专利名称：用于锁相回路具有快速开关反应速度的串级耦合电荷泵的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种应用于锁相回路的电荷泵，特别是涉及一种在导通及 转为不导通时具有快速响应时间的电荷泵。
背景技术：
在应用锁相回路以产生一特定频率时，电荷泵扮演一重要的角色。通常相位频率检测器(phase and frequency detector， PFD)是以基频讯号 (reference frequency signals) 以及电压控制震荡器(voltage controlled oscillator, VC0)所产生的分频讯号(divided frequency signals)作为输入讯号，当基频讯号的相位领先分频讯号的相位时，相位 频率检测器会输出一上行(UP)讯号。反之，当分频讯号的相位领先基频讯 号的相位时，相位频率检测器则输出 一 下行(DOWN)讯号。这些上行及下行讯号接着被传送至电荷泵的控制开关，电荷泵则于接 收到上行讯号时，扮演电流来源的角色以将电流传送至低通滤波器(low pass filter);于接收到下行讯号时，则扮演电流槽的角色以自低通滤波 器抽出(sink)电流。至于低通滤波器中电流正向或反向的流动则令电压控 制震荡器据以调整其输出频率。电压控制震荡器输出的讯号则通过分频器 (frequency divider)再输入至相位频率4企测器，形成一循环，而此循环将 持续到基频讯号与分频讯号的相位互相匹配为止。因此，当电荷泵在接收到上行或下行讯号，且不受不同负载影响而可 转换稳流流动方向时，其转换的响应时间对于噪声的降低以及整体锁相回 路效能具有相当大的影响。请参考图1。图1为已知电荷泵100的示意图。电荷泵100包含一串级 耦合电流镜以及一金属氧化物半导体开关的源节点开关。由于电流镜是连 接高输出阻抗，因此电荷泵的电流较不受输出电压影响而能在不受负载影 响的情形下大体上维持一稳定的电流流动。电荷泵IOO包含一第一列串级耦合开关，依序为P7、 P8以及P9。开关 P7的源极耦接于VDD而开关P9的漏极则藉由一电流源Icp接地。开关P7、 P8以及P9的栅极则分别接地、耦接于节点F以及耦接于第一输入电压Vbl。电荷泵100还包含一第二列串级耦合开关，依序为P6、 P3、 P4、 N3、 N4以及N6以及一第三列串级耦合开关，依序为P5、 Pl、 P2、 Nl、 N2 以及N5。开关P6以及P5的源^ L皆耦接于VDD，而开关N6以及N5的源极 则皆接地。第二列串级耦合开关中，开关P6、 P3、 P4、 N3、 N4以及N6的 栅极则分别为耦接于接地、节点F、第一输入电压Vbl、第二输入电压Vb2、 节点H以及VDD。第三列串级耦合开关中，开关P5、 Pl、 P2、 Nl、 N2 以及N5的栅极则分別耦接于UPB讯号、节点F、第一输入电压Vbl、第二 输入电压Vb2、节点H以及而讯号。节点F亦耦接于节点G，而节点G则 耦接于开关P4以及开关N3的漏极间。此外，于VDD以及节点E (耦接于节点F)间亦具有一电容C1、于接地 端与节点H间具有一电容C2。 DN讯号以及UPB讯号则由先前提到的相位频 率检测器所输出的上行以及下行讯号导出，其是用来将该电荷泵100变换 为电流源或电流槽，其中UPB讯号为上行讯号(UP BAR)的反相讯号，因此 当上行讯号自高电位转变为低电位时，UPB讯号则自低电位转变为高电位， 反之亦然。至于开关Pl至P9可使电荷泵IOO作为电流源使用，而开关Nl至N5 可使电荷泵100作为电流槽使用。