应用于锁相回路的电流装置及其方法

专利名称：应用于锁相回路的电流装置及其方法
技术领域：
本发明关于电流装置，特别是关于一种应用于锁相回路的电流装置。
背景技术：
图1为习知锁相回路的架构方块图。参考图1，锁相回路100包含一 相位检观'J器(phase detector) 102 、 一电荷泵(charge pump) 104 、 一低通滤波 器(low-pass filter,. LPF) 106、 一压控震荡器(voltage-controlled oscillator, VCO) 110以及一除频器(frequency divider) 108。锁相回路100于初始状态时， 相位检测器102先比较参考时钟与反馈时钟的相位差(phase error),然后将 两者的相位差关系转换成UP和DN两个信号后，分别送至电荷泵104,而电 荷泵104依据UP和DN两信号以输出 一控制电压V加至压控震荡器110的输 入端。电荷泵104经由UP和DN两个信号的控制而对低通滤波器106的电 阻电容(图未示)作充电(charge)或力文电(discharge)的动作，接着，压控震 荡器110藉由电荷泵104对低通滤波器106充电或放电所产生的控制电压VctH 以产生一输出时钟。接着，除频器108将此输出时钟进行除频，以产生反馈 时钟提供给相位检测器102作相位差的比较，如此一直循环运作，直到反馈 时钟与参考时钟的频率与相位差实质上相同时，锁相回路即完成锁相的动作。
在锁相回路相关的应用上，例如频率合成器(frequency synthesizer)以及 时钟与资料恢复(clock and data recovery, CDR)等，压控震荡器与电荷泵为 锁相回中，较容易受到外在环境所影响，例如处理、电压与溫度的影响。 而压控震荡器的增益(gain): =dco/dv=df/dv (其中，co是角频率，f是工 作频率，v是电压)，是一个参考的指标值，较大的^(:。值可以涵盖处理、电 压与温度(process、 voltage、 temperature,以下简称PVT)的变化，相反地， 较小的尺"'。值则可以减少对噪声的^:感度。
美国专利第5,064,907号与第6,326,855号所提出的压控震荡器属于开回 路(open loop)架构的补偿方式，其针对电压电流转换器(voltage-to-current converter)来做补偿，其中的补偿电流基本上是一个与绝对温度成正比(proportional to absolute temperature, PTAT)的电流。另夕卜，于2005年11月， Hyung-Rok Lee等人("A 1.2-V-only 900mW 10gb Ethernet transceiver and XAUI interface with robust VCO tuning technique," JSSC， Nov.，2005)亦提出 一种具有 具有温度补偿功能的压控震荡器。
另一方面，由于高^c"值的单一频率电压特性曲线的压控震荡器对噪声 较敏感，因此具有低^"M直的多段式(multi-range或multi-band)频率电压特 性曲线的压控震荡器也陆续被发展出来，如图2A所示是具有两组输入信号 的多段式压控震荡器的频率电压特性曲线图。在2005年6月，Nonis等人 ("Modeling, Design and Characterization of a New Low-Jitter Analog Dual Tuning LC-VCO PLL Architecture," IEEE Journal of Solid-state Circuits)提出一 种连续时间双回圈调整(continuous time dual-loop tuning)方法，采用具有两 组输入信号的压控震荡器，该压控震荡器的^"",如图2A所示，远小于习 知具有 一组输入信号的压控震荡器的A'""。具有两组输入信号的压控震荡器 先利用电压Vc做粗调(coase),使该压控震荡器工作于其中一条最佳的频率 电压特性曲线，再作微调(fine)控制，使(Vfinep - Vfinen)尽量接近参考电压 (Vrefp - V,.efn),结果使得压控震荡器工作于线性区(其中的几乎等于 定值)，并使压控震荡器的频率电压特性曲线可以维持在相同的频率输出范 围。
图2B所示是另 一习知离散时间双回圈调整(discrete time dual loop)多段
