JPH11274920A - Pllのチャージポンプ回路 - Google Patents

Pllのチャージポンプ回路

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JPH11274920A
JPH11274920A JP10079787A JP7978798A JPH11274920A JP H11274920 A JPH11274920 A JP H11274920A JP 10079787 A JP10079787 A JP 10079787A JP 7978798 A JP7978798 A JP 7978798A JP H11274920 A JPH11274920 A JP H11274920A
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current mirror
nmos
analog switch
drain
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Hirotaka Harada
裕高 原田
Susumu Tanimoto
晋 谷本
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  • Stabilization Of Oscillater, Synchronisation, Frequency Synthesizers (AREA)

Abstract

(57)【要約】 【課題】 レイアウト面積の大半を占めてしまうオペア
ンプを用いることなく、アナログスイッチの寄生容量に
よって発生する電流を低減し、出力波形に生じるオーバ
ーシュートを抑えて安定に動作させる。 【解決手段】 フィルタ回路部(LPF)に接続された
第1のカレントミラー回路(PMOS7,9)と、フィ
ルタ回路部(LPF)に接続された第2のカレントミラ
ー回路(NMOS12,13)と、第1のカレントミラ
ー回路のゲート間に接続された第1のアナログスイッチ
回路部(CMOS8a,PMOS8b)と、第2のカレ
ントミラー回路のゲート間に接続された第2のアナログ
スイッチ回路部(CMOS8c,NMOS8d)とを備
える。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は、PLLのチャージ
ポンプ回路に関し、特に位相あわせ,てい倍,クロック
リカバリ等を要する集積回路で使用されるPLLのチャ
ージポンプ回路に関するものである。
【0002】
【従来の技術】従来、位相合わせ、てい倍、クロックリ
カバリー等を要するCMOSICにおいては、周波数の
制御にPLL(Phase Locked Loop)
が使用されている。
【0003】図7は、一般的なPLLの基本構成を示す
ブロック図である。同図に示すように、PLL1は位相
周波数比較器(以下、PDという)2、インバータ3、
チャージポンプ回路4、ローパスフィルタ(以下、LP
Fという)5、電圧制御発振器(以下、VCOという)
6および分周器6aによって構成されている。
【0004】PD2は、基準クロックの位相と分周器6
aの出力の位相を比較し、基準クロックに比べて分周器
出力の位相が遅れていると、周波数を上げるパルス(以
下、UP信号という)を出力し、逆に基準クロックに比
べて分周器出力の位相が進んでいると周波数を下げるパ
ルス(以下、DN信号という)を出力する。なお、UP
信号については、インバータ3によって反転されたもの
が使用される。
【0005】チャージポンプ回路4は、その後段に抵抗
5aおよびコンデンサ5bからなるLPF5が接続され
ており、DN信号が供給されたときはLPF5から電荷
を抜き取り、逆に、反転されたUP信号が供給されたと
きはLPF5に電荷を供給する装置である。チャージポ
ンプ回路4から出力されたパルスは、LPF5によって
直流のアナログ信号に変換されることになる。
【0006】VCO6は、LPF5から出力されたアナ
ログ信号が供給され、一定周波数の信号を出力する。分
周器6aは、カウンタで構成されており、VCO6の出
力を1/N(N:任意の自然数)に分周してから分周器
出力としてPD2に供給する。
