TW541801B - Charge-pump circuit for suppressing current sharing - Google Patents

Description

541801 五、發明說明（1) 本發明係有關於一種充放電路， 回授控制架構以壓制電流分配的充放電2係有關一種利用 在鎖相迴路（Phase Lock Lopp ρτ τ、°、 (Clock Synthesize)電路中，.為了產夺/或者時序合成 號，通常會輸入參考的時脈訊號 U所需的時脈訊 習知銷相迴路系統1〇〇的方塊圖，銷相迴閱路第二〇弟， 位頻率檢測器（Phase Frequen D 1、、先100包括相 (Charge-pump clrcuit)l〇4 ^ ^

Control 〇scillat〇r)1〇6、除頻器 1〇 ^O〇ltage 110。銷相迴路系統100接收參考的時脈訊號^幹慮^态 電路1 04利用相位頻率檢測器丨〇2 2 ^ ，充放 控制震盈器m，以產生系統所需的時= 再將時脈訊號F〇ut回授回相位頻率檢測；二出，迴除 路濾波為110和充放電路丨04的輸出端相連，關於 電路U 4以及迴路濾、波器丨丨〇的電路圖，請參閱第“圖。 第2a圖係表示用在第i圖之鎖相迴路系統中的習知 放電路以及迴路濾波器的電路圖。如圖所示，充放電路 104包括電流源2〇2和204、開關器2 0 6和208以及電容哭 21〇，迴路濾波器11〇由電容212所組成，迴路濾波器連 接至充放電路104的輸出，在關關器2〇6導通時接受輸出電 壓Vc充電，並在關關器2〇8導通時該輸出電壓Vc供給關關器 208以及電流源204電荷。然而充放電路丨〇4會有電荷分配 (Charge-share)的問題，參閱第2b圖，第2b圖為第2a圖的 電路所造成之電荷分配現象的示意圖，實線22是正常的曲

541801 五、發明說明（2) 線，虛線24為電容210在關關器206在導通的一瞬間，電流 分配問題所造成的影響。電荷分配的問題會使控制電壓震 盪器1 0 6的訊號不準確，這將使得系統無法產生所需的時 脈訊號。 為了消除電荷分配的問題，Ian A. Young 'Jeffrey Κ· Greason， 以及Keng L· Wang提出了利用運算放大器壓 制電流分配之充放電路（參考Ian A· Young, Jeffrey K.

Greason， and Keng L· Wang nA PLL Clock Generator with 5 to 110 MHz of Lock Range for Microprocessors," IEEE J. Solid State Circuits, νο1·27， pp· 1599-1607 Nov· 1992)，參閱第3 圖，第3 圖 為利用運算放大器0P1壓制電流分配之充放電路的電路 圖，當開關器S1和S4不導通但開關器S2和S3導通時，經過 運异放大器0 P1後郎點N1的電壓會等於Vc，所以當開關哭 S1導通的一瞬間，節點N1的電壓會等於Vc，因此不會有電 荷分配（Charge-share)的問題。而當開關器S2和§3不導通 但開關器S1和S4導通時，經過運算放大器ορι後節點N2的 電壓會等於Vc，所以當開關器S3導通的一瞬間，節點N2的 電壓會等於Vc，因此也不會有電荷分配的問題。但此類運 算放大器必須能在大範圍的頻率輸入變化下依舊能工作且 能快速的反應，且此電路架構在消除電流分配時^效果， 完全取決於運算放大器的能力，如果運算放大器的設計越 精良能力越好’那麼在消除電流分配的效果也就越好， 此增加了此類運算放大器的設計困難度，也因為如此，也

M1801 五、發明說明（4) 響，所以增加了 有鑑於此， 流分配的充放電 入運算放大器的 回授控制架構解 除電荷分配的效 為達成上述 放電路，其包括 的一電壓輸入並 由一第一連結點 其開關 一輪出 並於該 入訊號 流源， 二連結 在該第 通時接 狀態；一 端之間， 輸出端輸 控制其開 其連接在 點連接至 二開關元 收該輸出 出電壓和該第 該第一 電路， 固定的 響。 實施例 及第二開 用以使該 關係’不 電路設計時的不確定性。 =毛明的主要目的在於提出了一種壓制電 路、，其能消除電荷分配問題，且能在不加 情況下，減少·電路設計的複雜度，並利用 決第4圖中之電路架構的所有問題，使消 果不會受充放電路中元件的製程所影響。 目的，本發明提供一種壓制電流分配的充 :一第一電流源，接收一電壓產生器產生 產生一電流輪出；〆第一開關元件，其經 連至該第一電流源，旅由一輸入訊號控制 第一組負載，其耦接矣該第一開關元件和 在該第一開關元件導通時接收該電流輸入 出一輸出電壓；一第，開關元件，由，輪 關狀態和該第一開關元件相反；：J:】 該第二開關元件和地之間，其中.夂 該第二開關元件；〆第二組負載，l、 件和該輸出端之間，在該第二開== 電壓输人；—第一旧授電路，用以' w 2 連結點的電壓之間雉捋固定的關=三=二 關元件開關狀態的影響；以及維‘ 輸出電壓和該第二速结點的電反 ^ 受該第一及第二&關元件開關狀態衫