式压控震荡器的频率电压特性曲线图，其中，VL为最小控制电压，VH为最大
控制电压，图中的各频率电压特性曲线是在同 一参数才莫型(at the same process comer)下量测的，而且，各频率电压特性曲线之间的频率必须相互重迭 (overlap),在电路运作时，锁相回路的粗调是利用压控震荡器工作于其中一条 最佳的频率电压特性曲线，而微调是沿着上述最佳的频率电压特性曲线中， 使压控震荡器在一个最佳点工作。
图2C所示是在不同的参数模型与不同的温度下，单段式(single-band)压 控震荡器的频率电压特性曲线图，如图2C所示，低温所量测的频率电压特性 曲线，《'""值较大(或斜率较大)，而高温所量测的频率电压特性曲线，~('" 值较小(或斜率较小)。因此，对单段式压控震荡器而言，在相同的工作频率 下，较大&'('。值的频率电压特性曲线会对应到较小的控制电压，而较小^c。值 的频率电压特性曲线会对应到较大的控制电压。在2002年12月，Dally等人("A Low-Power Multiplying DLL for Low-Jitter Multigigahertz Clock Generation in Highly Integrated Digital Chips," IEEE Journal of Solid-state Circuits)才是出 一种适应偏压型(adaptive-biased)电荷泵(图
未示)，用来在锁相回路中对于不同处理模型以补偿^r:o的变化，该电荷泵是
根据压控震荡器的控制电压Vcntl以产生相对应的电荷泵电流1^,使得 x Icp较不亦随着而漂移。这是因为压控震荡器为维持相同的输出工 作频率，较小^c。值(或斜率较小)的频率电压特性曲线需要较大的控制电 压(如图2C所示)，反之亦然，所以电荷泵会根据控制电压V加,产生相对应的 电荷泵电流以4卜偿的变化。

发明内容
本发明的目的之一在于提供一种应用于锁相回路的电流装置，可以主动 依据《"('"的变化，产生相对应的补偿电压或补偿电流。
本发明公开一种电流装置，包含 一补偿电压产生电路以及一电流输出 单元。该补偿电压产生电路，用来产生一补偿电压，该补偿电压产生电路包
含 一第一电晶体，接收一参考电流以产生该补偿电压；以及一补偿单元，
并联耦接至该第一电晶体，用来补偿该补偿电压。电流输出单元包含至少一
第二电晶体，该电晶体用来依据该补偿电压以输出一第一输出电流；其中， 该第二电晶体与该第 一 电晶体形成 一 电流镜结构。
结合下列图示、实施例的详细说明及权利要求，将上述及本发明的其他 目的与优点详述于后。


图1是一习知锁相回路的架构方块图。
图2A所示是习知具有两组输入信号的多段式压控震荡器，其频率电压 特性曲线图。
图2B所示是另一习知离散时间双回圈调整多段式压控震荡器的频率电 压特性曲线图。
图2C所示是在不同的参数模型与不同的温度下，单段式压控震荡器的频 率电压特性曲线图。
图3是压控震荡器应用本发明的电流装置的 一 实施例的架构示意图。图4A是偏压与补偿电压产生电路应用本发明的电流装置的一实施例的
架构图。
图4B是延迟元件(delay cell)应用本发明的电流装置的一实施例的架构图。
图5是压控震荡器应用本发明的电流装置的架构，在不同参数模型与控 制电压下，所测得的频率电压特性曲线关系图。
图6是电荷泵应用本发明的电流装置的一实施例的架构示意图。
图号说明
100锁相回^各
102相位检测器
104、 600电荷泵
106低通滤波器
108除频器
110、 300压控震荡器
300压控震荡器
310偏压与补偿电压产生电路
320环型震荡器
321~32N延迟元件
321a 32Na、 421、 425延迟单元
321b 32Nb压控电流源
410补偿电压产生电路
420半复制偏压产生电^各
423、 630电压电流转换器
620电流镜
m Ms、 ^'6 nmos电晶体
M6、 M7、 Ml3、 M,4、 M,5 pMQS电晶体
具体实施例方式
图3是本发明压控震荡器的一实施例的架构示意图。参考图3,压控震 荡器300包含一偏压与补偿电压产生电^各310以及一个N (N为大于1的正整数)阶环型震荡器(ring oscillator) 320。环型震荡器320包含N个延迟元 件 (delay cell) 321 32N , 每 一 延迟元件又包含 一 电流控制型 (current-controlled)延迟单元(321 a 32Na)以及 一 压控电流源(current source) (321b 32Nb)。
