JP2005323028A - Charge pump type phase comparator - Google Patents

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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a charge pump type phase comparator capable of canceling leak electric charges generated owing to parasitic capacity of a discharging/charging means constituting a main charge pump and nonlinearity of an element. <P>SOLUTION: The charge pump type phase comparator is constituted by providing a subordinate charge pump 982 with a discharging means having the same characteristics with discharging means 932 and 942 of a main charge pump 981, connecting current sources 973 and 974 having a common control terminal to both charge pump outputs, connecting the output of a differential amplifier to the common control terminal of the current sources, and connecting a subordinate charge pump output Vb to a positive-phase terminal and a main charge pump output Vo to a negative-phase terminal, the subordinate charge pump being driven with a reset signal 907 irrelevant to the phase difference of an input signal and its inverted signal. The current sources are so controlled to cancel variation in output Vb due to a leak of the subordinate charge pump through feedback control over the differential amplifier, and then the same current is supplied to the main charge pump as well to cancel a leak current of the main charge pump having the same characteristics. <P>COPYRIGHT: (C)2006,JPO&NCIPI

Description

本発明は、無線通信装置のPLL回路に用いるチャージポンプ型位相比較器に関する。   The present invention relates to a charge pump type phase comparator used in a PLL circuit of a wireless communication device.

図4に従来のチャージポンプ型位相比較器を示す。従来のチャージポンプ型位相比較器は、位相差検出器909とチャージポンプ910とから構成される。位相差検出器909はDフリップフロップ903,904と、NANDゲートとインバータから成るORゲート908とから構成される。チャージポンプ910は、充電手段911と放電手段912とから構成される(例えば、非特許文献1参照)。   FIG. 4 shows a conventional charge pump type phase comparator. The conventional charge pump type phase comparator includes a phase difference detector 909 and a charge pump 910. The phase difference detector 909 includes D flip-flops 903 and 904 and an OR gate 908 including a NAND gate and an inverter. The charge pump 910 includes a charging unit 911 and a discharging unit 912 (see, for example, Non-Patent Document 1).

充電手段911は電流源913とスイッチ915から構成され、放電手段912は電流源914とスイッチ916から構成される。出力電流Ioは、充電手段911の電流I1と、放電手段912の電流I2の差Io=I1−I2であり、外部に接続される負荷を駆動する。通常、負荷としてはPLL回路の構成要素であるループフィルタが接続されるので、容量性を持つことになる。なお、電流Io,I1,I2は図4中に矢印で示す方向に流れる場合を正とし、矢印と反対方向に流れる場合を負とする。後述する図1及び図7においても同様である。   The charging unit 911 includes a current source 913 and a switch 915, and the discharging unit 912 includes a current source 914 and a switch 916. The output current Io is a difference Io = I1−I2 between the current I1 of the charging unit 911 and the current I2 of the discharging unit 912, and drives an externally connected load. Normally, a loop filter, which is a component of the PLL circuit, is connected as a load, so that the load is capacitive. The currents Io, I1, and I2 are positive when flowing in the direction indicated by the arrow in FIG. 4 and negative when flowing in the direction opposite to the arrow. The same applies to FIGS. 1 and 7 described later.

ここで、このチャージポンプ型位相比較器の動作を図5を用いて説明する。位相差検出器909は、入力端子901と902に印加される信号のエッジに同期して出力が確定する。本構成例では立下りエッジに基づいて動作する。図5において横軸tは時間を示す。   Here, the operation of the charge pump type phase comparator will be described with reference to FIG. The output of the phase difference detector 909 is determined in synchronization with the edges of the signals applied to the input terminals 901 and 902. In this configuration example, the operation is performed based on the falling edge. In FIG. 5, the horizontal axis t represents time.

まず、図5中にAで示すように、入力端子901に印加される信号のエッジ(以下、単に「901のエッジ」のように省略して呼ぶ)が先行する場合、これに同期してDフリップフロップ903の出力が反転し、次いで入力端子902のエッジに同期してDフリップフロップ904の出力が反転する。両フリップフロップ903,904の出力が反転すると、ORゲート908の出力信号907が反転し、両フリップフロップをリセットする(以下、ORゲート908の出力信号907を「リセット信号」と呼ぶ)。そのため、Dフリップフロップ903の出力905が反転してからリセットがかかるまでの期間Taの間、スイッチ915が導通し、出力電流Ioは正方向に流れて負荷に対して充電を行う。   First, as indicated by A in FIG. 5, when an edge of a signal applied to the input terminal 901 (hereinafter simply referred to as “901 edge”) precedes, D is synchronized with this. The output of the flip-flop 903 is inverted, and then the output of the D flip-flop 904 is inverted in synchronization with the edge of the input terminal 902. When the outputs of both flip-flops 903 and 904 are inverted, the output signal 907 of the OR gate 908 is inverted and both flip-flops are reset (hereinafter, the output signal 907 of the OR gate 908 is referred to as a “reset signal”). Therefore, during a period Ta from when the output 905 of the D flip-flop 903 is inverted until reset is performed, the switch 915 is turned on, and the output current Io flows in the positive direction to charge the load.

次に、図5中にBで示すように、入力端子901と902で信号が同相でエッジが揃っている場合は、Dフリップフロップ903と904の出力が同時に反転し、瞬時にリセットが行われるので負荷に対する充放電は行われない。   Next, as indicated by B in FIG. 5, when the signals are in phase with the input terminals 901 and 902 and the edges are aligned, the outputs of the D flip-flops 903 and 904 are simultaneously inverted and reset is performed instantaneously. Therefore, charging / discharging to the load is not performed.

最後に、図5中にCで示すように、入力端子902のエッジが先行する場合、これに同期してDフリップフロップ904の出力が反転し、次いで入力端子901のエッジに同期してDフリップフロップ903の出力が反転する。両フリップフロップの出力が反転すると、ORゲート908のリセット信号907が反転し、両フリップフロップをリセットする。そのため、Dフリップフロップ904の出力905が反転してからリセットがかかるまでの期間Tcの間、スイッチ916が導通し、出力電流Ioは負方向に流れて負荷に対して放電を行う。   Finally, as indicated by C in FIG. 5, when the edge of the input terminal 902 precedes, the output of the D flip-flop 904 is inverted in synchronization with this, and then the D flip-flop is synchronized with the edge of the input terminal 901. The output of 903 is inverted. When the outputs of both flip-flops are inverted, the reset signal 907 of the OR gate 908 is inverted to reset both flip-flops. Therefore, during a period Tc from when the output 905 of the D flip-flop 904 is inverted until reset is performed, the switch 916 conducts, and the output current Io flows in the negative direction to discharge the load.

