CN1677821A - 具有整流子的电荷泵电路 - Google Patents

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Abstract

本发明揭露了一种用于将电流提供给用于振荡电路的输出信号的补偿电流的电荷泵电路。所述电荷泵电路包括第一整流子和第二整流子。该第一整流子连接到输出二极管的闸极，该闸极提供来自电荷泵电路的充电电流。第二整流子连接到输出二极管的源极。第一整流子包括第一状态，而第二整流子包括与第一状态相反的第二状态。因此，当第二整流子开启时，第一整流子断开。电荷泵电路还包括电容以在第一整流子断开时保持一个偏压。

Description

具有整流子的电荷泵电路
技术领域
本发明涉及使用电荷泵的振荡电路的控制和操作，特别地，本发明涉及一种可提高与提供补偿电流的振荡电路连接的电路内线性的电荷泵。
背景技术
诸如压控振荡器等振荡电路可工作于特定频率。用于振荡电路的控制电路包括电荷泵和相移电路。相移电路可用于射频(RF)收发器中作为锁相环。压控振荡器(VCO)可用于实现锁相环和根据基准频率生成一个振荡。
锁相环可在无线通讯和直接通讯设备中使用。数据可在至少一个射频载波频率上调制并由发射器作为调制信号发射。接收器可接收该调制信号，并将其解调以重新获得数据。
在常规的通讯设备中，天线部分接收射频信号并将它们提供给滤波部分。滤波部分将期望的射频信号传送到低噪音放大器。低噪音放大器将接收的期望射频信号放大，并将它们提供给中频(IF)级。中频级可包括一个和多个振荡器。
在许多应用中，基本锁相环的输出频率是可调的。在这些类型的锁相环中，生成输出信号的元件的线性是理想的。引入到元件的非线性可造成扭曲，或生成毛刺和引发噪声层。由于噪声层的引发，额外的噪声会被引入环，它反过来又降低了性能。输出频率的可调整性也被降低，从而会降低通讯设备(无线或直接)在锁定到期望频率时的性能，或者需要额外的资源来降低噪音。
发明内容
根据较佳实施例，揭露了一种用于向可控振荡电路提供电流的电荷泵电路。所述电荷泵电路包括第一整流子(switch)，该整流子包括第一状态。所述第一整流子连接到一个输出二极管的闸极(gate)。所述电荷泵电路还包括第二整流子，该第二整流子连接到所述输出二极管的源极(source)，并包含与第一状态相对的第二状态。第二整流子在第二状态为开启(ON)状态时，向所述输出二极管提供充电电流(charge up current)。
根据较佳实施例，还揭露了一种电路。该电路包括由具有补偿电流的输出信号控制的可控振荡器。电路还包括将充电电流加到补偿电流以响应来自相位/频率检测器的电荷泵电路。电荷泵电路包括具有第一状态的第一整流子和具有第二状态的第二整流子，以将充电电流加到补偿电流，其中第一状态与第二状态相反。电路还包括连接到第一和第二整流子的输出二极管，以将充电电流提供给补偿电流。
根据较佳实施例，还揭露了一种连接到振荡电路的电荷泵电路。电荷泵电路包括电流源。电荷泵电路还包括连接到电流源以提供充电电流的源整流子。电荷泵电路还包括其源极与源整流子连接的输出二极管。所述输出二极管接收充电电流。所述电荷泵电路还包括与输出二极管的闸极连接的闸整流子，从而形成用于容纳来自该闸极的偏压的电路。
根据较佳实施例，揭露了一种用于增加充电电流的方法。该方法包括将与输出二极管的闸极连接的第一整流子设置为第一状态。该方法还包括将与输出二极管的源极连接的第二整流子设置为第二状态。所述第二状态与第一状态相反。所述第二整流子向所述输出二极管提供充电电流。
根据较佳实施例，还揭露了一种用于增加充电电荷的电路。该电路包括用于将与输出二极管的闸极连接的第一整流子设置为第一状态的第一设置装置。该电路还包括将与输出二极管的源极连接的第二整流子设置为第二状态的第二设置装置。第二状态与第一状态相反。第二整流子向所述输出二极管提供充电电流。