偏压与补偿电压产生电路用来产生一偏压、以提供给所有的延迟元件
(321a 32Na),同时还产生一补偿电压以提供给所有的压控电流源 (321b 32Nb)。电路设计者根据每一个延迟元件的延迟时间T以及预设的震荡
页率/"、T:,来串接N阶的环型震荡器，也就是^'^E/^xr，其中环型震荡器
的阶数N越大或延迟时间T越长，震荡频率入说'就越低。在本实施例中的环 型震荡器因为是差动型(differential),所以N可为奇数或偶数，当N为偶数 时，其中一阶的延迟元件的正负输出端A+、 A-必须要反转(inverted),在图 中以虚线表示，而当N为奇数时，正负输出端A+、 A-不必反转，在图中以 实线表示。
请参考图4A，图4A是偏压与补偿电压产生电路应用本发明的电流装置 的一实施例的架构图，偏压与补偿电压产生电路310包含一补偿电压产生电 路410以及一半复制偏压产生电路(halfreplicabias generator) 420。补偿电压
产生电路410，用来产生一补偿电压""""。偏压产生电路420包含一半复制延 迟单元421以及一电压电流转换器(V-to-I converter) 423。而补偿电压产生电 路410与电压电流转换器423构成本发明的电流装置的一实施例。其中，电
压电流转换器423包含两个NMOS电晶体风、M2 ，用来分别依据控制电压"'"
(由电荷泵所提供)与该补偿电压 以严生一控制电流 (=It+Ic),而半 复制延迟单元421则包含两个PMOS电晶体7^6、似？以及一个NMOS电晶体
Ms,根据控制电流^'""来产生一偏压^。
假设电压^以及电流"'都是固定的量，不会随PVT而改变，本发明利 用 一个补偿电晶体M4并联耦接至电晶体A来追踪电晶体M'因周遭环境PVT
变动而产生的变化。当电晶体^的调整电流'因PVT变动而变小(^";变小、
g"变小)时，流经电晶体M4的电流4 (图未示)也随之变小(g'"4变小)，
此时，因电流 '是固定的，所以流经电晶体^的电流3 (图未示)会增加，
9进而使得补偿电压，上升，由于补偿电压"上升的结果，使得电晶体A所
产生的补偿电流亦会随之上升(电晶体^、礼是电流镜(current mirror)
架构)，最后得到整体控制电流""(^c+It)不变的结果。因此，周遭环境PVT
/(, /, 变动时，补偿电流'会主动根据电晶体^的电流变化(或g'",变化)而产
生变化。电流镜A、^将电流S与电晶体牦的输出电流之间的电流差放
々 々. 大，以产生补偿电流，也就是电晶体M2的补偿电流 =Ibg -
Vbg*g'"4*g'"2/g'"3,其中，(g"',g'"2/g"'3)这个变量会追踪电晶体M'的g'",变化
(由于周遭环境PVT变动)。附带一^t是，本发明补偿电流的产生方式是属 于开回路(叩en loop)架构的设计。
另一方面，若将所有随PVT变动而发生变化的信号都视为一个固定值 (constant)信号与一个变量(variable)信号的组合，例如
电晶体M'的电流=Ic。nstl+ Ivarl= Ic。nstl+g"',* ; 电晶体A^的电流=ICMSt2- 1，2=1画12+&'2* ;
则
^2制电》化 = += (Iconstl+ Iconst2)十(Ivarl — Ivar2 )
=(1画"+ I薩t2)十(g"' i - a*2 ) *
K [77,/
,, a>"." 加/
其中，假设 =a* 。
本发明利用能隙电压参考电路(bandgap voltage reference circuit)所产生
的电流""当作I，st2,电压化当作■"。经由适当的选择参数a，可使变动的 量彼此消掉(也就是(Ivarl- Ivar2) =0 )，只剩下固定的量(=(Iconstl+ Iconst2)),因
此，在电压^=电压^"时，控制电流"'"都是一个固定值。从另一个角度来
看，电晶体M4的输出电流会追踪电流的变化，都是朝同一方向变动(也
就是电流A变大时，电流^亦变大)，此时因为电流"g为定值，所以电晶体^
/，' /4 的输出电流—会与电晶体^4的输出电流呈反方向变动，接着，又因电流
镜M、〃2的关系，也使得补偿电流与电流亦呈同方向变动(当电晶体,, 73 A: 々 ,，
M、屹完全相同时，=),因此，结果是补偿电流与电流朝反方
向变动。