541801 五、發明說明（5) 本發明揭露一種能消除電荷 放大器使電路增加複雜度的充；需加入運舁 構使消除電荷分配的效 用回授控制架 影樂。以下阳人㈤ 日又充放電路中元件的製程所 〜β以下配合圖示，詳細說·明 第5a圖係表干太恭昍♦ A 7丨又月的貝施例。 路之雷路m f本 Λ軛例之壓制電流分配的充放電 路之尾路圖。如圖所示，壓制治 流源502和504、開關哭S1 S4以電/V7 電路包括電 ^ ^ "開關裔S1〜S4以及電晶體組510、520、530 源5〇2接收電壓產生器產生的電壓L輸入，並 產生電，電流源504連接在開關器S2和地之間。開 器S1和S3導通時所形成的電阻&必須相同，因此在此實施 例中開關器S1及S3為相同的開關器’開關器S2和34導通時 所形成的電阻&必須相同，因此在此實施例中開關器以及 S4為相同的開關器。此外，開關器S1〜S4的開關狀態由輸 入信號（如第1圖中之相位頻率檢測器所產生的控制訊號） 控制’開關器S2的開關狀態和開關器si的開關狀態是相反 的’即開關器S1導通時，開關器s 2是不導通的，開關器s 3 的開關狀態和開關器S1的開關狀態也是相反的，即開關器 S1導通時，開關器S3是不導通的，但開關器S4的開關狀態 _ 和開關器S1的開關狀態是相同的，即開關器s 1導通時，開 關裔S4也是導通的。電晶體組510、520、530和540分別由 電晶體Qla和〇113、電晶體la和Ab、電晶體Q3a和Q3b以及雷曰 ^曰白 體I和1組成。電晶體組510連接至開關器S1，在開關器 S1導通時接收電流源502產生之電流及偏壓Vb輸入並產^ 輸出電壓Vc輸出。電晶體組520連接至開關器S2，在開關

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五、發明說明（6) 器S2導通時接受輸出電壓Vc和偏壓％輸入。電晶體53〇連接 在開關器S3和輸出之間，在開關器S2和33導通時接收輪出 電壓Vc和偏壓Vb輸入，電晶體組530的和電晶體組5 1()的構 成元件必須相同，因此電晶體Qla和Q3a為相同的電晶體，且 電晶體Qlb和Qa為相同的電晶體。電晶體54〇連接在開關器 S4和輸出之間，在開關器S1和S4導通時接收輸出電壓vc和 偏壓Vb輸入’電晶體組54〇的和電晶體組52〇的構成元件必 須相同，因此電晶體I和I為相同的電晶體，且電晶體 和〇41)為相同的電晶體。

以下配合第5 b和5 c圖，詳細說明本實施例之電路操 作。 ’、 弟5 b圖為第5 a圖中開關器S1和S 4導通時壓制電流分配 的充放電路之電路圖，如圖所示，當開關器S4導通時，節 點N5的輸出電壓Vc會因為開關器S1導通而一直往上升，此 時，開關器S4所形成的電阻R2消耗的電壓為vs4，電晶體組 540中電晶體I的閘極和源極之跨壓為'Μ，所以節：n2的 電壓為Vc - VS4 - 。而如果此時，開關器s 2突然導通（來考 第5 c圖），開關器S 4將會不導通形成斷路，此時，節點n 2 的電壓為Vc-VyV^，因為開關器S2及S4為相同的^關 器，所以開關器S2導通時所形成的電阻&消耗的電"壓 VS^VS4，因此節點N4的電壓為Vc-Vy，而因為電晶體$和 是相同的電晶體且電晶體Q£a和Q〗a也為相同的電晶^， 所以電晶體組520中電晶體1的閘極和源極之跨壓v 巧训，因此節點N5的電壓仍為Vc，所以不會出現電^分配

