CN101414784A - 电荷泵 - Google Patents

Abstract

一种电荷泵。该电荷泵包含：一可调电流源，提供一可调电流；一第二电流源，提供一第二电流；一第一开关单元与一第二开关单元，耦接于该可调电流源与该第二电流源之间；以及一控制电路，用以控制该可调电流源的电流量，使该可调电流的电流实质上等于该第二电流。因此即使可调电流源的电流与第二电流源的电流不匹配，亦可藉由控制电路使该可调电流的电流实质上等于该第二电流。

Description

电荷泵

技术领域

本发明涉及具有实时电流校准的电荷泵，特别是涉及利用可调电流源补偿电流不匹配的电荷泵。

背景技术

图1为现有锁相回路(Phase lock loop，PLL)或延迟锁定回路(DelayLocked loop，DLL)的电荷泵(charge pump)电路的一个实施例。如该图所示，该电荷泵10包含了两个电流源(current source)11、12，由控制信号UP、DN控制的开关131、132、133、134、以及一运算放大器(OP)14。当上下两电流源11、12没有匹配时(mismatch)会造成压控震荡器(Voltage controlledOscillator，VCO)控制电压的扰动，进而造成输出讯号的相位噪声(phase noise)或/及抖动(jitter)变大。

图2为现有锁相回路(Phase lock loop，PLL)的电荷泵(charge pump)电路的另一个实施例。如该图所示，该电荷泵20包含了两个数字模拟转换器(DAC)21、22、由控制信号UP、DN控制的开关131、132 133、134、以及一运算放大器(OP)14。但是此种方法有以下缺点：

一、由于DAC的分辨率(resolution)的限制。当校准完成后此两电流I_UP、I_DN依然存在微小误差。

二、此方法必需离线(off line)来进行校准。且当校准完成后，两电流I_UP、I_DN因某种原因(如温度改变)而发生不匹配时，则会降低校准的效果。

另一现有电荷泵被揭露于US专利第6,326,852号。该现有电荷泵具有较复杂的电路以及较高的功率消耗。

发明内容

有鉴于上述问题，本发明的目的之一是提出一种具有电流校准的电荷泵，以克服上述问题。

本发明的目的之一是提出一种具有电流校准的电荷泵，可实时调整电流大小使之匹配。

本发明的目的之一是提出一种具有电流校准的电荷泵，以克服因环境温度的变化所造成的电流变化。

为实现上述目的，本发明的电荷泵包含：一可调电流源，包含一第一电流源与一阻抗单元并提供一可调电流；一第二电流源，提供一第二电流；一第一开关单元与一第二开关单元，耦接于该可调电流源与该第二电流源之间；以及一控制电路，用以控制该可调电流源的电流量，使该可调电流的电流实质上等于该第二电流。

因此，即使第一电流源的电流与第二电流源的电流不匹配，亦可藉由控制电路使该可调电流的电流实质上等于该第二电流。

附图说明

图1为现有锁相回路的电荷泵电路的一个实施例。

图2为现有锁相回路的电荷泵电路的另一个实施例。

图3为本发明的电荷泵的电路图。

图4A为本发明的电荷泵的第一实施例。

图4B为本发明的电荷泵的第二实施例。

图4C为本发明的电荷泵的第三实施例。

图4D为本发明的电荷泵的电流源的另一实施例。

图5为本发明的电荷泵的第四实施例。

图6为本发明的电荷泵的第五实施例。

图7为本发明的边缘比较器的一实施例。

附图符号说明

10、20 电荷泵

11、12 电流源

131、132、133、134 开关

14、43 运算放大器

21、22 数字模拟转换器

30、40、40’、40”、50、60 实时电流校准的电荷泵

31、32、61、62、611 电流源

41、41’、411、412、412’、42、421、422 电流源

43 控制电路

51、52 开关模块

53 OP放大器

54 低通滤波器

612 可调电流源

62 控制电路

63 边缘比较器

64 平滑化单元

C1、C2 电容器

R_UP、R_DN、R2 电阻

具体实施方式

图3为本发明的电荷泵的电路图。如该图所示，具有实时电流校准的电荷泵30包含了两个电流源31、32、由控制信号UP控制的开关131、132、由控制信号DN控制的开关133、134、以及一电容器C1。一实施例，该第一电流源31包含一第一电流源311与一阻抗单元Z_UP；另一实施例，该第二电流源32包含一第二电流源321与一阻抗单元Z_DN。第一电流源31连接于开关131、132的第一端；而第二电流源32连接于开关133、134第一端。开关131的第二端与开关133的第二端连接，并形成一第一电流路径，而开关132的第二端与开关134的第二端连接，并形成一第二电流路径。电容器C1连接于第一电流路径藉以经由该第一电流路径充放电，而电流输出端连接于第二电流路径藉以提供一输出电流I_out。

