KR100948696B1 - 차지 펌프 회로 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 차지 펌프 회로에 관한 것으로, 특히 차지 펌프 회로의 스위치 턴오프시 발생하는 누설 전류를 최소화함과 동시에, 누설 전류 제거수단으로 인해 부가적으로 발생하는 전류의 상승을 방지할 수 있도록 하는 차지 펌프 회로에 관한 것이다. 따라서, 본 발명은 차지 펌프의 스위치 턴오프시 발생하는 누설전류를 최소화 함으로써 스위치 부정합 현상을 방지할 수 있게 된다. 특히, 무선 통신 주파수 합성기에 적용하여 스퓨리어스 톤(spurious tone)의 특성을 개선할 수 있도록 하는 효과를 제공한다.

Description

차지 펌프 회로{Charge pump circuit}
도 1은 종래의 차지 펌프 회로에 관한 회로도.
도 2는 도 1의 출력전류를 나타내는 그래프
도 3은 도 1의 차지 펌프 회로의 턴오프시 발생되는 누설전류를 나타내는 그래프.
도 4는 본 발명에 따른 차지 펌프 회로의 회로도.
도 5는 본 발명에 따른 차지 펌프 회로의 동작 파형을 나타내는 도면.
도 6은 도 4의 차지 펌프 회로의 스위치 턴오프시 누설전류가 제거됨을 나타내는 그래프.
본 발명은 차지 펌프 회로에 관한 것으로, 특히 스위치 부정합을 최소화시키기 위하여 차지 펌프 회로의 턴오프시 발생하는 누설 전류를 최소화시키도록 하여 위상 고정 루프가 사용되는 모든 칩에 적용이 가능한 차지 펌프 회로에 관한 것이다.
도 1은 종래의 차지 펌프 회로에 대한 회로도이다.
종래의 차지 펌프 회로(100)는, 전원전압단과 출력노드 A 사이에 직렬 연결되어 각각 그 게이트 단자를 통하여 소스 제어신호 Up_b를 입력받는 소스 스위치(101) 및 정전류 제어신호 BIAS1,BIAS2를 입력받는 정전류 제어 스위치(102,103)를 구비한다.
그리고, 출력노드 A와 접지전압단 사이에 직렬 연결되어 각각 그 게이트 단자를 통하여 정전류 제어신호 BIAS3,BIAS4를 입력받는 정전류 제어 스위치(104,105) 및 싱크 제어신호 Down를 입력받는 싱크 스위치(106)를 구비한다.
여기서, 소스 제어신호 Up_b 및 싱크 제어신호 Down는 위상 주파수 검출기(미도시)에서 생성되는 신호이며, 상술된 정전류 제어 스위치(102~105)는 각각 정전류 제어 신호 BIAS1~BIAS4로 부터 인가되는 전압에 따라 일정 전류를 생성시키는 정전류원이 된다.
소스 스위치(101) 및 정전류 제어 스위치(102,103)은 PMOS트랜지스터로 구성되고, 정전류 제어 스위치(104,105) 및 싱크 스위치(106)은 NMOS트랜지스터로 구성된다. 또한, 정전류 제어 스위치(103) 및 정전류 제어 스위치(104)의 공통 드레인 단자인 출력 노드 A를 통해 출력된 출력 전류 Icp는 루프 필터(150)에 인가된다.
이러한 구성을 갖는 종래의 차지 펌프 회로의 동작 과정을 도 1 및 도 2를 참조하여 설명하면 다음과 같다.
먼저, 소스 스위치(101) 및 싱크 스위치(106)의 게이트에 각각 입력되는 소스 제어신호 Up_b와 싱크 제어신호 Down가 각각 0으로 입력되면, 소스 스위치(101)가 턴온되어 일정한 소스 전류 Is가 흐르게 되고, 루프 필터(150)의 전압이 일정 전압 이상이 되면 소스 전류 Is의 출력 전류량이 서서히 줄어드는 특성을 나타낸다.
또한, 소스 스위치(101) 및 싱크 스위치(106)의 게이트에 각각 입력되는 소스 제어신호 Up_b와 싱크 제어신호 Down가 각각 1로 입력되면, 싱크 스위치(106)가 턴온되어 싱크 전류 Isi가 서서히 증가하게 되고, 루프 필터(150)의 전압이 일정 전압 이상이 되면 일정한 싱크 전류 Isi가 흐르게 된다.