「RFマイクロエレクトロニクス」、Behzad Razavi著、黒田忠広監訳、丸善出版、2002年“RF Microelectronics”, written by Behzad Razavi, translated by Tadahiro Kuroda, Maruzen Publishing, 2002

前述した従来のチャージポンプ型位相比較器では、現実のトランジスタを用いて充放電手段を構成した場合、寄生容量や素子の非線形性が原因で電流波形に波形鈍りやオーバーシュート、アンダーシュートが生じるため、実際には図5に示したような綺麗な方形波とはならないという問題点がある。さらにこのような過渡的な非理想特性は、通常は電流波形の立上りと立下り間や、充電手段と放電手段間で異なったものとなる。このような状況では、入力端子901と902で印加される信号が同相の場合であっても、負荷に対して少量の充電もしくは放電が行われ、電荷がリークしてしまうという問題点が見出される。   In the above-described conventional charge pump type phase comparator, when the charge / discharge means is configured by using an actual transistor, the current waveform may be blunted, overshoot, or undershoot due to parasitic capacitance or element nonlinearity. Actually, there is a problem that it does not become a beautiful square wave as shown in FIG. Further, such transient non-ideal characteristics usually differ between the rise and fall of the current waveform and between the charging means and the discharging means. In such a situation, even when the signals applied to the input terminals 901 and 902 are in phase, a problem is found that a small amount of charge or discharge is performed on the load and the charge leaks. .

このような非理想特性の一例を図6に示す。例えば、電流I2の立下り部分が図示のごとく鈍ったとすると、出力電流Ioの波形には負方向、すなわち放電方向のリークとして作用する一定量のヒゲ30が生じることが判明した。図6は一例に過ぎず、電流I2の立上り部分や、電流I1に対しても同様の問題が生じる。   An example of such non-ideal characteristics is shown in FIG. For example, if the falling portion of the current I2 is dull as shown in the figure, it has been found that a certain amount of whisker 30 acts as a leak in the negative direction, that is, in the discharge direction, in the waveform of the output current Io. FIG. 6 is merely an example, and the same problem occurs with respect to the rising portion of the current I2 and the current I1.

このようなチャージポンプ型位相比較器を用いてPLL回路を構成すると、リークを打ち消すようにPLLによるフィードバックがかかるため、位相差検出器909の入力端子901と902のエッジが少々ずれた状態でロックする。すなわち、ロック時において定常位相誤差を持つことになり、その結果、比較周波数成分がスプリアスとして漏洩し、周波数スペクトラムが望ましくない状態になるという問題が生じる。   When a PLL circuit is configured using such a charge pump type phase comparator, feedback by the PLL is applied so as to cancel the leak, so that the lock is performed with the edges of the input terminals 901 and 902 of the phase difference detector 909 slightly shifted. To do. That is, there is a stationary phase error at the time of locking, and as a result, there is a problem that the comparison frequency component leaks as spurious and the frequency spectrum becomes undesired.

本発明の代表的な手段を幾つか示せば次の通りである。
(1). 本発明に係るチャージポンプ型位相比較器は、第1及び第2入力信号の位相差を検出する位相差検出器と、検出された前記位相差に比例した量の電荷を前記位相差の正負に応じて負荷に充電または放電する第1充電手段および第1放電手段を具備して成る主チャージポンプと、前記主チャージポンプと特性が揃った第2充電手段および第2放電手段を具備して成る副チャージポンプと、前記主チャージポンプの出力端子と前記副チャージポンプの出力端子のそれぞれに制御端子が共通に接続される第1、第2、第3、及び第4の電流源とを具備し、前記副チャージポンプは、一定の信号とその反転信号により駆動され、前記第1から第4の電流源の制御端子に入力される制御信号が、前記充電手段と前記放電手段の充放電量からの差分に基づくフィードバック信号であることを特徴とする。
Some representative means of the present invention are as follows.
(1). The charge pump type phase comparator according to the present invention includes a phase difference detector for detecting a phase difference between the first and second input signals, and an amount of electric charge proportional to the detected phase difference to make the phase difference positive or negative. And a main charge pump comprising a first charging means and a first discharging means for charging or discharging a load according to the load, and a second charging means and a second discharging means having the same characteristics as the main charge pump. A sub charge pump; and first, second, third, and fourth current sources having control terminals connected in common to the output terminal of the main charge pump and the output terminal of the sub charge pump, respectively. The sub charge pump is driven by a constant signal and its inverted signal, and the control signal input to the control terminals of the first to fourth current sources is determined from the charge / discharge amounts of the charging means and the discharging means. Based on the difference between Characterized in that it is a feedback signal.

(2).本発明に係るPLL回路は、位相比較器と、出力信号を平滑化するループフィルタと、前記ループフィルタ出力電圧に応じた周波数で発振する電圧制御発振器と、前記電圧制御発振器出力を分周して前記位相比較器へ帰還する可変分周器とを具備して成るPLL回路であって、前記位相比較器に、上記(1)に記載のチャージポンプ型位相比較器を用いることを特徴とする。   (2). A PLL circuit according to the present invention includes a phase comparator, a loop filter that smoothes an output signal, a voltage-controlled oscillator that oscillates at a frequency corresponding to the loop filter output voltage, and a frequency-divided output of the voltage-controlled oscillator. A PLL circuit comprising a variable frequency divider that feeds back to the phase comparator, wherein the charge pump type phase comparator described in the above (1) is used as the phase comparator.

(3).また、本発明に係る無線通信装置は、PLL回路と、入力信号をアップコンバートするミキサと、イメージを除去する帯域フィルタと、送信信号を増幅する電力増幅器と、送信信号と受信信号を分離する分波器と、アンテナと、前記アンテナで受信された受信信号を増幅する低雑音増幅器と、帯域フィルタと、前記帯域フィルタの出力をダウンコンバートするミキサとから構成され、前記PLL回路に、上記(2)のPLL回路を用いることを特徴とする。   (3). In addition, a wireless communication apparatus according to the present invention includes a PLL circuit, a mixer that up-converts an input signal, a bandpass filter that removes an image, a power amplifier that amplifies a transmission signal, and a component that separates a transmission signal and a reception signal. A wave filter, an antenna, a low-noise amplifier that amplifies a reception signal received by the antenna, a band filter, and a mixer that down-converts the output of the band filter. ) PLL circuit is used.