当PLL锁定时，电荷泵30的两个电流源31、32会被开关131、132、133、134周期性地同时切换至第一电流路径或第二电流路径。式(1)可以导出电容C1的电压变化。

$I=C\frac{\mathrm{dV}}{\mathrm{dt}}...\left(1\right)$

而如果电流I_UP、I_DN存在不匹配时，则会有电流流入或流出电容C1，而造成VC的变动。因此，若***藉由调整阻抗单元Z_UP及/或Z_DN使VC保持一固定电压时，就可以抵消电流I_UP与I_DN的不匹配。当然两个阻抗单元Z_UP、Z_DN中的其中之一可省略。当然两个电流源31、32无须皆为可调。该阻抗单元可由一可变电阻、一电阻网络、晶体管与电阻串联、或由其它现有可构成阻抗单元来实施。

图4A为本发明具有回授的机制的电荷泵的第一实施例。如该图所示，电荷泵40包含了一可调电流源41来提供电流I_UP、一第二电流源42来提供电流I_DN、由控制信号UP控制的开关131、132、由控制信号DN控制的开关133、134、一电容器C1、以及一控制单元43。该控制单元43可以为一运算放大器431。电流源41包含一第一电流源411以及一阻抗单元412。阻抗单元412接收该运算放大器431的输出信号。所以，藉由运算放大器431的输出电压来控制流过阻抗单元412的电流。运算放大器431的正输入端连接于电容器C1、负输入端连接于一电压Vdc、以及输出端连接于阻抗单元412。

当电流I_UP、I_DN不匹配时，电容器C1的电压VC会变动。运算放大器431则会随时根据电压VC来控制流过阻抗单元412的电流，让电流I_UP、I_DN匹配。例如，当电流I_UP小于电流I_DN时，电容器C1会放电，使电压VC降低。此时，运算放大器431的输出电压亦会随的降低，使得流过阻抗单元412的电流增加。反之亦然。所以，本发明的电荷泵可实时校准电流I_UP、I_DN的大小使之匹配。

图4B为本发明的电荷泵的第二实施例。该实施例的电荷泵40’与第一实施例的电荷泵40的架构几乎完全相同，其不同点仅是电荷泵40’的运算放大器431的负输入端直接连接到第二电流路径。即，利用电荷泵40’的输出电压V_out来取代电压V_dc。

虽然第一实施例的电荷泵40与第二实施例的电荷泵40’的运算放大器431都是用来调整上方的第一可调电流源41、41’的电流，但若第二电流源亦使用可调电流源，则运算放大器431亦可用来调整下方的可调电流源。请参阅图4C本发明的电荷泵的第三实施例，在此不再重复说明。另一实施例为电流源41与42均为可调电流源时，则运算放大器431亦可同时调整上方的可调电流源与下方的可调电流源。

图4D为本发明的电荷泵的可调电流源的另一实施例。该可调电流源41’包含两个晶体管411、412’、以及一电阻R412’，亦即由晶体管412’与电阻R412’串联来取代阻抗单元412。因此，晶体管412’与电阻R412’的设计就会很有弹性。

图5为本发明的电荷泵的第四实施例。如该图所示，该电荷泵50包含二个电流源、两个开关模块51、52、以及一电容C1。二个电流源共享一OP放大器53的输出极(output stage)的两个晶体管来实现。一实施例，甚至可以把电流不匹配修正(current mismatch correction)及charge sharing removal的电路一起实现。一较佳实施例，为了稳定度的问题及防止电流在开关切换时OP放大器53为开回路(open loop)，可以加上一些低通滤波器54，例如电阻R2及电容C2网络，来使OP放大器53输入固定，进而使控制电流I_UP及I_DN固定。

图6为本发明的电荷泵的第五实施例。如该图所示，具有实时电流校准的电荷泵60包含了两个电流源61、62来提供电流I_UP、I_DN、由控制信号UP控制的开关131、132、由控制信号DN控制的开关133、134、一控制电路62。电流源61包含一第一电流源611与一可调电流源612，其中第一电流源611为定电流源。电流I_UP利用开关131、132切换到第一电流路径与第二电流路径，而电流I_DN利用开关133、134切换到第一电流路径与第二电流路径。

