TWI657664B

TWI657664B - 電路開關的二階段開關方法

Info

Publication number: TWI657664B
Application number: TW107135185A
Authority: TW
Inventors: 王釋興; 洪崇智
Original assignee: 國立交通大學
Priority date: 2018-10-05
Filing date: 2018-10-05
Publication date: 2019-04-21
Also published as: US10439621B1; TW202015342A

Abstract

本發明提供一種電路開關的二階段開關方法，應用在鎖相環之電荷泵電路中，二階段開關方法包含提供尺寸相同的第一型開關及第二型開關，二者型態相反，第一、第二型開關可持續接收輸入電流，當第一、第二型開關開啟前，在第一階段中將輸入電流保持在低電流狀態，在第二階段中，開啟第一、第二型開關，逐漸調整輸入電流至目標電流狀態，逐漸提供目標電流狀態輸出至外部電路，本發明利用保持低電流狀態以在第二階段中逐漸調整至目標電流狀態可以減少外部電路產生噪聲，並且因為低電流狀態減少電能損耗，同時可以抵銷電荷注入。

Description

電路開關的二階段開關方法

本發明係關於一種電路中的開關方法，特別係一種用於鎖相環之電荷泵電路中電路開關的二階段開關方法。

鎖相環（Phase-Locked Loops，PLL）電路係一種利用反饋（Feedback）控制原理實現頻率及相位的同步技術，利用電路輸出的時鐘與其外部的參考時鐘保持同步，當參考時鐘頻率或相位產生改變時，鎖相環電路會檢測出變化，並通過鎖相環電路中的反饋元件調節輸出的頻率，一直到時鐘與外部的參考時鐘重新同步為止，此一同步方法又可稱為鎖相（Phase-Locked）。

請參照第一圖所示，一般的鎖相環電路10包含有相位頻率偵測器（Phase Frequency Detector，PFD）12、電荷泵（Charge Pump）14、迴路濾波器（Loop Filter）16、電壓控制振盪器（Voltage Control Oscillator，VCO）18及分頻器（Frequency Divider）19，鎖相環電路10係利用相位頻率偵測器12比較外部之輸入參考訊號In及分頻器19所輸出之訊號S1的相位差，並產生等比例的電壓輸出以控制電荷泵14形成充、放電之電流開關，以對迴路濾波器16進行充、電，而迴路濾器16會將高頻成分濾除，以形成直流電壓作為電壓控制振盪器18的控制電壓，藉此控制電壓調整電壓控制振盪器18的輸出訊號Out之頻率。

然而，在鎖相環電路中的電荷泵，主要係利用定電流源對迴路濾波器進行快速的充放電，利用開關電流源對電容進行充放電的動作，在相位頻率偵測器於上電流源輸出High訊號，就會在下電流源輸出Low的訊號，以使開關電流源導通/不導通，如此一來就可以透過電荷泵對迴路濾波器產生充電及濾波的動作，反之，則可以產生放電及濾波的動作。

由於電荷泵係持續接收定電流源的電流，使得裝置在實際使用上，開關不導通時，仍然容易產生漏電流的情況，造成多於的能量流失，並降低使用的功率，並且在開關導通時，所注入的電流會造成迴路濾波器的暫態響應（Transient Response）形成明顯的振盪現象。

有鑑於此，本發明為了改善鎖相環電路中電荷泵在開關時，容易對迴路濾波器造成的影響，提出一種電路開關的二階段開關方法，以改善習知開關的缺失。

本發明的主要目的係在提供一種電路開關的二階段開關方法，利用此一兩步切換（Two-Steps Switching）技術，有效降低了開關的噪聲（Noise），包含了電荷泵到迴路濾波器的時鐘饋通及電荷注入噪聲，藉此減低振盪現象及省電。

本發明的另一目的係在提供一種電路開關的二階段開關方法，在不影響既有的電路元件，利用控制電荷泵的注入電流，以達成更好的功效（Power Efficiency），除了上述的優點外，可以避免額外新增電路元件，節省電路的建置成本。

