JP2008206035A - Pll回路 - Google Patents

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Abstract

【課題】低電源電圧で高速動作すると共に温度及びプロセス条件の変動の影響を受けにくいPLL回路を提供する。
【解決手段】位相比較器101は、入力される基準クロック信号及び帰還される発振信号の位相を相互に比較した結果に基づいて上昇信号または下降信号を出力する。チャージポンプ102は、入力される信号に応じた大きさの制御電圧を出力する。ループフィルタ103は、入力される制御電圧をフィルタリングする。電圧制御発振器100は、負電圧発生回路105から基準電圧として入力される接地電圧よりも低い電圧と、ループフィルタ103から出力される電圧とに応じた発振周波数の発振信号を出力する。
【選択図】図1

Description

本発明は、PLL(Phase Locked Loop)回路を低電源電圧で高速動作させる技術に関する。
PLL回路はクロック信号の周波数逓倍やスキュー調整などの機能を有しており、半導体集積回路や電子機器に用いられる重要な回路である。近年の電子機器の低電源電圧化、高速化に伴い、PLL回路も低電源電圧化、高速化する必要がある。
例えば、DRAM(Dynamic Random Access Memory)は低電源電圧化、高速化が進んでおり、このDRAM各部の制御を行うために内蔵されているPLL回路の動作マージンが少なくなってきている。
このような低電源電圧に対応したPLL回路として、特許文献1にはチャージポンプの制御電圧レンジが広いPLL回路が開示されている。
一般的に、PLL回路の低電源電圧化と高速化の制約となる主な回路はチャージポンプである。
ここで、PLL回路に用いられる一般的なチャージポンプとループフィルタの回路図を図13に示す。チャージポンプ1100は上昇信号UPに応じて電流Iupをループフィルタ103に対して流出することで制御電圧Vcontを高くし、下降信号DOWNに応じて電流Idownをループフィルタ103から流入させることで制御電圧Vcontを低くする回路である。
また、PLL回路において制御電圧Vcontに接続される電圧制御発振器は、その制御電圧Vcontによって発振周波数が制御される。一般的な電圧制御発振器は、制御電圧Vcontが高くなると発振周波数が高くなる。
特開平08−130465号公報
ところで、上記電圧制御発振器の発振周波数を高くする場合、制御電圧Vcontを高く設定する必要があるが、その結果としてチャージポンプ1100を構成するPMOSトランジスタ1101のドレイン−ソース間電圧Vdsが小さくなる。
この場合のチャージポンプ1100の動作を、図14に示すチャージポンプの流出電流Iup(PMOSトランジスタ1101が流す電流)と流入電流Idown(NMOSトランジスタ1102が流す電流)の制御電圧Vcont依存性を参照して説明する。同図に示す様に、制御電圧Vcontが高くなると、PMOSトランジスタ1101の動作点は例えば飽和領域であるB点から線形領域であるA点(つまり電源電圧VDDに近い領域1200)に移動する。
B点では制御電圧Vcontが変動した場合の流出電流Iupと流入電流Idownの変化量は小さいが、A点では制御電圧Vcontが変動した場合の流出電流Iupの変化量が大きい。
つまり、電圧制御発振器が一定の周波数で発振するために制御電圧Vcontは温度やプロセス条件の変動に依存して変化するので、その変化に伴って流出電流Iupは大きく変化する。また、流出電流Iupは流入電流Idownとの差が大きくなる。
また、電源電圧VDDを下げる場合、上記と同様にチャージポンプを構成するPMOSトランジスタ1101のドレイン−ソース間電圧Vdsが小さくなる。その結果、PMOSトランジスタ1101は線形領域であるA点で動作するようになり、上述した問題が生じる。
つまり、PLL回路の発振周波数を高くして電源電圧を下げると、チャージポンプの流出電流Iupと流入電流Idownは電流値に差を生じる。また、温度やプロセス条件の変動に依存して流出電流Iupの電流値が大きく変化する。これらにより、PLL回路がロックしても位相比較器の出力信号(上昇信号UPと下降信号DOWN)に位相差が生じ、その結果として電圧制御発振器の発振周波数は温度やプロセス条件の変動によりドリフトするという課題があった。
本発明は上記事情を考慮してなされたもので、その目的は、低電源電圧で高速動作すると共に温度及びプロセス条件の変動の影響を受けにくいPLL回路を提供する事である。
本発明は上記の課題を解決するためになされたもので、本発明は、入力される基準クロック信号及び帰還される発振信号の位相を相互に比較した結果に基づいて周波数制御信号を出力する位相比較器と、前記位相比較器に接続され、前記位相比較器から出力される周波数制御信号に応じた大きさの周波数の発振信号を出力する発振回路と、前記発振回路に接続され、前記周波数制御信号に基づいて発生する動作振幅よりも大きな動作振幅を前記発振回路にて発生させるバイアス調整回路と、を備えたことを特徴とするPLL回路である。
本発明によれば、バイアス調整回路により発振回路にて発生する動作振幅を大きくして発振回路が備えるトランジスタを飽和領域で動作させることができ、PLL回路を低電源電圧で高速動作させることができると共に温度及びプロセス条件の変動の影響を受け難くさせることが可能となる。
また、本発明は、上記に記載の発明において、前記発振回路は、前記周波数制御信号が入力されるチャージポンプと、前記チャージポンプから前記周波数制御信号に応じた大きさの制御電圧が入力されるループフィルタと、入力される基準電圧と前記ループフィルタから出力される電圧とに応じた発振周波数の発振信号を出力する電圧制御発振器とを備えており、前記バイアス調整回路は、前記電圧制御発振器の基準電圧端子に前記基準電圧として接地電圧よりも低い電圧を入力することを特徴とする。
本発明によれば、電圧制御発振器の基準電圧を負電圧にしたので制御電圧を低くすることができ、チャージポンプの流出電流を流出させるPMOSトランジスタを飽和領域で動作させることが可能となる。つまり、チャージポンプの流出電流と流入電流は、ほぼ等しくなり、PLL回路を低電源電圧で高速動作させることができると共に温度及びプロセス条件の変動の影響を受け難くさせることが可能となる。