이러한 종래의 차지 펌프 회로의 소스 스위치(101)는 PMOS트랜지스터로 구성되고, 싱크 스위치(106)는 NMOS트랜지스터를 주로 사용하게 된다. 그런데, 이러한 스위치의 턴오프시 도 3에서 보는 바와 같이 각각 소스 전류 Is와 싱크 전류 Isi에 누설전류(B)가 발생함을 알 수 있다.
또한, 차지 펌프 회로의 특성에서 스퓨리어스 톤(spurious tone)의 특성에 영향을 주는 것은 소스 전류 및 싱크 전류의 부정합과 스위치 부정합이 있다. 그런데, 상술된 종래의 차지 펌프 회로는 PLL(Phase-Locked Loop)에 적용되는 경우 이러한 소스 스위치(101) 및 싱크 스위치(106)의 부정합으로 인하여 락이 된 상태에서 스퓨리어스 톤(spurious tone)의 특성이 나쁘게 나타나게 되는 문제점이 있다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 창출된 것으로, 소스전류와 싱크전류를 제어하여 차지 펌프의 턴오프시 발생되는 출력전류의 누설을 개선시킴과 동시에 부가적으로 발생되는 전류의 상승을 방지할 수 있도록 하는데 그 목적 이 있다.
상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 차지 펌프 회로는, 소스 제어신호의 상태에 따라 스위칭되어 소스 전류를 제어하는 소스 스위치와, 싱크 제어신호의 상태에 따라 스위칭되어 싱크 전류를 제어하는 싱크 스위치와, 소스 스위치 및 싱크 스위치의 턴오프시 턴온되어 소스 스위치 및 싱크 스위치에 의해 발생하는 누설 전류를 제거하는 누설 전류 제거부 및 소스 제어신호 및 싱크 제어신호의 상태에 따라 소스 스위치 및 싱크 스위치의 턴오프시 누설전류 제거부의 스위칭을 제어하는 전류 차단부를 구비함을 특징으로 한다.
이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 실시예에 대해 상세히 설명하고자 한다.
도 4는 본 발명에 따른 차지 펌프 회로의 회로도이다.
본 발명의 차지 펌프 회로(200)는, 전원전압단과 출력노드 C 사이에 직렬 연결되어 각각 그 게이트 단자를 통하여 소스 제어신호 Up_b를 입력받는 소스 스위치(201) 및 정전류 제어신호 BIAS1,BIAS2를 입력받는 정전류 제어 스위치(202,203)를 구비한다.
그리고, 출력노드 C와 접지전압단 사이에 직렬 연결되어 각각 그 게이트 단자를 통하여 정전류 제어신호 BIAS3,BIAS4를 입력받는 정전류 제어 스위치(204,205) 및 싱크 제어신호 Down를 입력받는 싱크 스위치(206)를 구비한다.
여기서, 소스 제어신호 Up_b와 싱크 제어신호 Down는 위상 주파수 검출기에 서 생성되는 제어신호이다. 그리고, 상술된 정전류 제어 스위치(202~205)는 각각 정전류 제어 신호 BIAS1~BIAS4로 부터 인가되는 전압에 따라 일정 전류를 생성시키는 정전류원이 된다.
또한, 소스 스위치(201) 및 정전류 제어 스위치(202,203)은 PMOS트랜지스터로 구성되고, 정전류 제어 스위치(204,205) 및 싱크 스위치(206)는 NMOS트랜지스터로 구성된다. 또한, 정전류 제어 스위치(203) 및 정전류 제어 스위치(204)의 공통 드레인 단자인 출력 노드 C를 통해 출력된 출력 전류 Iout은 루프 필터(300)에 인가된다.
그리고, 소스 스위치(201) 및 싱크 스위치(206)의 턴오프시 발생하는 누설전류를 최소화시키기 위한 누설전류 제거부는 정전류 제어스위치(202)의 드레인 단자 및 정전류 제어스위치(203)의 소스 단자와 접지전압단 사이에 연결되어 게이트 단자가 노드 D와 연결된 NMOS트랜지스터(207)를 구비한다. 또한, 전원전압단과 정전류 제어 스위치(204)의 소스 단자 및 정전류 제어 스위치(205)의 드레인 단자 사이에 연결되어 게이트 단자가 노드 E와 연결된 PMOS트랜지스터(208)를 구비한다.
