JP2005514812A - 自己校正機能付フェーズロックループチャージポンプシステムおよび校正方法 - Google Patents

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Abstract

チャージポンプ回路の出力に正電流を供給するための正電流出力回路、チャージポンプ回路の出力に負電流を供給するための負電流出力回路、チャージポンプ回路が、正電流と負電流のミスマッチを低減させ、電流ミスマッチがあれば、これをPLLループフィルタキャパシタンスの中に統合されるように調整することを可能にするための校正ユニットを備えるチャージポンプ回路が開示される。

Description

本発明は、周波数シンセサイザに関し、特にフェーズロックループ周波数シンセサイザで用いられるチャージポンプ回路に関する。
周波数シンセサイザは、たとえば、無線周波数通信システムにおいて使用することができる。フェーズロックループ(PLL)は、周波数シンセサイザのほか、今後の通信システムにおけるデータ回復、クロック回復をはじめとするさまざまなアプリケーションに使用することができる。
一般に、チャージポンプを有するPLL(タイプIIPLL)は、位相検出器、チャージポンプ回路、ループフィルタおよび電圧制御発振回路(VCO)を備える。位相検出器は、入力基準信号とVCOからのフィードバック信号との位相の差を検出する。チャージポンプ回路は、ループフィルタに電荷を加える、たとえば固定値IUPの正電流源または、位相検出器によって出力されるエラー信号に応答して、ループフィルタから電荷を取り除く、たとえば固定値IDOWNの負電流源を発生する。VCOは、ループフィルタを通る制御電圧を使い、PLLフィードバック信号と入力基準信号の周波数差を最小限にする。
PLL周波数シンセサイザの性能は、チャージポンプ回路の性能に左右される。あるアプリケーションにおいては、チャージポンプ回路が、よいバランスのために非常によくマッチする上昇(IUP)または下降(IDOWN)固定電流を供給する。PLLチャージポンプ回路においてマッチした電流を供給するためのひとつの方法は、基準回路とレプリケーションフィードバック回路を別々に提供することである。たとえば、米国特許第6,107,889号は、トランジスタ208を流れるバイアス電流を生成する基準電流ループ202と、出力トランジスタ230に、トランジスタ228と同じバイアス状態を強制的に持たせる2つのフィードバックループを有するレプリケーションループ204を備える、周波数シンセサイザ用チャージポンプ回路200を開示している。回路200は、基準電流ループ202のほかに第二のフィードバックレプリケーションループ204を利用し、トランジスタ208上に、出力トランジスタ214とまったく同じバイアス状態を作る。回路200の電流源は、特にコンポーネントがマッチしていれば、十分に一致する。しかしながら、よくマッチしていないコンポーネントがあると(たとえば、トランジスタ208と214が十分にマッチしていない、あるいはトランジスタ228と230が十分にマッチしていないと)、回路200が供給する電流源が十分にマッチしたものとならない場合がある。
そこで、回路のコンポーネントがマッチしていない場合に、マッチした電源電流を供給するチャージポンプ回路が必要である。
また、効率的かつ経済的に製造できるチャージポンプ回路も必要である。
本発明はチャージポンプ回路を提供するものであり、このチャージポンプ回路は、チャージポンプ回路の出力に正電流を供給するための正電流出力回路と、チャージポンプ回路の出力に負電流を供給する負電流出力回路と、正電流と負電流の電流ミスマッチを低減させ、電流不一致がフェーズロックループフィルタのキャパシタンスの中に統合されるようにチャージポンプ回路が調整されることを可能にする校正ユニットとを備える。
