DE19910113C1 - Charge pump for electrical phase-locked loop (PLL) - Google Patents

Charge pump for electrical phase-locked loop (PLL)

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DE19910113C1 DE1999110113 DE19910113A DE19910113C1 DE 19910113 C1 DE19910113 C1 DE 19910113C1 DE 1999110113 DE1999110113 DE 1999110113 DE 19910113 A DE19910113 A DE 19910113A DE 19910113 C1 DE19910113 C1 DE 19910113C1
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Abstract

A charge pump circuit for stable latching in of a PLL requires a zero net charge transfer from the charge pump (CP) into the low-pass loop filter (LF) during a reference cycle, in order to set a stable control voltage (V tune) for the voltage controlled oscillator (VCO). The charge pump discharge transistor (N disch) in the source- branch based on four PMOS-transistors, is now arranged with its drain-terminal in the current path-circuit nodes (B) between the two output transistors (MP1,MP2) and with its source-terminal in the current path circuit-nodes (A) between the two output transistors (MN1,MN2). The two discharge transistors (Ndisch,Pdisch) are now operated as a transfer gate, with both circuit nodes (A,B) mutually discharged, and not discharged to the (VSS) and (VDD) potentials of the supply voltage.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Ladungspumpenschaltung (Charge Pump) gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.The invention relates to a charge pump circuit (Charge Pump) according to the preamble of claim 1.

Phasenregelschleifen, die auch als PLL (Phased Locked Loop) bezeichnet werden, lassen sich dazu verwenden, mit Hilfe ei­ ner hochgenauen Referenzfrequenz eine weitere hochgenaue und stabile Frequenz zu erzeugen, die von der Referenzfrequenz abweichen kann. In digitalen Phasenregelschleifen wird ge­ wöhnlich im Anschluß an den Phasen- oder Phasen-Frequenz-De­ tektor eine Ladungspumpenschaltung eingesetzt.Phase locked loops, also known as PLL (Phased Locked Loop) can be used with the help of egg ner highly accurate reference frequency another highly accurate and generate stable frequency by the reference frequency can deviate. In digital phase locked loops, ge usually after the phase or phase-frequency de tector used a charge pump circuit.

Im folgenden wird anhand der Fig. 1, in der ein Blockschalt­ bild einer digitalen Phasenregelschleife dargestellt ist, die Funktion einer solchen Schaltung erläutert.The function of such a circuit is explained below with reference to FIG. 1, in which a block diagram of a digital phase locked loop is shown.

Mit der in Fig. 1 dargestellten digitalen Phasenregelschleife soll mit Unterstützung durch eine hochgenaue Referenzfrequenz Fref eine hochgenaue und stabile Frequenz FVCO erzeugt werden, die ungleich der Referenzfrequenz Fref sein kann, wobei die erzeugte Frequenz FVCO ein ganzzahliges Vielfaches der Refe­ renzfrequenz Fref darstellt. Eine einem quarzstabilisierten Oszillator Q entnehmbare Frequenz FQ wird mit einem Referenz­ teiler R bis auf die benötigte Referenzfrequenz Fref herunter­ geteilt. Gleichzeitig wird die Ausgangsfrequenz FVCO eines spannungsgesteuerten Oszillators (Voltage Controlled Oscilla­ tor) VCO in einem weiteren Frequenzteiler N heruntergeteilt.With the embodiment shown in FIG. 1, the digital phase-locked loop is designed with support from a highly accurate reference frequency F ref, a highly accurate and stable frequency F VCO generated that not equal to the reference frequency F ref may be, wherein the generated frequency F VCO is an integer multiple of the Refe rence frequency F ref represents. A frequency F Q that can be obtained from a quartz-stabilized oscillator Q is divided down with a reference divider R down to the required reference frequency F ref . At the same time, the output frequency F VCO of a voltage controlled oscillator (Voltage Controlled Oscilla tor) VCO is divided down into a further frequency divider N.

Die beiden hinsichtlich ihrer Frequenzen geteilten Wechsel­ ströme bzw. deren relative Phasenlagen werden in einem soge­ nannten Phasen(-Frequenz-)-Detektor PD miteinander vergli­ chen. Der Phasendetektor PD erzeugt an seinem Ausgang zwei pulsweitenmodulierte Impulsfolgen UP und DOWN, die in fester Beziehung zum Phasenunterschied der beiden Wechselströme an seinen zwei Eingängen stehen. Wenn die geteilte Frequenz FVCO/N zu hoch gegenüber der Referenzfrequenz Fref ist, bzw. wenn die Phase des Wechselstroms mit der Frequenz FVCO/N der­ jenigen des Wechselstroms mit der Frequenz Fref voreilt, wird der Phasendetektor PD seinen für die Impulsfolge DOWN zustän­ digen Ausgang gegenüber seinem für die Impulsfolge UP zustän­ digen Ausgang länger "einschalten". Umgekehrtes gilt bei ent­ sprechend anderen Phasenlagen.The two alternating currents divided with respect to their frequencies or their relative phase positions are compared with one another in a so-called phase (frequency) detector PD. The phase detector PD generates two pulse-width-modulated pulse trains UP and DOWN at its output, which are in a fixed relationship to the phase difference of the two alternating currents at its two inputs. If the divided frequency F VCO / N is too high compared to the reference frequency F ref , or if the phase of the alternating current with the frequency F VCO / N leads that of the alternating current with the frequency F ref , the phase detector PD becomes its for the pulse train DOWN responsible output longer compared to its output responsible for the pulse sequence UP. The reverse applies to correspondingly different phase positions.

Bei genau gleicher Phasenlage der beiden Eingangswechsel­ ströme am Phasendetektor PD werden seine beiden Ausgänge für eine kurze Zeit genau gleich lang eingeschaltet. Dieser Vor­ gang wird als Anti-Backlash-Impuls (ABL) bezeichnet. Das Ein­ fügen eines solchen Anti-Backlash-Impulses ist aus dynami­ scher Sicht günstiger, als keinen der beiden Ausgänge des Phasendetektors PD einzuschalten, da bei sehr kleinen Phasen­ abweichungen durch die Trägheit der Schaltungen sonst unter Umständen keine definierten Stromimpulse geliefert werden könnten und sich Totzeiten in der Regelung ergeben können.With exactly the same phase position of the two input changes currents at the phase detector PD are its two outputs for switched on for a short time of exactly the same length. This before gang is known as an anti-backlash pulse (ABL). The one Adding such an anti-backlash pulse is from dynami view more favorable than neither of the two exits of the Phase detector PD to turn on because of very small phases deviations due to the inertia of the circuits otherwise under Under certain circumstances, no defined current pulses can be delivered and there could be dead times in the regulation.

Die Impulsfolgen UP und DOWN steuern eine Ladungspumpe CP an, an deren Ausgang ein Tiefpaß-Schleifenfilter LF angeschlossen ist, das als ein Integrator des Ladungspumpenstroms wirkt und eine Steuerspannung V_tune erzeugt. Ein Impuls auf der die Impulsfolge UP übertragenden Leitung veranlaßt die Ladungs­ pumpe CP dazu, einen Strom einer definierten Stärke in das Tiefpaß-Schleifenfilter LF zu leiten ("sourcen"), so daß die Steuerspannung V_tune am Ausgang des Tiefpaß-Schleifenfilters LF durch die in dieses Filter LF transportierte Ladungsmenge über die Dauer des Impulses steigt. Ein Impuls auf der die Impulsfolge DOWN übertragenden Leitung zieht einen Strom aus dem Schleifenfilter LF heraus ("sinken"), so daß die Steuer­ spannung V_tune tendenziell über die Dauer des Impulses fällt. Die mittlere Spannung am Schleifenfilter LF wird also bei gleich großen Strömen einzig und allein von der relativen Dauer der Impulse der Impulsfolgen UP und DOWN zueinander be­ stimmt.The pulse sequences UP and DOWN control a charge pump CP, a low-pass loop filter LF is connected to its output which acts as an integrator of the charge pump current and generates a control voltage V_tune. An impulse on the Pulse train UP transmitting line causes the charge pump CP into it a current of a defined strength into the Low pass loop filter LF to "source", so that the Control voltage V_tune at the output of the low-pass loop filter LF by the amount of charge transported in this filter LF increases over the duration of the pulse. An impulse on the The pulse train DOWN transmitting line draws a current the loop filter LF out ("sink"), so that the tax voltage V_tune tends to last for the duration of the pulse falls. The mean voltage at the loop filter LF is thus for currents of the same size solely from the relative  Duration of the pulses of the pulse sequences UP and DOWN to each other Right.