また、本発明は、上記に記載の発明において、前記発振回路は、前記周波数制御信号が入力されるチャージポンプと、前記チャージポンプから前記周波数制御信号に応じた大きさの制御電圧が入力されるループフィルタと、入力される基準電圧と前記ループフィルタから出力される電圧とに応じた発振周波数の発振信号を出力する電圧制御発振器とを備えており、前記バイアス調整回路は、前記チャージポンプの電源端子に電源電圧よりも高い電圧を入力することを特徴とする。
本発明では、チャージポンプの電源端子に入力する電圧をPLL回路のチャージポンプ以外の他の構成要素に対する電源電圧、すなわち電源から供給される電圧よりも高くしたので、チャージポンプの流出電流を流出させるPMOSトランジスタを飽和領域で動作させることが可能となる。つまり、チャージポンプの流出電流と流入電流はほぼ等しくなり、PLL回路を低電源電圧で高速動作させることができると共に温度及びプロセス条件の変動の影響を受け難くさせることが可能となる。
また、本発明は、上記に記載の発明において、前記バイアス調整回路は、前記電圧制御発振器の前記基準電圧端子に前記基準電圧として負電圧を入力する負電圧発生回路であることを特徴とする。
また、本発明は、上記に記載の発明において、前記バイアス調整回路は、前記チャージポンプの前記電源端子に前記電源電圧を昇圧した電圧を入力する昇圧回路であることを特徴とする。
また、本発明は、上記に記載の発明において、前記バイアス調整回路は、調整制御端子から入力される調整信号に応じて、入力端子から入力される電圧の大きさを変化させて前記電圧制御発振器の前記基準電圧端子に前記基準電圧として入力する第1の電圧制御回路と、負電圧を発生させて前記第1の電圧制御回路の前記入力端子に入力する負電圧発生回路と、を備えたことを特徴とする。
本発明では、負電圧の大きさを制御できるので、電圧制御発振器の基準電圧を発振周波数に応じた適正な大きさとすることができる。
また、本発明は、上記に記載の発明において、前記バイアス調整回路は、調整制御端子から入力される調整信号に応じて、入力端子から入力される電圧の大きさを変化させて前記チャージポンプに対して入力する第2の電圧制御回路と、電源電圧を昇圧して前記第2の電圧制御回路の前記入力端子に入力する昇圧回路と、を備えたことを特徴とする。
本発明では、電源電圧以上の電圧の大きさを制御できるので、チャージポンプを駆動する電圧を適正な大きさとすることができる。
また、本発明は、上記に記載の発明において、前記第1の電圧制御回路は、前記調整制御端子にゲート電極とドレイン電極とが接続される第11のNMOSトランジスタと、前記第11のNMOSトランジスタのソース電極にゲート電極とドレイン電極とが接続される第12のNMOSトランジスタと、前記第12のNMOSトランジスタのソース電極にゲート電極とドレイン電極とが接続され、前記電圧制御発振器に出力する出力端子にソース電極が接続される第13のNMOSトランジスタと、前記電圧制御発信器に出力する出力端子にドレイン電極が接続され、前記負電圧発生回路にソース電極が接続される第14のNMOSトランジスタと、一方の入力端子が前記第12のNMOSトランジスタのソース電極と前記第13のNMOSトランジスタのゲート電極とドレイン電極とに接続され、他方の入力端子が接地され、出力端子が前記第14のNMOSトランジスタのゲート電極に接続される増幅器と、を備えたことを特徴とする。
また、本発明は、上記に記載の発明において、前記第2の電圧制御回路は、前記昇圧回路にソース電極が接続され、前記チャージポンプに出力する出力端子にドレイン電極が接続される第11のPMOSトランジスタと、一方の入力端子が前記調整制御端子に接続され、他方の入力端子が前記チャージポンプに出力する出力端子に接続され、出力端子が前記第11のPMOSトランジスタのゲート電極に接続される増幅器と、を備えたことを特徴とする。
また、本発明は、上記に記載の発明において、前記電圧制御発信器は、ソース電極が前記ループフィルタからの入力を受ける入力端子に接続される第1のPMOSトランジスタ及び第2のPMOSトランジスタ及び第3のPMOSトランジスタと、ソース電極が前記基準電圧端子に接続される第1のNMOSトランジスタ及び第2のNMOSトランジスタ及び第3のNMOSトランジスタと、を有し、前記第1のPMOSトランジスタ及び前記第1のNMOSトランジスタのドレイン電極と、前記第2のPMOSトランジスタ及び前記第2のNMOSトランジスタのゲート電極とが接続され、前記第2のPMOSトランジスタ及び前記第2のNMOSトランジスタのドレイン電極と、前記第3のPMOSトランジスタ及び前記第3のNMOSトランジスタのゲート電極とが接続され、前記発振信号を出力する出力端子に、前記第2のPMOSトランジスタ及び前記第2のNMOSトランジスタのドレイン電極が接続され、前記第1のPMOSトランジスタのゲート電極と、前記第1のNMOSトランジスタのドレイン電極とが前記発振信号を出力する出力端子に接続されることを特徴とする。
また、本発明は、上記に記載の発明において、前記周波数制御信号は、前記発振信号の周波数を上昇させる上昇信号、あるいは前記発振信号の周波数を下降させる下降信号であり、前記チャージポンプは、ソース電極が前記電源端子に接続され、バイアス電圧が入力されるバイアス電圧端子にゲート電極が接続される第1のPMOSトランジスタ及び第2のPMOSトランジスタと、ソース電極が前記第2のPMOSトランジスタのドレイン電極に接続され、前記上昇信号がゲート電極に入力される第3のPMOSトランジスタと、ドレイン電極とゲート電極とが前記第1のPMOSトランジスタのドレイン電極に接続され、ソース電極が接地される第1のNMOSトランジスタと、前記下降信号がゲート電極に入力され、ドレイン電極が前記第3のPMOSトランジスタのドレイン電極に接続される第2のNMOSトランジスタと、ソース電極が接地され、ドレイン電極が第2のNMOSトランジスタのソース電極に接続され、ゲート電極が前記第1のNMOSトランジスタのゲート電極に接続される第3のNMOSトランジスタと、を有し、前記第3のPMOSトランジスタのドレイン電極と第2のNMOSトランジスタのドレイン電極とが前記ループフィルタへ出力する出力端子に接続されることを特徴とする。
