TW479412B - Differential charge pump - Google Patents

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TW479412B
TW479412B TW090100669A TW90100669A TW479412B TW 479412 B TW479412 B TW 479412B TW 090100669 A TW090100669 A TW 090100669A TW 90100669 A TW90100669 A TW 90100669A TW 479412 B TW479412 B TW 479412B
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Hsueh-Wu Kao
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Mediatek Inc
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Description

479412 五、發明說明（1) [發明之技術領域] 本發明係關於差動式電荷幫浦，特別e M A # 共模電流源方式來減少共模電流之不匹配m主/ 用父換 響的差動式電荷幫浦。 配對責任週期之影 [替知技術] 一般的電荷幫浦（charge pump ) 常用在 ^ 責任週期（duty cycle)為50%的信號閉迤種而要輪出 、路（close 1 〇Γ)η、 控制系統。圖1所示即為一種用在50%責任週期之單 (single-end)閉迴路系統的單端電荷幫浦，其中哭 (s 1 i c e r)之輸出#號即為電荷幫浦之5 〇 %責任週期的輸出丨 佗號。當此一閉迴路回授系統達到其平衡狀態時，在同一 週期内，充電電荷會等於放電電荷，亦即 Iup * X %= Idn * (100-X%) X 二 其中，X為責任週期，因此該系統之責任週期為 )) + up _ dn 其中，Iup為上充電電流源之電流，而Idn為下放電電 流源之電流。但是由於上充電電流源之電流u與下放電電 ^源之電流Idn ’在半導體製程中會有不匹配⑷的 情形，以及共模參考電壓Vref > μ ^ ^ ^ ^ # 雜訊等因素，會造成無法 產生所需要之準確的50%責任週期的 (d.ff因此’提出：種如圖2所示之差動式電荷幫浦 之電 不匹配的問題，即在電宏 、- 且電容器的兩端會隨著切換器（扣之雙端進仃充放電。
Vsllcer)輸出的結果是Η
$ 5頁 479412 五、發明說明（2) 或L做切換，以補償上、下放電電流源不匹配的問題。 如圖3顯示為圖2差動式電荷幫浦的充放電路徑，其 表不所控制的開關在切換器為Η時導通，而枓表示所控制 的開關在切換器為L時導通。 ’且Ι(：Μ1與I(：MG分別為 則由電容器工作原
一因採用差動式電荷幫浦，電容兩端必須有一個共模路 徑（common mode path)以設定電容器兩端之共模電位 (=〇mmo曰n mode v〇itage)。右侧共模電流一與左側共模電 流Icml提供一個共模路徑，圖4(A)與4(幻分別顯示切換器 為Η與L時之操作模式。但是在半導體製程中Ic與同樣 會有不匹配的情形。如圖4所示，假設因不匹配導致右侧_ 共模電流ICMR等於κ倍左侧共模電流I 切換器為Η與L時之左側共模電流IcML
up -(I up (5) - I〇u)*X -ΚΙ CM1 電流 流入電 容器上面 板的電流 會等於流 出 電容器 ，則 I! = I 1 u\ )+ T 一 XCM IcMl = Idn + K ICMi ---(2) 1〇 = I u A UI 〕+ T _ 丄CM KIcM0= Idn + IcMO (3 ) 由（2) 及 (3) 可知ICM1 = ^CMO I^X - 1〇 * (1- X) — -- （4 )