本発明によれば、副チャージポンプからは常にリーク電荷、すなわち充電手段と放電手段の充放電量からの差分のみが出力されるため、これを打ち消すように電流源の制御端子にフィードバックを行うと、電流源に流れる電流量とリーク電荷がちょうど釣り合う状態で副チャージポンプが定常状態となる。この電流源と等しい量の電流が主チャージポンプへも供給されるので、結果として主チャージポンプで発生するリーク電荷を低減できる。
本発明のチャージポンプ型位相比較器を用いたPLL回路では定常位相誤差を低減するので、周波数スペクトラムを良好な状態にすることが可能となる。
According to the present invention, since only the leakage charge, that is, the difference between the charge and discharge amounts of the charging means and the discharging means, is always output from the sub charge pump, feedback is performed to the control terminal of the current source so as to cancel this. The sub charge pump is in a steady state in a state where the amount of current flowing through the current source and the leakage charge are just balanced. Since an amount of current equal to that of the current source is also supplied to the main charge pump, the leakage charge generated in the main charge pump can be reduced as a result.
In the PLL circuit using the charge pump type phase comparator of the present invention, the stationary phase error is reduced, so that the frequency spectrum can be made good.

以下、本発明の好適な実施例について添付図面を参照しながら詳細に説明する。   Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.

図7を用いて本発明に係るチャージポンプ型位相比較器の第1の実施例を説明する。
本実施例は、図4に示した従来のチャージポンプ型位相比較器に、充電手段921および放電手段922とから成る副チャージポンプ920が設けられ、充電手段921は電流源923とスイッチ925から構成され、放電手段922は電流源924とスイッチ926からそれぞれ構成される。リセット信号907は、スイッチ925の制御端子に直接入力され、スイッチ926の制御端子にはインバータ971を介して入力される。また、主チャージポンプ910の出力端子Voおよび副チャージポンプ920の出力端子Vbのそれぞれに制御端子が共通な電流源918,919および928,929を接続した構成となっている。電流源913,914,918,919,923,924,928,929のインピーダンスが十分高く設定できる場合に好適な実施例である。
A first embodiment of the charge pump type phase comparator according to the present invention will be described with reference to FIG.
In this embodiment, the conventional charge pump type phase comparator shown in FIG. 4 is provided with a sub charge pump 920 comprising a charging means 921 and a discharging means 922, and the charging means 921 comprises a current source 923 and a switch 925. The discharge means 922 includes a current source 924 and a switch 926, respectively. The reset signal 907 is directly input to the control terminal of the switch 925 and input to the control terminal of the switch 926 via the inverter 971. Further, current sources 918, 919 and 928, 929 having a common control terminal are connected to the output terminal Vo of the main charge pump 910 and the output terminal Vb of the sub charge pump 920, respectively. This is a preferred embodiment when the impedance of the current sources 913, 914, 918, 919, 923, 924, 928, 929 can be set sufficiently high.

ここで、主チャージポンプ910と920は同一の特性を持つことを仮定している。このような同一の特性を持たせることは、集積回路上では実現が容易である。また、位相差検出器909から主チャージポンプ910、副チャージポンプ920へ至る信号経路の伝播遅延特性も同様である。   Here, it is assumed that the main charge pumps 910 and 920 have the same characteristics. It is easy to realize such an identical characteristic on an integrated circuit. The propagation delay characteristics of the signal path from the phase difference detector 909 to the main charge pump 910 and the sub charge pump 920 are also the same.

次に、図12を用いて図7の動作について説明する。副チャージポンプ920は、位相差検出器909のリセット信号907に基づき駆動されている。したがって、電流波形が図6と同様の非理想特性を有しているとすると、入力端子901,902に入力される入力信号の位相差によらず、常にリーク電荷分のみが負荷容量930へと供給されていることになる。   Next, the operation of FIG. 7 will be described with reference to FIG. The sub charge pump 920 is driven based on the reset signal 907 of the phase difference detector 909. Therefore, assuming that the current waveform has the non-ideal characteristics similar to those in FIG. 6, only the leakage charge is always supplied to the load capacitor 930 regardless of the phase difference of the input signals input to the input terminals 901 and 902. It will be supplied.

このリーク電荷(ヒゲ30によるリーク)は負荷容量930に蓄えられた電荷を放電するように作用するため、徐々に出力電圧Vbは低下することになる。このとき、電流源トランジスタ929のゲート・ソース間電圧は低下するので、電流源929の電流値I4が減少する。これにより放電量は減少し、電流源トランジスタ928のゲート・ソース間電圧は増大するので、電流源928の電流値I3が増加し、充電量も増大する。したがって、副チャージポンプ920は、電流源928による充電量と、電流源929による放電量と、リーク電荷による放電量の3つが釣り合った状態で静止し、定常となる。   Since this leakage charge (leakage due to the beard 30) acts to discharge the charge stored in the load capacitor 930, the output voltage Vb gradually decreases. At this time, since the gate-source voltage of the current source transistor 929 decreases, the current value I4 of the current source 929 decreases. As a result, the discharge amount decreases and the gate-source voltage of the current source transistor 928 increases, so that the current value I3 of the current source 928 increases and the charge amount also increases. Therefore, the sub charge pump 920 is stationary and steady in a state where the amount of charge by the current source 928, the amount of discharge by the current source 929, and the amount of discharge by leakage charge are balanced.

このとき、主チャージポンプ910の出力に接続された電流源918と電流源919は、それぞれ電流源928と電流源929と等しいゲート・ソース間電圧が与えられるので、電流値もそれぞれ等しくなり、チャージポンプ910で発生するリーク電荷を相殺することができる。   At this time, the current source 918 and the current source 919 connected to the output of the main charge pump 910 are given the same gate-source voltage as the current source 928 and the current source 929, respectively. Leakage charges generated in the pump 910 can be canceled out.