ひとつの実施形態において、回路は、基準電流回路とレプリケーションフィードバック回路でなる。基準電流回路は、第一のバイアストランジスタを通じて基準電流を画定し、これに関連する第一の低出力インピーダンスを持つように動作する。基準電流回路は、第一の出力トランジスタに接続され、チャージポンプ回路の出力に負電流を供給する。レプリケーションフィードバック回路は、接続ノードにおいて基準電流回路に接続され、接続ノードでの出力電圧を複製し、基準電流が第二のバイアストランジスタの中で画定され、第二の低インピーダンスを持つように動作する。レプリケーションフィードバック回路は、第二の出力トランジスタに接続され、チャージポンプ回路の出力に正電流を供給する。
以下の説明は、添付の図面を参照しながらさらによく理解することができる。なお、各図面は一例を説明するためのものである。
図2において、本発明の一実施形態によるチャージポンプ回路10は、基準部12とレプリケーション部14を備える。基準部12は演算増幅器16を備え、その出力は、n型MOSFETトランジスタ18のゲートに接続される。トランジスタ18のソースは、ノード20に接続され、ノード20は、値Rを有する抵抗器22を介して、低電圧供給源VEEに接続されている。ノード20はまた、通常の動作中にスイッチ24が第一の位置にあるとき、このスイッチ24を通じて、演算増幅器16の負の入力に接続される。演算増幅器16の負の入力は、スイッチ24が第二の構成変更位置にあるとき、基準電圧VREFに接続される。トランジスタ18のドレインはノード26に接続され、ノード26は回路10の基準部12とレプリケーション部14を相互に接続する。トランジスタ18のゲートはまた、スイッチ30が第一のトランジスタ連結位置にあるとき、このスイッチ30を介して出力n型MOSFETトランジスタ28のゲートにも接続される。出力トランジスタ28のゲートは、スイッチ30が第二のトランジスタ絶縁位置にあるとき、VEEに接続される。出力トランジスタ28のソースは、値Rを有する抵抗器32を通じてVEEに接続される。出力トランジスタ28のドレインは、チャージポンプ回路10の出力ノード34に接続される。出力ノード34は、ループフィルタVLFのための出力信号を供給する。演算増幅器16の正の入力は、通常の動作中にスイッチ36が第一の位置にあるとき、基準電圧VREFに接続され、第二の構成変更位置にあるとき、出力ノード34に接続される。値RとRは、ある実施形態においては同じでもよく、あるいは適合するよう拡縮されたトランジスタ18と28に合わせて拡縮してもよい。
回路10のレプリケーション部14は演算増幅器38を備え、演算増幅器38の負の入力は、通常の動作中にスイッチ40が第一の位置にあると、出力ノード34に接続される。演算増幅器38の負の入力は、スイッチ40が第二の構成変更位置にあると、基準電圧VREFに接続される。演算増幅器38の正の入力は、通常の動作中にスイッチ42が第一の位置にあるとき、ノード26に接続され、スイッチ42が第二の構成変更位置にあると、出力ノード34に接続される。演算増幅器38の出力は、p型MOSFETトランジスタ44のゲートに接続される。トランジスタ44のソースは、高電圧源VCCに接続され、トランジスタ44のドレインはノード26に接続される。トランジスタ44のゲートはまた、スイッチ48が第一のトランジスタ連結位置にあるとき、このスイッチ48を介して出力p型MOSFETトランジスタ46のゲートに接続される。出力トランジスタ46のゲートは、スイッチ48が第二のトランジスタ絶縁位置にあるとき、VCCに接続される。出力トランジスタ46のソースはVCCに接続され、出力トランジスタ46のドレインは出力ノード34に接続される。
スイッチ24,36,40,42は、たとえば、もっとも小さなMOSFETスイッチとすることができる。別の実施形態においては、これらのスイッチをバイポーラ技術等、別の技術を使って実装してもよい。図の実施形態にはn型およびp型MOSFETトランジスタが使用されているが、当業者には、MOSFETトランジスタの代わりにバイポーラトランジスタも使用できることが推測できるであろう。
