CN1477788A - 差动式电荷泵 - Google Patents

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Abstract

一种差动式电荷泵，包括第一电流源、第二电流源、第一开关、第二开关、第一反相开关、第二反相开关与共模反馈器。共模反馈器依据差动式电荷泵的共模电压以校正第一电流源的输出电流大小，使得第一电流源与第二电流源输出的电流大小相等。本发明利用差动式电荷泵的共模电压应为定值的特性以校正电流源的大小，可以精确地校正差动式电荷泵的输出电流。且本发明只需一组电荷泵，结构更为简单且易于制造。且不论有无上升信号或下降信号，随时都在进行校正，因此不会有共模电压漂移的问题。

Description

差动式电荷泵
技术领域
本发明有关于一种电荷泵，且特别是有关于一种可校正的差动式电荷泵。
背景技术
锁相回路(Phase Lock Loop，PLL)为一种使所产生的信号的相位与频率都固定于某一基准的电路系统。如何得到低噪声与快速锁相的锁相回路，一直是本领域努力的课题。
请参照图1，其所表示传统的锁相回路100的电路方块图。锁相回路100包括有一相位频率检测器(Phase/Frequency Detector，PFD)102、一回路滤波器(Loop Filter，LP)104、一电压控制振荡器(Voltage ControlledOscillator，VCO)106、以及一分频器(Frequency Divider)108。相位频率检测器102同时接收一输入频率fIF与一参考频率fref，并依据两者的相位差输出一输出信号S1至回路滤波器104中。回路滤波器104周以将不需要的噪声滤掉之后，将输出信号S2输入至电压控制振荡器106中。电压控制振荡器106所输出的输出频率fOF用以作为锁相回路100的输出，而输出频率fOF还输入至分频器108中。分频器108所输出的参考频率fref等于一输出频率fOF除以一正整数N。其中，N值的大小由输入分频器108的控制信号fCO决定。
当锁相回路100启动之后，经过一稳定期间(settletime)之后，锁相回路100将进入锁相状态(lock state)。此时，参考频率fref将与输入频率fIF相等，而输出频率fOF则等于N×fref。
相位频率检测器102之后级电路为一电荷泵(charge pump)。请参照图2，其所表示传统的电荷泵的简单示意图。电荷泵200由两个电流源IUP与IDN、开关S1、S2、S1’及S2’_所构成。当开关S1接收到来自前级电路的上升信号fp时导通(on)，以使电荷泵200输出上升电流ip；当开关S2接收到来自前级电路的下降信号fd时导通，以使电荷泵200输出下降电流id。开关S1’与开关S1反相，开关S2’与开关S2反相。当开关S1与S2皆为断路时，开关S1’与S2’导通，以避免电流源IUP与IDN浮接。其中，上升信号fp下降信号fd依据参考频率fref与输入频率fIF的相位差决定。
理论上电荷泵的两电流源IUP与IDN其电路组件的物理特性完全相同，亦即，电流源IUP所输出的电流大小与电流源IDN所输出的电流大小会完全相同。但是由于制造过程的误差或组件特性的不同，使得两者会不相等，故电荷泵200在收到相同的上升信号f-up与下降信号fdn时，所分别输出的电流大小并不相同。此时，即使参考频率fref与输入频率fIF的相位相同，电荷泵输出的相位电流I0其值不会为0。如此，使得锁相电路信号锁相的效果变差。
传统上可以进行校正的电荷泵有很多的形式，在此以传统的差动式电荷泵为例做更进一步的说明。请参照图3，其所表示传统的差动式电荷泵300示意图。差动式电荷泵300包括第一电荷泵310、第二电荷泵320与共模反馈器CMP，用以输出电流以对电容C进行充电或放电的动作，其中电容C为回路滤波器104的前级。第一电荷泵310包括电流源IUP1、电流源IDN1、开关S1、S2、S1’与S2’，其连接关系如图所示。开关S1受上升信号fp控制，开关S2受下降信号fd控制，开关S1’与开关S2’分别为开关S1与S2的反相。节点A为第一电荷泵310的输出端，节点A’接收第一参考电压VR1。第二电荷泵320包括电流源IUP2、电流源IDN2、开关S3、S4、S3’与S4’，其连接关系如图所示。开关S4受上升信号fp控制，开关S3受下降信号fd控制，开关S3’与开关S4’分别为开关S3与S4的反相。节点B为第二电荷泵320的输出端，节点B’接收第一参考电压VR1。电容C的两端分别与节点A与B电连接。