541801 五、發明說明（7) (Charge-share)的問題 第5 c圖為第5 a圖中開關器s 2和S 3導通時壓制電流分配 的充放電路之電路圖，如圖所示，當開關器s3導通時，節 點N5的輸出電壓Vc會因為開關器S2導通而一直往下降，此 時開關裔S3所形成的電阻&消耗的電壓為yS3，電晶體組 530中電晶體i的源極和閘極之跨壓為^如，所以節點N1的 電壓為vc+ vS3+v53()。而如果此時，開關器Sl突然導通（參 考第5b圖），開關器S3將會不導通形成斷路，此時，節點 N1的電壓為Vc+ V^ + V53。，因為開關器S1及§3為相同的開關 器，所以開關器si導通時所形成的電阻&消耗的電壓Vsi = VS3 ’因此節點N3的電壓為Ve + V53Q ’ *因為電晶料匕是 相同的電晶體且電晶體Qla和I也為相同的電晶冑，所以電 晶體組510中電晶體Qlb的源極和閘極之跨壓跨壓v = V53。，因此節點N5的電壓仍為Vc，所以不會出現‘。荷分配 (Charge-share)的問題。 要注意的是，在實施例中使用包含一對電晶體的電晶 體組510、520、530和540當作負載，但在本發明中也可 使用：：電晶二當做負m ’但在只使用一個電晶體的情;兄 I ’電w源的輸出電阻將會變小，這樣會使得電路的 範圍縮小（當輸出電壓vc接近vDD及〇時會無法工作）， 在本發明的最佳實施财’才使用包含—對 體組51〇、52〇、53。和54。當作負載，在不影響電路=;: 下，加大電k源的輸出電阻，並維持電路的工作範此 第6圖係表示包括第5圖之壓制電流分配的充放電路的

541801 五、發明說明（8) 鎖相迴路系統之實施例 ，_包括：相位頻率LV二^ 二二：2 圖之壓制電流分配的充放電路5°°、迴路 濾波為604、電壓控制震 、路 〇SCiiiat〇r)6〇6 以及除頻=volt/ge controi 參考的時脈訊號F.輪;;^ :: ”率檢測11 6 G 2接受 踗500鯉垃5兮/n翰 並產生控制訊號s丨輸出。充放電 路500耦接至该相位頻率檢 〇2 圖，充放電路500接受栌制心，“/、冤路木構參考第5 狀態，並產生輸出電^/^虎\控制開MI§S1〜S4的開關 路、5 _輸出端在電關壓關^ ^ ^ M ^ 8關兀件S1導通時接受輸出電壓vc充 52。。、電二:J二導通時提供輸*電壓、至電晶體組 電壓v 丨1 1：震^器606耦接至充放電路五〇〇，接受輸出 兮所i二11^戶f而的時脈訊號F〇ut輸出。除頻器608接受 以而、牯讯唬F〇ut輸入，並產生回授頻率F將之回授 回相位頻率檢測器6 02。 千rieb肘之口扠 附fA卜A7為兩前案的電路架構（參考第3、第4圖）和 2明貫提之電路架構(參考第5圖）所做的模擬比 2 附{A1為表不二種架構在輸出電壓因充電而變大 $ ’都能工作在VDD(高電位）和vss(低電位）之間。附件 A2〜A4#分別表示在附件八丨中輸出電壓在低、中、高電位 時，三種架構的模擬結果。同時參考附件42〜八4可發現， 本發明的電路架構並不會出現電流分配的現象，第4圖的 電路架構-直有電流分配的現象，第3圖的電路架構在輸 出電壓接近VDD(面電位）時會出現電流分配的現象，要補 第12頁 0356-7855TWF(N);11900068;Ellen.ptd 541801 五、發明說明（9) 充的疋使用第3圖的電路架構在消除電流分配時的效果， 7G全取決於運算放大器的能力，如果運算放大器的設計越 精良此力越好’那麼在消除電流分配的效果也就越好。附 件A5為表示三種架構在輸出電.壓因放電而變小時，都能工 作在VDD(局電位）和VSS(低電位）之間。附件A6〜A8分別表 示在附件A5中輸出電壓在高、中、低電位時，三種架構的 模擬結果。同時參考附件人6〜人8可發現，第4圖的電路架構 一直有電流分配的現象，第3圖的電路架構在輸出電壓揍 近VDD(而電位）時會出現電流分配的現象，本發明的電路 架構只在低電位（1 〇〇mv以下）時才會出現電流分配的現 象，但此現象並不明顯（參考第8圖）。 綜上所述’本發明的壓制電流分配的充放電路，的確 能在不加入運算放大器使電路增加複雜度的情況下消除電 荷分配問題，並且利用回授控制架構使消除電荷分配的效 果不會受充放電路中元件的製程所影響，達到本發明減小 電路設計複雜度、減小電路設計的不確定性並能消除電 分配問題的目的。 '