Bei genau gleichen Phasen der hinsichtlich ihrer Frequenz geteilten Eingangswechselströme am Phasendetektor PD, also beim Auftreten des Anti-Backlash-Impulses, ändert sich die Steuerspannung V_tune am Ausgang des Schleifenfilters LF idealerweise nicht, da der Nettostrom in das Schleifenfilter LF dann null ist und auch keine Nettoladungsmenge in oder vom Schleifenfilter LF wegtransportiert wird. Die sich am Schlei­ fenfilter LF einstellende Ausgangsspannung V_tune dient nun als Steuerspannung für den spannungsgesteuerten Oszillator VCO, dessen Frequenz FVCO bzw. Phase somit durch die Phasen­ regelschleife an die Phase des quarzstabilisierten Oszilla­ tors Q gekoppelt wird.With exactly the same phases of the input AC currents divided with respect to their frequency at the phase detector PD, i.e. when the anti-backlash pulse occurs, the control voltage V_tune ideally does not change at the output of the loop filter LF, since the net current into the loop filter LF is then zero and also none Net charge quantity is transported in or from the loop filter LF. The resulting on the loop filter LF output voltage V_tune now serves as a control voltage for the voltage controlled oscillator VCO, whose frequency F VCO or phase is thus coupled to the phase of the crystal-stabilized oscillator Q by the phase control loop.

Durch Verändern des im Frequenzteiler N einzustellenden Tei­ lerverhältnisses kann die Frequenz FVCO des spannungsgesteu­ erten Oszillators VCO in weiten Bereichen eingestellt werden. Allerdings muß dazu auch die Steuerspannung V_tune des span­ nungsgesteuerten Oszillators VCO in weiten Bereichen variie­ ren können, um den spannungsgesteuerten Oszillator VCO auf der gewünschten Frequenz halten zu können.By changing the ratio to be set in the frequency divider N, the frequency F VCO of the voltage-controlled oscillator VCO can be set within wide ranges. However, the control voltage V_tune of the voltage-controlled oscillator VCO must also be able to vary widely in order to be able to keep the voltage-controlled oscillator VCO at the desired frequency.

Der nutzbare Spannungsbereich der Steuerspannung V_tune soll also idealerweise bis nahe an das Nullpotential und nahe an die Versorgungsspannung herangehen. Dies ist vor allem in portablen Anwendungen wichtig, da dort die Versorgungsspan­ nungen im 3 V-Bereich liegen und tendenziell in Richtung 2,7 V gehen.The usable voltage range of the control voltage V_tune should ideally approach the zero potential and the supply voltage. This is particularly important in portable applications, since there the supply clamping voltages are in the 3 V range and tend to go in the direction of 2, 7 V.

Für das stabile Einrasten einer Phasenregelschleife ist es zwingend erforderlich, daß während eines Referenz-Zyklus die von der Ladungspumpe CP in das Tiefpaß-Schleifenfilter LF transportierte Nettoladung null ist, da sich erst dann im Mittel eine stabile Steuerspannung V_tune für den spannungs­ gesteuerten Oszillator VCO einstellen kann. It is for the stable locking of a phase locked loop mandatory that during a reference cycle the from the charge pump CP to the low-pass loop filter LF transported net load is zero, because only then in the Means a stable control voltage V_tune for the voltage controlled oscillator VCO can adjust.  

Aufgrund stets vorhandener Nichtidealitäten in der Schal­ tungsanordnung der Ladungspumpe CP wird jedoch trotzdem der transiente Verlauf des Stromflusses in das Schleifenfilter LF selbst bei eingerasteter Phasenregelschleife von der idealen Nullinie abweichen. Der Steuerspannung V_tune des spannungs­ gesteuerten Oszillators VCO ist infolgedessen ein Frequenz­ spektrum mit einer der Referenzfrequenz Fref entsprechenden Grundfrequenz und Vielfachen davon überlagert, das den span­ nungsgesteuerten Oszillator VCO frequenzmoduliert und deshalb in Form von Nebenwellenspitzen (Spurs) im Spektrum des span­ nungsgesteuerten Oszillators VCO auf beiden Seiten der Trä­ gerfrequenz FVCO zu sehen ist.Due to the always existing non-idealities in the circuit arrangement of the charge pump CP, the transient course of the current flow into the loop filter LF will nevertheless deviate from the ideal zero line even when the phase-locked loop is engaged. The control voltage V_tune of the voltage-controlled oscillator VCO is consequently superimposed on a frequency spectrum with a fundamental frequency and multiples thereof corresponding to the reference frequency F ref , which frequency-modulates the voltage-controlled oscillator VCO and therefore in the form of spurious peaks in the spectrum of the voltage-controlled oscillator VCO both sides of the carrier frequency F VCO can be seen.

Fig. 2 zeigt als Beispiel ein solches Frequenzspektrum P[dBm] = f(F) des spannungsgesteuerten Oszillators VCO, wobei die Mittenfrequenz FVCO 1,628 GHz und die Referenzfrequenz Fref 200 kHz beträgt. Mit 1, 2 und 3 sind in Fig. 2 die er­ sten drei Nebenwellenspitzen neben der Mittenfrequenz FVCO auf der einen Spektrumsseite bezeichnet (P[dBm] = Absolutpegel, F = Frequenz). Fig. 2, such a frequency spectrum P [dBm] = f (F) shows an example of the voltage controlled oscillator VCO, the VCO center frequency F 1.628 GHz and the reference frequency F ref is 200 kHz. With 1 , 2 and 3 in Fig. 2, the most three spurious peaks besides the center frequency F VCO on the one side of the spectrum (P [dBm] = absolute level, F = frequency).

In der DE 42 16 712 A1 ist eine Stromquellenschaltung be­ schrieben, die als Ausgangsstufe eines Phasendetektors eines Phasenregelkreises dient. Die Stromquellenschaltung enthält einen Source-Zweig mit vier PMOS-Transistoren sowie einen Sink-Zweig mit vier NMOS-Transistoren. In jedem der Zweige sind jeweils zwei der Transistoren in Reihe geschaltet und bilden den mit dem Ausgangsanschluß verbundenen Ausgangspfad. Der auf Seite des Ausgangsanschlusses liegende Transistor bildet einen Stromspiegel mit einem weiteren Transistor, in den ein Referenzstrom eingespeist wird. Der versorgungsspan­ nungspolseitige Transistor des Ausgangszweiges wird von einem Schaltsignal angesteuert. Mit dem im Eingangszweig des Strom­ spiegels liegenden Transistors ist ein weiterer Transistor in Reihe geschaltet, der mit dem jeweiligen anderen der Versor­ gungsspannungspole verbunden ist. DE 42 16 712 A1 discloses a current source circuit wrote that as the output stage of a phase detector Phase locked loop is used. The power source circuit contains a source branch with four PMOS transistors and one Sink branch with four NMOS transistors. In each of the branches two of the transistors are connected in series and form the output path connected to the output connector. The transistor on the output terminal side forms a current mirror with another transistor, in which a reference current is fed into. The supply chip transistor on the voltage pole side of the output branch is supplied by a Switching signal activated. With the one in the input branch of the stream mirrored transistor is another transistor in Series connected, with the other the supplier voltage voltage poles is connected.  

In der EP 0 627 820 A2 ist eine ähnliche Stromquellenschal­ tung in einer Ladungspumpe für einen Phasenregelkreis ge­ zeigt. Sie enthält für jeden der Source- und Sink-Zweige min­ destens vier Transistoren. Der jeweilige im Eingangspfad des Stromspiegels mit dem Stromspiegeltransistor in Reihe ge­ schaltete weitere Transistor wird von einem Freigabesignal geschaltet.In EP 0 627 820 A2 there is a similar current source scarf tion in a charge pump for a phase locked loop shows. It contains min. For each of the source and sink branches at least four transistors. The respective in the entrance path of the Current mirror ge with the current mirror transistor in series switched further transistor is from an enable signal switched.

Fig. 3 zeigt eine gegenüber der in der DE 42 16 712 A1 ge­ zeigten leicht modifizierte Ladungspumpenschaltung in CMOS- Technik, die in verschiedenen integrierten PLL-Schal­ tungsbausteinen Anwendung finden soll. Fig. 3 shows a compared to that shown in DE 42 16 712 A1 slightly modified charge pump circuit in CMOS technology, which is to be used in various integrated PLL circuit devices.

Der aus vier PMOS-Transistoren MP1, MP2, MP3 und MP4 beste­ hende Source-Zweig stellt einen geschalteten Stromspiegel dar, der einen Referenzstrom IrefSOURCE mit einem bestimmten Spiegelverhältnis multipliziert von der Spannungsversorgung VDD in einen Ausgangsanschluß CPout über den oberen in Fig. 2 fett eingezeichneten Weg leitet, sobald ein an einen Steuer­ eingang UPN angelegtes Steuersignal logisches LOW-Potential aufweist. An den Steuereingang UPN wird die invertierte Im­ pulsfolge UP vom ersten Ausgang des in Fig. 1 dargestellten Phasendetektors PD angelegt. Der das Spiegelverhältnis ange­ bende Strommultiplikationsfaktor beträgt im in Fig. 2 darge­ stellten Beispiel 12.The source branch consisting of four PMOS transistors MP1, MP2, MP3 and MP4 represents a switched current mirror which multiplies a reference current I refSOURCE with a specific mirror ratio from the voltage supply VDD into an output connection CP out via the upper one in FIG. 2 Route marked in bold conducts as soon as a control signal applied to a control input UPN has a logical LOW potential. The inverted pulse sequence UP from the first output of the phase detector PD shown in FIG. 1 is applied to the control input UPN. The current multiplication factor specifying the mirror ratio is 12 in the example shown in FIG. 2.