当差动式电荷泵300接收到上升信号fp时，开关S1与开关S4导通，电荷泵300输出的电流经由开关S1、节点A流经电容C，并流经开关S4与电流源IDN2，以对电容C充电；当电荷泵300接收到下降信号fd时，开关S2与开关S3导通，电荷泵300输出的电流经由开关S3、节点B流经电容C，并经节点A、开关S2与电流源IDN1，以对电容C放电。节点A与B的电压平均即为共模电压(Common Mode Voltage)。共模反馈器共模反馈器CMP接收节点A与B的电压及第二参考电压VR2，比较节点A与B的电压平均与第二参考电压VR2并据以输出调节信号Vf，以调节电流源IUP1与IUP2的大小。差动式电荷泵的缺点包括：
一、由于包括两组电荷泵，使得电路过于复杂。
二、只能保证IUP1+IUP2＝IDN1+IDN2，无法保证IUP1＝IUP2及IDN1＝IDN2。
三、当差动式电荷泵300经过长时间未启动时，亦即开关S1、S2、S3与S4皆为断路时，电容C为浮接，使得共模电压易于飘移。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的就是在提供一种可校正的电荷泵。
根据本发明的目的，提出一种差动式电荷泵，包括第一电流源、第二电流源、第一开关、第二开关、第一反相开关、第二反相开关与共模反馈器。第一电流源，用以依据调节信号提供第一电流。第二电流源，用以提供第二电流。第一开关的一端与第一电流源连接，其状态依据上升信号而为导通。第二开关的一端与第一开关的另一端连接于一第一节点，另一端与第二电流源连接，其状态依据下降信号而为导通。第一反相开关的一端与第一电流源连接其状态为第一开关的反相。第二反相开关的一端与第一反相开关连接于第二节点，另一端与第二电流源连接，其状态为第二开关的反相。共模反馈器用以接收参考电压、第一节点的电压与第二节点的电压并据以输出调节信号。第一节点的电压与第二节点的电压平均即为共模电压，共模电压应为一定值，共模反馈器依此特性调节电流源输出电流的大小。
为让本发明的上述目的、特征、和优点能更明显易懂，下文特举一较佳实施例，并配合附图，详细说明如下。
附图说明
图1表示传统的锁相回路的电路方块图。
图2表示传统的电荷泵的简单示意图。
图3表示传统的差动式电荷泵示意图。
图4表示依照本发明一较佳实施例的一种差动式电荷泵示意图。
图5表示为图4中的差动式电荷泵的应用的另一例。
图6表示依照本发明的另一较佳实施例的差动式电荷泵示意图。
图7表示为图6中的差动式电荷泵的应用的另一例。
附图标号说明
102：相位频率检测器
104：回路滤波器
106：电压控制振荡器
108：频率转换器
200：电荷泵
300、400、600：差动式电荷泵
310：第一电荷泵
320：第二电荷泵
具体实施方式
本发明的构思在于利用差动式电荷泵的共模电压应为定值的特性以校正电流源输出电流的大小。请参照图4，其表示依照本发明一较佳实施例的一种差动式电荷泵400示意图。差动式电荷泵400包括电流源IUP、电流源IDN、开关S1、开关S2、反相开关S1’、反相开关S2’与共模反馈器CMP，用以对电容C1与电容C2进行充电或放电。其中，差动式电荷泵400为锁相回路100的相位频率检测器102的后级，电容C1与电容C2即为回路滤波器104的前级。开关S1的一端与电流源IUP连接，当接收到上升信号fp时，开关S1导通。开关S2的一端与开关S1的另一端连接于节点A，开关S2的另一端与电流源IDN连接，当接收到下降信号fd时，开关S2导通。反相开关S1’的一端与电流源IDN连接，其状态为开关S1的反相。反相开关S2’的一端与反相开关S1’连接于节点B，另一端与电流源IDN连接，其状态为开关S2的反相。共模反馈器CMP用以接收参考电压VR、节点A的电压与节点B的电压并据以输出调节信号Vf以调节电流源IUP输出的电流大小。其中，节点A与节点B的电压平均即为共模电压。