また、本発明は、入力される基準クロック信号及び帰還される発振信号の位相を相互に比較した結果に基づいて周波数制御信号を出力する位相比較器と、前記周波数制御信号が入力されるチャージポンプと、前記チャージポンプから前記周波数制御信号に応じた大きさの制御電圧が入力されるループフィルタと、入力される基準電圧と前記ループフィルタから出力される電圧とに応じた発振周波数の発振信号を出力する電圧制御発振器と、調整制御端子から入力される調整信号に応じて、入力端子から入力される電圧の大きさを変化させて前記電圧制御発振器の前記基準電圧端子に前記基準電圧として入力する第1の電圧制御回路と、前記第1の電圧制御回路の前記入力端子にバックバイアス電圧を入力する負電圧発生部と、を備えたことを特徴とするDRAMである。
本発明では、DRAMの有する負電圧を電圧制御発振器の基準電圧としたので制御電圧を低くでき、回路を追加することなくチャージポンプの流出電流を流出させるPMOSトランジスタが飽和領域で動作できる。つまり、チャージポンプの流出電流と流入電流はほぼ等しくなり、PLL回路は低電源電圧で高速動作できると共に温度及びプロセス条件の変動の影響を受けにくくなる。
また、本発明は、入力される基準クロック信号及び帰還される発振信号の位相を相互に比較した結果に基づいて周波数制御信号を出力する位相比較器と、前記周波数制御信号が入力されるチャージポンプと、前記チャージポンプから前記周波数制御信号に応じた大きさの制御電圧が入力されるループフィルタと、入力される基準電圧と前記ループフィルタから出力される電圧とに応じた発振周波数の発振信号を出力する電圧制御発振器と、調整制御端子から入力される調整信号に応じて、入力端子から入力される電圧の大きさを変化させて前記チャージポンプに対して入力する第2の電圧制御回路と、前記第2の電圧制御回路の前記入力端子にワード線電圧を入力する高電圧発生部と、を備えたことを特徴とするDRAMである。
本発明では、DRAMの有する他の回路よりも高い電圧によりチャージポンプを駆動する様にしたので、回路を追加することなくチャージポンプの流出電流を流出させるトランジスタが飽和領域で動作できる。つまり、チャージポンプの流出電流と流入電流はほぼ等しくなり、PLL回路は低電源電圧で高速動作できると共に温度及びプロセス条件の変動の影響を受けにくくなる。
本発明によれば、電圧制御発振器の基準電圧を負電圧にしたので制御電圧を低くでき、チャージポンプの流出電流を流出させるトランジスタを飽和領域で動作させることが可能となる。また、チャージポンプの電源電圧を他の回路の電源電圧よりも高くしたので、チャージポンプの流出電流を流出させるトランジスタを飽和領域で動作させることが可能となる。従って、チャージポンプの流出電流と流入電流をほぼ等しくさせることができ、低電源電圧で高速動作させることができると共に温度及びプロセス条件の変動の影響を受け難いPLL回路を提供することができる。
<第1の実施形態>
以下に、図1〜3を参照して本発明の第1の実施形態について説明する。
図1は、本発明の第1の実施形態に係るPLL回路の構成図である。当該PLL回路はチャージポンプタイプのPLL回路である。
同図において、100は電圧制御発振器(VCO;Voltage Controlled Oscillator)、101は位相比較器、102はチャージポンプ、103はループフィルタ、104はループフィルタを構成する容量、105は負電圧発生回路である。
位相比較器101には、基準クロック信号Vinと電圧制御発振器100の発振信号Voutを帰還した帰還発振信号とが入力される。また、位相比較器101の出力信号である上昇信号UPと下降信号DOWNは、電圧制御発振器100から出力される信号の発振周波数を制御する周波数制御信号として、それぞれチャージポンプ102に入力される。また、チャージポンプ102の出力(制御電圧Vcont)は、ループフィルタ103を構成する容量(コンデンサ)104の一端に接続されると共に、電圧制御発振器100に入力される。さらに、容量104の他端は接地される。また、負電圧発生回路105の出力(負電圧Vb)は電圧制御発振器100に基準電圧として入力される。
次に、このPLL回路の動作を説明する。まず、位相比較器101は一対の比較入力にそれぞれ入力された基準クロック信号及び帰還発振信号の位相を相互に比較し、その比較結果に基づいて上昇信号UP又は下降信号DOWNを出力する。例えば、位相比較器101は帰還発振信号の周波数が基準クロック信号の周波数よりも低い場合には上昇信号UPを出力し、帰還発振信号の周波数が基準クロック信号の周波数よりも高い場合には下降信号DOWNを出力する。
次に、チャージポンプ102は位相比較器101が出力する上昇信号UP又は下降信号DOWNに基づいて出力電流を流出又は流入させる。
次に、ループフィルタ103はチャージポンプ102の出力電流を制御電圧Vcontに変換すると共にフィルタリングする。そして、電圧制御発振器100は制御電圧Vcontに応じた周波数の発振信号Voutを生成し、外部に出力すると共に帰還発振信号として位相比較器101に出力する。PLL回路は上記動作を繰り返し、所望の周波数にロックして発振信号Voutを出力する。
また、負電圧発生回路105は接地電圧よりも低い負電圧Vbを発生し、この負電圧Vbは電圧制御発振器100の基準電圧端子から基準電圧として入力される。それにより、電圧制御発振器100は負電圧Vbと制御電圧Vcontの電圧差に応じて発振周波数が決定される。
ここで、電圧制御発振器100の一例について図2を参照して説明する。
図2は、本発明の第1の実施形態に係る電圧制御発振器の回路図である。
同図において、201,203,205はPMOSトランジスタ、202,204,206はNMOSトランジスタである。
PMOSトランジスタ201とNMOSトランジスタ202は、ゲート同士が共通接続されると共にドレイン同士が共通接続される。また、PMOSトランジスタ203とNMOSトランジスタ204はドレイン同士が共通接続され、またゲート同士が共通接続されると共にPMOSトランジスタ201とNMOSトランジスタ202のドレインに接続される。
さらに、PMOSトランジスタ205とNMOSトランジスタ206は、ゲート同士が共通接続されると共にPMOSトランジスタ203とNMOSトランジスタ204のドレインに接続される。また、PMOSトランジスタ205とNMOSトランジスタ206は、ドレイン同士が共通接続されて発振信号Voutを出力すると共にPMOSトランジスタ201とNMOSトランジスタ202のゲートに接続される。
PMOSトランジスタ201,203,205のソース同士は共通接続され、制御電圧Vcontが入力される。また、NMOSトランジスタ202,204,206のソース同士は共通接続されるとともに基準電圧端子に接続され、負電圧Vbが基準電圧として入力される。