Eine entsprechende Funktion für den Sink-Zweig der in Fig. 2 dargestellten Ladungspumpenschaltung haben vier NMOS-Transi­ storen MN1, MN2, MN3 und MN4, die dafür sorgen, daß während eines logischen HIGH-Potentials der am Steuereingang DOWN zu­ geführten Impulsfolge der mit dem Spiegelverhältnis (hier ebenfalls 12) multiplizierte Strom IrefSINK aus dem Ausgangs­ anschluß CPout über den unteren in Fig. 2 fett eingezeichne­ ten Weg in Richtung Masse VSS geleitet wird. An den Steuer­ eingang DOWN wird die Impulsfolge DOWN vom zweiten Ausgang des in Fig. 1 dargestellten Phasendetektors PD angelegt.A corresponding function for the sink branch of the charge pump circuit shown in Fig. 2 have four NMOS transistors MN1, MN2, MN3 and MN4, which ensure that during a logical HIGH potential of the pulse sequence to be fed to the control input DOWN the with the Mirror ratio (here also 12) multiplied current I refSINK from the output connection CP out via the lower path shown in bold in FIG. 2 is directed towards ground VSS. At the control input DOWN, the pulse sequence DOWN is applied from the second output of the phase detector PD shown in FIG. 1.

In der Ladungspumpenschaltung nach Fig. 3 ebenfalls in CMOS- Technologie vorgesehene Transistoren C_SOURCE und C_SINK die­ nen aufgrund ihrer Kapazitätsfunktion dazu, den Einschaltvor­ gang des Source- bzw. Sink-Pumpenzweigs zu beschleunigen. Der Anti-Backlash-Impuls kann deshalb kurz (∼ 2. . .6 ns) gehalten werden, wobei sich bei eingerasteter Phasenregelschleife no­ minell nur während dieser Zeit Auswirkungen auf die Steuer­ spannung V_tune ergeben können, da nur dann die Stromquellen eingeschaltet sind.In the charge pump circuit according to FIG. 3, transistors C_SOURCE and C_SINK also provided in CMOS technology serve to accelerate the switch-on process of the source or sink pump branch due to their capacitance function. The anti-backlash pulse can therefore be kept short (∼ 2.. .6 ns), whereby with locked phase locked loop no minell only effects on the control voltage V_tune can arise during this time, since only then the power sources are switched on.

Bei realen Schaltungsanordnungen ergeben sich jedoch Unter­ schiede zu diesem idealen Verhalten. Dazu müssen die Ladungs­ verteilungen in der Ausgangsstufe während des ABL-Pulses und nach dessen Abklingen betrachtet werden. Zur Vereinfachung sollen im folgenden nur die Verhältnisse für den Sink-Zweig der Ladungspumpe betrachtet werden. Die Abläufe im Source- Zweig sind entsprechend anzusehen, allerdings auf das Versor­ gungsspannungspotential VDD bezogen.In real circuit arrangements, however, there are sub differ on this ideal behavior. To do this, the cargo distributions in the output stage during the ABL pulse and be considered after its decay. For simplification In the following only the conditions for the sink branch the charge pump. The processes in the source Branch must be viewed accordingly, but on the supplier voltage potential VDD related.

Während des Anti-Backlash-Impulses wird der NMOS-Transistor MN2 eingeschaltet, zieht einen zwischen den NMOS-Transistoren MN1 und MN2 liegenden Schaltungsknoten A auf ein niedriges Potential von ∼ 0 V und ermöglicht somit durch den NMOS-Tran­ sistor MN1 einen Sinkstrom, dessen absolute Größe durch das Vorspannungspotential auf der Leitung IrefSINK eingestellt wird. Nach Ende des Anti-Backlash-Impulses wird der Schal­ tungsknoten A wieder vom Spannungspotential VSS (= Masse) weggeschaltet.During the anti-backlash pulse, the NMOS transistor MN2 is switched on, pulls a circuit node A between the NMOS transistors MN1 and MN2 to a low potential of ∼ 0 V and thus enables a sinking current through the NMOS transistor MN1 absolute size is set by the bias potential on line I refSINK . At the end of the anti-backlash pulse, the switching node A is again disconnected from the voltage potential VSS (= ground).

Der Knoten A würde sich jetzt über den Ausgangstransistor MN1 so lange aufladen und damit einen Strom aus dem an den Ausgang CPout angeschlossenen Schleifenfilter LF (in Fig. 1 dargestellt) ziehen, bis der Potentialunterschied zwischen den Knoten IrefSINK und A auf die Einsatzspannung VTN von MN1 abgeklungen ist. Bei sehr kleinen Referenzfrequenzen würde sich der Knoten A sogar bis auf die Spannung an CPout aufla­ den, da MN1 auch im Subthreshold-Bereich einen endlichen Strom leiten kann. Der Ausgangstransistor MN1 sperrt dann, abgesehen vom Subthreshold-Bereich, und stoppt den Ent­ ladevorgang des Schleifenfilters LF.The node A would now charge itself via the output transistor MN1 and thus draw a current from the loop filter LF connected to the output CP out (shown in FIG. 1) until the potential difference between the nodes I refSINK and A to the threshold voltage V TN has subsided from MN1. At very low reference frequencies, node A would even charge up to the voltage at CP out , since MN1 can conduct a finite current even in the subthreshold range. The output transistor MN1 then blocks, apart from the subthreshold range, and stops the discharge process of the loop filter LF.

Da die Transistoren MN1 und MN2 eine sehr große Weite besitzen können, ist die parasitäre Kapazität am Schaltungs­ knoten A sehr groß und dieser Vorgang kann relativ lange andauern. Dieser Effekt tritt ebenfalls im Source-Zweig der Ladungspumpe am zwischen den beiden PMOS-Transistoren MP1 und MP2 liegenden Schaltungsknoten B auf. Selbst durch ein nominelles Angleichen der parasitären Kapazitäten an Knoten A und B lassen sich die Effekte nicht für alle möglichen Betriebszustände der Chargepump gegenseitig kompensieren. Zudem sind diese in den meisten CMOS Prozessoren nicht korrelierten technologischen Schwankungen unterworfen.Since the transistors MN1 and MN2 have a very large width can have is the parasitic capacitance at the circuit knot A very large and this process can take a relatively long time last for. This effect also occurs in the source branch of the Charge pump on between the two PMOS transistors MP1 and MP2 lie on circuit node B. Even by one nominal matching of parasitic capacitances at node A and B the effects are not for all possible Compensate the operating states of the charge pump with each other. In addition, these are not in most CMOS processors subject to correlated technological fluctuations.

Es wird also in jedem Referenzzyklus nach dem Anti-Backlash- Impuls netto eine bestimmte Ladungsmenge im Schleifenfilter LF umgesetzt. Diese muß die Phasenregelschleife durch Verziehen des Anti-Backlash-Impulses, d. h. durch Verlängern entweder der Source- oder Sinkdauer, wieder ausgleichen. Dadurch entstehen insgesamt also Transienten der Steuerspan­ nung V_tune, die als Nebenwellenspitzen (Spurious) im Frequenzspektrum des Ausgangssignals des spannungsgesteuerten Oszillators VCO zu sehen sind.So in every reference cycle after the anti-backlash Pulse net a certain amount of charge in the loop filter LF implemented. This must go through the phase locked loop Warping of the anti-backlash pulse, d. H. by extending compensate for either the source or sink duration. This creates a total of transients in the control chip V_tune, which acts as a spurious peak in the  Frequency spectrum of the output signal of the voltage controlled VCO oscillators can be seen.

Zur Vermeidung dieses Effekts ist es bekannt, in den Ladungs­ pumpenschaltungen zusätzliche Entladetransistoren N_DISCH und P_DISCH in der in Fig. 3 dargestellten Weise vorzusehen. Im Sink-Zweig der Ladungspumpe ist der Entladetransistor P_DISCH ein PMOS-Transistor und im Source-Zweig ist der Entladetran­ sistor N_DISCH ein NMOS-Transistor. Im Falle des Sink-Zweigs wird bei nicht aktiver Sink, d. h. bei in seinen nichtleiten­ den Zustand geschaltetem Transistor MN2, der Schaltungsknoten A schnell auf das Versorgungsspannungspotential VDD aufgela­ den.To avoid this effect, it is known to provide additional discharge transistors N_DISCH and P_DISCH in the manner shown in FIG. 3 in the charge pump circuits. In the sink branch of the charge pump, the discharge transistor P_DISCH is a PMOS transistor and in the source branch the discharge transistor N_DISCH is an NMOS transistor. In the case of the sink branch, when the sink is not active, ie when the transistor MN2 is in the non-conducting state, the circuit node A is quickly charged to the supply voltage potential VDD.