请参考图4B,图4B是延迟元件应用本发明的电流装置的一实施例的架 构图，每一延迟元件(321 32N)包含一电流控制型延迟单元425以及一电压
电流转换器423。电压电流转换器423同样接收电荷泵所提供的控制电压^'"
与补偿电压产生电路410所提供的该补偿电压 以产生控制电流 (=IC+It)。与图4A的延迟单元423比较，延迟单元423只是延迟单元425的半
边电路，延迟单元425依据该控制电流^"'与偏压、，将两个正负输入端F"、 ^所输入的时钟信号反向后于正负输出端匕、^-产生延迟时钟信号。而电 压电流转换器423与补偿电压产生电路410构成本发明的电流装置的一实施 例，其操作原理与补偿原理已于前述说明，因此再此不另赘述。
图5是根据本发明压控震荡器的架构，在不同参数模型与控制电压下， 所测得的频率电压特性曲线关系图。依据本发明的实施例中，压控震荡器 300利用补偿电压产生电路410的架构，以电压电流转换器423与电流控制
型延迟单元425为补偿对象，在电源启动后先将电压与电流分别预设一
固定值(例如6S=0.45V,化-7(HiA), 在不同参数模型中与不同PVT状况
下，补偿电压产生电路410都会产生相对应的补偿电压"'""'、电晶体」仏-产生
々
相对应的补偿电流，进而调整各频率电压特性曲线的中心震荡频率，使各
频率电压特性曲线的中心震荡频率几乎交会于一点，约在 =二0.45V的 附近(如图5所示)。与图2C比较，可以看到图5的三条频率电压特性曲
线的中心震荡频率的确都被调整或移动了。当控制电压"'"等于电压"时，
控制电流4""也几乎等于定值，使得三条特性曲线的中心震荡频率几乎交会在
同一点(=",中心震荡频率不易随PVT的改变而产生变化，因此压控 震荡器300可以用较小的^,值(或斜率较小)来涵盖相同的工作频率
^
(operating frequency)或主要的震荡范围。然而， 及 的实际值可4衣照
电路设计者对于中心频率的要求进行改变，并不以 =0.45V, =70(iA为限。请参考图6,图6是电荷泵应用本发明的电流装置的一实施例的架构示 意图。电荷泵电流"大小可以根据不同《，作调整，使、《罚乘积是一个定
值，并进而调整控制电压""'的大小。电荷泵600包含一补偿电压产生电路 410、 一电压电流转换器630、两个电晶体M'5、仏6以及一电流镜620。其中， 电晶体^|5、 Mw当作两个分别由控制信号UP、 DN所控制的开关，用以控制
充电电流"及放电电流'i (流经电晶体^"的电流)对电荷泵的输出端的 充方文电状态。
当周遭环境PVT变动(假设温度上升，^c"值变小，g、变小)时，流
经电晶体M4'的电流^ (图未示)随之变小，此时，因电流^'是固定的，所以
厶 ,.，
」经电晶体札的电流
流经电晶体A的电流"(图未示)会增力口，使得补偿电压'"'"'"上升，而电流°
也随之上升(因为电晶体^3、 M2、 ^是电流镜架构)，最后，流经电晶体 M'3、 ^4的电流7'3、 7"(图未示)同步上升，因此' ^'('"乘积(也就是锁
相回路的开回路增益)几乎不变。不同于习知技术是根据控制电压(vcnU)来
产生相对应的电荷泵电流，本发明的电荷泵是根据《W'"(或g"'4)的变动来调 整电荷泵电流进而调整控制电压"'"，因此，本发明电荷泵不但适用于具
有单段式频率电压特性曲线(single band)的压控震荡器，亦适合具有多段式 频率电压特性曲线(multi band at the same corner)的压控震荡器。若以lt学式 子来推导
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因为g"' 4会追踪的变化，(* △- △ KfTO * )几乎等于
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零，再者，A^'"^A的乘积值，相对上远小于 *A' ("."'"'、'的乘积值，故
八"*的乘积值可视为常数。
依据本发明的实施例所提供的电流装置及方法，可依照设计者的需求择 一应用于压控震荡器或是电荷泵中，或者二者同时使用亦可。若应用于压控 震荡器，则可补偿压控震荡器的中心震荡频率，若应用于电荷泵中，则可补
偿压电流；，若同时应用二者，则可补偿使得"'*《，乘积为一个定值。本发明利用简单的电路设计、低廉的硬体成本，就能达到良好、可靠的补偿效果。