请再参照图4，当电荷泵400接收到上升信号fp时，电流依照图中的虚线路径流动，此时，开关S1与S2’导通，电流源IUP输出电流对电容C1充电，同时，电流源IDN输出的电流对电容C2放电。若电流源IUP与电流源IDN输出的电流大小相等，则电容C1所充的电量会等于电容C2所放的电量，亦即，节点A与节点B的电压之和不变。若节点A与节点B的电压之和变大，表示充电量大于放电量，也就是电流源IUP输出的电流大于电流源IDN输出的电流，因此共模反馈器CMP即据以输出调节信号Vf以使电流源IUP输出的电流变小；若节点A与节点B的电压之和变小，表示放电量大于充电量，也就是电流源IUP输出的电流小于电流源IDN输出的电流，因此共模反馈器CMP即据以输出调节信号Vf以使电流源IUP输出的电流变大。同样的道理，当电荷泵400接收到下降信号fd时，也可以依据相同的原理使得电流源IUP与IDN输出的电流维持相同的大小。另外，当电荷泵400同时接收到上升信号fp与下降信号fd时，或电荷泵400同时没有接收到上升信号fp与下降信号fd时，本发明的校正动作皆可以正常运作，所以不论上升信号fp与下降信号fd的组合为何，电流源的校正动作都随时在进行，而且不论上升信号fp与下降信号fd的组合为何，电流源IUP与IDN皆不为浮接。
请参照图5，其表示为图4中的差动式电荷泵400的应用的另一例，其与图4表示相异处在于以电容C3取代电容C1与C2。当接收到上升信号时，开关S1与开关S2’导通，电流从节点A流向节点B，以对电容C3充电；当接收到下降信号时，电流从节点B流向节点A，以对电容C3放电。而共模反馈器CMP即依据电容C3两端的电压之和及参考电压VR而输出调节信号Vf以校正电流源IUP的大小。
图4与图5的实施例以校正电流源IUP为目标，然而亦可以校正电流源IDN为目标，其作法与上述的实施例类似，只需将共模反馈器CMP输出的调节信号Vf改为馈入电流源IDN，并依据节点A与节点B的电压平均改变电流源IDN的大小即可。请参照图6，其所表示依照本发明的另一较佳实施例的差动式电荷泵600示意图。差动式电荷泵600与图4中的差动式电荷泵400的相异处在于共模反馈器CMP输出的调节信号馈入至电流源IDN而不是电流源IUP。当节点A与节点B的电压之和大于参考电压VR时，调节信号用以令电流源IDN输出的电流变大，当该节点A的电压与节点B的电压之和小于参考电压VR时，调节信号Vf用以令电流源IDN输出的电流变小。请参照图7，其表示为图6中的差动式电荷泵600的应用的另一例，其与图6表示相异处在于以电容C3取代电容C1与C2。当接收到上升信号时，开关S1与开关S2’导通，电流从节点A流向节点B，以对电容C3充电；当接收到下降信号时，电流从节点B流向节点A，以对电容C3放电。而共模反馈器CMP即依据电容C3两端的电压之和及参考电压VR而输出调节信号Vf以校正电流源IDN的大小。
本发明的差动式电荷泵的应用领域很广，上述的实施例以应用于锁相回路为例，然并不限于此。
发明效果
本发明上述实施例所公开的差动式电荷泵的优点如下：
一、本发明利用差动式电荷泵的共模电压应为定值的特性以校正电流源的大小，可以精确的校正差动式电荷泵的输出电流。
二、本发明只需一组电荷泵，结构更为简单且易于制造。
三、不论有无上升信号或下降信号，随时都在进行校正，因此不会有共模电压飘移的问题。
综上所述，虽然本发明已以一较佳实施例公开如上，然其并非用以限定本发明，任何本领域技术人员，在不脱离本发明的构思和范围的情况下，可进行各种更动与改进，因此本发明的保护范围以后附的权利要求限定的范围为准。

Claims (16)

1.一种差动式电荷泵，包括：
一第一电流源，用以依据一调节信号提供一第一电流；
一第二电流源，用以提供一第二电流；
一第一开关，该第一开关的一端与该第一电流源连接，该第一开关的状态依据一上升信号而为导通；
一第二开关，该第二开关的一端与该第一开关的另一端连接于一第一节点，该第二开关的另一端与该第二电流源连接，该第二开关的状态依据一下降信号而为导通；
一第一反相开关，该第一反相开关的一端与该第一电流源连接，该第一反相开关的状态为该第一开关的反相；
一第二反相开关，该第二反相开关的一端与该第一反相开关连接于一第二节点，该第二反相开关的另一端与该第二电流源连接，该第二反相开关的状态为该第二开关的反相；以及
一共模反馈器，用以接收一参考电压、该第一节点的电压与该第二节点的电压并据以输出该调节信号。
2.如权利要求1所述的差动式电荷泵，其中该第一节点连接一第一电容，该第二节点连接一第二电容，该第一电容与该第二电容的另一端接地。
3.如权利要求2所述的差动式电荷泵，其中该差动式电荷泵用于一锁相回路中的相位频率检测器的后级，且该第一电容与该第二电容为该锁相回路中的回路滤波器的前级。
4.如权利要求1所述的差动式电荷泵，其中一电容的两端分别与该第一节点与该第二节点电连接。
5.如权利要求4所述的差动式电荷泵，其中该差动式电荷泵用于一锁相回路中的相位频率检测器的后级，且该电容为该锁相回路中的回路滤波器的前级。