또한, 누설 전류 제거부로 인해 부가적으로 발생되는 전류의 상승을 방지하기 위한 전류 차단부는 소스 제어신호 Up_b와 노드 D 사이에 연결된 캐패시터(209)와, 캐패시터(209)와 접지단 사이에 연결된 저항(210)을 구비한다. 그리고, 전원전압단과 노드 E 사이에 연결된 저항(211)과, 저항(211)과 싱크 제어신호 Down 사이에 연결된 캐패시터(212)를 구비한다.
이러한 구성을 갖는 본 발명의 차지 펌프 회로의 동작 과정을 도 5의 타이밍 도를 참조하여 설명하면 다음과 같다.
먼저, 소스 제어신호 Up_b가 1이면 저항(210)에 의해 노드 D는 접지 상태를 유지한다. 또한, 싱크 제어신호 down가 0이면 저항(211)에 의해 노드 E는 전원전압 상태를 유지한다.
이어서, 소스 스위치(201)의 게이트에 입력되는 소스 제어신호 Up_b가 1에서 0으로 천이하고, 싱크 스위치(206)의 게이트에 입력되는 싱크 제어신호 down가 0에서 1로 천이한다.
소스 제어신호 Up_b가 0으로 천이하면, 소스 스위치(201)가 턴온되어 소스 전류 Is가 흐르게 되고, 싱크 제어신호 down가 1로 천이하면, 싱크 스위치(206)가 턴온되어 싱크 전류 Isi가 흐르게 된다. 이때, NMOS트랜지스터(207) 및 PMOS트랜지스터(208)는 턴오프 상태를 유지하게 된다.
이후에, 소스 제어신호 Up_b가 0에서 1로 천이하고, 싱크 제어신호 down가 1에서 0으로 천이하면, 소스 스위치(201) 및 싱크 스위치(206)가 모두 턴오프된다. 이때, NMOS트랜지스터(207)의 게이트에 인가되는 소스 제어신호 Up_b가 1이 되어 NMOS트랜지스터(207)가 턴온되고, NMOS트랜지스터(203)의 소스에 접지전압이 인가됨으로써 NMOS트랜지스터(203)가 턴오프되어 소스 전류 Is의 전류 경로가 차단된다.
따라서, 소스 스위치(201)의 턴오프 시간을 최소화 시킴으로써 도 6의 F에 나타난 바와 같이 소스 스위치(201)에 발생하는 누설 전류를 차단할 수 있게 된다.
여기서, 소스 제어신호 Up-b가 하이로 인에이블 되면 노드 D는 저항(209) 및 캐패시터(210)에 의해 RC시상수의 시간동안 전압이 상승한다. 따라서, 소스 스위치(201)가 턴오프로 스위칭 되는 도중에는 캐패시터(209) 및 저항(210)으로 구성된 하이패스 필터(High-Pass Filter)가 순간적으로 동작하여 NMOS 트랜지스터(207)를 RC시상수의 시간동안 턴온시킨다.
따라서, NMOS트랜지스터(207)에 의해 전류가 상승되는 것을 방지할 수 있게 된다.
또한, PMOS트랜지스터(208)의 게이트에 인가되는 싱크 제어신호 Down가 0으로 입력되면, PMOS트랜지스터(208)가 턴온되어 정전류 제어 스위치(205)의 드레인 단자를 전원전압으로 충전시킨다.
따라서, 싱크 스위치(206)의 턴오프 시간을 최소화 시킴으로써 도 6의 F에 나타난 바와 같이 싱크 스위치(206)에 의해 발생하는 누설 전류를 차단할 수 있게 된다.
한편, 싱크 제어신호 Down가 로우로 디스에이블 되면 노드 E는 저항(211) 및 캐패시터(212)에 의해 RC시상수의 시간동안 전압이 하강한다. 따라서, 싱크 스위치(206)가 턴오프로 스위칭 되는 도중에는 캐패시터(211) 및 저항(212)으로 구성된 하이패스 필터가 순간적으로 동작하여 PMOS트랜지스터(208)를 RC시상수의 시간동안 턴온시킨다.
따라서, PMOS트랜지스터(208)에 의해 전류가 상승되는 것을 방지할 수 있게 된다.