ここで、前述した様に負電圧発生回路105を用いて負電圧Vbを発生させ、その負電圧Vbを電圧制御発振器100の基準電圧として入力する事で、発振周波数を変化させずに制御電圧Vcontを上記負電圧Vbだけ下げる事ができる。
つまり、例えば基準電圧が0V、制御電圧Vcont=1.2Vの時に電圧制御発振器100の発振周波数が1.6GHzであった場合、負電圧Vb=−0.5Vを基準電圧とすると制御電圧Vcont=約0.7Vの時に発振周波数が1.6GHzとなる。
即ち、図3に示したPLL回路におけるチャージポンプ電流と制御電圧Vcontの関係図を参照すると、電圧制御発振器100の基準電圧が0Vであった場合にA点であった制御電圧Vcontは、負電圧Vbを基準電圧として用いるとB点に移動するので、線形領域300を避ける事ができると共に流出電流Iupと流入電流Idownがほぼ同じ電流値を示す領域で使用できる。
つまり、負電圧発生回路105を用いることで、チャージポンプ102が有する出力電流を流出させるトランジスタを飽和領域で動作させることができる。
<第2の実施形態>
次に、図4〜6を参照して本発明の第2の実施形態について説明する。
図4は、本発明の第2の実施形態に係るPLL回路の構成図である。当該PLL回路もチャージポンプタイプのPLL回路である。
同図において、400は電圧制御発振器、402はチャージポンプ、405は昇圧回路である。その他の構成要素は図1と共通するので、ここでは説明を省略する。
位相比較器101には、基準クロック信号Vinと電圧制御発振器400の発振信号Voutを帰還した帰還発振信号が入力される。また、位相比較器101の出力信号である上昇信号UPと下降信号DOWNは、それぞれチャージポンプ402に入力される。また、チャージポンプ402の出力(制御電圧Vcont)は、ループフィルタ103を構成する容量104の一端に接続されると共に、電圧制御発振器400に入力される。さらに、容量104の他端は接地される。また、昇圧回路405の出力(電圧Vp)はチャージポンプ402の電源端子から電源電圧として入力される。
このPLL回路の基本的な動作は第1の実施形態と同じであるので説明は省略し、本実施形態特有の動作について説明する。
昇圧回路405は、電源から供給される電源電圧VDD以上の電圧Vpを発生する。そして、チャージポンプ402は昇圧回路405が発生する電圧Vpにより駆動される。つまり、チャージポンプ402は電源電圧Vp(>VDD)で動作し、チャージポンプ402以外の構成要素は、電源電圧VDDで動作する。
ここで、チャージポンプ402の一例について図5を参照して説明する。
図5は、本発明の第2の実施形態に係るチャージポンプとループフィルタの回路図である。
同図において、501,503,504はPMOSトランジスタ、502,505,506はNMOSトランジスタである。その他の構成要素は図4と共通するので、ここでは説明を省略する。
PMOSトランジスタ501,503は、ソース同士が共通接続されて電圧Vpが電源電圧として入力されると共に、ゲート同士が共通接続されてバイアス電圧Vbiasが入力される。PMOSトランジスタ501のドレインは、NMOSトランジスタ502のソースと接続される。NMOSトランジスタ502のゲートは、ドレインに接続されると共にNMOSトランジスタ506のゲートに接続される。NMOSトランジスタ502,506のソースは、それぞれ接地される。
PMOSトランジスタ504は、ソースがPMOSトランジスタ503のドレインと接続されると共に、ドレインがNMOSトランジスタ505のドレインと接続されてループフィルタ103に接続される(制御電圧Vcont)。PMOSトランジスタ504のゲートは、上昇信号UPが入力される。NMOSトランジスタ505のソースは、NMOSトランジスタ506のドレインと接続される。NMOSトランジスタ505のゲートは、下降信号DOWNが入力される。
また、所定のバイアス電圧Vbiasにより、流出電流Iupと流入電流Idownの電流値が決定される。
このチャージポンプは、上昇信号UPが入力されるとPMOSトランジスタ504がオンしてPMOSトランジスタ503が流出電流Iupをループフィルタ103に対して流す。また、下降信号DOWNが入力されるとNMOSトランジスタ505がオンしてNMOSトランジスタ506が流入電流Idownをループフィルタ103から引き込む。
この動作により、チャージポンプは制御電圧Vcontの値を制御する。
ここで、前述した様に、昇圧回路405を用いて電源電圧VDDよりも高い電圧Vpを発生し、その電圧Vpを電源電圧としてチャージポンプ402を駆動する事で、PMOSトランジスタ503のドレイン−ソース間電圧Vdsを大きくできる。
つまり、例えばチャージポンプ402の電源電圧がVp=1.8V、制御電圧Vcont=1.2Vの時、PMOSトランジスタ503のドレイン−ソース間電圧Vdsは約0.6Vであるが、電源電圧をVp=3VとするとPMOSトランジスタ503のドレイン−ソース間電圧Vdsは約1.8Vとなる。
即ち、図6に示したPLL回路におけるチャージポンプ電流と制御電圧Vcontの関係図を参照すると、図6(a)に示す様に、電源電圧がVDDの時には制御電圧VcontはA点であるので線形領域600に位置し、流出電流Iupと流入電流Idownに差がある。しかし、図6(b)に示す様に、電源電圧がVDDよりも大きい電圧Vpの時には制御電圧VcontはA点で変化はないが、線形領域601を避ける事ができると共に流出電流Iupと流入電流Idownがほぼ同じ電流値を示す領域で使用できる。
つまり、昇圧回路405を用いることで、チャージポンプ402が有する出力電流を流出させるPMOSトランジスタ503を飽和領域で動作させることができる。
なお、第1の実施形態のチャージポンプ102とループフィルタ103と電圧制御発振器100からなる回路と、第2実施形態のチャージポンプ402とループフィルタ103と電圧制御発振器400からなる回路を発振回路とみなした場合、第1の実施形態の負電圧発生回路105と第2の実施形態の昇圧回路405とは、当該発振回路に対して負電圧あるいは電源電圧よりも高い電圧を供給するバイアス調整回路として機能する。このバイアス調整回路により電圧制御発振器100の出力である帰還発振信号、あるいはチャージポンプ102からの出力である制御電圧の動作振幅を大きくすることができ、これにより、チャージポンプ102あるいはチャージポンプ402の出力電流を流出させるトランジスタを飽和領域で動作させることが可能となる。