根据本发明，提供了一种为可控振荡电路提供电流的电荷泵电路，该电荷泵电路包括：
包含第一状态的第一整流子，所述第一整流子与输出二极管的闸极连接；以及
包含与第一状态相反的第二状态的第二整流子，所述第二整流子与输出二极管的源极连接；
其中所述第二整流子在第二状态为开启状态时向所述输出二极管提供一个充电电流。
优选地，第一整流子包括具有第一半导体材料的二极管。
优选地，第二整流子包括具有第二半导体材料的二极管。
优选地，第一整流子与电容连接。
优选地，电容在所述第二整流子为开启状态时保持一个偏压。
优选地，第一整流子在所述第一状态为断开状态时断开输出二极管的闸极。
优选地，第一整流子包括n通道金属氧化物半导体。
优选地，第二整流子包括p通道金属氧化物半导体。
根据本发明，提供了一种电路，包括：
由具有补偿电流的输出信号控制的可控振荡器；
用于将充电电流加到偏移电流以响应来自相位/频率检测器的信号的电荷泵，其中电荷泵电路包括具有第一状态的第一整流子和具有第二状态的第二整流子，以将充电电流加到补偿电流，其中第一状态与第二状态相反；以及
与第一和第二整流子连接以将充电电流提供给补偿电流的输出二极管。
优选地，该电路还包括连接到可控振荡器和电荷泵电路之间的低通滤波器。
优选地，该电路还包括与相位/频率检测器连接的多系数分频器。
优选地，所述多系数分频器输出一个反馈信号。
优选地，所述电荷泵电路包括由第一整流子施加的时间常量。
优选地，用于第一整流子的时间常量的周期比用于第二整流子的开启状态的时间周期长。
优选地，所述输出二极管包括p通道金属氧化物半导体。
优选地，所述输出二极管的闸极与第一整流子连接。
优选地，输出二极管的源极与第二整流子连接。
根据本发明，提供了一种与振荡电路连接的电荷泵电路，该电荷泵电路包括：
电流源；
与电流源连接以提供充电电流的源整流子；
其源极与源整流子连接的输出二极管，其中输出二极管接收充电电流；以及
与输出二极管的闸极连接以形成容纳来自闸极的偏压的电路的闸整流子。
优选地，源整流子包括p通道金属氧化物半导体。
优选地，闸整流子包括n通道金属氧化物半导体。
优选地，源整流子包括状态。
优选地，闸整流子包括与源整流子的状态相反的另一状态。
根据本发明，提供了一种用于增加充电电流的方法，该方法包括：
将与输出二极管的闸极连接的第一整流子设置为第一状态；以及
将与输出二极管的源极连接的第二整流子设置为第二状态，其中第二状态与第一状态相反；
其中第二整流子向所述输出二极管提供充电电流。
优选地，该方法还包括：
输出来自输出二级管的输出电流，其中输出电流包括具有充电电流的补偿电流。
优选地，该方法还包括：
生成充电电流以响应在电荷泵电路接收的信号。
根据本发明，提供了一种用于增加充电电流的电路，该电路包括：
用于将与输出二极管的闸极连接的第一整流子设置为第一状态的第一设置装置；以及
用于将与输出二极管的源极连接的第二整流子设置为第二状态的第二设置装置，其中第二状态与第一状态相反；
其中第二整流子向所述输出二极管提供充电电流。
附图说明
为了正确理解本发明，将结合附图做参考，其中：
图1示出了根据较佳实施例的在电荷泵具有补偿电流的电路；
图2示出了根据较佳实施例的用于将充电电流提供给偏移电流的电荷泵；以及
图3示出了根据较佳实施例的用于将充电电流加到补偿电流的流程图。
具体实施方式
现在将详细参考揭露的实施例，并将结合附图示出其例子。
图1描述了根据较佳实施例的在电荷泵具有补偿电流的电路100。该电路100可以是在无线收发器中使用的小数合成器。电路100可为无线收发器提供灵活性。电路100还可被称为当作小数合成器执行的锁相环(PLL)电路。