【0007】このように、PLL1では、PD2,チャ
ージポンプ回路4,VCO6および分周器6aによって
1個のループが形成され、このループによってPD2の
2つの入力信号の位相が同じになるように、すなわち2
つの入力信号の周波数が同じになるように制御される。
したがって、VCO6の出力は入力周波数のN倍とな
り、このNの値を任意に設定することによって入力周波
数の任意の自然数倍の周波数を得ることができる。
【0008】ここで、従来のチャージポンプ回路の特性
について説明する。図8は、従来のチャージポンプ回路
の構成を示す回路図である。同図(a),(b)に示す
ように、電源VDDには定電流源22が接続され、この
定電流源22にはPMOS20のソースが接続されてい
る。一方、グランドには定電流源23が接続され、この
定電流源23にはNMOS21のソースが接続されてい
る。そして、PMOS20およびNMOS21の両者の
ドレインは、後段のLPFに接続されている。
【0009】さて、同図(a)においては、反転された
UP信号が供給された場合を模式的に示している。すな
わち、反転されたUP信号が「L」レベルの場合、LP
Fに対して電荷を供給するため、アナログスイッチであ
るPMOS20がオン状態となって電流iOHがLPFに
供給される。ところで、節点Cと電源VDDとの間に
は、寄生容量(ここでは、Cfpという)が存在する。
PMOS20がオフからオン状態に切り替わると、PM
OS20のソース側、すなわち節点Cの電位は、電源電
位からフィルターの電位に変化するため、この電位差と
Cfpとをかけた電流(ここでは、iCfp という)も一
気にLPFに流れ込むことになる。
【0010】同様に、図8(b)においては、DN信号
が供給された場合を模式的に示している。すなわち、D
N信号が「H」レベルの場合、LPFから電荷を吸い上
げるため、アナログスイッチであるNMOS21がオン
状態となって電流iOLがLPFから吸い上げられる。と
ころで、節点Dとグランドとの間には、寄生容量(ここ
では、Cfnという)が存在する。NMOS21がオフ
からオン状態に切り替わるとNMOS21のソース側、
すなわち節点Dの電位は、グランドの電位からフィルタ
ーの電位に変化するため、この電位差とCfnとをかけ
た電流(ここでは、iCfn という)も一気にLPFから
吸い上げられることになる。
【0011】その結果、チャージポンプ回路の出力には
次のような問題点が発生する。図9は、図8に係るチャ
ージポンプ回路の出力電流を示す波形図である。同図に
示すように、電流iCfp,iCfnが発生すると、出力電流
中にオーバーシュートが生じてしまう。その結果、この
ような出力電流の供給されたVCOでは、その出力にジ
ッタが生じて、位相制御を永久に繰り返し、システム上
の問題が発生することになる。
【0012】前述のように図8において、オーバーシュ
ートによる電流の値は、LPFの電位と電源電圧との電
位差に寄生容量の大きさをかけた値となる。そのため、
スイッチがオフ状態のときに節点C,Dの電位をLPF
の電位と等しくすればオーバーシュートをなくすことが
できる。そこで、従来においてはこのような観点に基づ
いて、図10に示すようなチャージポンプ回路が新たに
提案されるに至った。
【0013】図10は、出力電流中のオーバーシュート
を抑制する機能を備えた従来のチャージポンプ回路を示
す回路図である。同図に示すように、電源VDDとグラ
ンドの間に設けられた2個の定電流源32,33の間に
は、アナログスイッチであるCMOS30,31が直列
に接続され、また定電流源32にはCMOS34が接続
され、定電流源33にはCMOS35が接続されてい
る。さらに、CMOS30,31の間にはオペアンプ
(以下、OPという)36の非反転入力端子が接続さ
れ、この非反転入力端子にはLPFが接続されている。
OP36の出力端子には反転入力端子およびCMOS3
4,35が接続されている。
【0014】ところで、OP36中には発振防止用の位
相補償用容量(図示せず)が設けられている。
【0015】また、CMOS30,31とCMOS3
4,35とは、互いに逆相で動作するスイッチである。
すなわち、CMOS30,31がオフしている状態で
は、それぞれCMOS34,35がオン状態となり、O