6.如权利要求1所述的差动式电荷泵，当该第一节点的电压与该第二节点的共模电压大于该参考电压时，该调节信号用以令该第一电流变小，当该第一节点的电压与该第二节点的共模电压小于该参考电压时，该调节信号用以令该第一电流变大。
7.一种差动式电荷泵，用以对一第一电容及一第二电容进行充放电，该电荷泵包括：
一第一电流源，用以依据一调节信号提供一第一电流；
一第二电流源，用以提供一第二电流；
一第一开关，该第一开关的一端与该第一电流源连接，该第一开关的状态依据一上升信号而为导通；
一第二开关，该第二开关的一端与该第一开关的另一端连接于一第一节点，该第二开关的另一端与该第二电流源连接，该第二开关的状态依据一下降信号而为导通；
一第一反相开关，该第一反相开关的一端与该第一电流源连接，该第一反相开关的状态为该第一开关的反相；
一第二反相开关，该第二反相开关的一端与该第一反相开关连接于一第二节点，该第二反相开关的另一端与该第二电流源连接，该第二反相开关的状态为该第二开关的反相；以及
一共模反馈器，用以接收一参考电压、该第一节点的电压与该第二节点的电压并据以输出该调节信号；
其中，该第一电容的一端连接至该第一节点，该第一电容的另一端接地，该第二电容的一端连接至该第二节点，该第二电容的另一端接地。
8.如权利要求7所述的差动式电荷泵，其中该差动式电荷泵用于一锁相回路中的相位频率检测器的后级，且该第一电容与该第二电容为该锁相回路中的回路滤波器的前级。
9.一种差动式电荷泵，用以对一电容进行充放电，该差动式电荷泵包括：
一第一电流源，用以依据一调节信号提供一第一电流；
一第二电流源，用以提供一下降电流；
一第一开关，该第一开关的一端与该第一电流源连接，该第一开关的状态依据一上升信号而为导通；
一第二开关，该第二开关的一端与该第一开关的另一端连接于一第一节点，该第二开关的另一端与该第二电流源连接，该第二开关的状态依据一下降信号而为导通；
一第一反相开关，该第一反相开关的一端与该第一电流源连接，该第一反相开关的状态为该第一开关的反相；
一第二反相开关，该第二反相开关的一端与该第一反相开关连接于一第二节点，该第二反相开关的另一端与该第二电流源连接，该第二反相开关的状态为该第二开关的反相；以及
一共模反馈器，用以接收一参考电压、该第一节点的电压与该第二节点的电压并据以输出该调节信号；
其中，该电容的一端连接至该第一节点，该电容的另一端连接至该第二节点。
10.如权利要求9所述的差动式电荷泵，其中该差动式电荷泵用于一锁相回路中的相位频率检测器的后级，且该电容为该锁相回路中的回路滤波器的前级。
11.一种差动式电荷泵，包括：
一第一电流源，用以提供一第一电流；
一第二电流源，用以依据一调节信号提供一第二电流；
一第一开关，该第一开关的一端与该第一电流源连接，该第一开关的状态依据一上升信号而为导通；
一第二开关，该第二开关的一端与该第一开关的另一端连接于一第一节点，该第二开关的另一端与该第二电流源连接，该第二开关的状态依据一下降信号而为导通；
一第一反相开关，该第一反相开关的一端与该第一电流源连接，该第一反相开关的状态为该第一开关的反相；
一第二反相开关，该第二反相开关的一端与该第一反相开关连接于一第二节点，该第二反相开关的另一端与该第二电流源连接，该第二反相开关的状态为该第二开关的反相；以及
一共模反馈器，用以接收一参考电压、该第一节点的电压与该第二节点的电压并据以输出该调节信号。
12.如权利要求11所述的差动式电荷泵，其中该第一节点连接一第一电容，该第二节点连接一第二电容，该第一电容与该第二电容的另一端接地。
13.如权利要求12所述的差动式电荷泵，其中该差动式电荷泵用于一锁相回路中的相位频率检测器的后级，且该第一电容与该第二电容为该锁相回路中的回路滤波器的前级。
14.如权利要求11所述的差动式电荷泵，其中一电容的两端分别与该第一节点与该第二节点电连接。
15.如权利要求14所述的差动式电荷泵，其中该差动式电荷泵用于一锁相回路中的相位频率检测器的后级，且该电容为该锁相回路中的回路滤波器的前级。
16.如权利要求11所述的差动式电荷泵，当该第一节点的电压与该第二节点的电压之和大于该参考电压时，该调节信号用以令该第二电流变大，当该第一节点的电压与该第二节点的电压之和小于该参考电压时，该调节信号用以令该第二电流变小。
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