通常の動作中、スイッチ24は第一の位置にあり、演算増幅器16への負の入力をノード20に接続し、スイッチ36は第一の位置にあり、演算増幅器16への正の入力を基準電圧VREFに接続し、スイッチ40は第一の位置にあり、演算増幅器38の負の入力をVLFに接続し、スイッチ42は第一の位置にあり、演算増幅器38への正の入力をノード26に接続する。回路は、基準電流として使用されるバイアス電流を確立するよう動作し、この基準電流は、VLFへの電流を増加させ(昇圧モード)、VLFへの電流を減少させ(減圧モード)、あるいは出力トランジスタ28と46が絶縁され、高インピーダンスを発生させる絶縁モードにするよう切り替えられて出力VLFにいたる。
特に、米国特許第6,107,889号に記載されているシステムと同様に(その開示は、引用をもって本願に援用する)、昇圧モードは、スイッチ30が第二のトランジスタ絶縁位置にあり、トランジスタ28のゲートをVEEに接続し、スイッチ48が第一のトランジスタ接続位置にあり、トランジスタ44のゲートをトランジスタ46のゲートに接続する場合に確立される。減圧モードは、スイッチ30が第一のトランジスタ接続位置にあり、トランジスタ18のゲートをトランジスタ28のゲートに接続し、スイッチ48が第二のトランジスタ絶縁位置にあり、トランジスタ46のゲートをVCCに接続する場合に確立される。絶縁モードは、スイッチ30と48が第二のトランジスタ絶縁位置にあり、トランジスタ28のゲートをVEEに接続し、トランジスタ46のゲートをVCCに接続する場合に確立される。
トランジスタ28,46は、回路10のための出力装置である。トランジスタ18,44は、ノード26での電圧が、演算増幅器38の負のフィードバック動作によって、強制的にループフィルタの電圧にされるとき、基準電流ループを形成する。演算増幅器16は、トランジスタ18のゲート電圧を変化させることによって、トランジスタ18の中の基準ループの基本電流をVREF/Rに設定し、ドレインがVLFにセットされているため、出力インピーダンス効果を補償する。ループフィルタ電圧が変わると、演算増幅器16はゲート電圧を変化させて基本電流を維持し、これはトランジスタ44にも反映される。
図3に示すように、システム起動時等、校正ルーチンが要求されると、本発明の実施形態によるフェーズロックループの校正プロセスが始まる(ステップ300)。回路10は、スイッチ24,36,40,42を切り替えることによって構成変更される(ステップ310)。具体的には、これらのスイッチは構成変更位置にセットされ、この位置で、スイッチ24は演算増幅器16の負の入力をVREFに接続し、スイッチ36は演算増幅器16の正の入力をVLFに接続し、スイッチ40は演算増幅器38の負の入力をVREFに接続し、スイッチ42は演算増幅器38の正の入力をVLFに接続する。
構成変更状態では、チャージポンプは完全に対称で強力な電圧調整器として動作するようになる。ループフィルタコンデンサの電圧は、電圧VREFになる。すると、スイッチ24,36,40,42は各々の通常の第一の位置に戻る。
次に、システムは統合を実行し(ステップ320)、上昇または下降方向の電流ミスマッチがあるか感知する。これは、上昇および下降電流を同時に作動させることによって行われる。電流ミスマッチ(ゼロ以外の和の数値)が感知されると、これがPLLループフィルタキャパシタンスに統合される。このプロセスにより、チャージポンプだけというよりも、チャージポンプとループフィルタの組み合わせのための校正が実現する。
所定時間経過後(たとえば、200マイクロ秒)、システムはループフィルタ電圧をVREF電圧と比較する(ステップ330)。この比較結果に応じて、電流源が若干調整される(ステップ340)。一致しない電流の和の極性が変化し、ゼロを通過したことを示すまで(ステップ350)、上記のステップ(310−340)が繰り返される。差がゼロを通過すると、校正システムが終了する(ステップ360)。
図4に示すように、本発明の一実施形態によるチャージポンプ回路10は、フェーズロックループ周波数シンセサイザ100において使用することができる。特に、周波数シンセサイザは、基準クロック信号112とフィードバック信号114を受信する位相検出器110を備える。位相検出器の出力は、それぞれデジタルステートマシン122のORゲートディスエーブル信号120とともに論理ORゲート116,118に接続される上昇および下降表示信号を供給する。ORゲート116,118の出力は、チャージポンプ回路10に接続され、デジタルステートマシン122の構成変更出力信号124もまた、チャージポンプ回路10に接続される。