P36で帰還をかけることによって節点E,Gの電位は
節点F(すなわち、LPFの電位)と等しくなるように
働く。そのため、CMOS30,31がオン状態になっ
ても、節点E,Gの電位に変化は起こらず、出力電流に
オーバーシュートが発生することはない。
【0016】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、実際に
このようなチャージポンプ回路をチップ上にレイアウト
した場合、OP36中のコンデンサは例えばその容量が
6pF程度あるため、レイアウト面積に対するコンデン
サの占有面積が大きくなってしまい、チップの小型化の
障害になるという問題点があった。本発明は、このよう
な課題を解決するためのものであり、レイアウト面積の
大半を占めてしまうオペアンプを用いることなく、アナ
ログスイッチの寄生容量によって発生する電流を低減
し、出力波形に生じるオーバーシュートを抑えて安定に
動作させることができるPLLのチャージポンプ回路を
提供することを目的とする。
【0017】
【課題を解決するための手段】このような目的を達成す
るために、本発明に係るPLLのチャージポンプ回路
は、前段に接続された位相周波数比較器の出力パルスに
応じて、後段に接続されたフィルタ回路部に電流を供給
するPLLのチャージポンプ回路において、上記フィル
タ回路部に接続された第1のカレントミラー回路と、上
記フィルタ回路部に接続された第2のカレントミラー回
路と、上記第1のカレントミラー回路のゲート間に接続
された第1のアナログスイッチ回路部と、上記第2のカ
レントミラー回路のゲート間に接続された第2のアナロ
グスイッチ回路部とを備えている。このように構成する
ことにより本発明は、オペアンプを使用する必要がない
ため、チップ上におけるレイアウト面積を小さくするこ
とができる。また、本発明の構成では、出力波形にオー
バーシュートが発生せず動作が安定する。
【0018】
【発明の実施の形態】次に、本発明の一つの実施の形態
について図を用いて説明する。 [第1の実施の形態]図1は、本発明の第1の実施の形
態を示す回路図である。同図において、本実施の形態の
チャージポンプ回路は、大きく分けると以下のような部
品から構成されている。すなわち、PMOS7,9とで
構成された第1のカレントミラー回路と、NMOS1
2,13とで構成された第2のカレントミラー回路と、
定電流源10,11と、アナログスイッチ回路部8とか
ら構成されている。
【0019】さて、電源VDDにソースが接続されかつ
ドレインに定電流源10の接続されたPMOS7と、電
源VDDにソースの接続されたPMOS9とは、第1の
カレントミラー回路を構成している。そして、このPM
OS7,9のゲート間には、トランスファーゲートであ
るCMOS8aとPMOS8bのドレインとが直列に接
続され、第1のアナログスイッチ回路部が構成されてい
る。CMOS8aのPMOS側のゲートには反転された
UP信号が入力され、NMOS側のゲートにはUP信号
が入力され、NMOS8bのゲートにはUP信号が入力
されるように構成されている。
【0020】同様に、グランドにソースが接続されかつ
ドレインに定電流源11の接続されたNMOS12と、
グランドにソースの接続されたNMOS13とは、第2
のカレントミラー回路を構成している。そして、このN
MOS12,13のゲート間には、トランスファーゲー
トであるCMOS8cとNMOS8dのドレインとが直
列に接続され、第2のアナログスイッチ回路部を構成し
ている。CMOS8cのPMOS側のゲートには反転さ
れたDN信号が入力され、NMOS側のゲートにはDN
信号が入力され、NMOS8dのゲートには反転された
DN信号が入力されるように構成されている。
【0021】すなわち、本実施の形態においては、第1
および第2のカレントミラー回路のゲート間に、CMO
S8aおよびPMOS8bからなる第1のアナログスイ
ッチ回路部並びにCMOS8cおよびNMOS8dから
なる第2のアナログスイッチ回路部とで構成されたアナ
ログスイッチ回路部8を挿入した点に特徴がある。
【0022】ここで、本実施の形態の動作について説明
する。UP,DN信号が何れも「L」レベルのときは、