次に、図1を用いて本発明に係るチャージポンプ型位相比較器の第2の実施例を説明する。本実施例は、上下非対称型のチャージポンプに適用した場合である。主チャージポンプに接続される位相差検出器は、図4の従来例と同一の位相差検出器909を用いるため、図1では省略した。ここでは、副チャージポンプ982の出力端子に接続した容量980は、十分小さな値に選ぶ。具体的には、図10に示すように、PLL回路を構成した場合、ループフィルタ(F)12の総容量値の1%〜0.1%程度が好適である。   Next, a second embodiment of the charge pump type phase comparator according to the present invention will be described with reference to FIG. In this embodiment, the present invention is applied to a vertically asymmetric type charge pump. Since the phase difference detector connected to the main charge pump uses the same phase difference detector 909 as the conventional example of FIG. 4, it is omitted in FIG. Here, the capacitor 980 connected to the output terminal of the sub charge pump 982 is selected to have a sufficiently small value. Specifically, as shown in FIG. 10, when a PLL circuit is configured, about 1% to 0.1% of the total capacitance value of the loop filter (F) 12 is suitable.

主チャージポンプ981は、電流源973と放電手段932,942から構成される。そして放電手段932は電流源934とスイッチ936から、放電手段942は電流源944とスイッチ946からそれぞれ構成される。また、副チャージポンプ982は、電流源974と放電手段952,962から構成される。そして放電手段952は電流源954とスイッチ956から構成され、放電手段962は電流源964とスイッチ966からそれぞれ構成される。放電手段952のスイッチ956の制御端子には、図4に示した位相差検出器のORゲートの出力信号907、すなわちリセット信号が入力され、放電手段962のスイッチ966の制御端子にはインバータ971を介してリセット信号907の反転信号が入力される。   The main charge pump 981 includes a current source 973 and discharge means 932 and 942. The discharging unit 932 includes a current source 934 and a switch 936, and the discharging unit 942 includes a current source 944 and a switch 946. The sub charge pump 982 includes a current source 974 and discharge means 952 and 962. The discharging unit 952 includes a current source 954 and a switch 956, and the discharging unit 962 includes a current source 964 and a switch 966, respectively. The output signal 907 of the OR gate of the phase difference detector shown in FIG. 4, that is, the reset signal is input to the control terminal of the switch 956 of the discharging means 952, and the inverter 971 is connected to the control terminal of the switch 966 of the discharging means 962. An inverted signal of the reset signal 907 is input through the terminal.

また、差動増幅器972の出力は、電流源973,974の制御端子に接続され、差動増幅器972の反転入力端子には主チャージポンプ981の電流源973が接続され、正相入力端子には副チャージポンプ982の電流源974が接続される。   The output of the differential amplifier 972 is connected to the control terminals of the current sources 973, 974, the current source 973 of the main charge pump 981 is connected to the inverting input terminal of the differential amplifier 972, and the positive phase input terminal is connected to the positive phase input terminal. A current source 974 of the sub charge pump 982 is connected.

ここで、放電手段932,942,952,962と、電流源973,974はそれぞれ同一の特性を持っている。このような同一の特性を持たせることは、集積回路上では実現が極めて容易である。また、位相差検出器から主チャージポンプ981、副チャージポンプ982へ至る経路の伝播遅延特性も同様である。   Here, the discharge means 932, 942, 952, 962 and the current sources 973, 974 have the same characteristics. It is very easy to realize such an identical characteristic on an integrated circuit. The propagation delay characteristics of the path from the phase difference detector to the main charge pump 981 and the sub charge pump 982 are also the same.

放電手段952と962は、位相差検出器のリセット信号907によって駆動されており、交互にオン・オフを繰り返している。このため放電手段952と962は、直流的には一定量の電流を通電している。電流源974の電流値Ibは差動増幅器972によるフィードバックにより、電流源954,964と等しい電流値にバイアスされる。また、差動増幅器972の正相・反転入力端子間は、フィードバック作用により仮想的に短絡となるので、副チャージポンプ982の出力端子電圧Vbは、主チャージポンプ981の出力端子電圧Voと等しくなるような電圧に設定されることになる。   The discharging means 952 and 962 are driven by the reset signal 907 of the phase difference detector, and are repeatedly turned on and off alternately. For this reason, the discharging means 952 and 962 are energized with a certain amount of current in terms of DC. The current value Ib of the current source 974 is biased to a current value equal to that of the current sources 954 and 964 by feedback from the differential amplifier 972. Further, since the positive phase / inverted input terminals of the differential amplifier 972 are virtually short-circuited by a feedback action, the output terminal voltage Vb of the sub charge pump 982 becomes equal to the output terminal voltage Vo of the main charge pump 981. It will be set to such a voltage.

したがって、電流源973と974には等しいゲート・ソース間電圧が印加されるので、電流源973と974は同一の電流値Ibでバイアスされる。また、ドレイン・ソース間電圧も等しいので、電流源973と974の出力インピーダンスが十分に高くない場合であっても、電流値のマッチングは非常に良好なものとなる。   Therefore, since the same gate-source voltage is applied to the current sources 973 and 974, the current sources 973 and 974 are biased with the same current value Ib. In addition, since the drain-source voltages are equal, even when the output impedances of the current sources 973 and 974 are not sufficiently high, the current value matching is very good.

主チャージポンプ981の出力電流Ioは、Ib−I1−I2で与えられるので、その波形は図2に示すようになり、従来例と原理的には同様となる。ここで、主チャージポンプの電流波形の非理想特性を仮定し、電流I1とI2の立下り部分が図3のごとく鈍ったとすると、図3に示すように、出力電流波形には放電方向のリークとして作用する一定量のヒゲ30が生じることになる。   Since the output current Io of the main charge pump 981 is given by Ib-I1-I2, the waveform thereof is as shown in FIG. 2, which is similar in principle to the conventional example. Here, assuming the non-ideal characteristics of the current waveform of the main charge pump and assuming that the falling portions of the currents I1 and I2 are blunt as shown in FIG. 3, the output current waveform has a leakage in the discharge direction as shown in FIG. A certain amount of whiskers 30 acting as

副チャージポンプ982はリセット信号907で駆動されているので、入力信号の位相差によらず、常にリーク電荷分のみが容量980へと供給される。このリーク電荷により容量980が放電されるので、主チャージポンプ981の出力端子電圧Voと等しかった電圧Vbは一瞬降下するが、差動増幅器972によるフィードバックにより、短時間のうちに再び電圧Voへ戻る。このとき電流源974を通じて容量980を充電することになるが、この充電量は容量980を放電したリーク電荷量に等しい。   Since the sub charge pump 982 is driven by the reset signal 907, only the leak charge is always supplied to the capacitor 980 regardless of the phase difference of the input signals. Since the capacitor 980 is discharged by this leak charge, the voltage Vb equal to the output terminal voltage Vo of the main charge pump 981 drops for a moment, but returns to the voltage Vo again in a short time by feedback from the differential amplifier 972. . At this time, the capacitor 980 is charged through the current source 974, and the amount of charge is equal to the amount of leaked charge that has discharged the capacitor 980.