為了達成上述的目的，本發明提供一種電路開關的二階段開關方法，應用在一鎖相環之電荷泵電路中，二階段開關方法包含有，提供尺寸相同的一第一型開關及一第二型開關，第一型開關與第二型開關型態相反，第一、第二型開關可持續接收一輸入電流，當第一型開關與第二型開關開啟前，先在第一階段中將輸入電流保持在一低電流狀態，在第二階段中，開啟第一型開關與第二型開關，逐漸調整輸入電流至目標電流狀態，以逐漸提供目標電流狀態輸出至外部電路，以利用第一階段保持低電流狀態及在第二階段中逐漸調整至目標電流狀態減少外部電路產生噪聲，並且因為低電流狀態減少電能損耗，抵銷電荷注入。

在本發明中，第一型開關包含有第一汲極、第一閘極、第一源極及第一通道，第一通道連接第一汲極、第一閘極及第一源極，第二型開關包含有第二汲極、第二閘極、第二源極及第二通道，第二通道連接第二汲極、第二閘極及第二源極，且第二汲極與第一源極及輸入電流共節點，第二源極與第一汲極及外部電路共節點。

在本發明中，當第一型開關為P型電晶體開關時，第二型開關為N型電晶體開關，或第一型開關為N型，第二型開關為P型，N型電晶體開關開啟係當閘極電壓自0伏特調整至工作電壓值，而P型電晶體開關開啟係從工作電壓值調整至0伏特。

在本發明中，第一型開關與第二型開關的通道長度或閘極長度相同及通道寬度相同。

在本發明中，低電流狀態為0.4微安培，目標電流狀態為20微安培。

在本發明中，輸入電流自電流鏡輸入。

在本發明中，外部電路係為迴路濾波器，例如晶片外迴路濾波器。

底下藉由具體實施例配合所附的圖式詳加說明，當更容易瞭解本發明之目的、技術內容、特點及其所達成之功效。

本發明係為了減少鎖相環之電荷泵電路所引起的一些非理想效應，例如開關時鐘的饋通（Feed-Though）以及電荷注入（Charge Injection），可能導致鎖相環的輸出時鐘產生抖動，通過控制開關及充電電流訊號以降低這些非理想效應，並且還能為電荷泵電路降低電流，帶來低功耗的功能。

首先，請參照本發明第二圖所示，其係為鎖相環電路中的電流泵電路20，其中具有一第一電流源Iup與一組電流泵22及一第二電流源Idn串聯連接，電流泵22另外電性連接一輸出，例如一外部電路24，在本實施例中外部電路24係為一迴路濾波器（Loop Filter）。電流泵22中具有四電路開關組26a、26b、26c、26d，其係電性連接成一迴路，在電路開關組26a、26b中的節點N1與電路開關組26c、26d的節點N2間又電性連街有一放大器組28。

承接上段，並請同時參照本發明第三圖所示，在電路開關組26a、26b、26c、26d中具有二並聯連接的一第一型開關30及一第二型開關32，第一型開關30與第二型開關32型態相反，例如第一型開關30係為P型電晶體開關時，第二型開關32係為N型電晶體開關，或是當第一型開關30係為N型電晶體開關時，第二型開關32係為P型電晶體開關，本實施例先以第一型開關30為P型電晶體及第二型開關32為N型電晶體為例說明。第一型開關30中還包含有一第一汲極D1、一第一閘極G1、一第一源極S1及一第一通道P1，第一通道P1係連接第一汲極D1、第一閘極G1及第一源極S1；第二型開關32中還包含有一第二汲極D2、一第二閘極G2、一第二源極S2及一第二通道P2，第二通道P2係連接第二汲極D2、第二閘極G2及第二源極S2，且第二汲極D2與第一源極S1及輸入電流共節點，在此的輸入電流係為電路開關組26a、26b、26c、26d外的輸入電流，例如可以是第一電流源Iup或第二電流源Idn，第二源極S2與第一汲極D1及輸出共節點，在此的輸出亦係可為外部電路24。並且，第一型開關30及第二型開關32的尺寸需相同，其意謂第一型開關30與第二型開關32的通道長度或閘極長度需要相同，以及通道寬度也需要相同。