(I
CM L dn
-CMO
‘CM * (1-X) (2Iup+ 2ICm - (1+K)ICM1 若K = i，代表左右侧共模電流完全匹配，則 X-50°/〇 ——(6) 因此’由式（6 )可證明當K = 1時，責任週期X與上充電
479412 五、發明說明（3) 電流源之電流Iup與下放電電流源之電流Idn無關。但是，在 K不等於1的情形下，亦即左側共模電流不等於右側共 模電流IeMR時，責任週期X仍然無法保持在50%。 [發明概要] 有鑒於上述問題，本發明之目的是提供一種不受共模 電流與充放電電流不匹配之影響，且可保持5 0 %責任週期 之差動式電荷幫浦。 本發明差動式電荷幫浦，係消除電流源不匹配之影 響，使輸出電壓保持在50%的責任週期。該差動式電荷幫 浦包含：一電容器，具有第一端與第二端，並提供輸出電_ 壓；一切換器，係輸出一比較信號來控制電容器之充放 電；一第一電流源，係包括一正端與一負端，該正端連接 於正工作電壓，而負端在比較信號為Η時連接於電容器之 第一端，並於該比較信號為L時連接於電容器之第二端； 一第二電流源，係包括一正端與一負端，該負端連接於負 工作電壓，而正端在比較信號為Η時連接於電容器之第二 端，並於該比較信號為L時連接於電容器之第一端；一第 一共模電流源，係包括一正端與一負端，該負端連接於負 工作電壓，而正端在比較信號為Η時連接於電容器之第一 端，並於該比較信號為L時連接於電容器之第二端；一第· 二共模電流源，係包括一正端與一負端，該負端連接於負 工作電壓，而正端在比較信號為Η時連接於電容器之第二 端，並於該比較信號為L時連接於電容器之第一端；以 及’ 一第二共模電流源’係並聯於弟一電流源。
五、發明說明（4) [實施例] 以下參考圖式詳細說明本發明差動式電荷 圖5所示為本發明差動式電荷幫浦之電路的第一每 二:如該圖所示，本發明差動式電荷幫浦1〇座 電何幫浦相同（參考圖3)，係利用開關夂、般動式 電容器c之充放電路徑.。作習二各電流源對於 上充雷雷、$ T \仁白知的呈動式電荷幫浦僅切換 充電電机源Iup與下放電電流源匕對於雷 路控。但本發明差動式電荷幫浦1〇不 ：。之充放電 :以，源1dn對於電容器C之充放電路徑以 動之充放電路徑。因此，本發明i 及乒模電、、1不pr不又上充電電流源、下放電電流源、以 杈電机源不匹配之影響，仍能保持50%責任週期。 如圖5所示，本發明差動式電荷幫浦1〇包含一電 源!二上源h、一下放電電流源1dn、—共模電; 側/、杈電流源11L、以及一右側共模電流源 掇〇雷泣的正端vosp與負端V0SN提供輸出電壓。而共 連接I /雷二ί上充電電流源Iup並聯，並經由第一開關swi、 *时r A\谷裔c的正端VOSP，且經由第二開關SW2連接至 二=SN。下放電電流源Idn經由第三開關SW3連接 c Λν；〇δΡ' f0SN ^ ^ t ^ ^ π 左側共杈電流源1CML經由第五開關SW5連接 Γ Α么奋的正端V〇SP，並經由第六開關SW6連接至電衮哭 〇 的倉：V Π Q λΤ , ^ 、六σσ 。右側共模電流源Ico經由第七開關SW7連接 。奋的負端V0SN，並經由第八開關SW8連接至電容器
I麵
第8頁 479412 五、發明說明（5) C的正端VOSP ° 圖6(A)與6(B)顯示圖5在切換器為Η與L時之路徑。 下根據式子證明本發明之差動式電荷幫浦不受共模電流與 充放電電流不匹配之影響，且可保持5 〇%責任週期之輸 出。首先，假設因製程不匹配，即右侧共模電流υ於κ 倍之左側共模電流W ’且IGM1則⑽分別為切換器在Η飢時 之左侧共模電流ICML。則根據圖6(Α)與圖6 (Β)所示， CMl Ιηπ + K Ipu 1…（8) lcm L dn LCM1 以 L up '丄CM 從式（8 )可獲得 lcmo