Damit wird auch die Gate-Source-Spannung des Ausgangs­ transistors MN1 schnell negativ, wodurch dieser Transistor dann ebenfalls sehr schnell sperrt und nur für sehr kurze Zeit nach dem Anti-Backlash-Impuls einen Fehlerstrom aus dem Schleifenfilter LF zieht. Dadurch ergibt sich im mittleren Spannungsbereich der Steuerspannung V_tune eine erhebliche Reduktion der Nebenwellenspitzen (Spurious).This also becomes the gate-source voltage of the output transistor MN1 quickly negative, causing this transistor then also blocks very quickly and only for very short ones Time after the anti-backlash pulse a fault current from the Loop filter LF pulls. This results in the middle Voltage range of the control voltage V_tune a considerable Reduction of the spurious peaks.

In der in Fig. 3 dargestellten Ladungspumpenschaltung wirken sich die Entladetransistoren N_DISCH und P_DISCH jedoch nega­ tiv auf den nutzbaren Spannungsbereich der Steuerspannung V_tune an CPout aus. Die das Zustandekommen dieses Nachteils beschreibende Erklärung wird im folgenden wieder stellvertretend für den Sink-Zweig der Ladungspumpe gegeben:In the charge pump circuit shown in FIG. 3, the discharge transistors N_DISCH and P_DISCH, however, have a negative effect on the usable voltage range of the control voltage V_tune at CP out . The explanation describing the occurrence of this disadvantage is given below as representative of the sink branch of the charge pump:

Wenn die Steuerspannung V_tune auf einem so niedrigen Poten­ tial liegt, daß der Ausgangsknoten der Ladungspumpe um etwa die Einsatzspannung VTN des eingesetzten NMOS-Transistors MN1 niedriger als das Gate-Vorspannungspotential VrefSINK liegt, tauschen dessen Drain- und Sourceanschlüsse die Rolle und der Ausgangstransistor MN1 beginnt in umgekehrter Richtung zu leiten. Da zwischen den Anti-Backlash-Impulsen der Entlade­ transistor P_DISGH ebenfalls leitet, kann während dieser Zeit ein Dauerstrom in das Schleifenfilter LF fließen. Der Sink- Zweig der Ladungspumpe wirkt dann als Source.If the control voltage V_tune is at such a low potential that the output node of the charge pump is lower than the gate bias potential V refSINK by approximately the threshold voltage V TN of the NMOS transistor MN1 used, its drain and source connections exchange the role and the output transistor MN1 begins to conduct in the opposite direction. Since the discharge transistor P_DISGH also conducts between the anti-backlash pulses, a continuous current can flow into the loop filter LF during this time. The sink branch of the charge pump then acts as a source.

Diese Ladungsmenge muß die Ladungspumpe während des Anti- Backlash-Impulses wieder kompensieren. Unter Umständen ist dies sogar unmöglich und die Phasenregelschleife bleibt nicht mehr im Einrastzustand (lock). In jedem Fall wird der Steuerspannung V_tune in den äußeren Bereichen eine Wechselkomponente überlagert, die die Nebenwellenspitzen (Seitenlinien) in ganzzahligen Abständen der Referenzfrequenz Fref von der Trägerfrequenz FVCO des spannungsgesteuerten Oszillators VCO erheblich ansteigen läßt.The charge pump must compensate for this amount of charge again during the anti-backlash pulse. This may even be impossible and the phase locked loop no longer remains in the lock state. In any case, an alternating component is superimposed on the control voltage V_tune in the outer regions, which causes the secondary wave peaks (side lines) to increase considerably at integral intervals between the reference frequency F ref and the carrier frequency F VCO of the voltage-controlled oscillator VCO.

Da die Ausgangstransistoren in der Regel sehr große Gateweiten haben, tritt dieser Effekt nicht erst dann auf, wenn die Steuerspannung V_tune auf den Spannungswert VrefSINK-VTN abgesunken ist, sondern auch schon früher, wenn der Subthreshold-Effekt bereits nennenswerte Auswirkungen hat. Deshalb wird bei eingesetzten Ladungspumpen der verwend­ bare Bereich der Steuerspannung V_tune auf Spannungen einge­ schränkt, die lediglich bis etwa 0,7 V an die Versorgungs­ spannungen heranreichen. Bei vorgesehenen niedrigen Versor­ gungsspannungen, z. B. 2,7 V, wird dann der Abstimmbereich für den spannungsgesteuerten Oszillator VCO zu klein.Since the output transistors generally have very large gate widths, this effect does not only occur when the control voltage V_tune has dropped to the voltage value V refSINK -V TN , but also earlier if the subthreshold effect already has significant effects. For this reason, the usable range of the control voltage V_tune is limited to voltages that are only up to about 0.7 V to the supply voltages when charge pumps are used. At provided low supply voltages, z. B. 2.7 V, then the tuning range for the voltage controlled oscillator VCO is too small.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine Ladungspumpenschaltung für eine digitale Phasenregelschleife mit einfachen Mitteln so auszubilden, daß gleichermaßen die Probleme des langsamen Ab­ schaltens, das zu störenden Nebenwellenspitzen im Frequenz­ spektrum des spannungsgesteuerten Oszillators führt, und der nicht akzeptablen Verkleinerung des Abstimmbereichs dieses Oszillators gelöst werden.The object of the invention is to provide a charge pump circuit for a digital phase locked loop with simple means like that train that equally the problems of slow Ab switch, the disturbing spurious peaks in frequency spectrum of the voltage controlled oscillator leads, and the unacceptable reduction in the tuning range of this Oscillator can be solved.

Diese Aufgabe wird bei einer gattungsgemäßen Ladungspumpen­ schaltung durch die im kennzeichnenden Teil des Patentan­ spruchs 1 angegebenen Merkmale gelöst. This task is carried out in a generic charge pump circuit by the in the characterizing part of the patent solved 1 specified characteristics.  

Gemäß den Ansprüchen 2 und 3 kann die Ansteuerung und die Verschaltung der Entladetransistoren in vorteilhafter Weise auf zwei verschiedene Arten erfolgen. Hierbei sind die Entladetransistoren selbst (Fig. 4) in einer CMOS-Transfer­ gatestruktur zwischen die Knoten A und B geschaltet.According to claims 2 and 3, the activation and the interconnection of the discharge transistors can advantageously be carried out in two different ways. Here, the discharge transistors themselves ( Fig. 4) are connected in a CMOS transfer gate structure between nodes A and B.

Entsprechend der ersten Variante ist der Gate-Anschluß des im Source-Zweig der Ladungspumpe liegenden Entladetransistors unmittelbar von der invertierten ersten Impulsfolge UPN des Phasendetektors und der Gate-Anschluß des im Sink-Zweig der Ladungspumpe liegenden Entladetransistors unmittelbar von der zweiten Impulsfolge DOWN des Phasendetektors angesteuert. Die Entladetransistoren werden also komplementär wegen der jeweiligen Kombination von NMOS- und PMOS-Transistor zu den Sink- bzw. Source-Zweigen der Ladungspumpe eingeschaltet.According to the first variant, the gate connection of the im Source branch of the charge pump lying discharge transistor immediately from the inverted first pulse sequence UPN of the Phase detector and the gate connection of the in the sink branch of the Discharge transistor lying directly from the charge pump second pulse sequence DOWN of the phase detector. The Discharge transistors are therefore complementary because of respective combination of NMOS and PMOS transistor to the Sink or source branches of the charge pump switched on.

Entsprechend der zweiten Variante sind der Gate-Anschluß des im Source-Zweig der Ladungspumpe liegenden Entladetransistors und der Gate-Anschluß des im Sink-Zweig der Ladungspumpe lie­ genden Entladetransistors jeweils sowohl von der ersten invertierten Impulsfolge UPN als auch von der zweiten Impulsfolge DOWN des Phasendetektors über eine gemeinsame kombinatorische Logikschaltung angesteuert, die aus dem Zustand der beiden Impulsfolgen den inaktiven Zustand der Ladungspumpe erkennt und bei Erkennen dieses Zustandes die Entladetransistoren durch entsprechende Ansteuerung der Gate- Anschlüsse der beiden Entladetransistoren gleichzeitig einschaltet. Die Entladetransistoren werden also bei dieser Variante gemeinsam eingeschaltet, sobald sowohl der Sink- als auch der Source-Zweig der Ladungspumpe inaktiv werden.According to the second variant, the gate connection of the discharge transistor located in the source branch of the charge pump and the gate connection of the lie in the sink branch of the charge pump ing discharge transistor both from the first inverted pulse sequence UPN as well as from the second Pulse train DOWN of the phase detector via a common one combinatorial logic circuit driven from the State of the two pulse trains the inactive state of the Charge pump recognizes and upon detection of this condition the Discharge transistors by appropriate control of the gate Connections of the two discharge transistors at the same time switches on. The discharge transistors are thus at this Variant switched on as soon as both the sink and the source branch of the charge pump also becomes inactive.