ここで、電流源973は、電流源974と全く等しくバイアスされているので、電流源974によって供給されたリーク電荷を打ち消す電荷も同様に電流源973を通じて主チャージポンプ981へ供給され、結果として主チャージポンプ981で発生するリーク電荷を相殺することが可能となる。   Here, since the current source 973 is biased exactly the same as the current source 974, the charge that cancels the leakage charge supplied by the current source 974 is also supplied to the main charge pump 981 through the current source 973 as a result. It is possible to cancel the leak charge generated in the charge pump 981.

最後に図1に示した回路のシミュレーション結果について、図8と図9を用いて説明する。図8と図9は、主チャージポンプ981の出力に容量性負荷を接続し、位相差検出器の入力を同相信号で駆動した場合の出力端子Voの電圧をプロットしている。すなわち、リーク電荷の積分値を評価した結果である。   Finally, simulation results of the circuit shown in FIG. 1 will be described with reference to FIGS. FIGS. 8 and 9 plot the voltage at the output terminal Vo when a capacitive load is connected to the output of the main charge pump 981 and the input of the phase difference detector is driven by an in-phase signal. That is, it is the result of evaluating the integrated value of the leak charge.

図8は副チャージポンプ982のスイッチ956,966の駆動信号を論理レベルに固定してリーク電荷の打消しを行わない場合であり、本発明を適用しない場合に相当する。一方、図9はスイッチの駆動信号に位相差検出器909のリセット信号907を与えてリーク電荷の打消しを行った場合であり、本発明を適用した場合に相当する。   FIG. 8 shows a case where the drive signals of the switches 956 and 966 of the sub charge pump 982 are fixed to the logic level and the leakage charge is not canceled, and corresponds to the case where the present invention is not applied. On the other hand, FIG. 9 shows the case where the reset signal 907 of the phase difference detector 909 is given to the switch drive signal to cancel the leakage charge, which corresponds to the case where the present invention is applied.

放電手段の電流源は1600マイクロアンペアに設定し、主チャージポンプの出力端子Voに接続される容量性負荷は7ナノファラドとした。電源電圧は2.8Vを与え、容量性負荷の初期電圧を中間電位1.4Vに設定している。位相差検出器は時刻50ナノ秒と90ナノ秒の2箇所で動作させている。   The current source of the discharging means was set to 1600 microamperes, and the capacitive load connected to the output terminal Vo of the main charge pump was 7 nanofarads. The power supply voltage is 2.8V, and the initial voltage of the capacitive load is set to an intermediate potential of 1.4V. The phase difference detector is operated at two locations, 50 nanoseconds and 90 nanoseconds.

原理的には同相入力に対しては充放電が行われず、出力電圧は一定で変化してはならないのであるが、図8では位相差検出器が動作するたびに放電が行われ、出力電圧が階段状に下降していく様子が確認できる。これに対し、図9では出力電圧は僅かに上昇するものの、リーク電荷の打消し効果のために、図8と比較して電圧変動は極めて小さく抑えられていることが確認できる。   In principle, charging / discharging is not performed for in-phase input, and the output voltage should not be constant, but in FIG. 8, discharge is performed each time the phase difference detector operates, and the output voltage is You can see how it descends stepwise. On the other hand, in FIG. 9, although the output voltage slightly increases, it can be confirmed that the voltage fluctuation is suppressed to be extremely small as compared with FIG. 8 because of the effect of canceling the leakage charge.

なお、図1と図7の実施例では、電流源にMOSトランジスタを用いているが、バイポーラトランジスタを用いて構成することも可能である。また、電源と接地、およびPMOSとNMOSトランジスタを、それぞれ交換して電源電圧に対して対称な構造で実現することも可能である。また、スイッチを電流源のドレインに挿入する代わりに、ソースに挿入することも可能である。   In the embodiment shown in FIGS. 1 and 7, a MOS transistor is used as a current source. However, a bipolar transistor may be used. Further, the power supply and the ground, and the PMOS and NMOS transistors can be exchanged to realize a symmetric structure with respect to the power supply voltage. Instead of inserting the switch into the drain of the current source, it is also possible to insert it into the source.

図10は、本発明に係るチャージポンプ型位相比較器をPLL回路に適用した場合の一例を示す回路ブロック図である。このPLL回路は、出力信号を平滑化するループフィルタ(F)12と、ループフィルタ出力電圧に応じた周波数で発振する電圧制御発振器(VCO)13と、電圧制御発振器出力foutを分周して位相比較器(PC)10へ帰還する可変分周器11とから構成されている。可変分周器11は、プリスケーラ(P)14と、メインカウンタ(M)16と、スワローカウンタ(S)15とから構成され、分周数切替信号17によって分周数を切り替えることができる。   FIG. 10 is a circuit block diagram showing an example where the charge pump type phase comparator according to the present invention is applied to a PLL circuit. This PLL circuit divides the phase of the loop filter (F) 12 that smoothes the output signal, the voltage controlled oscillator (VCO) 13 that oscillates at a frequency corresponding to the loop filter output voltage, and the voltage controlled oscillator output fout. The variable frequency divider 11 is fed back to the comparator (PC) 10. The variable frequency divider 11 includes a prescaler (P) 14, a main counter (M) 16, and a swallow counter (S) 15, and the frequency division number can be switched by a frequency division number switching signal 17.

