Conversion Loop Transmitter IC for Digital Mobile Telephones”，IEEE Int.Solid-State Circuit Conf.，San Francisco，pp.364-365，Feb.1998。虽然图1所示的电路够快而能跟上调制的速度，但当中却一直存在着分别流经电阻R1和R2的电流，这造成无可避免的电源消耗，且其还需一个额外的运算放大器来维持Q5的电压不变，如此也增加了整体的成本。除此之外，制造流程的变动使得锁相回路的回路增益无法固定。有鉴于此，亟需一种电荷泵电路来解决现有技术的缺点，亦希望能提出一种可编程改变输出电流范围的电荷泵电路，以补偿回路增益因制造流程所引起的变动。
发明内容
本发明的目的是提供一种用于射频发送IC的电荷泵电路，其具有高交换速度、大输出电流及低消耗功率的特性。
本发明的另一目的是提供一种电荷泵电路，其具有可编程改变的输出电流范围。
为达上述目的，本发明公开一种高速、大电流的电荷泵电路，包括一第一电流镜电路、一第二电流镜电路、一第一程控电流源以及一第二程控电流源。第一电流镜电路根据第一提供电流产生第一输出电流，并且以第一输出电流对输出节点进行充电；而第二电流镜电路则根据第二提供电流产生第二输出电流，并且以第二输出电流对输出节点进行放电。第一、第二程控电流源受控于调节信号，可分别改变该第一、第二提供电流的大小。此外，本发明的电荷泵电路还包括一第一电流操纵装置以及一第二电流操纵装置。第一电流操纵装置响应第一对差动信号来导引第一提供电流到第一支路或第一电流镜电路；而第二电流操纵装置响应第二对差动信号来导引第二提供电流到第二支路或第二电流镜电路。
第一电流操纵装置最好由接收第一对差动信号的第一及第二晶体管组成，第二电流操纵装置最好另以接收第二对差动信号的第三及第四晶体管来组成。其中，第一晶体管连接到第一支路和第一程控电流源之间，且第二晶体管连接到第一电流镜电路和第一程控电流源之间；另一方面，第三晶体管连接到第二支路和第二程控电流源之间，且第四晶体管连接到第二电流镜电路和第二程控电流源之间。
附图说明
图1是现有技术所公开的电荷泵电路示意图；
图2是本发明的电荷泵电路方块示意图；以及
图3是图2的电荷泵电路示意图。
符号说明
Q1-Q7-晶体管
R1-R4-电阻
200-本发明的电荷泵电路
210-程控电流源
220-电流操纵装置
222、224-支路
230-电流镜电路
240-程控电流源
250-电流操纵装置
252、254-支路
260-电流镜电路
M1-M14-晶体管
S1-S4-开关装置
OUT-输出节点
I1、I2-提供电流
IUP-充电电流
IDN-放电电流
IOUT-输出电流
UP+、UP--差动信号对
DOWN+、DOWN--差动信号对
IS1、IS2-固定电流源
ADJ-调节信号
Vdd-电源
GND-接地
具体实施方式
为使本发明的上述目的、特征和优点能更明显易懂，下文特举一优选实施例，并配合附图，详细说明如下：
图2所示是根据本发明的电荷泵电路200，其由两个程控电流源、两个电流镜电路以及两个电流操纵装置组成。电源Vdd、接地GND分别代表较高电位的供电电源与参考电位以提供电荷泵电路200所需的电功率来源。程控电流源210提供电流I1给电流操纵装置220，而程控电流源240提供电流I2给电流操纵装置250，受控于调节信号ADJ，程控电流源210和240可分别改变提供电流I1、I2的大小。如图所示，一对差动信号UP+、UP-施加于电流操纵装置220，另一对差动信号DOWN+、DOWN-则施加于电流操纵装置250。电流操纵装置220响应差动信号对UP+、UP-来导引提供电流I1到连接电源Vdd的支路222或连接电流镜电路230的支路224；另一方面，电流操纵装置250响应差动信号对DOWN+、DOWN-来导引提供电流I2到连接地GND的支路252或连接电流镜电路260的支路254。电流镜电路230从提供电流I1产生充电电流IUP，并且以电流IUP对输出节点OUT进行充电；而电流镜电路260则从提供电流I2产生放电电流IDN，并且以电流IDN对输出节点OUT进行放电。
