电荷泵、锁相环电路以及该电荷泵中的方法

摘要

本发明公开一种电荷泵，一种锁相环电路和该电荷泵中的一种方法，涉及电路技术领域。该电荷泵包括输入端口、开关以及输出端口。该输入端口接收第一相位频率调整参数。该开关依据上述相位频率调整参数切换第一电流的导通或者关断，并保持第二电流导通。上述第一电流大于上述第二电流。该输出端口输出上述第一电流和上述第二电流的总和至低通滤波器。本发明的电荷泵及电荷泵中的方法通过上述相位频率调整参数控制该第一电流和该第二电流的变化，进而控制该电荷泵充电电流和放电电流的变化，有效解决上述充电电流和放电电流之间的失配问题。

说明书

技术领域

本申请涉及电路，特别涉及但不限于一种电荷泵，一种锁相环电路和该 电荷泵中的一种方法。

背景技术

锁相环路（Phase Locking Loop，简称“PLL”）是产生输出信号的控 制系统，该输出信号也被称为F_N时钟，其相位与输入“基准”信号的相位 有关，该输入“基准”信号也被称为F_ref时钟。

该锁相环路包括电荷泵，而该电荷泵面临譬如充电电流和放电电流之间 失配的问题。因此电荷泵需要被改进。

发明内容

在一实施例中，电荷泵包括输入端口、开关以及输出端口。该输入端口 接收相位频率调整参数。该开关依据该相位频率调整参数来切换第一电流导 通或者关断，并保持第二电流导通，其中该第一电流大于该第二电流。该输 出端口输出上述第一电流和上述第二电流的总和至低通滤波器。

在另一实施例中，电荷泵中的一种方法包括接收相位频率调整参数；依 据该相位频率调整参数来切换第一电流导通或关断；保持第二电流总是导通， 其中该第一电流大于该第二电流；以及输出上述第一电流和上述第二电流的 总和至低通滤波器。

在另一实施例中，一种锁相环电路（PLL）包括鉴频鉴相器、电荷泵、 低通滤波器、压控振荡器（VCO）、以及分频器。该鉴频鉴相器接收第一输 入信号和第二输入信号。该鉴频鉴相器进一步依据上述第一输入信号和上述 第二输入信号的相位和频率的差值而输出第一相位频率调整参数和第二相位 频率调整参数。该电荷泵与该鉴频鉴相器连接。该电荷泵接收该第一相位频 率调整参数和该第二相位频率调整参数之中的一个。该电荷泵依据接收到的 相位频率调整参数来切换第一电流导通或者关断；并保持第二电流导通，其 中该第一电流大于该第二电流。该电荷泵接着输出该第一电流和该第二电流 的总和至低通滤波器。该低通滤波器依据该第一电流和该第二电流的总和产 生电压。该压控振荡器（VCO）与该低通滤波器连接。该VCO依据上述电 压产生振荡频率。该分频器接收上述振荡频率，将该振荡频率分频，并使用 已经被分频的振荡频率产生上述第二输入信号。

附图说明

本发明的非限制性和非详尽的各实施例将参照下列附图进行说明，其中 类似参考数字标记除另有详细说明外在各种示图中指示类似部件。

图1示出了根据本发明一实施例的锁相环电路的原理图。

图2示出了根据本发明一实施例的电荷泵的结构图。

图3示出了根据本发明第一实施例的电荷泵的详细结构。

图4示出了根据本发明第一实施例的由电荷泵产生的示例电流。

图5示出了根据本发明第二实施例的电荷泵的详细结构。

图6示出了根据本发明第二实施例的由电荷泵产生的示例电流。

图7示出了根据本发明一实施例的流程图。

具体实施方式

现将对本发明的各种方面和实例进行说明。以下的描述为了全面理解和 说明这些实例而提供了特定细节。但是，本领域的技术人员可以理解，即使 没有许多这些细节，也可以实施本发明。此外，一些公知结构或者功能可能 没有被示出或详细描述，以避免不必要地模糊相关说明。

如图1所示，锁相环（PLL）电路10包括鉴频鉴相器（PFD）105、电 荷泵（CP）110、低通滤波器（LPF）115、压控振荡器（VCO）120以及 分频器（FD）125。