在这些实施例中，开关P1至P9为P型 金属氧化物半导体(P-M0S)晶体管，开关Nl至N5则为N型金属氧化物半导 体(N-M0S)晶体管，然而这些P-MOS以及N-M0S晶体管的互换以及伴随着适 当的调整在这些实施例中皆为可接受的应用。请参考图2，并一并参考图1以了解电荷泵100的运作。图2为当电荷 泵100藉由开关N5栅极的DN讯号的作用，而自不导通状态(没有电流流 出或流入)转换为电流槽时，开关Nl以及开关N2的相对电压的时序图。 特别说明的是，在图2、图4以及图6中，所有电压以及电流数值皆为作为 说明的近似值，实际的电压及电流则会随不同的电路设计以及制造方法而 有不同的结果。如图2所示，当DN讯号的电压升高时，开关N5则被导通同时节点D 会被拉下至0伏特。同时由于开关N2的栅极维持在相对高的电压，当节点D的电压被拉下至0伏特时，开关N2会被导通，进而造成开关Nl的源极电 压降低，开关N1亦被导通。当开关N5、 N2以及N1皆被导通时，电荷泵IOO 开始自节点I (可耦接于一低通滤波器)将电流导至接地。对于本领域的技 术人员而言，当电荷泵IOO从电流槽转变为电流源时，开关P5栅极的UPB 讯号自高电位转变至低电位的相仿过程是容易理解的。已知电荷泵100中的开关串级耦合的排列大体上维持了一个不受负载 影响的稳流要求。然而，当开关N5不导通时，节点D会变成浮接点 (floating),因此使得开关N2转为不导通的过程变得非常緩慢，连带影响 开关N1转为不导通的过程亦变得非常緩慢。请注意图2中三个特别用圆圈 圈起来的地方，可看出节点D以及节点C的电压上升得非常緩慢，导至节 点I的输出电流亦非常緩慢地停止。因此若欲由一个较快速的晶体管来导 通一个较慢的晶体管，再由该较慢的晶体管来导通一个更慢的晶体管，这 种涟波效应会导致电荷泵的响应时间变得极慢，且产生一些不必要的噪声。发明内容本发明的目的是当该电荷泵转为不导通时，降低该电荷泵的响应时间。 本发明另一目的是当该电荷泵导通时，降低该电荷泵的响应时间。 本发明所披露的电荷泵包含有一第一开关、 一第二开关、 一第三开关、 一第四开关、 一第五开关、 一第六开关、 一第七开关以及一第八开关。该 第一开关耦接于一第一电压源以及一第一节点间，且由UPB讯号控制；该 第二开关耦接于该第一节点与一第二节点间；该第三开关耦接于该第二节 点与一第三节点间，该第三节点用来作为该电荷泵的输出节点；该第四开 关耦接于该输出节点与一第四节点间；该第五开关耦接于该第四节点与一 第五节点间；该第六开关耦接于该第五节点与接地端间，且由DN讯号控制。 该第七开关耦接于该接地端与该第一节点间，且由UP讯号控制，该UP讯 号为UPB讯号的反相讯号；该第八开关耦接于一第二电压源与该第五节点 间，且由DNB讯号控制，该DNB讯号为DN讯号的反相讯号。该电荷泵还包 含一第一电容以及一第二电容，该第一电容耦接于该第二节点与一第一电 压讯号或第二节点间，该第二电容耦接于该第四节点与一第二电压讯号或 第五节点间。该第一电容以及该第二电容可在电荷泵被导通时，有效地减低电荷泵的涟波延迟，其是由于电荷泵中这些多重串接耦接的开关可几乎同时被导 通或转为不导通，因此利用这些串接耦接的开关，电压泵可具有稳流输出 的特点。