图3是根据本发明的电荷泵电路200其电路示意图，此处所指的晶体管，不管是N型或P型金属氧化物半导体(MOS)晶体管都具有栅极、漏极和源极。由于MOS晶体管一般为对称的器件，实际上对漏极和源极的称谓，只可能在电压施加在这些电极才可确定，因此，本文所指称的源、漏极，应从广义的范围来解释，按照本发明教示的原则，本领域技术人员能明了以其它的晶体管技术来考虑实施图3中所示范的晶体管。如图所示，电流操纵装置220包括了形成差动对(differential-pair)组成的晶体管M1和M2。晶体管M1、M2的源极耦接在一起且由程控电流源210来提供电流；晶体管M2的漏极经由支路222连接到电源Vdd，而晶体管M1的漏极则经由支路224连接到电流镜电路230；此外，晶体管M1、M2的栅极分别接收信号UP+、UP-，而且差动信号对UP+、UP-以信号互补(complementary)方式施加于电流操纵装置220。采用差动对组成的缘故，是因为其具有交换速度快的特性。另一方面，电流操纵装置250包括了形成差动对组成的晶体管M5和M6。晶体管M5、M6的源极耦接在一起且由程控电流源240来提供电流；晶体管M5的漏极经由支路252连接到接地GND，而晶体管M6的漏极则经由支路254连接到电流镜电路260；此外，晶体管M5、M6的栅极分别接收信号DOWN+、DOWN-，同样地，差动信号对DOWN+、DOWN-以信号互补方式施加于电流操纵装置250。
电流镜电路230由栅极耦接在一起的晶体管M3及M4所构成，且两者的源极皆耦接电源Vdd；晶体管M4的漏极连接到输出节点OUT，然而晶体管M3的漏极则连接到支路224；再者，将晶体管M3的闸、漏极短路，使得晶体管M3作用如同二极管。运用电流镜电路230，将会让出现在支路224的电流实质上再生于输出节点OUT，以便对接在电荷泵电路200之后的回路滤波器(图中未示)进行充电。电流镜电路260以类似的方式由晶体管M7及M8所构成，晶体管M7、M8的栅极耦接在一起且两者的源极皆耦接接地GND；晶体管M8的漏极连接到输出节点OUT，然而晶体管M7的漏极则连接到支路254；并且将晶体管M7的闸、漏极短路使其作用如同二极管。运用电流镜电路260，将会让出现在支路254的电流实质上再生于输出节点OUT，以便对回路滤波器进行放电。
当信号UP+为逻辑高电位且信号UP-为逻辑低电位时(表示既定的充电状态)，会关断晶体管M2而导通晶体管M1，以导引电流I1经晶体管M1通过晶体管M3，且反映至晶体管M4作为充电电流IUP；相反地，当信号UP+为逻辑低电位且信号UP-为逻辑高电位时，会关断晶体管M1而导通晶体管M2，而导引电流I1经晶体管M2到支路222，如此使输出节点OUT上的充电电流IUP很快地降到零。另一方面，当信号DOWN+为逻辑高电位且信号DOWN-为逻辑低电位时(表示既定的放电状态)，会关断晶体管M5而导通晶体管M6，以导引电流I2经晶体管M6通过晶体管M7，且反映至晶体管M8作为放电电流IDN；当信号DOWN+为逻辑低电位且信号DOWN-为逻辑高电位时，会关断晶体管M6而导通晶体管M5，而导引电流I2经晶体管M5到支路252，如此使放电电流IDN从输出节点OUT上很快地消失。
电荷泵电路200的输出电流IOUT(视图中的电流符号方向而定)是输出节点OUT上电流IUP及电流IDN的总和。由于锁相回路的回路增益会直接随着输出电流IOUT而改变，因此可以调节输出电流IOUT来补偿回路增益。电荷泵电路200经由程控电流源210和240来提供可变的输出电流范围，图3亦举例说明了程控电流源的可能实施方式，如图示，程控电流源210由开关装置S1和S2、晶体管M9-M11以及固定电流源IS1所构成，而程控电流源240由开关装置S3和S4、晶体管M12-M14以及固定电流源IS2所构成，固定电流源IS1与IS2分别提供同样大小的电流IREF。接成如二极管般的晶体管M9和晶体管M10形成电流镜，所以晶体管M10能提供实质上相等于电流IREF的电流IA。晶体管M11并联于晶体管M10，因此亦和晶体管M9形成电流镜，为产生大小为IREF的倍数的电流，晶体管M11的尺寸比(geometry ratio)须设计成为希望达到的倍率，在实施例中，晶体管M11的尺寸比为晶体管M9的两倍，所以提供的电流IB＝2IREF。开关装置S1、S2分别串联于晶体管M10和M11，如此，依据调节信号ADJ，提供电流I1为电流IA与IB的合成电流。如图3所示，程控电流源240的实施方式类似于程控电流源210，所以，晶体管M13提供实质上等于电流IREF的电流IA′，晶体管M14提供实质上两倍于电流IREF的电流IB′，而且依据调节信号ADJ，提供电流I2为电流IA′与IB′的合成电流。