该鉴频鉴相器105被配置成接收第一输入信号F_ref和第二输入信号 F_N。该鉴频鉴相器105接着依据上述第一输入信号F_ref和第二输入信号 F_N的相位和频率的差值而输出图1中被标记为UP（up）的第一相位频率 调整参数和图1中被标记为DN（down）的第二相位频率调整参数。该第一 输入信号包括F_ref时钟信号（在图1中被标记为F_ref），而该第二输入信 号包括F_N时钟信号（在图1中被标记为F_N）。该第一相位频率调整参 数UP和该第二相位频率调整参数DN之间的差值与该第一输入信号F_ref 和该第二输入信号F_N的相位和频率的差值成比例。

该电荷泵110与上述鉴频鉴相器105连接，并被配置成接收上述第一相 位频率调整参数UP和上述第二相位频率调整参数DN之中的一个。该电荷 泵110接着依据接收到的相位频率调整参数来切换第一电流导通或关断。该 电荷泵110保持第二电流导通。该第一电流大于该第二电流。该电荷泵110 还输出该第一电流和该第二电流的总和至该低通滤波器115。

优选地，上述第一电流和上述第二电流被配置成满足下述不等式，即该 第一电流（I_big）的值和最小相位误差（Pe(min)）的乘积小于该第二电流（I_small） 的值和基准信号的周期（T_ref）的乘积，就是，I_big×Pe(min)﹤I_small×T_ref。其 中，T_ref表示该基准信号的周期，即该第一输入信号F_ref的周期。

本领域的技术人员应当理解，该不等式I_big×Pe(min)﹤I_small×T_ref是被满 足的。例如，假设F_N﹥F_ref的情况，并且I_small被用作充电电流，而I_big被用作放电电流。I_small是常量。I_big是变量，其被由上述PFD105输出的该 第二相位频率调整参数DN控制。如果该电荷泵需要放电，则DN的脉冲宽 度增加，而且DN的该脉冲宽度大于上述最小相位误差Pe(min)。因此I_big×DN 的脉冲宽度﹥I_small×T_ref。这意味着，由I_small充的电小于由I_big放的电，从而 该电荷泵放电。然而，I_big×Pe(min)﹤I_small×T_ref应当被满足。

优选地，假设F_N﹥F_ref的情况，并且I_small被用作放电电流，而I_big被用作充电电流。其中I_small是常量。I_big是变量，其被由上述PFD105输出 的第一相位频率调整参数UP控制。如果该电荷泵需要放电，则该第一相位 频率调整参数UP的脉冲宽度达到最小的Pe(min)。当I_big×Pe(min)﹤I_small×T_ref被满足时，由I_small放的电大于由I_big充的电，从而该电荷泵放电。

优选地，假设F_N﹤F_ref的情况，并且I_small被用作充电电流，而I_big被用作放电电流。其中I_small是常量。I_big是变量，其被由上述PFD105输出 的第二相位频率调整参数DN控制。如果该电荷泵需要充电，则该第二相位 频率调整参数DN的脉冲宽度达到最小的Pe(min)。当I_big×Pe(min)﹤I_small×T_ref被满足时，由I_small充的电大于由I_big放的电，从而该电荷泵充电。

优选地，假设F_N﹤F_ref的情况，并且I_small被用作放电电流，而I_big被用作充电电流。其中I_small是常量并且I_big是变量，I_big被由上述PFD105 输出的第一相位频率调整参数UP控制。如果该电荷泵需要充电，则UP的 脉冲宽度增加，并且UP的该脉冲宽度大于上述最小相位误差Pe(min)。因 此I_big×UP的脉冲宽度﹥I_small×T_ref，这意味着，由I_small放的电小于由I_big充 的电，从而该电荷泵充电。然而，I_big×Pe(min)﹤I_small×T_ref应当被满足。