Da die Schaltungsknoten in der Stromstrecke jeweils zwischen den beiden Ausgangstransistoren des Source- bzw. Sink-Zweiges während der aktiven Pumpzeit, z. B. während des Anti-Backlash- Impulses, nahezu auf dem oberen bzw. unteren Versorgungsspan­ nungspotential liegen, ergeben sich für die erste Zeit, nach­ dem entsprechend der ersten Variante die Ladungspumpenteile bzw. entsprechend der zweiten Variante die gesamte Ladungs­ pumpe abgeschaltet wird, fast die gleichen Verhältnisse wie bei der vorgeschlagenen und anhand der Fig. 3 beschriebenen Anordnung der Entladetransistoren.Since the circuit nodes in the current path between the two output transistors of the source and sink branches during the active pumping time, for. B. during the anti-backlash pulse, almost at the upper or lower supply voltage potential, for the first time, after the charge pump parts according to the first variant or the entire charge pump is switched off according to the second variant, almost the same relationships as in the proposed arrangement of the discharge transistors described with reference to FIG. 3.

Dies bedeutet, daß die Abschaltung der Ausgangstransistoren sehr schnell durch ein sehr schnelles Wegziehen deren jeweiligen Sourcepotentiale erfolgt, die die Knoten A und B gegeneinander entladen werden, so daß sich auf ihnen eine mittlere Spannung einstellt. An den Randbereichen der Steuerspannung des spannungsgesteuerten Oszillators ereignet sich nun zwar zunächst ebenfalls das gleiche wie bei der vorgeschlagenen und anhand der Fig. 3 beschriebenen Schaltung. Dies bedeutet, daß der Source-Zweig Ladung aus dem Schleifenfilter zieht bzw. der Sink-Zweig Ladung in das Schleifenfilter pumpt.This means that the output transistors are switched off very quickly by very quickly pulling away their respective source potentials, which discharge the nodes A and B against one another, so that an average voltage is established on them. At the edge regions of the control voltage of the voltage-controlled oscillator, the same thing as in the proposed circuit described with reference to FIG. 3 now occurs. This means that the source branch draws charge from the loop filter or the sink branch pumps charge into the loop filter.

Der Unterschied der Ladungspumpenschaltung nach der Erfindung und deren Vorteil bestehen jedoch darin, daß bei inaktiver Ladungspumpe selbst in den Randbereichen der Steuerspannung V_tune des spannungsgesteuerten Oszillators kein Dauerstrom in das Schleifenfilter fließen kann, sondern insgesamt nur diejenige Ladungsmenge, die nach dem aktiven Zustand der Ladungspumpenteile bzw. der gesamten Ladungspumpe in den parasitären Kapazitäten der erwähnten Schaltungsknoten in der Stromstrecke jeweils zwischen den beiden Ausgangstransistoren des Source- bzw. Sink-Zweiges gespeichert ist. Diese endliche Gesamtfehlerladung kann die Ladungspumpe durch Verziehen des Anti-Backlash-Impulses wieder ausgleichen, so daß die Phasenregelschleife immer in eingerastetem Zustand bleiben kann.The difference of the charge pump circuit according to the invention and their advantage is that when inactive Charge pump even in the peripheral areas of the control voltage V_tune of the voltage controlled oscillator no continuous current can flow into the loop filter, but only overall the amount of charge that after the active state of the Charge pump parts or the entire charge pump in the parasitic capacitances of the circuit nodes mentioned in the Current path between the two output transistors of the source or sink branch is stored. This finite Total charge of the fault can be the charge pump by pulling the Compensate anti-backlash impulse again, so that Always keep the locked phase locked loop can.

Weitere vorteilhafte und zweckmäßige Weiterbildungen der Er­ findung sind in den Ansprüchen 4 bis 9 angegeben.Further advantageous and expedient further developments of the Er invention are given in claims 4 to 9.

Es besteht zwar alternativ prinzipiell die Möglichkeit, zur Lösung der gestellten Aufgabe das Vorspannungspotential des Referenzstromes IrefSINK für den Sink-Zweig herabzusetzen und das Vorspannungspotential des Referenzstromes IrefSOURCE für den Source-Zweig zu erhöhen. Dadurch ergibt sich jedoch bei gleichem Ausgangsnennstrom eine weitere Vergrößerung der Aus­ gangstransistoren, wodurch erstens die parasitären Effekte ebenfalls vergrößert werden und zweitens der Flächenbedarf für die Pumpe und u. U. den Schaltungen für deren Ansteuerung zusätzlich erhöht wird.As an alternative, there is in principle the possibility of reducing the bias potential of the reference current I refSINK for the sink branch and increasing the bias potential of the reference current I refSOURCE for the source branch to solve the problem . However, this results in a further increase in the output transistors at the same nominal output current, which firstly also increases the parasitic effects and secondly the area required for the pump and the like. U. the circuits for their control is additionally increased.

Der Fehlerstrom ließe sich prinzipiell auch dadurch verklei­ nern, daß die Entladetransistoren sehr schwach ausgelegt wer­ den, so daß der Fehlerstrom durch diese und nicht mehr durch die Ausgangstransistoren bestimmt wird. Allerdings erfüllen die Entladetransistoren dann auch ihren eigentlichen Zweck des schnellen Abschaltens im mittleren Bereich der Steuer­ spannung des spannungsgesteuerten Oszillators nicht mehr so effektiv.In principle, this would also reduce the fault current nern that the discharge transistors are designed very weak the so that the fault current through this and no longer through the output transistors is determined. However, meet the discharge transistors then also serve their actual purpose the quick shutdown in the middle of the tax voltage of the voltage controlled oscillator no longer so effectively.

Die Erfindung wird anhand von Zeichnungen erläutert. Es zei­ gen:The invention is explained with reference to drawings. It shows gene:

Fig. 1 das bereits beschriebene Blockschaltbild einer übli­ chen digitalen Phasenregelschleife (PLL), Fig. 1 shows the block diagram already described a übli chen digital phase locked loop (PLL),

Fig. 2 das ebenfalls bereits beschriebene Beispiel eines Fre­ quenzspektrums, das am Ausgang des spannungsgesteuerten Os­ zillators bekannter digitaler Phasenregelschleifen auftritt, Fig. 2, the example also already described spec- trum of a Fre that occurs at the output of the voltage controlled Os zillators known digital phase locked loops,

Fig. 3 die Schaltung einer vorgeschlagenen und bereits be­ schriebenen Ladungspumpe, Fig. 3 shows the circuit of a proposed and already be signed charge pump,

Fig. 4 die Schaltung einer Ladungspumpe nach der Erfindung, und Fig. 4 shows the circuit of a charge pump according to the invention, and

Fig. 5 eine kombinatorische Logikschaltung zur Realisierung der zweiten Ausführungsvariante einer Ladungspumpenschaltung nach der Erfindung. Fig. 5 is a combinational logic circuit for implementing the second embodiment of a charge pump circuit according to the invention.

Die in Fig. 4 dargestellte Ladungspumpenschaltung entspricht in weiten Teilen der bereits ausführlich beschriebenen, vor­ geschlagenen Ladungspumpenschaltung, die in Fig. 3 abgebildet ist. Um Wiederholungen zu vermeiden, wird deswegen im folgen­ den lediglich auf die Unterschiede eingegangen. Der im Source-Zweig der Ladungspumpe liegende Entladetransistor N_DISCH ist mit seinem Drain-Anschluß am Stromweg-Schal­ tungsknoten B zwischen den beiden PMOS-Ausgangstransistoren MP1 und MP2 des Source-Zweiges und mit seinem Source-Anschluß am Stromweg-Schaltungsknoten A zwischen den beiden NMOS-Aus­ gangstransistoren MN1 und MN2 des Sink-Zweiges angeordnet.The charge pump circuit shown in FIG. 4 largely corresponds to the charge pump circuit already described in detail, which is shown in FIG. 3. In order to avoid repetitions, only the differences are dealt with in the following. The discharge transistor N_DISCH located in the source branch of the charge pump is with its drain connection on the current path switching node B between the two PMOS output transistors MP1 and MP2 of the source branch and with its source connection on the current path circuit node A between the two NMOS - Arranged from output transistors MN1 and MN2 of the sink branch.