程控电流源210中的开关装置S1、S2以及程控电流源240中的开关装置S3、S4可用相同的调节信号ADJ来程序化控制其打开或关断，或者，亦可以用不同的信号来分别调节程控电流源210和240。在实施例中，相同的调节信号ADJ[1：0]施加于上述开关装置，例如：若信号ADJ[1：0]其值为”01”(以二进制表示)，则导通开关装置S1、S3而形成导通，但关断开关装置S2、S4形成断路，如此程控电流源210和240分别提供相等于IREF的提供电流I1及I2。若信号ADJ[1：0]其值为”10”，则导通开关装置S2、S4而形成导通，但关断开关装置S1、S3形成断路，如此程控电流源210和240分别提供相等于2IREF的提供电流I1及I2。又若信号ADJ[1：0]其值为“11”，则导通全部的开关装置S1-S4，藉此使程控电流源210和240分别提供相等于3IREF(即：IREF+2IREF)的提供电流I1及I2。于是，电荷泵电路200能产生可编程改变的电流范围。
虽然本发明已以一具体实施例公开如上，然其仅为了易于说明本发明的技术内容，而并非将本发明狭义地限定于该实施例，任何本领域技术人员，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，可进行更动与修改，因此本发明的保护范围以所提出的权利要求限定的范围为准。

Claims (14)

1.一种电荷泵电路，具有一输出节点，该电路至少包含：
一第一电流镜电路，用以根据一第一提供电流产生一第一输出电流，并且以该第一输出电流对该输出节点进行充电；
一第二电流镜电路，用以根据一第二提供电流产生一第二输出电流，并且以该第二输出电流对该输出节点进行放电；
一第一程控电流源，受控于一调节信号，用以改变该第一提供电流的大小；
一第二程控电流源，受控于该调节信号，用以改变该第二提供电流的大小；
一第一电流操纵装置，连接到一第一支路、该第一电流镜电路以及该第一程控电流源之间，用以响应一第一对差动信号来导引该第一提供电流到该第一支路和该第一电流镜电路两者其中之一；以及
一第二电流操纵装置，连接到一第二支路、该第二电流镜电路以及该第二程控电流源之间，用以响应一第二对差动信号来导引该第二提供电流到该第二支路和该第二电流镜电路两者其中之一。
2.如权利要求1所述的电荷泵电路，其中上述第一电流操纵装置至少包含一第一及一第二晶体管以接收上述第一对差动信号，并且上述第二电流操纵装置至少包含一第三及一第四晶体管以接收上述第二对差动信号。
3.如权利要求2所述的电荷泵电路，其中上述第一晶体管连接到上述第一支路和上述第一程控电流源之间，且上述第二晶体管连接到上述第一电流镜电路和上述第一程控电流源之间。
4.如权利要求3所述的电荷泵电路，其中当收到的上述第一对差动信号指示一既定充电状态时，会关断上述第一晶体管而导通上述第二晶体管，以导引上述第一提供电流到上述第一电流镜电路。
5.如权利要求2所述的电荷泵电路，其中上述第三晶体管连接到上述第二支路和上述第二程控电流源之间，且上述第四晶体管连接到上述第二电流镜电路和上述第二程控电流源之间。
6.如权利要求5所述的电荷泵电路，其中当收到的上述第二对差动信号指示一既定放电状态时，会关断上述第三晶体管而导通上述第四晶体管，以导引上述第二提供电流到上述第二电流镜电路。
7.如权利要求1所述的电荷泵电路，其中上述第一程控电流源至少包含多个由上述调节信号所控制的开关装置，用以改变上述第一提供电流的大小。
8.如权利要求1所述的电荷泵电路，其中上述第二程控电流源至少包含多个由上述调节信号所控制的开关装置，用以改变上述第二提供电流的大小。
9.一种电荷泵电路，具有一输出节点，该电路至少包含：
一第一电流镜电路，用以根据一第一提供电流产生一第一输出电流，并且以该第一输出电流对该输出节点进行充电；
一第二电流镜电路，用以根据一第二提供电流产生一第二输出电流，并且以该第二输出电流对该输出节点进行放电；
一第一电流源，用以提供该第一提供电流；以及
一第二电流源，用以提供该第二提供电流。
10.如权利要求9所述的电荷泵电路，更至少包含：
一第一电流操纵装置，用以响应一第一对差动信号来导引上述第一提供电流到上述第一电流镜电路；以及
一第二电流操纵装置，用以响应一第二对差动信号来导引上述第二提供电流到上述第二电流镜电路。
11.如权利要求9所述的电荷泵电路，其中上述第一提供电流和上述第二提供电流根据一调节信号来编程改变各自的电流大小。
12.如权利要求11所述的电荷泵电路，其中上述第一电流源至少包含多个由上述调节信号所控制的开关装置，用以改变上述第一提供电流的大小。
13.如权利要求11所述的电荷泵电路，其中上述第二电流源至少包含多个由上述调节信号所控制的开关装置，用以改变上述第二提供电流的大小。
14.如权利要求10所述的电荷泵电路，其中当收到的上述第一对差动信号指示一既定充电状态时，使上述第一电流操纵装置导引上述第一提供电流到上述第一电流镜电路，而当收到的上述第二对差动信号指示一既定放电状态时，使上述第二电流操纵装置导引上述第二提供电流到上述第二电流镜电路。
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