优选地，该第一电流是该第二电流的N倍。

关于电荷泵110的运作的更详细的说明将参照以下的图2、图3、图4、 图5以及图6在实施例中给出。

该低通滤波器115与该电荷泵110连接。该低通滤波器115被配置成 依据上述第一电流和上述第二电流的总和而产生电压。

该压控振荡器120与该低通滤波器115连接。该压控振荡器120被配 置成依据上述电压产生振荡频率。该压控振荡器120可以包括LC振荡器。

该分频器125被配置成接收来自该压控振荡器120的该振荡频率。该分 频器125将该振荡频率N分频，并使用该被分频的振荡频率产生该第二输入 信号F_N。因此该第二输入信号F_N等于该压控振荡器120的输出频率除 以N。

图2示出了上述电荷泵110的结构图。该电荷泵110包括输入端口200、 开关202以及输出端口204。该输入端口200接收相位频率调整参数UP或 者DN。该开关202依据上述相位频率调整参数来切换第一电流导通或者关 断，并保持第二电流导通。该第一电流大于该第二电流。该输出端口204 输出该第一电流和该第二电流的总和至该低通滤波器。

图3示出了根据本发明第一实施例的电荷泵的详细结构。

依据图3，该电荷泵还包括：第一电流源（I₀）、第一NMOS（N型金 属-氧化物-半导体场效应管，M10）、第二NMOS（M12）、第三NMOS（M14）、 第一PMOS（P型金属-氧化物-半导体场效应管，M16）、第二PMOS（M18） 以及PMOS开关（M_UP）。该PMOS开关M_UP相应于图2中的开关202，并 由虚线框202示出。该PMOS开关M_UP的栅极相应于图2中的输入端口200， 并由虚线框200示出。该PMOS开关M_UP的漏极相应于图2中的输出端口 204，并由虚线框204示出。该第一PMOS M16的源极和该第二PMOS M18 的源极与正电源电压（VDD）连接。该第一PMOS M16和该第二PMOS M18 的栅极以及该第二PMOS M18的漏极都与该第二NMOS M12的漏极连接。 该第一PMOS M16的漏极与该PMOS开关M_UP的源极连接。该第二NMOS  M12和该第三NMOS M14的栅极、该第三NMOS M14的漏极以及该第一 NMOS M10的栅极都与上述第一电流源I₀的输出连接。该第一NMOS M10、 该第二NMOS M12以及该第三NMOS M14的源极都与负电源电压（VSS） 连接。该第一NMOS M10的漏极与该PMOS开关M_UP的漏极连接。该PMOS 开关M_UP的源极与该第一PMOS M16的漏极连接。该PMOS开关M_UP的栅 极接收上述第一相位频率调整参数UP，从而该PMOS开关M_UP切换该第一 PMOS M16导通或者关断。该电荷泵的输出端口Cpout位于该第一NMOS  M10的漏极。需注意的是，该第一NMOS M10的漏极与该PMOS开关M_UP的漏极连接。应当理解，该第一NMOS M10的漏极输出通过该第一NMOS  M10的电流（上述第二电流I_small）和通过该第一PMOS M16的电流（上述 第一电流I_big）的总和。虽然没有在图3中示出，但是应当理解，该低通滤波 器将提供直流DC工作点给该第一NMOS M10，从而该第一NMOS M10将 始终处于导通状态。如图3所示，通过该第一PMOS M16的电流是I_big（相 应于图2中的第一电流），而通过该第一NMOS M10的电流是I_small（相应 于图2中的第二电流）。

优选地，该第一PMOS M16的宽长比（W/L）等于该第一NMOS M10 的宽长比的N倍，并且该第一NMOS M10、该第二NMOS M12、该第三 NMOS M14以及该第二PMOS M18的宽长比相同，如图3所示。由于通过 上述晶体管的电流与这些晶体管的宽长比（W/L）成比例，因此通过该第一 PMOS M16的电流I_big是通过该第一NMOS M10的电流I_small的M倍。