该控制电路62包括一边缘比较器63以及一平滑化单元64。边缘比较器63接收控制信号UP与DN，并比较控制信号UP与DN的边缘后产生一边缘信号。边缘比较器63可以用相位检测器(Phase detector)或相位频率检测器(PFD)来实施，或是以简单的锁存电路(Simple Latch Unit)来实施，如图7所示，其详细描述在此省略。而平滑化单元64接收该边缘信号后，产生一微调控制信号来控制第二电流源612。平滑化单元64可以用被动式的RC低通滤波器或主动式的积分器来实施。

当PLL锁定后，若控制信号UP超前控制信号DN，则边缘信号为高电位，此时微调控制信号会慢慢提升，使电流I_UP减少；反之，若控制信号UP落后控制信号DN，则边缘信号为低电位，此时微调控制信号会慢慢降低，使电流I_UP增加。

当然，图6的实施例是利用微调控制信号来控制电流源61的可调电流源612，亦可将电流源62以电流源61的架构来实施，并利用微调控制信号来控制电流源62的可调电流源。

所以，即使因为环境温度的变化造成电流源的电流变化时，本发明的电荷泵亦会随时调整电流I_UP、I_DN的大小使之匹配。

以上虽以实施例说明本发明，但并不因此限定本发明的范围，只要不脱离本发明的要旨，本领域的技术人员可进行各种变形或变更。

Claims (16)

1.一种电荷泵，包含：

一第一电流源，提供一第一电流；

一第二电流源，用以依据一电流控制信号以提供一第二电流，其中该第二电流实质上等于该第一电流；

一第一电流路径，包括：

一第一开关，位于一第一节点以及该第二电流源之间；以及

一第二开关，位于该第一节点以及该第一电流源之间；

一第二电流路径，包括：

一第三开关，位于一第二节点以及该第二电流源之间；以及

一第四开关，位于该第二节点以及该第一电流源之间；以及

一控制电路，接收并比较该第一节点的电压以及一参考电压，以输出该电流控制信号。

2.如权利要求1所述的电荷泵，该第二电流源包括：

一固定电流源，提供一固定电流；以及

一可调电流源，用以依据该电流控制信号以提供一调整电流。

3.如权利要求2所述的电荷泵，该可调电流源包括：

一第一晶体管；以及

一电阻，与该第一晶体管串联。

4.如权利要求3所述的电荷泵，该电阻依据该电流控制信号以改变其阻值。

5.如权利要求1所述的荷泵，其中该参考电压为一固定电压或是该第二节点的电压。

6.如权利要求1所述的荷泵，其中该第二电流源为一可调电流源，包含一第一阻抗单元与一第一电流源。

7.如权利要求6所述的荷泵，其中该第一阻抗单元为下列阻抗单元的其中之一：一电阻网络、一可变电阻、一晶体管与一电阻串联所组成、以及一晶体管。

8.如权利要求1所述的电荷泵，其中前述控制电路为一运算放大器，该运算放大器的二输入端分别接收该第一节点的电压以及该参考电压、以及输出端用以输出该电流控制信号。

9.如权利要求1所述的电荷泵，还包含一第二阻抗单元，该第二阻抗单元与该第一电流源并联。

10.如权利要求1所述的电荷泵，其中该第一与该第二电流源分别为于一输出级的一第一晶体管与一第二晶体管。

11.如权利要求10所述的电荷泵，其中该输出级位于该控制电路内。

12.一种电荷泵，包含：

一第一电流源，提供一第一电流；

一第二电流源，提供一第二电流；

一第一开关单元，藉由一第一控制信号控制将该第一电流源连接至一第一电流路径或一第二电流路径；

一第二开关单元，藉由一第二控制信号控制将该第二电流源连接至该第一电流路径或该第二电流路径；以及

一控制电路，接收该第一与该第二控制信号，并根据该第一与该第二控制信号来控制该第一电流的电流量，使得该第一电流实质上等于该第二电流。

13.如权利要求12所述的电荷泵，其中该控制电路包括：

一边缘比较器，接收该第一与第二控制信号，并比较该第一控制信号与第二控制信号以产生一边缘信号；以及

一平滑化单元，接收该边缘信号后产生一控制信号，并利用该控制信号来控制该第一电流源的该第一电流。

14.如权利要求13所述的电荷泵，其中该平滑化单元为一低通滤波器、或为一RC电路。

15.如权利要求13所述的电荷泵，其中该边缘比较器为一相位检测器、或为一频率相位比较器、或为一锁存电路。

16.如权利要求12所述的电荷泵，位于一锁相回路内、或位于一延迟锁定回路内。

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