雖然本發明已以較佳實施例揭露如上，然其並非用以 限定本發明’任何熟習此技藝者，在不脫離本發明之精 和範圍内’當可作些許之更動與潤飾，因此本發明之 範圍當視後附之申請專利範圍所界定者為準。X …I

541801 圖式簡單說明 明顧ί:讓本發明之上述和其他目的 ”、、易懂，下文特舉一較佳奋 、、特徵、和優點能更 詳細說明如下·· 只知例，並配合所附圖示，作 圖式簡單說明： 統以及迴路濾波器的方 第2a圖係表示用在第1圖之鎖 放電路以及迴路濾波器的電路圖路系統中的習知充 成之電荷分配現象的 第1圖係表示習知鎖相迴路系 塊圖。 y' 第2b圖係表示第2a圖的電路 示意圖。 配之充放電 ，圖係表示習知利用放大器壓制電流分 路的電路圖。 第4圖係表示習知利用電晶體壓制電流分配之充放 路的電路圖。 第5 a圖係表示本發明實施例之壓制電流分配的充放電 路之電路圖。 第5b圖係表示第5a圖中開關器S1和S4導通時壓制電流 分配的充放電路之電路圖。 第5c圖係表示第5a圖中開關器S2和S3導通時壓制電流 分配的充放電路之電路圖。 第6圖係表示包括第5圖之壓制電流分配的充放電路的 鎖相迴路系統之實施例的方塊圖。 符號說明： 1 0 0、6 0 0〜銷相迴路系統；

0356-7855TWF(N);11900068;Ellen.ptd 第14頁 541801 圖式簡單說明 1 0 2、6 0 2〜相位頻率檢測器； 104、500〜充放電路； 1 0 6、6 0 6〜電壓控制震盪器； I 0 8、6 0 8〜除頻器； II 0、6 0 4〜迴路濾波器；

Fin〜參考的時脈訊號；

Ffeb〜回授頻率；

Fc^t〜系統所需的時脈訊號；

Sj〜控制訊號； 202、204、32、34、42、44、502、504〜電流源； 20 6 、208 、SI 、S2 、S3 、S4〜開關器； 210、212〜電容器； OP1〜運算放大器；

Vc、Vdd、VQ1、VQ2、Vb、VS1、VS2、VS3、VS4、v510、v520 V530、V54Q 〜電壓， 心、R2〜電阻； N1 、 N2 、 N3 、 N4 、 N5〜節點； L〜電流；

Ql 、Q2 、Qla 、Qlb 、Q2a 、Q2b 、^3a 、Q3b 、〇4a 、Q4b〜電晶 體； 510 、 520 、 530 、 540〜電晶體組。

0356-7855TWF(N);11900068;El 1en.ptd 第15頁

Claims (1)

1. 541801 案號 91110909 ?>年《月？曰 修正 y 修正^ < 六、申請專利範圍 1. 一種壓制電流分配的充放電路，其包括： 一第一電流源，接收一電壓產生器產生的一電壓輸入 並產生一電流輸出； 一第一開關元件，其經由一第一連結點連至該第一電 流源，並由一輸入訊號控制其開關狀態； 一第一組負載，其耦接至該第一開關元件和一輸出端 之間，在該第一開關元件導通時接收該電流輸入並於該輸 輸出電壓； 開關元件， 件相反； 電流源，其 第二連結點 組負載，其 第二開關元 回授電路， 維持固定的 影響；以及 回授電路， 維持固定的 影響。 出端輸出一 一第二 第一開關元 一第二 其中透過一 一第二 之間，在該 一第一 的電壓之間 開關狀態的 由該輸入訊號控制其開關狀態和該 連接在該第二開關元件和地之間， 連接至該第二開關元件； 耦接在該第二開關元件和該輸出端 件導通時接收該輸出電壓輸入； 用以使該輸出電壓和該第一連結點 關係，不受該第一及第二開關元件 的電壓之間 開關狀態的 2.如申請專利範圍 用以使該輸出電壓和該第二連結點 關係，不受該第一及第二開關元件 第1項所述之壓制電流分配的充放 電路，其中該第一回授電路包括： 一第三組負載，其 開關元件導通時接收 耦接在該輸出端和地之間，在該第 該輸出電壓輸入’且構成元件和第