KI
CMO L dn up lcm lCM0 lCM1 K + 1)ICM0 — (10) (9)
氺X 氺 1-X) 將式（7)與（8)代入式（11 - Icmi)*X =( -（11 ，則 αΡ(12)
Ldn KI_u CMO)* (1—χ) L dn K IpmO )/( up
lCM — — (13 LCMl
Ldn + KI
CMO 將式（9)與式（10)帶入式（13)，則 X= (Iup+ Icm - !〇μι) / (2Iup+ 2Icm=5 0% ——(14) 因此，由式（1 4 )可證明責任週期χ為a 電電流源、下放電電流源、以及共模雷、:數50%，與上充 關。 < 之有無匹配無 21 CMl 鲁
第9頁 五、發明說明（δ) --- “ 所示為圖5之電荷幫浦1 〇的簡化電路。由於圖5之 電荷幫浦10的左侧共模電流源ICML不論在第五開關SW5或第 =開導通時，均連接於上充電電流源u。因此，可 令略第五開關⑽5與第六開關SW6，而將左侧共模電流源 CML直接連接於上充電電流源Iup。相同的，圖5之電荷幫浦 二f、t右側，模電流源ICMR不論在第七開關SW7或第八開關 導通0寸’均連接於下放電電流源Idn。因此，可省略第 七開關SW7與第八開關SW8，而將右侧共模電流源ICMR直接 連接於了放電電流源Idn。所以，圖7之電荷幫浦1 〇，為圖5 之電荷餐浦1 〇的簡化電路，且其效果相同。 μ a圖8所不為圖7之電荷幫浦1 0，的簡化電路。在圖7之電 1幫浦1 0中，由於共模電流源ICM與上充電電流源IUP並 聯’因此共模電流源ICM可合併於上充電電流源Iup。相同 地丄右共模電流源1CMR與下放電電流源1dn並聯，因此下 放電電流源1如可合併於右侧共模電流源ICMR。所以，圖8所 不為本發明差動式電荷幫浦只需要3個電流源即可，且責 任週期不會受到該等電流源之不匹配的影響。 由於本發明電荷幫浦利用開關來切換共模電流源與充 放電電流源對電容器之充放電路徑，因此可避免因該等電 /’IL源之不匹配而影響輸出信號之責任週期。其次，由於可 省略一些開關並合併電流源，因此可進一步簡化電路。 此外因對電流源間的不匹配有很強的免疫力 (immunity)，所以電路在佈局（iay〇ut)時並不須要用長通 道（long channel)元件（dev ice)或大面積元件以確保獲得 479412
479412 圖式簡單說明 【圖式之簡要說明】 圖1為習知單端電荷幫浦。 圖2為習知差動式電荷幫浦。 圖3為圖2差動式電荷幫浦之電路。 圖4為圖3之充電路徑，其中圖4(A)為切換器為Η的充 電路徑’而圖4(B)為切換器為L的充電路控。 圖5為本發明差動式電荷幫浦第一實施例之電路。 圖6為圖5之充電路徑，其中圖6(A)為切換器為Η的充 電路徑，而圖6 (Β)為切換器為L的充電路徑。 圖7為圖5差動式電荷幫浦之簡化電路。 镰 圖8為圖7差動式電荷幫浦之簡化電路。 【圖式編號】 1 0、1 0 ’ 、1 0 ”電荷幫浦 C電容器
Ic；M共模電流源 I(]Ml左側共权電流源 I(^MR右侧共模電流源 SW1 、 SW2 、 SW3 、 SW4 開關 SW5 、 SW6 、 SW7 、 SW8 開關 m
第12頁

Claims (1)