CMOS8a,8cは共にオフ状態、PMOS8bおよ
びNMOS8dは共にオン状態となり、PMOS9およ
びNMOS13の何れともオフ状態となる。そのため、
LPFへは何も出力されることはない。
【0023】次に、UP信号が「H」レベルのときは、
CMOS8aがオン状態となるとともに、PMOS8b
はオフ状態となる。すると、カレントミラー回路を構成
するPMOS7,9のゲート間が接続されるため、PM
OS7とPMOS9のミラー比に応じた電流がPMOS
9に流れるようになり、その電流はLPFに供給され
る。
【0024】次に、DN信号が「H」レベルのときは、
CMOS8cがオン状態となるとともに、NMOS8d
はオフ状態となる。すると、カレントミラー回路を構成
するNMOS12,13のゲート間が接続されるため、
NMOS12とNMOS13のミラー比に応じた電流が
NMOS13に流れるようになり、その電流はLPFか
ら吸い上げられる。
【0025】以上のように、本実施の形態においては、
PMOS9,NMOS13がオン状態となってもPMO
S9,NMOS13のソース側の電位が変化することが
ないため出力電流にオーバーシュートが発生することは
ない。
【0026】[第2の実施の形態]図2は、本発明の第
2の実施の形態を示す回路図である。同図において、図
1と同一または同等の構成には同一符号を付している。
本実施の形態ではCMOS8a,8cの代わりに、それ
ぞれPMOS8e,NMOS8fを用いた点に特徴があ
る。
【0027】本実施の形態の動作は、図1の場合と同様
であり以下のようになる。UP,DN信号が何れも
「L」レベルのときは、PMOS8e,NMOS8fは
共にオフ状態、PMOS8bおよびNMOS8dは共に
オン状態となり、PMOS9およびNMOS13の何れ
ともオフ状態となる。そのため、LPFへは何も出力さ
れることはない。
【0028】次に、UP信号が「H」レベルのときは、
PMOS8eがオン状態となるとともに、PMOS8b
はオフ状態となる。すると、カレントミラー回路を構成
するPMOS7,9のゲート間が接続されるため、PM
OS7とPMOS9のミラー比に応じた電流がPMOS
9に流れるようになり、その電流はLPFに供給され
る。
【0029】DN信号が「H」レベルのときは、NMO
S8fがオン状態となるとともに、NMOS8dはオフ
状態となる。すると、カレントミラー回路を構成するN
MOS12,13のゲート間が接続されるため、NMO
S12とNMOS13とのミラー比に応じた電流がNM
OS13に流れるようになり、その電流はLPFから吸
い上げられる。
【0030】以上のように、本実施の形態においては、
PMOS9,NMOS13がオン状態となっても、PM
OS9,13のソース側の電位が変化することはないた
め、出力電流にオーバーシュートが発生することはな
い。
【0031】[第3の実施の形態]図3は、本発明の第
3の実施の形態を示す回路図である。同図において、図
1と同一または同等の構成には同一符号を付している。
本実施の形態ではCMOS8a,8cの代わりに、それ
ぞれNMOS8g,PMOS8hを用いた点に特徴があ
る。
【0032】本実施の形態の動作は、図1の場合と同様
であり以下のようになる。UP,DN信号が何れも
「L」レベルのときは、NMOS8g,PMOS8hは
共にオフ状態、PMOS8bおよびNMOS8dは共に
オン状態となり、PMOS9およびNMOS13の何れ
ともオフ状態となる。そのため、LPFへは何も出力さ
れることはない。
【0033】次に、UP信号が「H」レベルのときは、
NMOS8gがオン状態となるとともに、PMOS8b
はオフ状態となる。すると、カレントミラー回路を構成
するPMOS7,9のゲート間が接続されるため、PM
OS7とPMOS9のミラー比に応じた電流がPMOS
9に流れるようになり、その電流はLPFに供給され
る。
【0034】次に、DN信号が「H」レベルのときは、
PMOS8hはオン状態となるとともにPMOS8dは
オフ状態となる。すると、カレントミラー回路を構成す
るNMOS12,13のゲート間が接続されるため、N
MOS12とNMOS13のミラー比に応じた電流がN
MOS13に流れるようになり、その電流は吸い上げら
れる。