<第3の実施形態>
次に、図7,8を参照して本発明の第3の実施形態について説明する。
図7は、本発明の第3の実施形態に係るPLL回路の構成図である。
同図において、700は電圧制御回路(負電圧制御部)である。その他の構成要素は図1と共通するので、ここでは説明を省略する。
位相比較器101には、基準クロック信号Vinと電圧制御発振器100の発振信号Voutを帰還した帰還発振信号とが入力される。また、位相比較器101の出力信号である上昇信号UPと下降信号DOWNは、それぞれチャージポンプ102に入力される。また、チャージポンプ102の出力(制御電圧Vcont)は、ループフィルタ103を構成する容量104の一端に接続されると共に、電圧制御発振器100に入力される。さらに、容量104の他端は接地される。また、負電圧発生回路105の出力(負電圧VB)は電圧制御回路700に入力される。また、電圧制御回路700の出力(負電圧Vb)は電圧制御発振器100に基準電圧として入力される。さらに、プログラマブル電圧Vprogが電源制御回路700の調整制御端子を通じて電圧制御回路700に入力される。
なお、このPLL回路はチャージポンプタイプのPLL回路である。
このPLL回路の基本的な動作は第1の実施形態と同じであるので説明は省略し、本実施形態特有の動作について説明する。
負電圧発生回路105は負電圧VBを発生する。電圧制御回路700は、この負電圧VBの大きさをプログラマブル電圧Vprogの大きさに応じて制御して負電圧Vbに変更する。この負電圧Vbは、電圧制御発振器100に基準電圧として入力される。それにより、電圧制御発振器100は負電圧Vbと制御電圧Vcontの電圧差に応じて発振周波数が決定される。
ここで、電圧制御回路700の一例について図8を参照して説明する。
図8は、電圧制御回路700の回路図である。
同図において、800は増幅器、801〜804はNMOSトランジスタである。
NMOSトランジスタ801のゲートとドレインは接続されると共に調整制御端子に接続され、プログラマブル電圧Vprogが入力される。また、NMOSトランジスタ802のゲートとドレインは接続されると共にNMOSトランジスタ801のソースに接続される。また、NMOSトランジスタ803のゲートとドレインは接続されると共にNMOSトランジスタ802のソースと増幅器800の一方の入力端とに接続される。
さらに、増幅器800の他方の入力端は接地され、増幅器800の出力端はNMOSトランジスタ804のゲートに接続される。また、NMOSトランジスタ804のドレインはNMOSトランジスタ803のソースと接続されると共に負電圧Vbを出力する。また、NMOSトランジスタ804のソースには負電圧VBが入力される。
なお、この例ではNMOSトランジスタ801〜803のトランジスタサイズは等しいものとする。
次に、この電圧制御回路700の動作を説明する。まず、調整制御端子から入力されるプログラマブル電圧Vprog=0.8V、負電圧VB=−0.5Vの場合を考える。増幅器800の他方の入力端は接地されているため、増幅器800の一方の入力端の電圧は0Vとなる。つまり、NMOSトランジスタ803のゲート電圧とドレイン電圧は0Vである。したがって、プログラマブル電圧VprogとNMOSトランジスタ801,802の抵抗値に応じた電流がNMOSトランジスタ801〜803に流れ、その電流はNMOSトランジスタ804を流れる。
ここで、NMOSトランジスタ801〜803のトランジスタサイズが等しいので、NMOSトランジスタ801,802によって生じる電圧降下は0.8Vであり、NMOSトランジスタ803に生じる電圧降下は0.4Vである。つまり、負電圧Vbは−0.4Vとなる。
同様にして、プログラマブル電圧Vprogを変更すれば、負電圧Vbを変化させることができる。例えば、プログラマブル電圧Vprog=0.7Vの時には負電圧Vb=−0.35Vであり、プログラマブル電圧Vprog=0.6Vの時には負電圧Vb=−0.3Vとなる。
この回路によれば、電圧制御発振器100の基準電圧を発振周波数に応じた適正な大きさにプログラマブルに調整できる。
即ち、第1の実施形態と同様に、図3に示したPLL回路におけるチャージポンプ電流と制御電圧Vcontの関係図を参照すると、電圧制御発振器100の基準電圧が0Vであった場合にA点であった制御電圧Vcontは、負電圧Vbを基準電圧として用いるとB点に移動するので、線形領域300を避ける事ができると共に流出電流Iupと流入電流Idownがほぼ同じ電流値を示す領域で使用できる。
つまり、負電圧発生回路105と電圧制御回路700とを用いることで、チャージポンプ102が有する出力電流を流出させるトランジスタを飽和領域で動作させることができる。なお、本発明の第1の電圧制御回路は、電圧制御回路700に対応する。また、NMOSトランジスタ801〜803のサイズはそれぞれ異なっても良い。
<第4の実施形態>
次に、図9,10を参照して本発明の第4の実施形態について説明する。
図9は、本発明の第4の実施形態に係るPLL回路の構成図である。
同図において、900は電圧制御回路(電圧制御部)である。その他の構成要素は図4と共通するので、ここでは説明を省略する。
位相比較器101には、基準クロック信号Vinと電圧制御発振器400の発振信号Voutを帰還した帰還発振信号が入力される。また、位相比較器101の出力信号である上昇信号UPと下降信号DOWNは、それぞれチャージポンプ402に入力される。また、チャージポンプ402の出力(制御電圧Vcont)は、ループフィルタ103を構成する容量104の一端に接続されると共に、電圧制御発振器400に入力される。さらに、容量104の他端は接地される。また、昇圧回路405の出力(電圧VP)は電圧制御回路900に入力される。また、電圧制御回路の出力(電圧Vp)はチャージポンプ402に電源電圧として入力される。さらに、調整制御端子から入力されるプログラマブル電圧Vprogが電圧制御回路700に入力される。
なお、このPLL回路はチャージポンプタイプのPLL回路である。
このPLL回路の基本的な動作は第1の実施形態と同じであるので説明は省略し、本実施形態特有の動作について説明する。