电路100包括生成参考信号1021的晶体振荡器102。较优地，晶体振荡器102的参考信号1021可大于10MHz。参考信号1021可被相位/频率检测器(PFD)104接收。相位/频率检测器104也可接收反馈信号1022。相位/频率检测器104生成表示参考信号1021和反馈信号1022间相位差异和/或频率差异的信号。相位/频率检测器104生成上差动信号1030或下差动信号1032。差动信号1030和1032向电荷泵(CP)106表明参考信号1021和反馈信号1022间的相位和/或频率差异。
电荷泵103通过生成充电电流(charge up current)或放电电流(chargedown current)来反作用于差动信号1030或1032。充电和放电电流可被加入补偿电流，该补偿电流依次被加到输出信号1040。电荷泵103还包括整流子(S/W)108和110。较优地，若电荷泵106的一个整流子在一个特定状态，则另一整流子在相反状态。例如，整流子108在开启状态，则电荷或电流通过整流子108流入，而整流子110为断开状态。
电路100还包括低通滤波器(LPF)112。低通滤波器112将输出信号1040滤波以生成滤波信号1044。低通滤波器112将滤波信号1044传送到可控振荡器(CO)114。可控振荡器114根据滤波信号1044生成输出信号116。输出信号116可具有由电路100指定的频率。
也可生成反馈参考信号1060。多系数分频器(MMD)118接收反馈参考信号1060。反馈参考信号1060对应于输出信号116，并可作为用于确定输出信号116是否为恰好为、超过或达不到电路100期望的频率的基础。通过确定期望频率和输出信号频率间的差异，电路100可将自身调整为输出期望频率。MMD 118生成反馈信号1022，该信号尝试具有与参考信号1021大致相等的频率。反馈信号1022通过由MMD 118接收的编号分解反馈参考信号1060来生成。MMD控制模块(MOD)120控制MMD 118。MMD控制模块120与MMD 118连接，并确定分频器的值或号来分解反馈参考信号1060。
小数生成器122生成具有整数部分和小数部分的分隔比率。分隔比率可通过将参考信号1021的频率分隔为期望的频率来确定。最终的决策可以不是一个完整的编号。但是，MMD 118使用整数来分隔反馈参考信号1060。这样，任何小数部分由调制器120来说明。分隔比率1062由调制器120接收。调制器120为小数部分生成调制的整数输出。较优地，调制器120是增量信号(delta-signal)调制器，其生成范围从-3到+4的调制整数输出。调制器120的输出被加到分隔比率1062的整数值，以控制MMD 118。MMD 118改变其分隔比率在n-3到n+4之间，而平均分隔比率等于调制器120的整数输出的整数部分。这样，调制器120调制MMD 118以生成频率波动。合成频率波动来显现为在相位/频率检测器104的输出的相位错误。
当参考信号1021和反馈信号1022的相位大致相等时，电路100可充当锁相环。例如，输出信号116的期望频率可由电路100生成。如果参考信号1021的相位和/或频率与反馈信号1021的相位和/或频率不同，则相位/频率检测器104生成信号1030或1032，相应地，以增加或降低输出信号116的频率。电路100可调整自身来维护PLL。
在许多无线应用中，电路100可提供可调整的本地振荡。MMD 118、调制器120和小数生成器122可称为可选择分隔器反馈电路，其可生成包括整数部分和小数部分的分隔器值。例如，MMD 118从调制器120可接收整数值。小数生成器122可将分隔比率信号1062随机化，从而MMD 118通过不同编号来分隔反馈参考信号1060。例如，代替具有分隔器编号30，MMD 118具有分隔编号28、29、30、31和32。这样，调制器120可基于来自小数生成器122的小数部分将信号1062随机化。