图1为已知电荷泵的示意图。图2为图1的电荷泵运作的时序示意图。 图3为本发明电荷泵一第一实施例的示意图。 图4为图3的电荷泵运作的时序示意图。 图5为本发明电荷泵一第二实施例的示意图。 图6为图5的电荷泵运作的时序示意图。 图7为图3的电荷泵的电压与电流波形的时序关系示意图。 图8为图5的电荷泵的电压与电流波形的时序关系示意图。 图9为图1、图3以及图5的电荷泵的导通速度与不导通速度的比较示 意图。图10为本发明电荷泵一第三实施例的示意图。附图符号说明100， 300,500， 1000C1-C4彻VblDNUP电荷泵 电容工作电压 第一输入电压 下行讯号 上行讯号P1-P10, Nl-N7 开关A-I Icp Vb2 誰 UPB节点 电流源第二输入电压 DN反相讯号 UP反相讯号具体实施方式
本发明的第一实施例应用于当开关N5不导通时，加速电荷泵100的响 应速度。请参考图3。电荷泵300实质上具有与电荷泵100相同的结构，因 此其中同样的组件是以同样的标号标示。与电荷泵100不同的是，电荷泵 300较电荷泵100多了开关P10以及开关N7。其中开关P10可为一 P-MOS晶体管而开关N7可为一 N-M0S晶体管。然而本发明亦包含其它不同态样的 晶体管的组合。开关P10的漏极耦接于接地端、源极耦接于节点A,该节点A位于开关 P5的漏极以及开关Pl的源极间。开关P10的栅极耦接于UP讯号，该UP讯 号为前述UPB讯号的反相讯号。开关N7的漏极耦接于VDD讯号，源极耦接 于节点D,该节点D位于开关N5的漏极以及开关N2的源极间。开关N7的 4册极耦接于MB讯号，该DNB讯号等同于DN BAR讯号且为前述DN讯号的 反相讯号。请参考图4,并同时合并参考图3以了解电荷泵300的运作。图4为当 电荷泵300藉由开关N5栅极处的DN讯号的作用，而自不导通状态转换为 电流槽时，开关Nl以及开关N2的相对电压的时序图。图4显示电荷泵300转为不导通时的表现大致上与电荷泵100转为不 导通时的表现相似，而不同处在于电荷泵300中开关N7的设置改善了响应 的时间。如图4圆圈处所示，在不导通的阶段，节点D的电压变得相当高， 如此确保开关N2转为不导通。因此当开关N7迅速推动节点D自0电压至 高电压时，转变为不导通的时间也得以改善。请与图2圓圈处的波形作比 较。开关N1的源极电压(亦即节点C的电压)上升仍旧緩慢，但转变为不导 通的速度确有显著的改善，而电荷泵300的导通表现则仍与电荷泵100相 似。因此，电荷泵300在转变为不导通状态所展现出的响应时间的减少可 视为是对电荷泵100的一种改良。然而，当开关N5导通时，开关Nl漏极 的电流导通速度会比开关N2漏极电流的导通速度慢节点D先降至0伏特， 然后导通开关N2，接着节点C的电压下降，然后导通开关N1以抽出自节点 I而来的电流。当开关N5以及开关Nl被导通时，涟波延迟仍发生在开关N5以及开关 Nl间，这样的延迟是由于在这个由开关组成的串接耦接链中，每一个后继 开关的状态皆由前一个开关的状态所影响，因此当一个较快的节点和一个 较慢的节点同时接收适当电压时，便会发生这样的延迟(其中「较快」以 及r较慢」的相对用语是描述接收到适当电压的顺序，不必然是电压被接 收的速度)。例如，在图3的实施例中，节点A是一个r较快」的节点而节 点B为一个「较慢」的节点。接着，本发明下一个实施例更应用来在开关N5被导通时，加速已知电荷泵100的响应时间。图5为一个具有改良的导通速度的电荷泵500的示意图。电荷泵500 和电荷泵300的结构和组件的定义、标号大体上相同，但电荷泵500较电 荷泵300增加了电容C3以及电容C4,其中电容C4的一终端耦接于节点B(较慢节点)而另 一终端耦接于一第 一 电压讯号(可为节点A, —较快节点， 位于开关Pl的源极以及开关P5的漏极间)，电容C3的一终端耦接于节点C(较慢节点)而另一终端耦接于一第二电压讯号(可为节点D, —较快节点， 位于开关N2的源极以及开关N5的漏极间)。