Der im Sink-Zweig der Ladungspumpe liegende Entladetransistor P_DISCH ist mit seinem Drain-Anschluß am Stromweg-Schal­ tungsknoten A zwischen den beiden Ausgangstransistoren MN1 und MN2 des Sink-Zweiges und mit seinem Source-Anschluß am Stromweg-Schaltungsknoten B zwischen den beiden Ausgangstran­ sistoren MP1 und MP2 des Source-Zweiges angeordnet. Der Bulk des NMOS-Entladetransistors N_DISCH ist an den Drain-Anschluß dieses Transistors und der Bulk des PMOS-Entladetransistors P_DISCH an den Source-Anschluß dieses Transistors angeschlos­ sen.The discharge transistor located in the sink branch of the charge pump P_DISCH is with its drain connection on the current path scarf tion node A between the two output transistors MN1 and MN2 of the sink branch and with its source connection on Current path circuit node B between the two output trains sistors MP1 and MP2 of the source branch arranged. The bulk of the NMOS discharge transistor N_DISCH is at the drain connection this transistor and the bulk of the PMOS discharge transistor P_DISCH connected to the source of this transistor sen.

Die Bulks der Entladetransistoren N_DISCH und P_DISCH können als Variante auch auf das Potential VSS (N_DISCH) und VDD (P_DISCH) angeschlossen werden, wodurch sich allerdings eine etwas verminderte Wirksamkeit der Ladungspumpenschaltung ergibt. Die beiden Entladetransistoren N_DISCH und P_DISCH wirken in dieser Schaltung als Transfergate und entladen die beiden Schaltungsknoten A und B nicht mehr gegen die Poten­ tiale VSS bzw. VDD der Versorgungsspannung, sondern gegenein­ ander. Zur Ansteuerung der beiden Entladetransistoren N_DISCH und P_DISCH sind zur Ansteuerung von deren Gate-Elektroden Steuerleitungen zu von außen ansteuerbaren Gate-Anschlüssen N_DISCH_EN und P_DISCH_EN vorgesehen. The bulk of the discharge transistors N_DISCH and P_DISCH can as a variant also on the potential VSS (N_DISCH) and VDD (P_DISCH) are connected, which however results in a somewhat reduced effectiveness of the charge pump circuit results. The two discharge transistors N_DISCH and P_DISCH act as a transfer gate in this circuit and discharge the two circuit nodes A and B no longer against the pots tial VSS or VDD of the supply voltage, but against each other at the. To control the two discharge transistors N_DISCH and P_DISCH are for driving their gate electrodes Control lines to externally controllable gate connections N_DISCH_EN and P_DISCH_EN provided.  

Die Ansteuerung der Entladetransistoren N_DISCH und P_DISCH kann dabei auf zwei verschiedene Arten vorgenommen werden.The control of the discharge transistors N_DISCH and P_DISCH can be done in two different ways.

Bei der ersten Variante wird der von außen zugängliche Gate- Anschluß P_DISCH_EN mit dem Eingang DOWN für die zweite Im­ pulsfolge und der von außen zugängliche Gate-Anschluß N_DISCH_EN mit dem Eingang UPN für die erste Impulsfolge ver­ bunden. Die Entladetransistoren N_DISCH und P_DISCH werden bei dieser Variante demnach komplementär (wegen jeweiliger Kombination von NMOS und PMOS) zu den Sink- bzw. Source-Zwei­ gen eingeschaltet.In the first variant, the externally accessible gate Connection P_DISCH_EN with the input DOWN for the second Im pulse sequence and the externally accessible gate connection Verify N_DISCH_EN with input UPN for the first pulse train bound. The discharge transistors N_DISCH and P_DISCH become in this variant, therefore, complementary (because of each Combination of NMOS and PMOS) to the sink or source two switched on.

Bei der zweiten Variante werden die Entladetransistoren N_DISCH und P_DISCH gemeinsam eingeschaltet, sobald sowohl der Sink- als auch der Source-Zweig der Ladungspumpe inaktiv werden. Dazu läßt sich eine kombinatorische Logikschaltung einsetzen, die aus dem Zustand an den Eingängen DOWN und UPN für die vom Phasendetektor kommenden Impulsfolgen den inakti­ ven Zustand der Ladungspumpe erkennt und dann die Entlade­ transistoren durch entsprechende Ansteuerung der von außen erreichbaren Gate-Anschlüsse N_DISCH_EN und P_DISCH_EN gleichzeitig einschaltet.In the second variant, the discharge transistors N_DISCH and P_DISCH switched on together as soon as both the sink and source branches of the charge pump are inactive become. A combinatorial logic circuit can be used for this insert from the state at the inputs DOWN and UPN for the pulse sequences coming from the phase detector the inacti recognizes the state of the charge pump and then the discharge transistors by appropriate control of the outside accessible gate connections N_DISCH_EN and P_DISCH_EN switches on at the same time.

Ein Ausführungsbeispiel für solch eine kombinatorische Logikschaltung ist in Fig. 5 im einzelnen dargestellt. Diese kombinatorische Logikschaltung weist ein NAND-Gatter 1 auf, dem an seinem einen Eingang die erste Impulsfolge vom Eingang UPN und an seinem zweiten Eingang über einen Inverter 2 die zweite Impulsfolge vom Eingang DOWN zugeführt werden und an dessen Ausgang der Gate-Anschluß N_DISCH_EN für den Entladetransistor N_DISCH über einen Inverter 3 und zugleich der Gate-Anschluß P_DISCH_EN für den Entladetransistor P_DISCH über zwei in Reihe liegende Inverter 4 und 5 angeschlossen sind.An exemplary embodiment of such a combinatorial logic circuit is shown in detail in FIG. 5. This combinatorial logic circuit has a NAND gate 1 , to which the first pulse sequence from the input UPN is fed at its one input and the second pulse sequence from the input DOWN via an inverter 2 and at its output the gate connection N_DISCH_EN for the Discharge transistor N_DISCH are connected via an inverter 3 and at the same time the gate connection P_DISCH_EN for the discharge transistor P_DISCH is connected via two inverters 4 and 5 located in series.

Die Knoten A und B liegen während der aktiven Ladungspumpen­ zeit, beispielsweise während des Anti-Backlash-Impulses, praktisch auf dem Potential VSS bzw. VDD, so daß sich für die erste Zeit nach Abschalten der Ladungspumpenteile (erste Va­ riante) bzw. der gesamten Ladungspumpe (zweite Variante) na­ hezu die gleichen Verhältnisse wie bei der Ladungspumpen­ schaltung nach Fig. 3 ergeben. Dies bedeutet, daß die Ab­ schaltung der Ausgangstransistoren MP1 bzw. MN1 sehr schnell durch ein sehr schnelles Wegziehen deren jeweiligen Sourcepo­ tentiale erfolgt.The nodes A and B are during the active charge pumping time, for example during the anti-backlash pulse, practically at the potential VSS or VDD, so that for the first time after switching off the charge pump parts (first variant) or the whole Charge pump (second variant) almost the same conditions as in the charge pump circuit shown in FIG. 3. This means that the output transistors MP1 and MN1 are switched off very quickly by pulling away their respective source potentials very quickly.

An den Randbereichen der Steuerspannung V_tune ereignet sich zwar zunächst das gleiche wie bei der Ladungspumpenschaltung nach Fig. 3, d. h. der Source-Zweig der Ladungspumpe zieht Ladung aus dem Schleifenfilter LF bzw. der Sink-Zweig pumpt Ladung in das Schleifenfilter LF. Im Unterschied zur Ladungspumpenschaltung nach Fig. 3 fließt in vorteilhafter Weise jedoch bei inaktiver Ladungspumpe selbst in den Randbereichen der Steuerspannung V_tune kein Dauerstrom in das Schleifenfilter LF, sondern insgesamt nur die Ladungs­ menge, die nach dem aktiven Zustand der Ladungspumpe bzw. der Pumpenteile in den parasitären Kapazitäten der Schaltungskno­ ten A und B gespeichert ist.3 occurs at the edge regions of the control voltage V_tune, as in the case of the charge pump circuit according to FIG. 3, ie the source branch of the charge pump draws charge from the loop filter LF or the sink branch pumps charge into the loop filter LF. In contrast to the charge pump circuit according to FIG. 3, no continuous current advantageously flows into the loop filter LF when the charge pump is inactive, even in the edge regions of the control voltage V_tune, but rather only the amount of charge which, according to the active state of the charge pump or the pump parts, flows into the parasitic capacitances of the circuit nodes A and B is stored.

Diese endliche Gesamtfehlerladung gleicht die Ladungspumpe durch Verziehen des Anti-Backlash-Impulses wieder aus, so daß die Phasenregelschleife immer im Lock-Zustand verbleibt. Somit wird mit der durch die Erfindung angegebenen Anordnung der Entladetransistoren N_DISCH und P_DISCH in der in einer Phasenregelschleife vorgesehenen Ladungspumpenschaltung das Problem des langsamen Abschaltens und der inakzeptablen Verkleinerung des Abstimmbereichs des spannungsgesteuerten Oszillators gleichermaßen ausgeräumt. The charge pump balances this finite total fault charge by distorting the anti-backlash pulse so that the phase locked loop always remains in the lock state. Thus, with the arrangement indicated by the invention of the discharge transistors N_DISCH and P_DISCH in one Phase locked loop provided charge pump circuit that Problem of slow shutdown and unacceptable Reduction of the tuning range of the voltage controlled Oscillators equally eliminated.  