昇圧回路405は、電源電圧VDD以上の電圧VPを発生する。電圧制御回路900は、この電圧VPの大きさをプログラマブル電圧Vprogの大きさに応じて制御して電圧Vpに変更する。そして、チャージポンプ402は電圧制御回路900が出力する電圧Vpにより駆動される。つまり、チャージポンプ402は電源電圧Vp(>VDD)で動作し、チャージポンプ402以外の構成要素は、電源電圧VDDで動作する。
ここで、電圧制御回路900の一例について図10を参照して説明する。
図10は、電圧制御回路900の回路図である。
同図において、1000は増幅器、1001はPMOSトランジスタである。
増幅器1000の一方の入力端は、電源制御回路900の調整制御端子としてプログラマブル電圧Vprogが入力され、増幅器1000の他方の入力端はPMOSトランジスタ1001のドレインに接続されると共に電圧Vpを出力する。また、増幅器1000の出力端はPMOSトランジスタ1001のゲートに接続される。また、PMOSトランジスタ1001のソースには電圧VPが入力される。
次に、この電圧制御回路900の動作を説明する。まず、プログラマブル電圧Vprog=2.5V、電圧VP=3.0Vの場合を考える。増幅器1000の一方の入力端にはプログラマブル電圧Vprog=2.5Vが入力されるので、増幅器1000の他方の入力端の電圧である電圧Vpも2.5Vとなる。
同様に、プログラマブル電圧Vprogを変更すれば、電圧Vpを変化させることができる。例えば、プログラマブル電圧Vprog=2.8Vの時には電圧Vp=2.8Vとなる。つまり、この回路によれば、チャージポンプ402の電源電圧の大きさをプログラマブルに調整できる。
即ち、本実施形態では第2の実施形態と同様に、図6(b)に示すA点の様に線形領域601を避ける事ができると共に流出電流Iupと流入電流Idownがほぼ同じ電流値を示す領域で使用できる。
つまり、昇圧回路405と電圧制御回路900を用いることで、チャージポンプ402が有する出力電流を流出させるPMOSトランジスタ503を飽和領域で動作させることができる。なお、本発明の第2の電圧制御回路は、電圧制御回路900に対応する。
<第5の実施形態>
次に、図11を参照して本発明の第5の実施形態について説明する。
この実施形態は、DRAMが内蔵するPLL回路に関するものである。
図11は、本発明の第5の実施形態に係るDRAM及びDRAMが内蔵するPLL回路のブロック図である。
同図において、2000はDRAM、2100は高電圧発生部、2200は負電圧発生部、2300はPLL回路である。その他の構成要素は図7と共通するので、ここでは説明を省略する。また、図示した構成要素以外のDRAM2000の構成要素は記載を省略している。
DRAM2000は、各部を制御するためのPLL回路2300を備えている。PLL回路2300は、第3の実施形態において説明したPLL回路から負電圧発生回路105を除いた構成を有している。
また、DRAM2000は負電圧であるバックバイアス電圧Vbbを発生する負電圧発生部2200と、電源電圧VDDよりも高い電圧であるワード線電圧Vppを発生する高電圧発生部2100とを備えている。周知の様に、バックバイアス電圧Vbbとワード線電圧VppはDRAM2000への情報の書き込み、読み出し、消去等の動作に用いられる電圧である。例えば、電源電圧VDD=1.8Vで動作するDRAMの場合、バックバイアス電圧Vbbは−0.5Vであり、ワード線電圧Vppは3Vである。
ここで、上記バックバイアス電圧Vbbを第3の実施形態で説明したように電圧制御回路700に入力する事で、負電圧発生回路105を用いずに本発明に係るPLL回路を実現できる。即ち、電圧制御発振器100は、PLL回路2300が制御するDRAM2000の有する負電圧を基準電圧とする。
この構成によれば、第1の実施形態と同様に、図3に示す様に電圧制御発振器100の基準電圧が0Vであった場合にA点であった制御電圧Vcontは、負電圧Vbを基準電圧として用いるとB点に移動するので、線形領域300を避ける事ができると共に流出電流Iupと流入電流Idownがほぼ同じ電流値を示す領域で使用できる。
なお、第1の実施形態と同様に、電圧制御回路700を用いずにバックバイアス電圧Vbbを電圧制御発振器100の基準電圧として直接印加しても良い。
<第6の実施形態>
次に、図12を参照して本発明の第6の実施形態について説明する。
この実施形態は、DRAMが内蔵するPLL回路に関するものである。
図12は、本発明の第6の実施形態に係るDRAM及びDRAMが内蔵するPLL回路のブロック図である。
同図において、3000はDRAM、3100はPLL回路である。その他の構成要素は図9,11と共通するので、ここでは説明を省略する。また、図示した構成要素以外のDRAM3000の構成要素は記載を省略している。
DRAM3000は、各部を制御するためのPLL回路3100を備えている。PLL回路3100は、第4の実施形態において説明したPLL回路から昇圧回路405を除いた構成を有している。
また、第5の実施形態と同様に、DRAM3000は負電圧であるバックバイアス電圧Vbbを発生する負電圧発生部2200と、電源電圧VDDよりも高い電圧であるワード線電圧Vppを発生する高電圧発生部2100とを備えている。
本実施形態では、上記ワード線電圧Vppを電圧制御回路900に入力する事で、昇圧回路405を用いずに本発明に係るPLL回路を実現できる。即ち、チャージポンプ402は、PLL回路3100が制御するDRAM3000の有する電源電圧以上の電圧により駆動される。
この構成によれば、第2の実施形態と同様に、図6(b)に示すA点の様に線形領域601を避ける事ができると共に流出電流Iupと流入電流Idownがほぼ同じ電流値を示す領域で使用できる。
なお、第2の実施形態と同様に、電圧制御回路900を用いずにワード線電圧Vppをチャージポンプ402の電源電圧として直接印加し、チャージポンプ402がワード線電圧Vppにより駆動される様に構成しても良い。
以上、本発明の実施形態を詳述してきたが、具体的な構成は本実施形態に限られるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲の設計変更等も含まれる。
例えば、電圧制御発振器とチャージポンプは上述した回路構成に限らない。
また、PLL回路の構成も上述した構成に限らず、電圧制御発振器の出力信号を分周器によって分周してから位相比較器に入力しても良く、基準クロック信号を分周器によって分周してから位相比較器に入力しても良い。