   0356-7855TWFl(N);11900068;Ellen.ptc 第16頁 541801 案號 91119909 年 曰 六、申請專利範圍 一組負 流源之 開關狀 3. 電路’ 件導通 的構成 流源之 開關狀 4. 電路， 晶體組 5. 電路， 載的構 第三開 間，導 態和第 如申請 其中該 第四組 時接收 元件相 第四開間，導 態和第 如申請 其中該 成。 如申請 其中該 成元件 關元件 通時所 二開關 專利範 第二回 負載， 該輸出 同；以 關元件 通時所 一開關 專利範 第一、 相同；以及 專利範 第一、 形 元 圍 授 其 電 及 5 形 元 圍 第 圍 第 其耦接在該第二組負栽和該 成的電阻和第一開關元件^ s〜電 件相同。 第1項所述之壓制電流分❿ 配的充私 電路包括： Ί 輕接至該輸出端’在言亥第— 壓輸入，且構成元件和楚 開關元 $二紐 且 栽 電 且 晶體組成 6 · —種鎖相迴路 率檢測 出； 路，其耦 並產生一 一第一電流源，接 系 器 其接在$亥第四組負戟和兮 成的電阻和第二開關元杜第 /L 1干相同 件相同。 第1項所述之壓制電流分心 刀配的二、第三以及第四組負 』充敌 、戰由一個電 第1項所述之壓制電流分酉己 二、第三以及第四組負刀-己的充玫 、戰由一对電 統，其包括： ’其接受一時脈訊號輪人 並產生 一相位頻 一控制訊號輸 一充放電 制訊號控制， 接至該相位頻率檢測号 輸出電壓，其包括： 接雙 收一電壓產生器產生的—

   0356-7855TWF1(N);11900068;E11en Ptc 第17頁 541801塞號9ii〗ngnQ 六、申請專利範圍 曰 修正 並產生一電流輸出； 士 一第一開關元件，其經由一第 流源’並由一輸入訊號控制其開關 一第一組負載，其耦接至該第 之間’在该第一開關元件導通時接 出端輸出一輸出電壓； 一第二開關元件，由該輸入訊 第一開關元件相反； 一第二電流源，其連接在該第 其中，過一第二連結點連接至該第 一第二組負載，其耦接在該第 之間，在該第二開關元件導通時接 一第一回授電路，用以使該輸 的電壓之間維持固定的關係，不受 開關狀態的影變； 一第二回授電路，用以使該輸 的電壓之間維持固定的關係，不受 開關狀態的影響； ^ 迴路濾波器，其耦接至該充 第=關關元件導通時接受該輸出電 關元件導通時提供該輸出電壓至該 一電壓控制震盪器，其耦接至 出電壓控制產生一所需的時脈訊號 一除頻器，其接受該所需的時 一連結點連至該第一電 狀態； 一開關元件 收該電流輸 5虎控制其開 二開關元件 二開關元件 二開關元件 收該輸出電 出電壓和言亥 該第一及第 出電壓和該 該第一及第 放電路的輪 壓充電，並 第二對電晶 該充放電路 輸出；以及 脈訊號輪入 和一輸出端 入並於該輸 關狀態和該 和地之間， ， 和該輸出端 壓輸入； 第一連結點 二開關元件 第二連結點 二開關元件 出端’在該 在該第二開 體； ，接受該輸 ，旅產生一

   541801 月 曰 t 號 911109M 六、申請專利範圍 回授頻率將之回授回該相位頻率檢測器。 7·如申請專利範圍第6項所述之鎖相迴 該充放電路中的第一回授電路包括： 路糸、、先，其中 一 第二組負載，其耦接在該輸出端和地之間，為 二開關it件導通時接收該輸出電人， y -組負載的構成元件相同；以及 稱成疋件和第 一第二開關7〇件，其耦接在該第三組負 流源之間，導通時所疮忐# „ 以第 電 ^ 訏所形成的電阻和第一開關元件相同，且 開關狀怨和第二開關元件相同。 j且 8·如申請專利範圍第7項所述之鎖相迴路 該充=電路中的第二回授電路包括·· ，、中 杜[s ί:組負f ’其耦接至該輸出#，在該第-開關元 件V通時接收該輸出電壓輪入，且構成元件和 組負載 的構成元件相同；以及 、、 土一第四開關元件，其耦接在該第四組負栽和該第二電 流源之間，導通時所形成的電阻和第二開關元件相同，且 開關狀態和第一開關元件相同。 9·如申請專利範圍第6項所述之鎖相迴路系立中 電晶體組成。 ' 1 〇.如申請專利範圍第6項所述之鎖相迴路***，其中 該充放電路中的第一、第二、、第三以及第四缸負載由一對 電晶體組成。

   541801第 91110909號圖式修正頁 修正日期： 補充 〇 5卞 铖6