說明完本發明的電路結構後，接續說明本發明實施電路開關的二階段開關方法，並請參照本發明第四圖所示，並請同時參照第二圖及第三圖。首先，如步驟S10所示，提供如第二圖所示之第一型開關30及第二型開關32，其係持續接收一輸入電流，例如自第一電流源Iup傳輸的輸入電流。如步驟S12所示，當第一型開關30及第二型開關32開啟前，先在第一階段中將輸入電流保持在一低電流狀態，例如0.4微安培（uA）。如步驟S14所示，在第二階段中，開啟第一型開關30及第二型開關32，在本實施例中，第一型開關30係為P型電晶體，第二型開關32係為N型電晶體，要開啟第一型開關30時，利用第一閘極G1的閘極電壓從一工作電壓調整至0伏特，同時開啟第二型開關32時，利用第二閘極G2的閘極電壓從0伏特調整至一工作電壓，則可以同時使第一型開關30及第二型開關32導通開啟，逐漸調整輸入電流至目標電流狀態，例如逐漸將0.4微安培的輸入電流調整至20微安培，以逐漸提供目標電流狀態輸出至外部電路24，本發明所述之低電流狀態係相對於目標電流狀態的安培數更低，上述的數值係為本實施之說明，使用者可以依照不同製程及需求調整輸入電流的低電流狀態以及所欲調整至的目標電流狀態。

當完成上述的二階段開關方法，可以有效降低電路中的非理想效應以及達成低功耗，因為利用第一階段保持低電流狀態時，請參照本發明第五圖所示，因為一般沒有使用如本發明之二階段開關（Two-Steps Switching，TSS）方法，或可稱為兩步切換技術時，會一直保持第一電流源Iup’與第二電流源Idn’的注入，而本發明在第一階段中，因為將輸入電流調整在低電流狀態中，並在第一型開關30及第二型開關32開始時，逐漸將輸入電流，例如第一電流源Iup與第二電流源Idn的輸入電流逐漸調整至目標電流狀態，明顯可從第五圖中看出，本發明相較習知技術（沒有使用TSS方法之技術）更省電力，並且實際在運作時，各開關未開啟前仍會有漏電流的產生，但因為本發明在開關開啟前的輸入電流保持在低電流狀態，因此所耗損的漏電流也會遠小於習知技術。並且，當電路開關開啟時間為2 奈秒（ns）時，本發明第一階段加第二階段的工作時間為542奈秒時（例如到下一次開關開啟前），這中間因為開關關閉所保持的低電流狀態，可以相較習知技術省去99.6%的靜態功率。若在電路裝置中實施多個電流鏡時，所省去的功耗更是倍數成長，例如請參照本發明第六圖所示，本發明的二階段開關方法，以第二圖為基礎的電流泵電路20還可以應用在更龐大的電路架構40中，在此主要利用電流鏡42為電流泵22提供恆定電流，並始終保持相同的電流，此時電流泵22的輸入電流就可以自電流鏡42輸入，當鎖相環電路處在鎖定狀態時，只需要在短的死區（dead-zone）時間中足以保持電流追蹤鎖相環電路狀態，當迴路濾波器24未充電或放電時，本發明可以相較習知技術省去不必要的電流消耗，僅需在電流鏡42中保持第一電流源Iup所輸入電流的低電流狀態即可。

接著，請參照本發明第七圖所示，當第一型開關30及第二型開關32形成電荷注入（Charge Injection）效應時，當通道電荷釋放變成流入第一汲極D1、第一源極S1、第二汲極D2、第二源極S2的小電流，通常電流特性會根據第一通道P1及第二通道P2電荷是電子或電洞，本發明會因為第一型開關30及第二型開關32的尺寸相同，使得其中的第一通道P1及第二通道P2具有不同的極性，當釋放電荷時可以相互抵銷。

利用本發明的二階段開關方法，可以減少電路中，因為引線及引線框架所引起的電能耗損及暫態反彈，另外也可以抵銷了電荷注入，並減少如迴路濾波器的噪聲產生，另外請參照本發明第八a圖及第八b圖。第八a圖為習知沒有使用如本發明的二階段開關方法，在相同電路架構下，迴路濾波器之電壓值形成的暫態響應，而第八b圖則是使用了本發明二階段開關方法，迴路濾波器之電壓值形成的暫態響應。因此，由第八a圖及第八b圖的比較，明顯可以得知本發明的二階段開關方法可以有效減少了用於輸出之迴路濾波器的抖動狀態或噪聲值，本發明中的迴路濾波器可以是晶片外（off-chip）迴路濾波器，以減少裝置的設置體積，但本發明也不限制僅能作用在晶片外，同時也可以用於晶片內（on-chip），端看使用者的設定，主要是利用迴路濾波器在不同電感值時，可以明顯看出本發明與習知技術的差異。