이상에서와 같은 본 발명은 캐패시터(209) 및 저항(210)으로 이루어진 하이 패스 필터와, 캐패시터(212) 및 저항(211)로 이루어진 하이 패스 필터의 RC시상수를 제어할 경우 차지 펌프의 동작 주기를 고려해야 한다.
즉, RC시상수가 너무 짧을 경우 NMOS트랜지스터(207) 및 PMOS트랜지스터(208)을 충분히 턴온시키지 못하여 누설전류가 제거되지 않는다. 또한, RC시상수가 너무 길 경우에는 전류 상승을 방지하지 못하게 된다. 따라서, 본 발명에서 RC시상수는 차지 펌프의 동작 주기의 약 1/10 정도로 설정하는 것이 바람직하다.
이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명은 차지 펌프의 스위치 턴오프시 발생하는 누설전류를 최소화 함으로써 차지 펌프 회로의 스위치 부정합을 방지할 수 있게 된다. 특히, 무선 통신 주파수 합성기에 적용하여 스퓨리어스 톤(spurious tone)의 특성을 개선할 수 있도록 하는 효과를 제공한다.

Claims (8)

  1. 소스 제어신호의 상태에 따라 스위칭되어 소스 전류를 제어하는 소스 스위치;
    싱크 제어신호의 상태에 따라 스위칭되어 싱크 전류를 제어하는 싱크 스위치;
    상기 소스 스위치 및 싱크 스위치의 턴오프시 턴온되어 상기 소스 전류 및 싱크 전류의 경로를 차단시켜 상기 소스 스위치 및 싱크 스위치에 의해 발생하는 누설 전류를 제거하는 누설 전류 제거부;
    상기 소스 제어신호 및 싱크 제어신호의 상태에 따라 상기 소스 스위치 및 싱크 스위치의 턴오프시 상기 누설전류 제거부에 인가되는 전압을 제어하는 전류 차단부;
    상기 소스 스위치로부터 인가되는 소스 전류를 출력단으로 인가하는 제 1정전류부; 및
    상기 싱크 스위치로부터 인가되는 싱크 전류를 상기 출력단으로 인가하는 제 2정전류부를 구비함을 특징으로 하는 차지 펌프 회로.
  2. 삭제
  3. 제 1 항에 있어서, 상기 누설 전류 제거부는
    상기 소스 스위치의 턴오프시 인에이블되어 상기 소스 전류의 전류 경로를 차단시키는 제 1제어부; 및
    상기 싱크 스위치의 턴오프시 인에이블되어 상기 싱크 전류의 전류 경로를 차단시키는 제 2제어부를 구비함을 특징으로 하는 차지 펌프 회로.
  4. 제 3 항에 있어서, 상기 제 1제어부는
    상기 제 1정전류부의 일단과 접지전압단 사이에 연결되어 게이트 단자가 상기 전류 차단부와 연결된 NMOS트랜지스터를 구비함을 특징으로 하는 차지 펌프 회로.
  5. 제 3 항에 있어서, 상기 제 2제어부는
    전원전압단과 상기 제 2정전류부의 일단 사이에 연결되어 게이트 단자가 상기 전류 차단부와 연결된 PMOS트랜지스터를 구비함을 특징으로 하는 차지 펌프 회로.
  6. 제 3 항에 있어서, 상기 전류 차단부는
    상기 소스 제어신호의 상태에 따라 상기 제 1제어부에 일정 시간동안 전원전압을 인가시키는 제 1고역필터; 및
    상기 싱크 제어신호의 상태에 따라 상기 제 2제어부에 일정 시간동안 접지전압을 인가시키는 제 2고역필터를 구비함을 특징으로 하는 차지 펌프 회로.
  7. 제 6 항에 있어서, 상기 제 1고역필터는
    상기 소스 제어신호와 접지전압단 사이에 연결된 제 1캐패시터 및 제 1저항을 구비하여 RC시상수의 시간동안 상기 제 1제어부를 턴온시킴을 특징으로 하는 차지 펌프 회로.
  8. 제 6 항에 있어서, 상기 제 2고역필터는
    전원전압단과 상기 싱크 제어신호 사이에 연결된 제 2저항 및 제 2캐패시터를 구비하여 RC시상수의 시간동안 상기 제 2제어부를 턴온시킴을 특징으로 하는 차지 펌프 회로.
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