ここで、位相比較器10として図1または図7に示した本発明に係るチャージポンプ型位相比較器を用いる。その場合、チャージポンプ型位相比較器の入力端子901には分周器11の出力を、入力端子902には基準信号(fref)を入力する。PLL回路の位相比較器10に、本発明に係るチャージポンプ型位相比較器を用いることにより、リーク電荷の打ち消しが可能となるため、定常位相誤差が発生せず、比較周波数成分の漏洩スプリアスを防止し、良好な周波数スペクトラムを得ることができる。   Here, the charge pump type phase comparator according to the present invention shown in FIG. 1 or 7 is used as the phase comparator 10. In that case, the output of the frequency divider 11 is input to the input terminal 901 of the charge pump type phase comparator, and the reference signal (fref) is input to the input terminal 902. By using the charge pump type phase comparator according to the present invention for the phase comparator 10 of the PLL circuit, the leakage charge can be canceled, so that no stationary phase error occurs and leakage spurious of the comparison frequency component is prevented. In addition, a good frequency spectrum can be obtained.

また、分周数切替信号17を時系列的に高速切替するフラクショナルPLL動作時においては、比較周波数成分の漏洩スプリアスだけでなく、発振周波数近傍の位相雑音も低減して良好な周波数スペクトラムを得ることができる。   Further, in the fractional PLL operation in which the frequency division number switching signal 17 is switched at high speed in time series, not only the leakage spurious of the comparison frequency component but also the phase noise in the vicinity of the oscillation frequency can be reduced to obtain a good frequency spectrum. Can do.

図11は、本発明に係るチャージポンプ型位相比較器を用いたPLL回路を、無線通信装置に適用した場合の一例を示す送受信部の回路ブロック図である。図10に示した構成のPLL回路105と、不図示のベースバンド処理部からの送信信号を送信周波数帯域へアップコンバートするミキサ106と、イメージを除去する帯域フィルタ107と、帯域フィルタ107を通過した送信周波数帯域の高周波送信信号を増幅する電力増幅器108と、送信信号と受信信号を分離する分波器109と、アンテナ101と、アンテナから分波器109を介して入力される高周波受信信号を増幅する低雑音増幅器102と、帯域フィルタ103と、帯域フィルタ103の出力をベースバンド処理部で処理する周波数帯域へダウンコンバートするミキサ104とから構成される。   FIG. 11 is a circuit block diagram of a transmission / reception unit showing an example in which a PLL circuit using a charge pump type phase comparator according to the present invention is applied to a wireless communication device. The PLL circuit 105 having the configuration shown in FIG. 10, the mixer 106 for up-converting the transmission signal from the baseband processing unit (not shown) to the transmission frequency band, the band filter 107 for removing the image, and the band filter 107 are passed. A power amplifier 108 that amplifies a high-frequency transmission signal in the transmission frequency band, a duplexer 109 that separates the transmission signal and the reception signal, an antenna 101, and a high-frequency reception signal that is input from the antenna via the duplexer 109 The low-noise amplifier 102, the band filter 103, and the mixer 104 that down-converts the output of the band filter 103 into a frequency band processed by the baseband processing unit.

本実施例の無線通信装置では、PLL回路を構成する位相比較器に、本発明に係るチャージポンプ型位相比較器を用いたことにより、PLL回路105で生成する搬送波周波数に含まれる漏洩スプリアスを小さく抑えられるため、ミキサ106の出力信号に含まれるイメージ成分が非常に小さい。このため、帯域フィルタ107の遮断特性が緩やかなものでよいか、あるいは帯域フィルタ107そのものが不要となるという効果が得られる。   In the wireless communication apparatus of the present embodiment, the leakage spurious included in the carrier frequency generated by the PLL circuit 105 is reduced by using the charge pump type phase comparator according to the present invention for the phase comparator constituting the PLL circuit. Therefore, the image component included in the output signal of the mixer 106 is very small. Therefore, it is possible to obtain an effect that the cutoff characteristic of the band filter 107 may be moderate or the band filter 107 itself becomes unnecessary.

以上説明したように、本発明によれば主チャージポンプの非理想特性が原因で発生するリーク電荷を効果的に打ち消すことができる。したがって、本発明に係るチャージポンプ型位相比較器をPLL回路に適用すると、定常位相誤差の発生に起因した比較周波数成分の漏洩スプリアスを防止し、良好な周波数スペクトラムを得ることが可能となる。   As described above, according to the present invention, the leakage charge generated due to the non-ideal characteristics of the main charge pump can be effectively canceled out. Therefore, when the charge pump type phase comparator according to the present invention is applied to the PLL circuit, it is possible to prevent leakage spurious of the comparison frequency component due to the occurrence of the stationary phase error and obtain a good frequency spectrum.

本発明に係るチャージポンプ型位相比較器の一実施例を示す回路構成図。The circuit block diagram which shows one Example of the charge pump type | mold phase comparator which concerns on this invention. 図1のチャージポンプ型位相比較器の動作波形図。FIG. 2 is an operation waveform diagram of the charge pump type phase comparator of FIG. 1. 図1のチャージポンプ型位相比較器の非理想特性を仮定した場合の動作波形図。FIG. 3 is an operation waveform diagram when assuming non-ideal characteristics of the charge pump type phase comparator of FIG. 1. 従来のチャージポンプ型位相比較器の回路構成図。The circuit block diagram of the conventional charge pump type | mold phase comparator. 図4のチャージポンプ型位相比較器の動作波形図。FIG. 5 is an operation waveform diagram of the charge pump type phase comparator of FIG. 4. 図4のチャージポンプ型位相比較器の非理想特性を仮定した場合の動作波形図。FIG. 5 is an operation waveform diagram when assuming non-ideal characteristics of the charge pump type phase comparator of FIG. 4. 本発明に係るチャージポンプ型位相比較器の別の実施例を示す回路構成図。The circuit block diagram which shows another Example of the charge pump type phase comparator which concerns on this invention. 図1のチャージポンプ型位相比較器でリーク電流の打消しを行わない場合のシミュレーション結果。The simulation result when not canceling leak current with the charge pump type phase comparator of FIG. 図1のチャージポンプ型位相比較器でリーク電流の打消しを行う場合のシミュレーション結果。The simulation result in the case of canceling leak current with the charge pump type phase comparator of FIG. 本発明に係るチャージポンプ型位相比較器をPLL回路に適用した場合の一例を示す回路ブロック図。The circuit block diagram which shows an example at the time of applying the charge pump type | mold phase comparator which concerns on this invention to a PLL circuit. 図10のPLL回路を無線通信装置に適用した場合の一例を示す回路ブロック図。FIG. 11 is a circuit block diagram illustrating an example when the PLL circuit of FIG. 10 is applied to a wireless communication device. 図7のチャージポンプ型位相比較器の動作波形図。FIG. 8 is an operation waveform diagram of the charge pump type phase comparator of FIG. 7.