以上所述之實施例僅係為說明本發明之技術思想及特點，其目的在使熟習此項技藝之人士能夠瞭解本發明之內容並據以實施，當不能以之限定本發明之專利範圍，即大凡依本發明所揭示之精神所作之均等變化或修飾，仍應涵蓋在本發明之專利範圍。

10‧‧‧鎖相環電路

12‧‧‧相位頻率偵測器

14‧‧‧電荷泵

16‧‧‧迴路濾波器

18‧‧‧電壓控制振盪器

19‧‧‧分頻器

20‧‧‧電流泵電路

22‧‧‧電流泵

24‧‧‧外部電路

26a、26b、26c、26d‧‧‧電路開關組

28‧‧‧放大器組

30‧‧‧第一型開關

32‧‧‧第二型開關

40‧‧‧電路架構

42‧‧‧電流鏡

S1‧‧‧第一源極

S2‧‧‧第二源極

D1‧‧‧第一汲極

D2‧‧‧ 第二汲極

G1‧‧‧第一閘極

G2‧‧‧第二閘極

P1‧‧‧第一通道

P2‧‧‧第二通道

Iup、Iup’‧‧‧第一電流源

Idn、Idn’‧‧‧第二電流源

In‧‧‧輸入參考訊號

Out‧‧‧輸出訊號

N1、N2‧‧‧節點

S1‧‧‧訊號

第一圖為習知鎖相環電路的電路方塊示意圖。第二圖為本發明應用在電荷泵電路之電路架構圖。第三圖為第二圖中電路開關組的電路示意圖。第四圖為本發明的步驟流程圖。第五圖為本發明與習知技術在開關工作週期所耗損之電流的比較示意圖。第六圖為本發明可應用之電路架構圖。第七圖為本發明用於抵銷電荷注入的示意圖。第八a圖為習知技術之迴路濾波器形成電壓之曲線圖。第八b圖為使用本發明二階段開關方法之迴路濾波器形成電壓之曲線圖。

Claims

一種電路開關的二階段開關方法，其係應用於一鎖相環之電荷泵電路中，該二階段開關方法包含：提供尺寸相同的一第一型開關及一第二型開關，該第一型開關並聯連接該第二型開關以形成一電路開關組，該第一型開關係與該第二型開關型態相反，該第一型開關及該第二型開關係可持續接收一輸入電流；當該第一型開關及該第二型開關開啟前，先在第一階段中將該輸入電流保持在一低電流狀態；以及在第二階段中，開啟該第一型開關及該第二型開關，並逐漸調整該輸入電流至目標電流狀態，以逐漸提供該目標電流狀態輸出至一外部電路；其中，利用該第一階段保持該低電流狀態以在該第二階段中逐漸調整至該目標電流狀態可以減少該外部電路產生噪聲，並且因為該低電流狀態減少電能的損耗，同時因為該低電流狀態可以抵銷電荷注入。
如請求項1所述之二階段開關方法，其中該第一型開關更包含：一第一汲極、一第一閘極、一第一源極及一第一通道，該第一通道係可連接該第一汲極、該第一閘極及該第一源極；以及該第二型開關更包含一第二汲極、一第二閘極、一第二源極及一第二通道，該第二通道係可連接該第二汲極、該第二閘極及該第二源極，且該第二汲極係與該第一源極及該輸入電流共節點，該第二源極與該第一汲極及該外部電路共節點。
如請求項1所述之二階段開關方法，其中當該第一型開關係為P型電晶體開關時，該第二型開關係為N型電晶體開關，或當該第一型開關係為N型電晶體開關時，該第二型開關係為P型電晶體開關。
如請求項4所述之二階段開關方法，其中該N型電晶體開關開啟係當閘極電壓自0伏特調整至工作電壓值，而該P型電晶體開關開啟係從該工作電壓值調整至0伏特。
如請求項1所述之二階段開關方法，其中該第一型開關與該第二型開關的通道長度或閘極長度相同以及通道寬度相同。
如請求項1所述之二階段開關方法，其中該低電流狀態係為0.4微安培(uA)，該目標電流狀態係為20微安培。
如請求項1所述之二階段開關方法，其中該輸入電流係自一電流鏡輸入。
如請求項1所述之二階段開關方法，其中該外部電路係為一迴路濾波器(Loop Filter)。
如請求項8所述之二階段開關方法，其中該迴路濾波器係為晶片外(off-chip)迴路濾波器。