较优地，电路100和它的元件工作于线性方式。合成信号的线性可允许电路100调整输出频率116。例如，电荷泵106中的非线性可影响充电输出信号1040。由于非线性，电荷泵106可生成充电和放电电流间以及充电和放电电流的上升时间和下降时间之间的失配。由相位/频率检测器104检测的相位差异的小部分和信号1040可不具有线性关系。电荷泵106可修改它的输出以说明这些非线性区域。补偿电流可加入到电荷泵106的输出，以及因此到信号1040。
因此，当电路100被锁上，参考信号1021和反馈信号1022间的相位可变为非零值，以消除在电荷泵106上增加的补偿电流。由于参考信号1021和来自MMD 118的参考反馈信号1022之间的非零相位，电荷泵106仅可使用电流的一侧，即仅使用充电电流(up-current)或仅使用放电电流(down-current)，并消除零相位周围区域。另外，补偿电流可由电荷泵106生成，以获得尽量接近线性的非线性区域。补偿电流还可被插入电荷泵106在偏移电荷泵的更线性处的输出。电荷泵106内的非线性的典型原因包括电流失配和零相位误差周围的增益变化。电荷泵106内的非线性条件可生成毛刺，并可引发噪声层，其可反过来降低电路100的性能。另外，电荷泵106内的错误可导致输出电流116的幅度错误。
因此，电荷泵106将电流灌注到它的输出信号中。例如，电流可在整流子108为开启状态时被灌入。另外，整流子110可在该相位期间为断开状态。
图2描述了根据较佳实施例的用于将充电电流提供给偏移电流的电荷泵。电荷泵200可与电荷泵106相关，如图1所示。然而，电荷泵106不应由图2中揭露的电荷泵200来限定。
电荷泵200提供输出信号202到可控振荡器，例如图1中的可控振荡器114。输出信号(Q)202可包括具有充电电流214或放电电流230的补偿电流252。在以下的论述中，输出信号202可包括充电电流214，该充电电流214调整与电荷泵200连接的可控振荡器的输出频率。
电荷泵200可包括电流源204、充电电路220、放电电路206以及补偿电流电路250。电荷泵的附加的元件可以是任意元件、设备以及惯常电荷泵类似的元件。电流源204与充电电路220连接，以提供充电电流214。电流源204与供电电压或VDD 290连接。例如，电流源可使用供电电压290来提供充电电流214。
充电电路220还包括整流子210和212。当整流子212在开启状态，充电电流214可被从电流源204提供给输出二极管208。整流子210在提供充电电流时可在断开状态。当整流子212在断开状态，充电电流214不能被提供，而整流子210可处于开启状态。整流子210和212可瞬间开启或断开。整流子210可称为闸整流子，而整流子212可称为源整流子。
整流子210和212可包括不同的半导体材料。例如，整流子212可包括p通道金属氧化物半导体(PMOS)，而整流子210包括n通道金属氧化物半导体(NMOS)。例如，由于是不同的半导体材料，在相反状态的处理可以被简化。另外，整流子210连接到电流源204的偏移源。整流子210也可连接到电容(C)216以形成“采样和保持”电路。
例如，当电流源204供应充电电流214以减少潜在的充电电流214的偏移时，整流子210可被断开或处于断开状态。偏压218可由连接到整流子210的电容216保持。当电流源204完成供应充电电流214时，整流子212转到断开状态。整流子212可设于电流源的供电侧，以减少用于插入或供应充电电流214的任意影响。例如，在电荷泵200的这些元件，可降低或消除调制。
电容216可为电容器。电容216可为金属氧化物半导体(MOS)电容器。当电容216开路时，可与整流子210一起组成采样和保持电路。偏压可由电容216保留或保持。可根据较长的时间常数来保持电源218，以防止附加电荷泄漏到充电电流214。