请参考图6,并同时合并参考图5以了解电荷泵500的运作。图6为当 电荷泵500藉由开关N5栅极处的DN讯号的作用，而自电流槽转换为电流 源时，开关Nl以及开关N2的相对电压的时序图。图6显示导通电荷泵500时的表现大致上与导通电荷泵300的表现相 似，而不同处在于导入电容C3后，电荷泵500具有更佳的响应时间。图6 亦同时显示了电流槽。当开关N7导通以及转为不导通时，节点D的电压会 分别下降以及上升。而在导通的瞬间，电容C3会瞬时结合节点D的讯号作 为脉冲下降讯号。相较于开关N2导通以将节点C下拉至低电压，此结合的 讯号会促使节点C更快速地下降至更低的电压水平。同样的，相较于开关 N2转为不导通以将节点C上拉至高电压，此结合的讯号会更快速地将节点 C的电压上拉至更高的电压水平，上述的结果皆描述在图6中。其中圆圈处 显示了节点D维持了如图4的快速上升特性，同时节点C由于耦接了电容 C3的缘故，在电压的上升速度上具有显著的提升，而此增加的电压上升速 度使得电荷泵500较图4的电荷泵300具有更快速的导通以及不导通响应 时间。请参考图10,图IO为具有更加快速的导通与不导通速度的电荷泵IOOO 的示意图。电荷泵1000和电荷泵300的结构和组件的定义、标号大体上相 同，但电荷泵1000较电荷泵300同样增加了电容C3以及电容C4。其中电 容C4的一终端耦接于节点B (较慢节点)而另一终端耦接于一第一电压讯 号(可为前述的UP控制讯号)。电容C3的一终端耦接于节点C(较慢节点) 而另一终端耦接于一第二电压讯号(可为前述的DNB控制讯号，Down BAR 讯号)。电荷泵1000中电容C3以及电容C4的安排使得较慢节点B和C分 别可以更直接对UP控制讯号以及DNB控制讯号作出反应，更进一步加速响应的时间。因此，开关N2可以依据UP讯号以及DNB讯号大体上与开关Nl同步被 导通或转为不导通，不至于受到较快节点A以及节点D的影响而产生任何 延迟，其中电容C3以及电容C4可以有效地降低较快节点以及较慢节点间 的涟波延迟效应，同时具有串接耦接开关的电荷泵500又能保持稳流输出 的特性。对于本领域的技术人员而言，图10的实施例显示了对电荷泵1000 导通以及转为不导通的响应时间更佳的改良。的串接耦接方式使得本发明的电荷泵相对于已知单一开关电荷泵而言，在 不受负载影响的情形下，具有相当稳定的电流输出。然而，开关的串接耦 接亦在电荷泵里产生了涟波延迟而减慢了电荷泵的响应时间下一个开关 要导通或不导通须待前一个开关完成导通或不导通的动作。当本发明的电 荷泵转为不导通时，藉由分別在接地端以及在第一电压源与可控制电荷泵 作为电流槽或电流源的讯号间设置的开关来加速电荷泵的响应时间。当要 导通以及不导通电荷泵时，藉由电容分別将较慢节点与电压讯号间、以及 将较快节点与较慢节点间耦接起来，来加速电荷泵导通或不导通的响应时 间。最后，当本发明的电荷泵导通或不导通时，藉由电容分别耦接于较慢 节点与UP控制讯号间以及较慢节点与DNB控制讯号间，以将电荷泵的导通 与不导通的响应时间最佳化。以上所述仅为本发明的较佳实施例，凡依本发明的权利要求所做的均 等变化与修饰，皆应属本发明的涵盖范围。
权利要求