符号の説明Explanation of symbols

10…位相比較器(PC)、11…可変分周器、12…ループフィルタ(F)、13…電圧制御発振器(VCO)、14…プリスケーラ(P)、15…スワローカウンタ(S)、16…メインカウンタ(M)、17…分周数切替信号、30…ヒゲ、101…アンテナ。102…低雑音増幅器、103…帯域フィルタ、104…ミキサ、105…PLL回路、106…ミキサ、107…帯域フィルタ、108…電力増幅器と、109…分波器、901,902…入力端子、903,904…Dフリップフロップ、907…リセット信号、908…ORゲート、909…位相差検出器、910,981…主チャージポンプ、911,921…充電手段、912,932,942…放電手段、901,902…入力端子、913,914,918,919…電流源、915,916,925,926…スイッチ、920,982…副チャージポンプ、923,924,928,929…電流源、934,944,954,964…電流源、971…インバータ、972…差動増幅器、973,974…電流源、936,946,956,966…スイッチ、930,980…容量、fref…基準周波数、Io…出力電流、電I1,I2、Ib…電流、Vo,Vb…出力端子。   DESCRIPTION OF SYMBOLS 10 ... Phase comparator (PC), 11 ... Variable frequency divider, 12 ... Loop filter (F), 13 ... Voltage controlled oscillator (VCO), 14 ... Prescaler (P), 15 ... Swallow counter (S), 16 ... Main counter (M), 17 ... frequency division number switching signal, 30 ... beard, 101 ... antenna. DESCRIPTION OF SYMBOLS 102 ... Low noise amplifier, 103 ... Band filter, 104 ... Mixer, 105 ... PLL circuit, 106 ... Mixer, 107 ... Band filter, 108 ... Power amplifier, 109 ... Demultiplexer, 901, 902 ... Input terminal, 903 904 ... D flip-flop, 907 ... reset signal, 908 ... OR gate, 909 ... phase difference detector, 910, 981 ... main charge pump, 911, 921 ... charging means, 912, 932, 942 ... discharging means, 901, 902 ... Input terminal, 913, 914, 918, 919 ... Current source, 915,916,925,926 ... Switch, 920,982 ... Sub charge pump, 923,924,928,929 ... Current source, 934,944,954 964 ... Current source, 971 ... Inverter, 972 ... Differential amplifier, 973,974 ... Current source, 93 , 946,956,966 ... switch, 930,980 ... capacity, fref ... reference frequency, Io ... output current, electric I1, I2, Ib ... current, Vo, Vb ... output terminal.

Claims (12)