因此，将偏压218保持于电容216中的时间常量值增加，从而充电电流214在输出二极管为开启状态时出现恒定。充电电流214中的变量被消除了，因为整流子210在输出二极管处于开启状态时被断开或处于断开状态，以较少充电电流214的任意偏移。偏压218可由连接到整流子210的电容保持。合成的电流斜率非线性可被降低，从而呈现电容216的长时间常数的恒定。
当电流源204关断时，整流子212可回复到断开状态，而用于充电电流214的电荷可由电容216保持，直到整流子212再次开启。
电流源204可在来自相位/频率检测器104(如图1所示)的信号240表明提供充电电流214的需求时运行。换句话说，电流源204在插入相反电流到输出电流202时为开启状态。
因此，电荷泵200连接到可控振荡电路，以调整小数合成器内输出信号的频率。小数合成器内的元件最好为线性，本发明试图从电荷泵200和充电电流214中去除非线性，以允许连接的可控振荡电路的速度的更有效的调整。用于充电电路220的时间常数可通过使用整流子210和212被增大，或接近无限。因此，电荷泵200的合成的传输功能可为线性。
总之，充电电路220包括具有第一状态并连接到输出二极管(D)208的闸极的第一整流子210。充电电流还包括具有第二状态的第二整流子212，第二状态与第一状态相反。第二整流子212可连接到输出二极管208的供电端并在第一整流子210处于断开状态时将充电电流214提供给补偿电流252。
电流源204还与放电电路206连接以提供放电电流。放电电路206包括整流子222和整流子224，其作用与上述的整流子210和212相似。当整流子224处于开启状态，放电电流230可被提供给输出二极管226。输出二极管226可与输出二极管208近似。在供应充电电流230时，整流子222可处于断开状态。当整流子224处于断开状态，可不供应放电电流230，而整流子222可处于开启状态。整流子222和224可瞬时开启或断开。整流子222可称为闸整流子，而整流子224可称为源整流子。
在放电电路206中，整流子222可在电流源204供应放电电流时被断开或处于断开状态。与在充电电路220中类似，偏压232可由连接到整流子222的电容228保持。整流子224可位于电流源204的供应侧，以减少用于插入或供应放电电流230的任意影响。电容228可为电容器。当电容228开路时，可与整流子222一起组成采样和保持电路。偏压232由电容228保留或保持。
当电流源被断开，整流子224回复到断开状态，用于放电电流230的电荷可由电容228保持，直到整流子230再次开启。电流源204可在来自相位/频率检测器104(如图1所示)表明提供放电电流230的需求时运行。
补偿电流252可确定在相位/频率检测器104的输出的相位偏移的量，例如当电路处于PLL结构或“锁定”时。如果NMOS用于为电荷泵200的输出提供直流电流，相位偏移可以是正的，其在PLL处于“锁定状态”时激活充电电路220。或者，如果PMOS用于为电荷泵200的输出提供直流电流时，则相位偏移可以是负的，其在PLL处于“锁定状态”时激活放电电路206。补偿电流电路250提供包括补偿电流252的直流电流。用于直流电流的值可以是可编程的，而充电或放电电流的值可以是动态的或可改变的。
图3示出了根据较佳实施例的用于将充电电流加到补偿电流的流程图。执行步骤302，在电荷泵电路接收信号。电荷泵电流可连接到振荡电路。该信号可表明电荷泵电路是否在到振荡电路处将充电电流加入到补偿电流。或者，电荷泵电路可取出通过放电电流输入到振荡电路的电流。