  1. 479412 六、申請專利範圍 1. 一種差動式電荷幫浦，係消除電流源不匹配之影響， 該差動式電荷幫浦包含： 一電容器，具有第一端與第二端，並提供前述輸出電 壓； 一切換器，係輸出一比較信號來控制前述電容器之充 放電； 一第一電流源，係包括一正端與一負端，該正端連接 於正工作電壓，而負端在前述比較信號為第一狀態時連接 於前述電容器之第一端，並於該比較信號為第二狀態時連 接於前述電容器之第二端； _ 一第二電流源，係包括一正端與一負端，該負端連接 於負工作電壓，而正端在前述比較信號為第一狀態時連接 於前述電容器之第二端，並於該比較信號為第二狀態時連 接於前述電容器之第一端； 一第一共模電流源，係包括一正端與一負端，該負端 連接於負工作電壓，而正端在前述比較信號為第一狀態時 連接於前述電容器之第一端，並於該比較信號為第二狀態 時連接於前述電容器之第二端； 一第二共模電流源，係包括一正端與一負端，該負端 連接於負工作電壓，而正端在前述比較信號為第一狀態時修 連接於前述電容器之第二端，並於該比較信號為第二狀態 時連接於前述電容器之第一端；以及， 一第三共模電流源，係並聯於前述第一電流源。
    第13頁 479412 六、申請專利範圍 2. 如申請專利範圍第1項所記載之差動式電荷幫浦，其中 前述第三共模電流源合併於前述第一電流源。 3. 如申請專利範圍第1項所記載之差動式電荷幫浦，其中 前述前述比較信號之第一狀態為高位準，同時第二狀態為 低位準。 4. 一種差動式電荷幫浦，係消除電流源不匹配之影響， 該差動式電荷幫浦包含： 一電容器，具有第一端與第二端，並提供前述輸出電_ 壓； 一切換器，係輸出一比較信號來控制前述電容器之充 放電； 一第一電流源，係包括一正端與一負端，該正端連接 於正工作電壓； 一第一開關，係連接前述第一電流源之負端與前述電 容器之第一端，並在前述比較信號為第一狀態時導通； 一第二電流源，係包括一正端與一負端，該負端連接 於負工作電壓； 一第二開關，係連接前述電容器之第二端與前述第二馨 電流源之正端，並在比較信號為第一狀態時導通； 一第三開關，係連接前述第一電流源之負端與前述電 容器之第二端，並在前述比較信號為第二狀態時導通； 一第四開關，係連接前述電容器之第一端與前述第二
    第14頁 479412 六、申請專利範圍 電流源之正端，並在比較信號為第二狀態時導通； 一第一共模電流源，係包括一正端與一負端，該負端 連接於負工作電壓，而正端連接於前述第一電流源之負 端； 一第二共模電流源，係包括一正端與一負端，該負端 連接於負工作電壓，而正端連接於前述第二電流源之正 端；以及， 一第三共模電流源，係並聯於前述第一電流源。 5. 如申請專利範圍第4項所記載之差動式電荷幫浦，其中_ 前述前述比較信號之第一狀態為高位準，同時第二狀態為 低位準。 6. 如申請專利範圍第4項所記載之差動式電荷幫浦，其中 前述第三共模電流源與前述第一電流源結合成一電流源。 7. 如申請專利範圍第6項所記載之差動式電荷幫浦，其中 前述第二電流源與前述第二共模電流源結合成一電流源。 8. 一種差動式電荷幫浦，係消除電流源不匹配之影響，鲁 該差動式電荷幫浦包含： 一電容器，具有第一端與第二端，並提供前述輸出電 壓； 一切換器，係輸出一比較信號來控制前述電容器之充
    第15頁 479412 六、申請專利範圍 放電； 一第一電流源，係包括一正端與一負端，該正端連接 於正工作電壓； 一第一開關，係連接前述第一電流源之負端與前述電 容器之第一端，並在前述比較信號為第一狀態時導通； 一第二電流源，係包括一正端與一負端，該負端連接 於負工作電壓； 一第二開關，係連接前述電容器之第二端與前述第二 電流源之正端，並在比較信號為第一狀態時導通； 一第三開關，係連接前述第一電流源之負端與前述電φ 容器之第二端，並在前述比較信號為第二狀態時導通； 一第四開關，係連接前述電容器之第一端與前述第二 電流源之正端，並在比較信號為第二狀態時導通；以及 一共模電流源，係包括一正端與一負端，該負端連接 於負工作電壓，而正端連接於前述第一電流源之負端。 9.如申請專利範圍第8項所記載之差動式電荷幫浦，其中 前述前述比較信號之第一狀態為高位準，同時第二狀態為 低位準。
    第16頁
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