【0035】以上のように、本実施の形態においては、
PMOS9,NMOS13がオン状態となっても、PM
OS9,NMOS13のソース側の電位が変化すること
はないため、出力電流にオーバーシュートが発生するこ
とはない。
【0036】[第4の実施の形態]図4は、本発明の第
4の実施の形態を示す回路図である。同図において、図
1と同一または同等の構成には同一符号を付している。
本実施の形態ではCMOS8a,8cのカレントミラー
回路の前段側(図4の節点A,B)に、それぞれコンデ
ンサ8i,8jを設けた点に特徴がある。このようにす
ることにより、PMOS9およびNMOS13のオン/
オフを繰り返しても、節点A,Bにおける電位が変動し
にくいという利点がある。また、本実施の形態の動作は
図1の場合と同様である。
【0037】なお、本実施の形態で使用するコンデンサ
の容量は、図10の場合ほど大きなものは必要とせず、
その1/3程度以下のもので十分である。したがって、
チップ上のレイアウト面積に占めるコンデンサの割合
は、図10の場合よりも小さく、実用上十分許容範囲内
にあるものと考えられる。また、図2,3および後述の
図5の構成に同様のコンデンサを設けてやれば、同様の
効果が得られることは明らかである。
【0038】[第5の実施の形態]図5は、本発明の第
5の実施の形態を示す回路図である。同図において、図
1と同一または同等の構成には同一符号を付している。
本実施の形態は入力されたUP,DN信号に対して、P
MOS9,NMOS13とは逆相で動作するダミートラ
ンジスタ14,15を設けた点に特徴があり、ダミート
ランジスタ14,15を設けることにより、PMOS9
およびNMOS13間のフィールドスルーのノイズを低
減することができる。
【0039】同図に示すように、本実施の形態は図1と
同様の定電流源10,11を備え、PMOS9とLPF
との間にはPMOSからなるダミートランジスタ14を
設け、さらにはこのダミートランジスタ14を駆動する
ためCMOS8kおよびPMOS8lのドレインを、定
電流源10とダミートランジスタ14のゲート間に直列
に接続している。
【0040】同様に、NMOS13とLPFとの間には
NMOSからなるダミートランジスタ15を設け、さら
にはこのダミートランジスタ15を駆動するためのCM
OS8mおよびNMOS8nのドレインを、定電流源1
1とダミートランジスタ15のゲート間に直列に接続し
ている。
【0041】なお、ダミートランジスタ14,15のゲ
ート面積は、それぞれPMOS9,NMOS13の約半
分である。また、ダミートランジスタ14,15を逆相
の信号で動作させることにより、PMOS9およびNM
OS13間のフィールドスルーのノイズを低減すること
ができる。また、図2,3,4の構成に同様のダミート
ランジスタを設けてやれば、同様の効果が得られること
は明らかである。
【0042】
【発明の効果】以上説明したとおり本発明は、スイッチ
に発生した寄生容量による電流を、オペアンプを用いる
ことなく低減することができる。すなわち、本発明は位
相補償用のコンデンサを設ける必要がないため、チップ
上におけるレイアウト面積を従来よりも小さくすること
ができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】 本発明の第1の実施の形態を示す回路図であ
る。
【図2】 本発明の第2の実施の形態を示す回路図であ
る。
【図3】 本発明の第3の実施の形態を示す回路図であ
る。
【図4】 本発明の第4の実施の形態を示す回路図であ
る。
【図5】 本発明の第5の実施の形態を示す回路図であ
る。
【図6】 図1に係るチャージポンプ回路の出力電流を
示す波形図である。
【図7】 一般的なPLLを示すブロック図である。
【図8】 従来例を示す回路図である。
【図9】 図8に係るチャージポンプ回路の出力電流を
示す波形図である。
【図10】 従来例を示す回路図である。
【符号の説明】
1…PLL、2…位相周波数比較器(PD)、3…イン
バータ、4…チャージポンプ回路、5…LPF、6…電
圧制御発振器(VCO)、6a…分周器、7,9,8b
…PMOS、8…アナログスイッチ回路部、8a,8c
…CMOS、8d,12,13…NMOS、10,11