第1及び第2入力信号の位相差を検出する位相差検出器と、
検出された前記位相差に比例した量の電荷を前記位相差の正負に応じて負荷に充電または放電する第1充電手段および第1放電手段を具備して成る主チャージポンプと、
前記主チャージポンプと特性が揃った第2充電手段および第2放電手段を具備して成る副チャージポンプと、
前記主チャージポンプの出力端子と前記副チャージポンプの出力端子のそれぞれに制御端子が共通に接続される第1、第2、第3、及び第4の電流源とを具備し、
前記副チャージポンプは、一定の信号とその反転信号により駆動され、
前記第1から第4の電流源の制御端子に入力される制御信号が、前記充電手段と前記放電手段の充放電量からの差分に基づくフィードバック信号であることを特徴とするチャージポンプ型位相比較器。
A phase difference detector for detecting a phase difference between the first and second input signals;
A main charge pump comprising a first charging means and a first discharging means for charging or discharging a load in an amount proportional to the detected phase difference depending on whether the phase difference is positive or negative;
A sub charge pump comprising a second charging means and a second discharging means having the same characteristics as the main charge pump;
A first, a second, a third, and a fourth current source, each having a control terminal connected in common to the output terminal of the main charge pump and the output terminal of the sub charge pump;
The sub charge pump is driven by a constant signal and its inverted signal,
The charge pump type phase comparison characterized in that the control signal input to the control terminals of the first to fourth current sources is a feedback signal based on the difference between the charge and discharge amounts of the charging means and the discharging means. vessel.
請求項1に記載のチャージポンプ型位相比較器において、
前記一定の信号は、前記第1及び第2の入力信号の位相差と無関係な信号であることを特徴とするチャージポンプ型位相比較器。
The charge pump type phase comparator according to claim 1,
The charge pump type phase comparator characterized in that the constant signal is a signal unrelated to a phase difference between the first and second input signals.
請求項1に記載のチャージポンプ型位相比較器において、
前記第1から第4の電流源、前記第1及び第2放電手段、前記第1及び第2充電手段は、MOSトランジスタで構成されることを特徴とするチャージポンプ型位相比較器。
The charge pump type phase comparator according to claim 1,
The charge pump type phase comparator, wherein the first to fourth current sources, the first and second discharging means, and the first and second charging means are composed of MOS transistors.
請求項1に記載のチャージポンプ型位相比較器において、
前記第1から第4の電流源、前記第1及び第2放電手段、前記第1及び第2充電手段は、バイポーラトランジスタで構成されることを特徴とするチャージポンプ型位相比較器。
The charge pump type phase comparator according to claim 1,
The charge pump type phase comparator, wherein the first to fourth current sources, the first and second discharging means, and the first and second charging means are composed of bipolar transistors.
請求項1に記載のチャージポンプ型位相比較器において、
前記位相差検出器は、前記第1入力信号が入力される第1入力端子に接続される第1のDフリップフロップ及び前記第2入力信号が入力される第2入力端子に接続される第2のDフリップフロップと、NANDゲートと第1及び第2のインバータを具備して成るORゲートを有し、前記第1のDフリップフロップの出力が前記主チャージポンプの第1充電手段と前記ORゲートの第1のインバータに接続され、前記第2のDフリップフロップの出力が前記主チャージポンプの第1放電手段と前記ORゲートの第2のインバータに接続され、前記ORゲートの出力が前記第1及び第2のDフリップフロップのリセット信号であることを特徴とするチャージポンプ型位相比較器。
The charge pump type phase comparator according to claim 1,
The phase difference detector includes a first D flip-flop connected to a first input terminal to which the first input signal is input and a second input terminal to which the second input signal is input. D flip-flop, an OR gate comprising a NAND gate and first and second inverters, the output of the first D flip-flop being the first charging means of the main charge pump and the OR gate The output of the second D flip-flop is connected to the first discharging means of the main charge pump and the second inverter of the OR gate, and the output of the OR gate is the first inverter. And a charge pump type phase comparator which is a reset signal of the second D flip-flop.
請求項5記載のチャージポンプ型位相比較器において、
前記リセット信号は、前記副チャージポンプを駆動する前記一定の信号として使用されることを特徴とするチャージポンプ型位相比較器。
The charge pump type phase comparator according to claim 5,
The charge pump phase comparator according to claim 1, wherein the reset signal is used as the constant signal for driving the sub charge pump.
第1及び第2入力信号の位相差を検出する位相差検出器と、
検出された前記位相差に比例した量の負荷の電荷を放電する第1及び第2の放電手段と、前記負荷に常に一定量の電荷を充電する第1の電流源とを具備して成る主チャージポンプと、
前記主チャージポンプと特性が揃った第3及び第4の放電手段と第2の電流源とを具備して成る副チャージポンプと、
前記副チャージポンプの出力に接続され、前記第2の電流源と前記第3及び第4の放電手段により充放電される容量と、
前記主チャージポンプの出力が逆相入力端子に接続され、前記副チャージポンプの出力が正相入力端子に接続される差動増幅器とを含んで成り、
前記差動増幅器の出力が、前記第1及び第2の電流源の制御端子にそれぞれ共通に接続され、前記副チャージポンプの第3及び第4の放電手段は、一定の信号とその反転信号により駆動され、
前記主チャージポンプの出力と前記副チャージポンプの出力差が前記差動増幅器により前記第1及び第2の電流源の制御端子にフィードバックされることを特徴とするチャージポンプ型位相比較器。
A phase difference detector for detecting a phase difference between the first and second input signals;
A first and a second discharging means for discharging a load of an amount proportional to the detected phase difference; and a first current source for always charging a constant amount of charge to the load. A charge pump,
A sub charge pump comprising third and fourth discharge means and a second current source having characteristics identical to those of the main charge pump;
A capacity connected to the output of the sub charge pump and charged and discharged by the second current source and the third and fourth discharging means;
A differential amplifier in which an output of the main charge pump is connected to a negative phase input terminal, and an output of the sub charge pump is connected to a positive phase input terminal;
The output of the differential amplifier is commonly connected to the control terminals of the first and second current sources, respectively, and the third and fourth discharging means of the sub charge pump are controlled by a constant signal and its inverted signal. Driven,
A charge pump type phase comparator, wherein an output difference between the main charge pump and the sub charge pump is fed back to the control terminals of the first and second current sources by the differential amplifier.
請求項7に記載のチャージポンプ型位相比較器において、
前記一定の信号は、前記入力信号の位相差と無関係な信号であることを特徴とするチャージポンプ型位相比較器。
The charge pump type phase comparator according to claim 7,
The charge pump type phase comparator characterized in that the constant signal is a signal unrelated to the phase difference of the input signal.
請求項7に記載のチャージポンプ型位相比較器において、
前記位相差検出器は、前記第1入力信号が入力される第1入力端子に接続される第1のDフリップフロップ及び前記第2入力信号が入力される前記第2入力端子に接続される第2のDフリップフロップと、NANDゲートと第1及び第2のインバータを有するORゲートとを具備して成り、前記第1のDフリップフロップの出力が前記主チャージポンプの第1充電手段と前記ORゲートの第1のインバータに接続され、前記第2のDフリップフロップの出力が前記主チャージポンプの第1放電手段と前記ORゲートの第2のインバータに接続され、前記ORゲートの出力が前記第1及び第2のDリップフロップのリセット信号であることを特徴とするチャージポンプ型位相比較器。
The charge pump type phase comparator according to claim 7,
The phase difference detector has a first D flip-flop connected to a first input terminal to which the first input signal is input and a second input terminal to which the second input signal is input. 2 D flip-flops, an NAND gate and an OR gate having first and second inverters, the output of the first D flip-flop being the first charging means of the main charge pump and the OR Connected to the first inverter of the gate, the output of the second D flip-flop is connected to the first discharging means of the main charge pump and the second inverter of the OR gate, and the output of the OR gate is the first inverter. A charge pump type phase comparator characterized by being a reset signal for the first and second D lip flops.
請求項9記載のチャージポンプ型位相比較器において、
前記リセット信号は、前記副チャージポンプを駆動する前記一定の信号として使用されることを特徴とするチャージポンプ型位相比較器。
The charge pump type phase comparator according to claim 9,
The charge pump phase comparator according to claim 1, wherein the reset signal is used as the constant signal for driving the sub charge pump.
位相比較器と、出力信号を平滑化するループフィルタと、前記ループフィルタ出力電圧に応じた周波数で発振する電圧制御発振器と、前記電圧制御発振器出力を分周して前記位相比較器へ帰還する可変分周器とを具備して成るPLL回路であって、前記位相比較器に、請求項7に記載のチャージポンプ型位相比較器を用いることを特徴とするPLL回路。   A phase comparator, a loop filter that smoothes the output signal, a voltage controlled oscillator that oscillates at a frequency corresponding to the loop filter output voltage, and a variable that divides the voltage controlled oscillator output and feeds back to the phase comparator. A PLL circuit comprising a frequency divider, wherein the charge pump type phase comparator according to claim 7 is used as the phase comparator. 請求項11に記載のPLL回路において、
前記チャージポンプ型位相比較器を構成する副チャージポンプの出力に接続される容量の値は、前記ループフィルタの総容量値の0.1〜1%とすることを特徴とするPLL回路。
The PLL circuit according to claim 11, wherein
A PLL circuit characterized in that a value of a capacitor connected to an output of a sub charge pump constituting the charge pump type phase comparator is 0.1 to 1% of a total capacitance value of the loop filter.
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