また、負電圧Vb,VB、電圧Vp,VP、バックバイアス電圧Vbb、ワード線電圧Vppの電圧値は一例であり、その他の電圧値であっても良い。
さらに、PLL回路は上述してきた各実施形態の構成要素を同時に備えても良い。
なお、本発明の発振回路とは、第1の実施形態及び第3の実施形態においては、チャージポンプ102とループフィルタ103と電圧制御発振器100からなる回路に対応し、第2実施形態及び第4の実施形態においては、チャージポンプ402とループフィルタ103と電圧制御発振器400からなる回路に対応する。また、本発明のバイアス調整回路とは、第1の実施形態においては、負電圧発生回路105に対応し、第2の実施形態においては、昇圧回路405に対応し、第3の実施形態においては、電圧制御回路700(第1の電圧制御回路)と負電圧発生回路105からなる回路に対応し、第4の実施形態においては、電圧制御回路900(第2の電圧制御回路)と昇圧回路405に対応する。
また、本発明の電圧制御発信器の第1のPMOSトランジスタは、PMOSトランジスタ201に対応し、第2のPMOSトランジスタは、PMOSトランジスタ203に対応し、第3のPMOSトランジスタは、PMOSトランジスタ205に対応し、第1のNMOSトランジスタは、NMOSトランジスタ202に対応し、第2のNMOSトランジスタは、NMOSトランジスタ204に対応し、第3のNMOSトランジスタは、NMOSトランジスタ206に対応する。
また、本発明のチャージポンプの第1のPMOSトランジスタは、PMOSトランジスタ501に対応し、第2のPMOSトランジスタは、PMOSトランジスタ503に対応し、第3のPMOSトランジスタは、PMOSトランジスタ504に対応し、第1のNMOSトランジスタは、NMOSトランジスタ502に対応し、第2のNMOSトランジスタは、NMOSトランジスタ505に対応し、第3のNMOSトランジスタは、NMOSトランジスタ506に対応する。
また、本発明の第1の電圧制御回路の第11のNMOSトランジスタは、NMOSトランジスタ801に対応し、第12のNMOSトランジスタは、NMOSトランジスタ802に対応し、第13のNMOSトランジスタは、NMOSトランジスタ803に対応し、第14のNMOSトランジスタは、NMOSトランジスタ804に対応し、増幅器は、増幅器800に対応する。
また、本発明の第2の電圧制御回路の第11のPMOSトランジスタは、PMOSトランジスタ1001に対応し、増幅器は、増幅器1000に対応する。
本発明の第1の実施形態に係るPLL回路の構成図である。 同上の電圧制御発振器の回路図である。 同上のPLL回路におけるチャージポンプ電流と制御電圧Vcontの関係図である。 本発明の第2の実施形態に係るPLL回路の構成図である。 同上のチャージポンプとループフィルタの回路図である。 同上のPLL回路におけるチャージポンプ電流と制御電圧Vcontの関係図である。 本発明の第3の実施形態に係るPLL回路の構成図である。 同上の電圧制御回路の回路図である。 本発明の第4の実施形態に係るPLL回路の構成図である。 同上の電圧制御回路の回路図である。 本発明の第5の実施形態に係るDRAM及びDRAMが内蔵するPLL回路のブロック図である。 本発明の第6の実施形態に係るDRAM及びDRAMが内蔵するPLL回路のブロック図である。 従来技術に係るPLL回路に用いられる一般的なチャージポンプとループフィルタの回路図である。 同上のチャージポンプの流出電流Iupと流入電流Idownの制御電圧Vcont依存特性図である。
符号の説明
100,400;電圧制御発振器、101;位相比較器、102,402;チャージポンプ、103;ループフィルタ、104;ループフィルタを構成する容量、105;負電圧発生回路、201,203,205,501,503,504;PMOSトランジスタ、202,204,206,502,505,506;NMOSトランジスタ、300,600,601;線形領域、405;昇圧回路、700;電圧制御回路(負電圧制御部)、900:電圧制御回路(電圧制御部)、2000,3000;DRAM、2100;高電圧発生部、2200;負電圧発生部、2300,3100;PLL回路。

Claims (13)

  1. 入力される基準クロック信号及び帰還される発振信号の位相を相互に比較した結果に基づいて周波数制御信号を出力する位相比較器と、
    前記位相比較器に接続され、前記位相比較器から出力される周波数制御信号に応じた大きさの周波数の発振信号を出力する発振回路と、
    前記発振回路に接続され、前記周波数制御信号に基づいて発生する動作振幅よりも大きな動作振幅を前記発振回路にて発生させるバイアス調整回路と、
    を備えたことを特徴とするPLL回路。
  2. 前記発振回路は、
    前記周波数制御信号が入力されるチャージポンプと、
    前記チャージポンプから前記周波数制御信号に応じた大きさの制御電圧が入力されるループフィルタと、
    入力される基準電圧と前記ループフィルタから出力される電圧とに応じた発振周波数の発振信号を出力する電圧制御発振器とを備えており、
    前記バイアス調整回路は、
    前記電圧制御発振器の基準電圧端子に前記基準電圧として接地電圧よりも低い電圧を入力する
    ことを特徴とする請求項1に記載のPLL回路。
  3. 前記発振回路は、
    前記周波数制御信号が入力されるチャージポンプと、
    前記チャージポンプから前記周波数制御信号に応じた大きさの制御電圧が入力されるループフィルタと、
    入力される基準電圧と前記ループフィルタから出力される電圧とに応じた発振周波数の発振信号を出力する電圧制御発振器とを備えており、
    前記バイアス調整回路は、
    前記チャージポンプの電源端子に電源電圧よりも高い電圧を入力する
    ことを特徴とする請求項1に記載のPLL回路。
  4. 前記バイアス調整回路は、
    前記電圧制御発振器の前記基準電圧端子に前記基準電圧として負電圧を入力する負電圧発生回路である
    ことを特徴とする請求項2に記載のPLL回路。
  5. 前記バイアス調整回路は、
    前記チャージポンプの前記電源端子に前記電源電圧を昇圧した電圧を入力する昇圧回路である
    ことを特徴とする請求項3に記載のPLL回路。
  6. 前記バイアス調整回路は、
    調整制御端子から入力される調整信号に応じて、入力端子から入力される電圧の大きさを変化させて前記電圧制御発振器の前記基準電圧端子に前記基準電圧として入力する第1の電圧制御回路と、