BezugszeichenlisteReference list

A Schaltungsknoten
B Schaltungsknoten
CP Ladungspumpe (Charge Pump)
CPout
A circuit node
B circuit node
CP Charge Pump
CP out

Ausgang der Ladungspumpe
C_SINK NMOS-Transistor, wirksam als Boostkapazität
C_SOURCE PMOS-Transistor, wirksam als Boostkapazität
DOWN Zweite Impulsfolge, Steuereingang
F Frequenz im Spektrum
FQ
Charge pump output
C_SINK NMOS transistor, effective as boost capacity
C_SOURCE PMOS transistor, effective as boost capacity
DOWN Second pulse train, control input
F frequency in the spectrum
F Q

Quarzstabilisierte Frequenz
Fref
Quartz stabilized frequency
F ref

Referenzfrequenz
FVCO
Reference frequency
F VCO

Ausgangsfrequenz des VCO
FVCO
VCO output frequency
F VCO

/N Durch N geteilte Frequenz FVCO
/ N Frequency F VCO divided by N

IrefSINK I refSINK

Sink-Referenzstrom
IrefSOURCE
Sink reference current
I refSOURCE

Source-Referenzstrom
LF Tiefpaß-Schleifenfilter
MN1 . . . MN4 NMOS-Transistoren
MP1 . . . MP4 PMOS-Transistoren
N Frequenzteiler
N_DISCH NMOS-Entladetransistor
N_DISCH_EN Gate-Anschluß des NMOS-Entladetransistors
Q Quarzstabilisierter Oszillator
P[dBm] Absolutpegel in dBm
PD Phasen(-Frequenz-)-Detektor
P_DISCH PMOS-Transistor
P_DISCH_EN Gate-Anschluß des PMOS-Entladetransistors
R Referenzteiler
UP Erste Impulsfolge
UPN Steuereingang für invertierte Impulsfolge UP
VSS Spannungspotential (Masse)
VCO Spannungsgesteuerter Oszillator (VCO)
VDD Versorgungsspannung
V_tune Steuerspannung
Source reference current
LF low-pass loop filter
MN1. . . MN4 NMOS transistors
MP1. . . MP4 PMOS transistors
N frequency divider
N_DISCH NMOS discharge transistor
N_DISCH_EN gate connection of the NMOS discharge transistor
Q Quartz stabilized oscillator
P [dBm] absolute level in dBm
PD phase (frequency) detector
P_DISCH PMOS transistor
P_DISCH_EN Gate connection of the PMOS discharge transistor
R reference divider
UP First pulse train
UPN control input for inverted pulse sequence UP
VSS voltage potential (ground)
VCO voltage controlled oscillator (VCO)
VDD supply voltage
V_tune control voltage

11

NAND-Gatter
NAND gate

22nd

b bis b to

55

Inverter
Inverter

Claims (9)