…定電流源。

Claims (7)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 前段に接続された位相周波数比較器の出
    力パルスに応じて、後段に接続されたフィルタ回路部に
    電流を供給するPLLのチャージポンプ回路において、 前記フィルタ回路部に接続された第1のカレントミラー
    回路と、 前記フィルタ回路部に接続された第2のカレントミラー
    回路と、 前記第1のカレントミラー回路のゲート間に接続された
    第1のアナログスイッチ回路部と、 前記第2のカレントミラー回路のゲート間に接続された
    第2のアナログスイッチ回路部とを備えたことを特徴と
    するPLLのチャージポンプ回路。
  2. 【請求項2】 請求項1において、 前記第1および第2のアナログスイッチ回路部は、それ
    ぞれMOSFETによって構成されていることを特徴と
    するPLLのチャージポンプ回路。
  3. 【請求項3】 請求項2において、 前記第1のアナログスイッチ回路部は、前記第1のカレ
    ントミラー回路の前段に接続されかつCMOSからなる
    トランスファーゲートと、このトランスファーゲートに
    ドレインが接続されかつこのドレインが前記第1のカレ
    ントミラー回路の後段に接続されたPMOSとで構成さ
    れ、 前記第2のアナログスイッチ回路は、前記第2のカレン
    トミラー回路の前段に接続されかつCMOSからなるト
    ランスファーゲートと、このトランスファーゲートにド
    レインが接続されかつこのドレインが前記第2のカレン
    トミラー回路の後段に接続されたNMOSとで構成され
    ていることを特徴とするPLLのチャージポンプ回路。
  4. 【請求項4】 請求項2において、 前記第1のアナログスイッチ回路部は、前記第1のカレ
    ントミラー回路の前段にドレインの接続されたPMOS
    と、このPMOSのソースにドレインが接続されかつこ
    のドレインが前記第1のカレントミラー回路の後段に接
    続されたPMOSとで構成され、 前記第2のアナログスイッチ回路部は、前記第2のカレ
    ントミラー回路の前段にドレインの接続されたNMOS
    と、このNMOSのソースにドレインが接続されかつこ
    のドレインが前記第2のカレントミラー回路の後段に接
    続されたNMOSとで構成されていることを特徴とする
    PLLのチャージポンプ回路。
  5. 【請求項5】 請求項2において、 前記第1のアナログスイッチ回路部は、前記第1のカレ
    ントミラー回路の前段にドレインの接続されたNMOS
    と、このNMOSのソースにドレインが接続されかつこ
    のドレインが前記第1のカレントミラー回路の後段に接
    続されたPMOSとで構成され、 前記第2のアナログスイッチ回路部は、前記第2のカレ
    ントミラー回路の前段にドレインの接続されたPMOS
    と、このPMOSのソースにドレインが接続されかつこ
    のドレインが前記第2のカレントミラー回路の後段に接
    続されたNMOSとで構成されていることを特徴とする
    PLLのチャージポンプ回路。
  6. 【請求項6】 請求項1において、 前記第1のカレントミラー回路の後段と前記フィルタ回
    路部との間に設けられかつ前記第1のアナログスイッチ
    回路部とは逆相で動作する第1のダミートランジスタ
    と、 前記第2のカレントミラー回路の後段と前記フィルタ回
    路部との間に設けられかつ前記第2のアナログスイッチ
    回路部とは逆相で動作する第2のダミートランジスタと
    を備えたことを特徴とするPLLのチャージポンプ回
    路。
  7. 【請求項7】 請求項3または請求項4または請求項6
    の何れか一項において、 前記各トランスファーゲートは、前記カレントミラー回
    路の前段側に、それぞれコンデンサを備えたことを特徴
    とするPLLのチャージポンプ回路。
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