基準電圧信号VREFは、チャージポンプ回路10のほか比較器126に接続される。チャージポンプ回路10の出力はループフィルタ128に接続され、また、比較器126にも接続される。ループフィルタ128の出力は、電圧制御発振回路130に接続され、その出力は周波数シンセサイザ100の出力信号を供給する。この周波数シンセサイザの出力信号はまた、選択的に分周器132を通過してから、フィードバック信号114として位相検出器110にフィードバックされる。
通常の動作中、位相検出器110は、基準クロック信号112とフィードバック信号114との差を検出するよう動作する。位相の差に応答して、位相検出器は昇圧状態、減圧状態または高インピーダンス状態のいずれかにセットされる。昇圧状態は、基準クロック信号112の位相がフィードバック信号114のそれより大きいことがわかった場合に確立される。この場合、位相検出器110は上昇電流信号を発生し、この信号はORゲート116に送信される。ORゲート116の出力は、チャージポンプ回路の出力に正のソース電流を供給することにより、チャージポンプ回路を制御する。減圧状態は、基準クロック信号112の位相がフィードバック信号114のそれより小さいことがわかった場合に確立される。この場合、位相検出器110は下降電流信号を発生し、この信号はORゲート118に送信される。ORゲート118の出力は、チャージポンプ回路の出力に負のソース電流を供給することにより、チャージポンプ回路を制御する。高インピーダンス状態は、基準クロック信号とフィードバック信号114の位相が同じ(フェーズロック状態)であると、確立される。この場合、正負いずれのソース電流も生成されず、チャージポンプ回路10は、チャージポンプ回路10の出力で高インピーダンスを呈するよう構成される。ループフィルタ128は、電圧制御発振回路130への入力のための電圧を維持する。したがって、シンセサイザは通常の動作中、基準信号と出力信号が同じ位相であると検出され、シンセサイザがフェーズロック状態になるまで、電圧制御発振回路を調整するよう動作する。
校正中、デジタルステートマシン122は構成変更信号124を発生し、これにより、チャージポンプ回路10のスイッチ24,36,40,42はそれぞれ、上述の構成変更位置に切り替えられる。すると、ORゲート116,118の信号の通過は、デジタルステートマシン122のORゲートディスエーブル信号120をハイ(ゼロ以外の数値)に設定することによってブロックされる。次に、ループフィルタ上の電圧は、図3のステップ310に関する上記の説明のように、電圧VREFとされる。その後スイッチ24,36,40,42は通常の位置にリセットされ、システムは図3のステップ320に関する上記の説明のように、統合を実行する。統合ステップ終了後、比較器126は、チャージポンプ回路10からの出力信号を基準電圧信号VREFと比較し、図3のステップ330に関する上記の説明のように、ミスマッチが存在するかを判断する。ミスマッチがあれば、システムにより、チャージポンプ回路10は図3のステップ340に関する上記の説明のように若干調整されることになる。各種の実施形態において、チャージポンプ回路は、図2の抵抗器22の数値を増減することによって調整される。上記のサイクルは、図3のステップ350に関する上記の説明のように、ミスマッチがゼロに減少するまで繰り返される。次に、システムは通常の動作を再開し、ORゲートディスエーブル信号がオフノンブロッキング(off non-blocking)状態(たとえば、ゼロボルト)にリセットされる。