    負電圧を発生させて前記第1の電圧制御回路の前記入力端子に入力する負電圧発生回路と、
    を備えたことを特徴とする請求項2に記載のPLL回路。
  7. 前記バイアス調整回路は、
    調整制御端子から入力される調整信号に応じて、入力端子から入力される電圧の大きさを変化させて前記チャージポンプに対して入力する第2の電圧制御回路と、
    電源電圧を昇圧して前記第2の電圧制御回路の前記入力端子に入力する昇圧回路と、
    を備えたことを特徴とする請求項3に記載のPLL回路。
  8. 前記第1の電圧制御回路は、
    前記調整制御端子にゲート電極とドレイン電極とが接続される第11のNMOSトランジスタと、
    前記第11のNMOSトランジスタのソース電極にゲート電極とドレイン電極とが接続される第12のNMOSトランジスタと、
    前記第12のNMOSトランジスタのソース電極にゲート電極とドレイン電極とが接続され、前記電圧制御発振器に出力する出力端子にソース電極が接続される第13のNMOSトランジスタと、
    前記電圧制御発信器に出力する出力端子にドレイン電極が接続され、前記負電圧発生回路にソース電極が接続される第14のNMOSトランジスタと、
    一方の入力端子が前記第12のNMOSトランジスタのソース電極と前記第13のNMOSトランジスタのゲート電極とドレイン電極とに接続され、他方の入力端子が接地され、出力端子が前記第14のNMOSトランジスタのゲート電極に接続される増幅器と、
    を備えたことを特徴とする請求項6に記載のPLL回路。
  9. 前記第2の電圧制御回路は、
    前記昇圧回路にソース電極が接続され、前記チャージポンプに出力する出力端子にドレイン電極が接続される第11のPMOSトランジスタと、
    一方の入力端子が前記調整制御端子に接続され、他方の入力端子が前記チャージポンプに出力する出力端子に接続され、出力端子が前記第11のPMOSトランジスタのゲート電極に接続される増幅器と、
    を備えたことを特徴とする請求項7に記載のPLL回路。
  10. 前記電圧制御発信器は、
    ソース電極が前記ループフィルタからの入力を受ける入力端子に接続される第1のPMOSトランジスタ及び第2のPMOSトランジスタ及び第3のPMOSトランジスタと、
    ソース電極が前記基準電圧端子に接続される第1のNMOSトランジスタ及び第2のNMOSトランジスタ及び第3のNMOSトランジスタと、を有し、
    前記第1のPMOSトランジスタ及び前記第1のNMOSトランジスタのドレイン電極と、前記第2のPMOSトランジスタ及び前記第2のNMOSトランジスタのゲート電極とが接続され、
    前記第2のPMOSトランジスタ及び前記第2のNMOSトランジスタのドレイン電極と、前記第3のPMOSトランジスタ及び前記第3のNMOSトランジスタのゲート電極とが接続され、
    前記発振信号を出力する出力端子に、前記第2のPMOSトランジスタ及び前記第2のNMOSトランジスタのドレイン電極が接続され、
    前記第1のPMOSトランジスタのゲート電極と、前記第1のNMOSトランジスタのドレイン電極とが前記発振信号を出力する出力端子に接続される
    ことを特徴とする請求項2、4、6、8のいずれか1つに記載のPLL回路。
  11. 前記周波数制御信号は、前記発振信号の周波数を上昇させる上昇信号、あるいは前記発振信号の周波数を下降させる下降信号であり、
    前記チャージポンプは、
    ソース電極が前記電源端子に接続され、バイアス電圧が入力されるバイアス電圧端子にゲート電極が接続される第1のPMOSトランジスタ及び第2のPMOSトランジスタと、
    ソース電極が前記第2のPMOSトランジスタのドレイン電極に接続され、前記上昇信号がゲート電極に入力される第3のPMOSトランジスタと、
    ドレイン電極とゲート電極とが前記第1のPMOSトランジスタのドレイン電極に接続され、ソース電極が接地される第1のNMOSトランジスタと、
    前記下降信号がゲート電極に入力され、ドレイン電極が前記第3のPMOSトランジスタのドレイン電極に接続される第2のNMOSトランジスタと、
    ソース電極が接地され、ドレイン電極が第2のNMOSトランジスタのソース電極に接続され、ゲート電極が前記第1のNMOSトランジスタのゲート電極に接続される第3のNMOSトランジスタと、を有し、
    前記第3のPMOSトランジスタのドレイン電極と第2のNMOSトランジスタのドレイン電極とが前記ループフィルタへ出力する出力端子に接続される
    ことを特徴とする請求項3、5、7、9のいずれか1つに記載のPLL回路。
  12. 入力される基準クロック信号及び帰還される発振信号の位相を相互に比較した結果に基づいて周波数制御信号を出力する位相比較器と、
    前記周波数制御信号が入力されるチャージポンプと、
    前記チャージポンプから前記周波数制御信号に応じた大きさの制御電圧が入力されるループフィルタと、
    入力される基準電圧と前記ループフィルタから出力される電圧とに応じた発振周波数の発振信号を出力する電圧制御発振器と、
    調整制御端子から入力される調整信号に応じて、入力端子から入力される電圧の大きさを変化させて前記電圧制御発振器の前記基準電圧端子に前記基準電圧として入力する第1の電圧制御回路と、
    前記第1の電圧制御回路の前記入力端子にバックバイアス電圧を入力する負電圧発生部と、
    を備えたことを特徴とするDRAM。
  13. 入力される基準クロック信号及び帰還される発振信号の位相を相互に比較した結果に基づいて周波数制御信号を出力する位相比較器と、
    前記周波数制御信号が入力されるチャージポンプと、
    前記チャージポンプから前記周波数制御信号に応じた大きさの制御電圧が入力されるループフィルタと、
    入力される基準電圧と前記ループフィルタから出力される電圧とに応じた発振周波数の発振信号を出力する電圧制御発振器と、
    調整制御端子から入力される調整信号に応じて、入力端子から入力される電圧の大きさを変化させて前記チャージポンプに対して入力する第2の電圧制御回路と、
    前記第2の電圧制御回路の前記入力端子にワード線電圧を入力する高電圧発生部と、
    を備えたことを特徴とするDRAM。
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