执行步骤304，激活电荷泵电路中的电流源。电流源可连接到也在电荷泵电路中的两个整流子。电流源可生成用作充电电流的电流。执行步骤306，设置电荷泵电路中的第一整流子。第一整流子被设定一个状态，例如开启或断开。执行步骤308，将第二整流子设置为与第一整流子状态相反的状态。当提供来自电荷泵电路的充电电流时，第二整流子的状态被设为开启。因此，第一整流子的状态可以是断开。第一整流子和第二整流子都可连接到输出二极管。第一整流子可连接到输出二极管的闸极，而第二整流子可连接到输出二极管的源极。输出二极管可反过来连接到振荡电路的输入。
执行步骤310，将充电电流通过第二整流子提供给输出二极管。第二整流子允许来自电荷泵电路的电流源的充电电流流入输出二极管。第一整流子可从输出二极管分离，从而诸如电流或电压的任意偏移信号不流入输出二极管。执行步骤312，将具有补偿电流的输出电流输出到振荡电路。以上提供的补偿电流中的充电电流可被加入到输出电流，以相应调整振荡电路。补偿电流可被通过输出二极管加到输出电流。在执行图3的流程图中可参考图1和图2。然而图3并不由参考图1和2揭露的实施例限定。例如，第一整流子和第二整流子可在任意本领域技术人员熟知的电荷泵电路结构中相应地设置。
具有本领域普通知识的人员可理解的是，以上描述的本发明可通过不同次序的步骤、和/或通过结构中的超过所揭露的不同硬件元件来实现。因此，尽管基于这些较佳实施例描述了本发明，本领域技术人员可理解的是可在保持本发明的精神和范围内，作一定的修改、变化或等效替换。因此，为了确定本发明的边界和界限，可参考附加的权利要求和其等效性。

Claims (10)

1、一种向可控振荡电路提供电流的电荷泵电路，其特征在于，所述电荷泵电路包括：
包含第一状态的第一整流子，所述第一整流子与一个输出二极管的闸极连接；以及
包含与第一状态相反的第二状态的第二整流子，所述第二整流子与所述输出二极管的源极连接；
其中，当所述第二状态为开启状态时，所述第二整流子向所述输出二极管提供一个充电电流。
2、根据权利要求1所述的电荷泵电路，其特征在于，所述第二整流子包括一个具有第一半导体材料的二极管。
3、根据权利要求1所述的电荷泵电路，其特征在于，所述第二整流子包括一个具有第二半导体材料的二极管。
4、根据权利要求1所述的电荷泵电路，其特征在于，所述第一整流子与电容连接。
5、一种电路，其特征在于，包括：
由具有补偿电流的输出信号控制的可控振荡器；
用于将充电电流加到偏移电流以响应来自相位/频率检测器的信号的电荷泵，其中电荷泵电路包括具有第一状态的第一整流子和具有第二状态的第二整流子，以将充电电流加到补偿电流，其中第一状态与第二状态相反；以及
与第一和第二整流子连接以将充电电流提供给补偿电流的输出二极管。
6、根据权利要求5所述的电路，其特征在于，还包括连接到可控振荡器和电荷泵电路之间的低通滤波器。
7、一种与振荡电路连接的电荷泵电路，其特征在于，所述电荷泵电路包括：
电流源；
与电流源连接以提供充电电流的源整流子；
其源极与所述源整流子连接的输出二极管，所述输出二极管接收所述充电电流；以及
与所述输出二极管的闸极连接以形成容纳来自闸极的偏压的电路的闸整流子。
8、一种用于增加充电电流的方法，其特征在于，所述方法包括：
将与输出二极管的闸极连接的第一整流子设置为第一状态；以及
将与所述输出二极管的源极连接的第二整流子设置为第二状态，其中第二状态与第一状态相反；
其中所述第二整流子向所述输出二极管提供充电电流。
9、根据权利要求8所述的方法，其特征在于，还包括：
输出来自所述输出二级管的输出电流，其中所述输出电流包括具有充电电流的补偿电流。
10、一种用于增加充电电流的电路，其特征在于，所述电路包括：
用于将与输出二极管的闸极连接的第一整流子设置为第一状态的第一设置装置；以及
用于将与输出二极管的源极连接的第二整流子设置为第二状态的第二设置装置，其中第二状态与第一状态相反；
其中所述第二整流子向所述输出二极管提供充电电流。
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