したがって、上記のシステムにより、フェーズロックループ周波数シンセサイザは通常の動作を中止し、回路コンポーネントの本来的な特徴、つまりトランジスタ18と28、トランジスタ44と46、抵抗器22と32、増幅器16と38への入力の違い等によって存在する上昇/下降電流のミスマッチについて調整するよう校正されることが可能となる。ループフィルタ(エラー統合用)とチャージポンプ(ループフィルタプリチャージ用)等の既存の素子を使用することにより、上記の校正システムにはフェーズロックループそのもの以上のコスト増加は無視できる程度である。また、上記の校正システムは、精度の高いアナログ回路を必要としない。さらに、上記の校正システムであれば、チャージポンプ出力とループフィルタの間にスイッチを設けることによって生じるような、不要なノイズの発生リスクの増大を伴わない。
当業者は、本発明の意図と範囲から逸脱することなく、上記の実施形態に多数の改変や変更を加えられると推測することができるであろう。
先行技術によるチャージポンプ回路の例を示す図である。 本発明の一実施形態によるチャージポンプ回路の例を示す図である。 図2の回路の動作を示すフローチャートの例である。 図2のチャージポンプ回路を備えるPLL周波数シンセサイザのコンポーネント間の機能的関係の例を示す略図である。

Claims (20)

  1. チャージポンプ回路であって、
    前記チャージポンプ回路の出力に正電流を供給するための正電流出力回路と、
    前記チャージポンプ回路の出力に負電流を供給するための負電流出力回路と、
    前記チャージポンプ回路が、正電流と負電流の間の電流差を縮小するように調整されることを可能にし、電流差があれば、これがフェーズロックループフィルタのキャパシタンスに統合されるようにする校正手段と、
    を備えることを特徴とするチャージポンプ回路。
  2. 請求項1に記載のチャージポンプ回路であって、
    前記校正手段は、前記チャージポンプの出力電圧が基準電圧と等しくなるようにするためのプリチャージ手段を備えることを特徴とするチャージポンプ回路。
  3. 請求項1に記載のチャージポンプ回路であって、
    前記校正手段は、ループフィルタ電圧を基準電圧と比較するための比較手段を備えることを特徴とするチャージポンプ回路。
  4. 請求項1に記載のチャージポンプ回路であって、
    前記校正手段は、電流差を測定し、電流を調整し、電流差を再度測定することにより、電流差を実質的にゼロになるまで減少させるための反復的電流低減手段を備えることを特徴とするチャージポンプ回路。
  5. 請求項1に記載のチャージポンプ回路であって、
    前記チャージポンプ回路は、フェーズロックループ出力を備えるフェーズロックループ周波数シンセサイザの中で使用され、前記校正手段は、前記回路の動作中、前記フェーズロックループ出力が不要なときに作動することを特徴とするチャージポンプ回路。
  6. チャージポンプ回路であって、
    第一のバイアストランジスタを通じて基準電流を画定し、それに関連する第一の低出力インピーダンスを有するよう動作する基準電流回路と、前記基準電流回路は、第一の出力トランジスタに接続され、前記チャージポンプ回路の出力に負電流を供給し、
    ひとつの接続ノードにおいて前記基準電流回路に接続され、前記接続ノードにおける前記出力電圧を複製し、前記基準電流が第二の低インピーダンスを有する第二のバイアストランジスタ内で画定されるように動作する複製フィードバック回路と、前記複製フィードバック回路は第二の出力トランジスタに接続され、前記チャージポンプ回路の前記出力に正電流を供給し、
    前記チャージポンプ回路が、前記正電流と負電流との差を低減させるよう調整されることを可能にする校正手段と、
    を備えることを特徴とするチャージポンプ回路。
  7. 請求項6に記載のチャージポンプ回路であって、
    前記校正手段は、前記チャージポンプの出力電圧が基準電圧と等しくなるようにするプリチャージ手段を備えることを特徴とするチャージポンプ回路。
  8. 請求項6に記載のチャージポンプ回路であって、
    前記校正手段は、電流差がフェーズロックループフィルタのキャパシタンスの中に統合されるようにする統合手段を備えることを特徴とするチャージポンプ回路。
  9. 請求項6に記載のチャージポンプ回路であって、
    前記校正回路は、ループフィルタ電圧を基準電圧と比較する比較手段を備えることを特徴とするチャージポンプ回路。
  10. 請求項6に記載のチャージポンプ回路であって、