1. Ladungspumpenschaltung (Charge Pump), die in einer elek­ trischen Phasenregelschleife (PLL; Phase Locked Loop) einem zwei Wechselströme hinsichtlich ihrer gegenseitigen Phasen­ lage vergleichenden Phasendetektor nachgeschaltet ist, der an zwei Ausgängen zwei pulsweitenmodulierte, bezüglich ihrer Pulsweiten in fester Beziehung zu dem Phasenunterschied der beiden zu vergleichenden Wechselströme stehende Impulsfolgen erzeugt und bei gleicher Phasenlage der beiden zu verglei­ chenden Wechselströme für eine kurze Zeit beide Ausgänge zur Erzeugung eines Anti-Backlash-Impulses einschaltet, und die einem als Integrator wirkenden Tiefpaß-Schleifenfilter vorge­ schaltet ist, dessen Ausgangsspannung als Steuerspannung zur Einstellung der Frequenz eines nachfolgenden spannungsgesteu­ erten Oszillators (VCO; Voltage Controlled Oscillator) dient, mit zwei schaltbaren, in CMOS-Technik ausgeführten Stromquel­ len, von denen die erste (Source) in Abhängigkeit von der er­ sten Impulsfolge (UPN) und die zweite (Sink) in Abhängigkeit von der zweiten Impulsfolge (DOWN) einen Strom von definier­ ter Stärke an das Tiefpaß-Schleifenfilter liefert bzw. davon abführt, wobei der Source-Zweig vier PMOS-Transistoren, die einen schaltbaren, einen Source-Referenzstrom um einen Strom­ spiegelfaktor multiplizierenden Stromspiegel darstellen, und einen an seinem Gate von seiten der ersten Impulsfolge (UPN) angesteuerten NMOS-Entladetransistor enthält und der Sink- Zweig mit vier NMOS-Transistoren, die einen schaltbaren, ei­ nen Sink-Referenzstrom um einen Stromspiegelfaktor multipli­ zierenden Stromspiegel darstellen, und mit einem an seinem Gate von seiten der zweiten Impulsfolge (DOWN) angesteuerten PMOS-Entladetransistor versehen ist, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der im Source-Zweig der Ladungspumpe lie­ gende Entladetransistor (N_DISCH) mit seinem Drain-Anschluß am Stromweg-Schaltungsknoten (B) zwischen den beiden Aus­ gangstransistoren (MP1, MP2) des Source-Zweiges und mit sei­ nem Source-Anschluß am Stromweg-Schaltungsknoten (A) zwischen den beiden Ausgangstransistoren (MN1, MN2) des Sink-Zweiges angeordnet ist und daß der im Sink-Zweig der Ladungspumpe liegende Entladetransistor (P_DISCH) mit seinem Drain-An­ schluß am Stromweg-Schaltungsknoten (A) zwischen den beiden Ausgangstransistoren (MN1, MN2) des Sink-Zweiges und mit sei­ nem Source-Anschluß am Stromweg-Schaltungsknoten (B) zwischen den beiden Ausgangstransistoren (MP1, MP2) des Source-Zweiges angeordnet ist, so daß die beiden Entladetransistoren als Transfergate betrieben werden und die beiden Schaltungsknoten (A, B) nicht gegen die Potentiale (VSS, VDD) der Versorgungs­ spannung, sondern gegeneinander entladen werden.1. Charge pump circuit (Charge Pump), which is connected in a elec tric phase locked loop (PLL) a two alternating currents with respect to their mutual phase position comparing phase detector, the two pulse width modulated at two outputs, with respect to their pulse widths in a fixed relationship to the phase difference of the two alternating currents to be compared generated and with the same phase position of the two alternating currents to be compared turns on both outputs for a short time to generate an anti-backlash pulse, and the low-pass loop filter acting as an integrator is connected upstream, the output voltage of which Control voltage for setting the frequency of a subsequent voltage-controlled oscillator (VCO; Voltage Controlled Oscillator) is used, with two switchable, CMOS-technology current sources, of which the first (source) depending on the first pulse train (UPN) d the second (sink) in dependence on the second pulse sequence (DOWN) delivers a current of defined strength to the low-pass loop filter or carries it away, the source branch having four PMOS transistors that have a switchable, a source reference current represent a current mirror multiplying current mirror, and contains at its gate on the part of the first pulse train (UPN) driven NMOS discharge transistor and the sink branch with four NMOS transistors, which multiply a switchable, sink reference current by a current mirror factor represent decorative current mirror, and is provided with a PMOS discharge transistor driven at its gate by the second pulse train (DOWN), characterized in that the discharge transistor lying in the source branch of the charge pump (N_DISCH) has its drain connection on the current path -Circuit node (B) between the two output transistors (MP1, MP2) from the source branch and with its Sourc e-connection is arranged on the current path switching node (A) between the two output transistors (MN1, MN2) of the sink branch and that the discharge transistor (P_DISCH) located in the sink branch of the charge pump with its drain connection on the current path switching node ( A) is arranged between the two output transistors (MN1, MN2) of the sink branch and with its source connection at the current path switching node (B) between the two output transistors (MP1, MP2) of the source branch, so that the two discharge transistors are operated as a transfer gate and the two circuit nodes (A, B) are not discharged against the potentials (VSS, VDD) of the supply voltage, but against one another. 2. Ladungspumpenschaltung nach Anspruch 1, dadurch ge­ kennzeichnet, daß der Gate-Anschluß (N_DISCH_EN) des im Source-Zweig der Ladungspumpe liegenden Entladetransistors (N_DISCH) unmittelbar von der invertierten ersten Impulsfolge (UPN) des Phasendetektors (PD) und der Gate-Anschluß (P_DISCH_EN) des im Sink-Zweig der Ladungspumpe liegenden Entladetransistors (P_DISCH) unmittelbar von der zweiten Impulsfolge (DOWN) des Phasendetektors (PD) angesteuert ist.2. Charge pump circuit according to claim 1, characterized ge indicates that the gate connection (N_DISCH_EN) of the im Source branch of the charge pump lying discharge transistor (N_DISCH) immediately from the inverted first pulse train (UPN) of the phase detector (PD) and the gate connection (P_DISCH_EN) of the lying in the sink branch of the charge pump Discharge transistor (P_DISCH) immediately from the second Pulse train (DOWN) of the phase detector (PD) is activated. 3. Ladungspumpenschaltung nach Anspruch 1, dadurch ge­ kennzeichnet, daß der Gate-Anschluß (N_DISCH_EN) des im Source-Zweig der Ladungspumpe liegenden Entladetransistors (N_DISCH) und der Gate-Anschluß (P_DISCH_EN) des im Sink- Zweig der Ladungspumpe liegenden Entladetransistors (P_DISCH) jeweils sowohl von der ersten invertierten Impulsfolge (UPN) als auch der zweiten Impulsfolge (DOWN) des Phasendetektors (PD) über eine gemeinsame kombinatorische Logikschaltung (Fig. 5) angesteuert werden, die aus dem Zustand der beiden Impulsfolgen (UPN, DOWN) den inaktiven Zustand der Ladungspumpe erkennt und bei Erkennen dieses Zustandes die Entladetransistoren (N_DISCH, P_DISCH) durch entsprechende Ansteuerung der Gate-Anschlüsse (N_DISCH_EN, P_DISCH_EN) der beiden Entladetransistoren gleichzeitig einschaltet.3. Charge pump circuit according to claim 1, characterized in that the gate connection (N_DISCH_EN) of the discharge transistor located in the source branch of the charge pump (N_DISCH) and the gate connection (P_DISCH_EN) of the discharge transistor located in the sink branch of the charge pump (P_DISCH ) can be controlled by both the first inverted pulse train (UPN) and the second pulse train (DOWN) of the phase detector (PD) via a common combinatorial logic circuit ( Fig. 5), which from the state of the two pulse trains (UPN, DOWN) recognizes the inactive state of the charge pump and, upon detection of this state, switches on the discharge transistors (N_DISCH, P_DISCH) by correspondingly controlling the gate connections (N_DISCH_EN, P_DISCH_EN) of the two discharge transistors simultaneously. 4. Ladungspumpenschaltung nach Anspruch 3, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die kombinatorische Logikschaltung (Fig. 5) ein NAND-Gatter (1) aufweist, dem an seinem einen Eingang die erste Impulsfolge (UPN) und an seinem zweiten Eingang über einen Inverter (2) die zweite Impulsfolge (DOWN) zugeführt wird und an dessen Ausgang der Gate-Anschluß (N_DISCH_EN) des im Source-Zweig liegenden Entladetransistors (N_DISCH) über einen Inverter (3) und zugleich der Gate-An­ schluß (P_DISCH_EN) des im Sink-Zweig liegenden Entladetran­ sistors (P_DISCH) über zwei in Reihe liegende Inverter (4, 5) oder aber direkt angeschlossen sind.4. Charge pump circuit according to claim 3, characterized in that the combinatorial logic circuit ( Fig. 5) has a NAND gate ( 1 ), which has the first pulse train (UPN) at its one input and at its second input via an inverter ( 2nd ) the second pulse sequence (DOWN) is fed and at its output the gate connection (N_DISCH_EN) of the discharge transistor (N_DISCH) located in the source branch via an inverter ( 3 ) and at the same time the gate connection (P_DISCH_EN) of the sink Branch discharge transistors (P_DISCH) are connected via two inverters ( 4 , 5 ) or connected directly. 5. Ladungspumpenschaltung nach einem der vorhergehenden An­ sprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Bulk des NMOS-Entladetransistors (N_DISCH) an den Drain-Anschluß die­ ses Transistors und der Bulk des PMOS-Entladetransistors (P_DISCH) an den Source-Anschluß dieses Transistors ange­ schlossen ist.5. Charge pump circuit according to one of the preceding An sayings, characterized in that the bulk of the NMOS discharge transistor (N_DISCH) to the drain terminal ses transistor and the bulk of the PMOS discharge transistor (P_DISCH) to the source of this transistor is closed. 6. Ladungspumpenschaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Bulk des NMOS-Ent­ ladetransistors (N_DISCH) an Massepotential (VSS) und der Bulk des PMOS-Entladetransistors (P_DISCH) an das Versor­ gungsspannungspotential (VDD) angeschlossen ist.6. Charge pump circuit according to one of claims 1 to 4, characterized in that the bulk of the NMOS Ent charging transistor (N_DISCH) to ground potential (VSS) and the Bulk of the PMOS discharge transistor (P_DISCH) to the utility voltage potential (VDD) is connected. 7. Ladungspumpenschaltung nach einem der vorhergehenden An­ sprüche, dadurch gekennzeichnet, daß im Source- Zweig der Ladungspumpe eine durch einen an Drain und Source zusammengeschalteten PMOS-Transistor (C_SOURCE) realisierte Boostkapazität und im Source-Zweig der Ladungspumpe eine durch einen an Drain und Source zusammengeschalteten NMOS- Transistor (C_SINK) realisierte Boostkapazität zur Beschleu­ nigung der Einschaltvorgänge vorgesehen sind, daß der die Boostkapazität im Source-Zweig bildende PMOS-Transistor (C_SOURCE) mit seinem Gate-Anschluß am Gate-Anschluß des PMOS-Ausgangstransistors (MP1) der Ladungspumpe (CP) liegt und an seinen zusammengeschalteten Drain- und Source-An­ schlüssen von der dem Source-Zweig vom Phasendetektor (PD) zugeführten invertierten Impulsfolge (UPN) angesteuert wird, daß der die Boostkapazität im Sink-Zweig bildende NMOS-Tran­ sistor (C_SINK) mit seinem Gate-Anschluß am Gate-Anschluß des NMOS-Ausgangstransistors (MN1) der Ladungspumpe liegt und an seinen zusammengeschalteten Drain- und Source-Anschlüssen von der dem Sink-Zweig vom Phasendetektor zugeführten Impulsfolge (DOWN) angesteuert wird und daß die Länge und Weite des die Boostkapazität im Source-Zweig bildenden PMOS-Transistors (C_SOURCE) und die Länge und Weite des die Boostkapazität im Sink-Zweig bildenden NMOS-Transistors (C_SINK) jeweils auf die gleiche Länge und halbe Weite des entsprechenden PMOS- bzw. NMOS-Ausgangstransistors (MP1 bzw. MN1) der Ladungspumpe festgelegt ist.7. Charge pump circuit according to one of the preceding An sayings, characterized in that in the source Branch of the charge pump one through one at drain and source interconnected PMOS transistor (C_SOURCE) realized Boost capacity and one in the source branch of the charge pump by an NMOS- connected at drain and source Transistor (C_SINK) realized boost capacity for acceleration Inclination of the switch-on operations are provided that the Boost capacitance in the PMOS transistor forming the source branch (C_SOURCE) with its gate connection at the gate connection of the PMOS output transistor (MP1) of the charge pump (CP) is and its interconnected drain and source on conclude from the source branch of the phase detector (PD) supplied inverted pulse train (UPN) is driven,  that the NMOS train forming the boost capacity in the sink branch sistor (C_SINK) with its gate connection at the gate connection of the NMOS output transistor (MN1) of the charge pump is on and on its interconnected drain and source connections from the pulse train supplied to the sink branch by the phase detector (DOWN) is controlled and that the length and width of the Boost capacitance in the PMOS transistor forming the source branch (C_SOURCE) and the length and width of the boost capacity in the Sink branch forming NMOS transistor (C_SINK) each the same length and half width of the corresponding PMOS or NMOS output transistor (MP1 or MN1) of the charge pump is set. 8. Ladungspumpenschaltung nach Anspruch 7, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Weite des die Boostkapazität im Source-Zweig bildenden PMOS-Transistors (C_SOURCE) und/oder die Weite des die Boostkapazität im Sink-Zweig bildenden NMOS-Transistors (C_SINK) zur Erzielung einer optimalen Sym­ metrie an den parasitären Effekt des entsprechenden Ausgangs­ transistors (MP1 bzw. MN1) der Ladungspumpe (CP) angepaßt werden.8. Charge pump circuit according to claim 7, characterized ge indicates that the width of the boost capacity in the Source branch forming PMOS transistor (C_SOURCE) and / or the width of the one that forms the boost capacity in the sink branch NMOS transistor (C_SINK) to achieve an optimal sym metry of the parasitic effect of the corresponding output transistor (MP1 or MN1) of the charge pump (CP) adapted become. 9. Ladungspumpenschaltung nach einem der vorhergehenden An­ sprüche, gekennzeichnet durch eine Implementierung in einem integrierten CMOS-Baustein.9. Charge pump circuit according to one of the preceding An sayings, characterized by an implementation in an integrated CMOS device.
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