[发明专利]电荷泵电路及相关方法

说明书

本发明提供一种电荷泵电路，包括：第一和第二电容器，第一和第二可控电流产生电路和互连电路，第一可控电流产生电路的第一端耦接第一电容器的第一极板，在电荷泵电路的第一操作模式期间，第一可控电流产生电路参考第一控制输入，提供通过所述第一可控电流产生电路的第一端和第二端的第一电流；第二可控电流产生电路的第一端耦接第二电容器的第一极板，在电荷泵电路的第一操作模式期间，第二可控电流产生电路参考第二控制输入，提供通过第二可控电流产生电路的第一端和第二端的第二电流；互连电路在电荷泵电路的第二操作模式期间将第二电容器的第一极板耦接到第一电源轨，将第二电容器的第二极板和第一电容器的第一极板耦接到电荷泵电路的输出端。

技术领域

本发明涉及电荷泵设计，更具体地，涉及具有电容器交换(swapping)技术的电荷泵电路和相关方法。

背景技术

锁相环(Phase-locked loop，PLL)电路是现代电子系统中最不可避免的必需品之一。例如，PLL电路可用于时钟产生，时间同步，时钟倍增(multiplication)等应用。低压PLL电路对某些低压应用至关重要。典型的PLL电路可以包括相位-频率检测器(phase-frequency detector,PFD)电路，电荷泵(charge pump,CP)电路，环路滤波器(loopfilter)，可控振荡器电路(例如，压控振荡器(voltage-controlled oscillator,VCO))和反馈电路(例如，分频器(frequency divider))。电荷泵电路用于调整经由环路滤波器提供给可控振荡器电路的控制电压。传统的电荷泵电路可以包括上拉(pull-up)电路和下拉(pull-down)电路，每个电路具有电流源以提供充电/放电电流。上拉电路和下拉电路都用于调整提供给可控振荡器电路的控制电压，其中控制电压用作传统电荷泵电路的输出电压。

上拉电路的电流源和下拉电路的电流源可以由金属氧化物半导体场效应晶体管(MOS晶体管)实现。理想地，MOS晶体管被偏置以在饱和模式下操作。由于传统电荷泵电路输出端的控制电压直接影响上拉电路和下拉电路中MOS晶体管的操作状态，控制电压应限制在适当的操作范围内，以便MOS晶体管操作在适当的工作模式(例如，饱和模式)。通常，如果传统的电荷泵电路具有电源电压V1(例如，+3.3V)和地电压V2(例如，0V)并且其中的每个MOS晶体管具有正的过驱动电压V_OV(其等于栅极-源极电压V_GS减去阈值电压V_TH)，控制电压应受上边界V1-V_OV(即电源电压V1减去过驱动电压V_OV)和下边界V2+V_OV(即地电压V2加上过驱动电压V_OV)的限制，以确保上拉电路和下拉电路中的MOS晶体管操作在饱和模式下以充当电流源。换句话说，传统电荷泵电路的输出端处的控制电压的操作范围基本上等于V1-V2-2*V_OV，它非常窄并且不适合于低压应用。

在传统电荷泵电路的噪声性能和操作范围之间存在折衷。例如，为了减少由传统电荷泵电路的电流源产生的噪声，一种解决方案是以控制电压的操作范围为代价来增加过驱动电压V_OV。当传统的电荷泵电路用于低压应用时，需要以较窄的控制电压操作范围操作。因此，需要一种创新的电荷泵电路设计，其能够在低电压和低噪声应用中打破噪声性能和操作范围之间的折衷。

发明内容

本发明的目的之一是提供一种具有电容器交换技术的电荷泵电路和相关方法。