    前記校正手段は、電流ミスマッチを測定し、前記回路を調整し、電流ミスマッチを再度測定することによって、電流ミスマッチを実質的にゼロの数値まで低減させる反復的電流低減手段を備えることを特徴とするチャージポンプ回路。
  11. 請求項6に記載のチャージポンプ回路であって、
    前記チャージポンプ回路は、フェーズロックループ出力を備えるフェーズロックループ周波数シンセサイザにおいて使用され、前記校正手段は、前記回路の動作中に前記フェーズロック出力が不要なときに動作することを特徴とするチャージポンプ回路。
  12. チャージポンプ回路であって、
    正の入力ポートと負の入力ポートを有する第一の演算増幅器を含む基準電流回路と、前記基準電流回路は、第一のバイアストランジスタを通じて基準電流を確定し、それに関連する第一の低出力インピーダンスを有するよう動作し、第一の出力トランジスタに接続され、前記チャージポンプ回路の出力に負電流を供給し、
    正の入力ポートと負の入力ポートを有する第二の演算増幅器を含むレプリケーションフィードバック回路と、前記レプリケーションフィードバック回路は接続ノードにおいて前記基準電流回路に接続され、前記基準電流が第二のバイアストランジスタの中で確定されるように前記接続ノードでの前記出力電圧を複製し、第二の低インピーダンスを有するように動作し、第二の出力トランジスタに接続され、前記チャージポンプ回路の出力に正電流を供給し、
    前記チャージポンプ回路が、前記第一と第二の演算増幅器の前記正の入力ポートを前記チャージポンプの前記出力電圧に接続し、前記第一と第二の演算増幅器の負の入力ポートを基準電圧に接続するよう構成変更することができるようにする、構成変更手段と、
    を備えることを特徴とするチャージポンプ回路。
  13. 請求項12に記載のチャージポンプ回路であって、
    前記チャージポンプ回路はさらに、前記チャージポンプ回路が、前記チャージポンプ回路の出力への前記正電流と負電流の差があればこれを実質的にゼロに減少させるよう調整可能にする校正手段を備えることを特徴とするチャージポンプ回路。
  14. 請求項12に記載のチャージポンプ回路であって、
    前記構成変更手段は、前記第一と第二の演算増幅器への前記正と負の入力信号を制御するための複数のスイッチを備えることを特徴とするチャージポンプ回路。
  15. 請求項12に記載のチャージポンプ回路であって、
    前記チャージポンプ回路はさらに、前記電流差がフェーズロックループフィルタのキャパシタンスの中に統合されるようにするための統合手段を備えることを特徴とするチャージポンプ回路。
  16. 請求項13に記載のチャージポンプ回路であって、
    前記チャージポンプ回路は、フェーズロックループ出力を備えるフェーズロックループ周波数シンセサイザの中で使用され、前記校正手段は、前記回路の動作中、前記フェーズロックループ出力が不要なときに動作することを特徴とするチャージポンプ回路。
  17. フェーズロックループ内のチャージポンプ回路の校正方法であって、
    PLLループフィルタコンデンサの電圧が基準電圧と等しくなるようにするステップと、
    電流差をフェーズロックループフィルタのキャパシタンスの中に統合するステップと、
    PLLループフィルタ電圧を基準電圧と比較するステップと、
    を含むことを特徴とする方法。
  18. 請求項17に記載の方法であって、
    さらに、前記チャージポンプ回路の電流差を低減させるように前記チャージポンプ回路を調整するステップを含むことを特徴とする方法。
  19. 請求項18に記載の方法であって、
    さらに、前記校正変更、統合、比較、調整ステップを、電流差が実質的にゼロに近づくまで繰り返すステップを含むことを特徴とする方法。
  20. 請求項17に記載のチャージポンプ回路の校正方法であって、
    前記方法は、前記回路の動作中、前記フェーズロックループ出力が不要なときに実行されることを特徴とする。
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