图4示出了根据本发明第一实施例的由电荷泵产生的示例电流。

由图4，明显地，I_big由上述第一相位频率调整参数UP控制，而因此I_big是可调的。I_small是常量。I_big大于I_small。

如图5所示，在第二实施例中，该电荷泵还包括第二电流源（I₁）、第 四NMOS（M20）、第五NMOS（M22）、第六NMOS（M24）、第三PMOS （M26）、第四PMOS（M28）以及NMOS开关（M_DN）。该NMOS开关 M_DN相应于图2中的开关202，并由虚线框202示出。该NMOS开关M_DN的栅极相应于图2中的输入端口200，并由虚线框200示出。该NMOS开 关M_DN的漏极相应于图2中的输出端口204，并由虚线框204示出。该第三 PMOS M26和该第四PMOS M28的源极与正电源电压（VDD）连接。该第 三PMOS M26和该第四PMOS M28的栅极以及该第四PMOS M28的漏极 都与该第五NMOS M22的漏极连接。该第三PMOS M26的漏极与该NMOS 开关M_DN的漏极连接。该第五NMOS M22和该第六NMOS M24的栅极、该 第六NMOS M24的漏极以及该第四NMOS M20的栅极都与该第二电流源I₁的输出连接。该第四NMOS M20、该第五NMOS M22、以及该第六NMOS M24的源极都与负电源电压VSS连接。该第四NMOS M20的漏极与该 NMOS开关M_DN的源极连接。该NMOS开关M_DN的源极与该第三PMOS M26 的漏极连接。该NMOS开关M_DN的栅极接收上述第二相位频率调整参数DN， 从而该NMOS开关M_DN切换该第四NMOS M20导通或者关断，并且该电荷 泵的输出端口CPout位于该第三PMOS M26的漏极。需注意的是，该第三 PMOS M26的漏极与该NMOS开关M_DN的漏极连接。应当理解，该第三 PMOS M26的漏极输出通过该第三PMOS M26的电流（上述第二电流I_small） 和通过该第四NMOS M20的电流（上述第一电流I_big）的总和。虽然没有在 图5中示出，但是应当理解，上述低通滤波器将提供直流DC工作点给该第 三PMOS M26，从而该第三PMOS M26将始终处于导通状态。如图5所示， 通过该第三PMOS M26的电流是I_small（相应于图2中的第二电流），而通 过该第四NMOS M20的电流是I_big（相应于图2中的第一电流）。

优选地，该第四NMOS M20的宽长比（W/L）等于该第三PMOS M26 的宽长比（W/L）的N倍，并且，该第三PMOS M26、该第五NMOS M22、 第六NMOS M24以及该第四PMOS M28的宽长比相同，如图5所示。由于 通过上述晶体管的电流与这些晶体管的宽长比（W/L）成比例，因此通过该 第四NMOS M20的电流I_big是通过该第三PMOS M26的电流I_small的M倍。

图6示出了根据本发明第二实施例的由电荷泵产生的示例电流。

由图6，明显地，I_big由上述第二相位频率调整参数DN控制，而因此I_big是可调的。I_small是常量。I_big大于I_small。

图7示出了根据本发明一实施例的流程图。通过电荷泵执行的方法70， 包括接收相位频率调整参数（700）。该方法70还包括依据该相位频率调整 参数切换第一电流导通或关断（702）。该方法70还包括保持第二电流导通， 其中该第一电流大于该第二电流（704）。该方法70还包括输出该第一电流 和该第二电流的总和至低通滤波器（706）。本领域的技术人员可以理解， 该切换步骤（702）和该保持步骤（704）不是必须按照所叙述的顺序被执行。 也就是说，该切换步骤702和该保持步骤704可以被同步执行，或者按照不 同的顺序被异步执行。

优选地，上述第一电流和上述第二电流被配置成满足下述不等式，即该 第一电流（I_big）的值和最小相位误差（Pe(min)）的乘积小于该第二电流（I_small） 的值和基准信号的周期（T_ref）的乘积。

优选地，该第一电流是该第二电流的N倍。

本领域的技术人员应当理解，不同实施例的元件可以相互结合以产生另 一个技术方案。本书面说明书使用实例来公开本发明，包括最佳实施方式， 并且也使本领域任何技术人员能够实施本发明，包括制造和使用任何装置或 系统和执行任何所结合的方法。本发明的专利范围由本权利要求书限定，并 可包括本领域技术人员想到的其他实例。这些其他实例如果具有与本权利要 求书的文字语言相同的结构元件，或包括与本权利要求书的文字语言没有本 质区别的等同结构元件，则这些其他实例意欲在本权利要求书的范围内。