以上说明仅是本发明的实施例，并非用来限定本发明的实施范围，本领域技术人员可在不脱离本发明的要旨下，进行各种实施方式的变形或变更，亦即凡依本发明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
1.一种电流装置，包含一补偿电压产生电路，用来产生一补偿电压，该补偿电压产生电路包含一第一电晶体，接收一参考电流以产生该补偿电压；以及一补偿单元，并联耦接至该第一电晶体，用来补偿该补偿电压；以及一电流输出单元，包含至少一第二电晶体，该第二电晶体用来依据该补偿电压以输出一第一输出电流；其中，该第二电晶体与该第一电晶体形成一电流镜结构。
2. 如权利要求1所述的电流装置，其中该补偿单元，包含 一补偿电晶体，接收一参考电压且与该第一电晶体形成一并联结构。
3. 如权利要求1所述的电流装置，其中该电流输出单元还包含 一第三电晶体，与该第一电晶体形成电流镜结构，用来依据该补偿电压以输出一第二输出电流。
4. 如权利要求3所述的电流装置，应用于一电荷泵电路。
5. 如权利要求4所述的电流装置，其中该第一输出电流作为该电荷泵电 路的充电电流；以及该第二输出电流作为该电荷泵电3各的力i:电电流。
6. 如权利要求1所述的电流装置，其中该电流输出单元，包含 一第三电晶体，接收一控制电压，用来输出一第二输出电流。
7. 如权利要求6所述的电流装置，其中该补偿单元，包含 一补偿电晶体，接收一参考电压且与该第一电晶体形成一并联结构。
8. 如权利要求7所述的电流装置，应用于一压控震荡器。
9. 如权利要求8所述的电流装置，其中该第一输出电流与第二输出电流 用来控制该压控震荡器所输出的 一时钟信号的震荡频率。
10. 如权利要求9所述的电流装置，其中当该控制电压实质上等于该参 考电压时，该时钟信号的中心震荡频率不受处理、电压、以及温度的改变所
11. 如权利要求1所述的电流装置，应用于一锁相回路中。
12. —种压控震荡器，包含一补偿电压产生电路，用来产生一补偿电压，该补偿电压产生电路包含一第一电晶体，接收一参考电流以产生该补偿电压；以及 一补偿单元，并联耦接至该第一电晶体，用来补偿该补偿电压； 一压控电流源，用来依据该补偿电压与 一控制电压以产生一控制电流；以及一延迟单元，用来依据该控制电流以延迟一时钟信号并输出一延迟时钟信号。
13. 如权利要求12所述的压控震荡器，其中该补偿单元，包含 一补偿电晶体，接收一参考电压且与该第 一电晶体形成一并联结构。
14. 如权利要求12所述的压控震荡器，其中该压控电流源，包含 一第二电晶体，该第二电晶体与该第一电晶体形成一并联结构，用来依据该补偿电压以输出一补偿电流；以及一控制电晶体，用来依据该控制电压以输出 一调整电流；其中，该补偿电流与该调整电流的电流和实质上等于该控制电流。
15. 如权利要求12所述的压控震荡器，其中当该控制电压实质上等于该 参考电压时，该时钟信号的中心震荡频率不受处理、电压、以及温度的改变 所影响。
16. 如权利要求12所述的压控震荡器，其中该延迟单元为一差动模式的 延迟单元。
17. 如权利要求12所述的压控震荡器，设置于一锁相回路之中。
18. —种电荷泵，包含一补偿电压产生电路，用来产生一补偿电压，该补偿电压产生电路，包一第一电晶体，接收一参考电流以产生该补偿电压；以及 一补偿单元，并联耦接至该第一电晶体，用来补偿该补偿电压； 一电流输出单元，与该第一电晶体形成电流镜结构，用来依据该补偿电压输出 一充电电流及一》文电电流；以及一开关单元，耦接至该电流输出单元，用来依据一输入控制信号控制该充电电流及该;改电电流对电荷泵的输出端的充》文电状态。
19. 如权利要求18所述的电荷泵，其中该补偿单元，包含一补偿电晶体，接收一参考电压且与该第一电晶体形成一并联结构。
20.如权利要求18所述的电荷泵，设置于一锁相回路之中。
全文摘要
本发明提供一种应用于锁相回路中的电流装置及其方法，该电流装置可以调整压控震荡器的中心震荡频率，使补偿后的中心震荡频率实质上不受处理、电压与温度的影响，亦可用较小的K_VCO值来涵盖主要的频率震荡范围。另外，本发明的电流装置还可应用于电荷泵中，使得电荷泵电流I_cp可依据压控震荡器的增益值K_VCO来进行调整，以降低I_cp*K_VCO受到处理、电压与温度的影响。
文档编号H03L7/089GK101527566SQ20081008208
公开日2009年9月9日 申请日期2008年3月6日 优先权日2008年3月6日
发明者陈奕光 申请人:瑞昱半导体股份有限公司