1.一种电荷泵，包含有一第一开关，耦接于一第一电压源与一第一节点之间，该第一开关由一第一控制讯号控制；一第二开关，耦接于该第一节点与一第二节点间；一第三开关，耦接于该第二节点与一第三节点间，该第三节点耦接于该电荷泵的一输出端；一第四开关，耦接于该第三节点与一第四节点间；一第五开关，耦接于该第四节点与一第五节点间；一第六开关，耦接于该第五节点与接地端间，该第六开关由一第二控制讯号控制；一第一电容，耦接于该第二节点与一第一电压讯号或第二节点间；以及一第二电容，耦接于该第四节点与一第二电压讯号或第五节点间。
2. 如权利要求1所述的电荷泵，其中该第一电压讯号为该第一节点。
3. 如权利要求1所述的电荷泵，其中该第一电压讯号为一第三控制讯 号，该第三控制讯号为该第 一控制讯号的反相讯号。
4. 如权利要求3所述的电荷泵，其中该第二电压讯号为一第四控制讯 号，该第四控制讯号为该第二控制讯号的反相讯号。
5. 如权利要求4所述的电荷泵，还包含一第七开关，耦接于该接地端与该第一节点间，该第七开关是由该第 三控制讯号控制；以及一第八开关，耦接于一第二电压源与该第五节点间，该第八开关是由 该第四控制讯号控制。
6. 如权利要求5所述的电荷泵，其中该第一、第二、第三以及第七开 关为第一型金属氧化物半导体晶体管，该第四、第五、第六以及第八开关 为第二型金属氧化物半导体晶体管，该第二型M0S晶体管对称于该第一型 M0S晶体管。
7. 如权利要求6所述的电荷泵，其中该第一型MOS晶体管为一 P-M0S 晶体管，该第二型M0S晶体管为一N-MOS晶体管。
8. 如权利要求7所述的电荷泵，其中该第一开关的漏极耦接于该第二开关的源极，该第二开关的漏极耦接于该第三开关的源极，该第三开关的 漏极耦接于该第四开关的漏极，该第四开关的源极耦接于该第五开关的漏 极，该第五开关的源极耦接于该第六开关的漏极，该第七开关的源极耦接 于该第一节点，该第七开关的漏极耦接于该接地端，该第八开关的源极耦 接于该第五节点，以及该第八开关的漏极耦接于该第四电压源。
9. 一种电压泵，包含有一串级耦合金属氧化物半导体晶体管电流镜，包含有一列串级耦合M0S 晶体管；该列串级耦合金属氧化物半导体晶体管的 一 第 一 晶体管，用来依据一 第 一控制讯号控制该电荷泵的输出；该列串级耦合金属氧化物半导体晶体管的一第二晶体管，耦接于该第 一晶体管的漏极与该列串级耦合金属氧化物半导体晶体管的一第三晶体管 的源极间，该第三晶体管的漏极耦接于该电荷泵的一输出端；以及一第一电容，具有一第一终端以及一第二终端，该第一终端耦接于该 第三晶体管的源极，该第二终端耦接于一电压讯号。
10. 如权利要求9所述的电压泵，还包含一第一开关，耦接于一第二晶 体管的源极与接地端间，该第一开关由一第二控制讯号控制，该笫二控制 讯号为该第 一控制讯号的反相讯号。
11. 如权利要求10所述的电压泵，其中该电压讯号为该第二晶体管的 源极。
12. 如权利要求10所述的电压泵，其中该电压讯号为该第二控制讯号。
全文摘要
电荷泵包含一第一开关至一第八开关、一第一电容及一第二电容。第一开关耦接一第一电压源与一第一节点间；第二开关耦接该第一节点与一第二节点间；第三开关耦接该第二节点与一作为该电荷泵输出节点的第三节点间；第四开关耦接该输出节点与一第四节点间；第五开关耦接该第四节点与一第五节点间；第六开关耦接该第五节点与接地端间。第七开关耦接该接地端与该第一节点间；第八开关耦接一第二电压源与该第五节点间。第一电容耦接该第二节点与一第一电压讯号间，第二电容耦接该第四节点与一第二电压讯号间。
文档编号H03L7/08GK101237234SQ20071015321
公开日2008年8月6日 申请日期2007年9月29日 优先权日2007年1月30日
发明者张瑞裕 申请人:立积电子股份有限公司