充電泵(C HARGE P UMP , CP)

充電泵在鎖相迴路的設計上扮演的重要的一環，它是將相位頻率偵測器的數 位訊號轉換成類比訊號，以做為電壓控制振盪器的輸入訊號，也就是說將相位頻 率偵測器所產生的 UP、DN 訊號將轉換成 Ip訊號輸出。

如圖 3-10，充電泵多為兩種形式，分別為電壓式(voltage mode)與電流式 (current mode)，但其概念非常類似，都是將相位頻率偵測器的輸出訊號 UP 與 DN 饋入至充電泵後，以控制充電泵的兩個開關 SUP與 SDN。

如圖 3-10(a)，電壓式充電泵是藉由 SUP與 SDN開關切換，使得電壓源對輸出

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常用的電流式充電泵架構可分為:汲極開關(switch in drain)、閘極開關(switch in gate)與源極開關(switch in source)，如圖 3-11 所示[23]。

圖 3-11(a)所示，為汲極開關架構，其開關在電流鏡的汲極端，當 DN 關閉時，

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通，電晶體 M2汲極端的寄生電容會被充電至 VDD電壓，當 UP 導通時，

電晶體 M2的汲端寄生電容的電荷會對輸出節點 Vctrl充電。

(2) 電流不匹配(Current Mismatch):由於電荷分享影響下，造成瞬間電流峰值 過大，而此峰值電流會隨著 Vctrl而改變，且充、放電的峰值電流難以匹 配。

(3) 相位頻率偵測器的輸出訊號 UP 與 DN 是數位訊號，由於開關靠近輸出 端，開關切換時產生的雜訊將直接影響到輸出端類比訊號。

(4) 可能產生電流突波。

圖 3-11(b)所示，為開關在電流鏡的閘極端架構，當UP關閉時，電晶體 M2的 VSG與電晶體 M4的 VSG相同，此時電晶體 M2的汲極端電流會等於 IUP並對 Vctrl

充電，當UP導通時，電晶體 M2的閘極端會上升至 VDD，使電晶體 M2截止，類似 情形也會發生於DN導通或關閉。其架構有下列缺點：

(1) 必須保證電流鏡操作在飽和區。

(2) 電流鏡需較大偏壓電流 IUP與 IDN，以保持高速操作。

(3) 電晶體 M1與 M2操作在截止區與飽和區間，需要較長的時間讓電晶體 M1

與 M2重新導通，故不適合在高速上操作。

(4) 在選擇開關 SUP與 SDN尺寸上，需選擇較大的尺寸，使得電晶體 M1與 M2

的閘極端電壓能迅速充電至最高電位與放電至最低電位，來確保電晶體 M1與 M2可以完全關閉，無漏電流，但因為寄生電容太大，而限制了操 作速度。

圖 3-11(c)所示，為開關在電流鏡的源極端架構，UP 導通時，電晶體 M2的汲 極端電流為 IUP，並且對 Vctrl充電，類似情況也發生於發生於DN導通。其架構有 下列缺點：

(1) 電荷分享(Charge Sharing):雖然相較於開關在電流鏡的汲極端架構，此種

29 (current mismatch)、電荷分享(charge sharing)、電荷注入(charge injection)與時脈穿 透(clock feed-through)等等。

 充放電電流不匹配(current mismatch): 在設計電路時，由於電路架構及製

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V _ctrl

C ₁

R ₁ C ₂ UP

DN

S UP

S DN

I UP

I _DN C P

C _P

圖 3-12 寄生電容產生電荷分享效應示意圖

 電荷注入(Charge Injection): 當 CLKIn訊號由高準位變為低準位時，開關 將關閉，此時通道內的部分累積電荷 Qch 將會流向輸入端 Vin 或輸出端 Vout，當有電荷流過電容 CL後，此電荷將會影響輸出電壓 Vout，造成電 壓產生額外的變化，如圖 3-13 所示。[24]

V

V

ΔV

C

CLK

圖 3-13 電荷注入效應示意圖

通道內的部分累積電荷 Qch可由(3-3)式表達，其中 W 為開關 MOS 的 寬度，L 為開關 MOS 的通道寬度，Cox為閘極氧化層電容，VGS為開關 MOS 從汲極端到源極端之間的跨壓，Vth為 MOS 的臨界電壓(threshold voltage)。假設從通道往兩邊分流的電荷量是相同，則造成輸出端電壓的

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變化量 ΔV 可用(3-4)式表示，但實際上，電荷往兩邊流向的比例，帶有 許多複雜的函數[25-26]。

Q_𝑐ℎ = 𝑊𝐿𝐶_𝑜𝑥(𝑉_𝑔𝑠− 𝑉_𝑡ℎ) (3-3)

ΔV =𝑊𝐿𝐶_𝑜𝑥(𝑉_𝑔𝑠− 𝑉_𝑡ℎ)

2𝐶_𝐿 (3-4)

 時脈饋入(Clock Feed-Tthrough): 當閘極端在電壓切換的瞬間，訊號會藉 由閘極端到源極端與閘極端到汲極端的重疊電容影響輸入端 Vin 與輸出 端 Vout的電壓準確度，如圖 3-14 所示。此電壓的誤差為(3-5)、(3-6)式:

ΔV_𝑖𝑛 = V_𝐶𝐿𝐾 𝐶_𝑔𝑑

𝐶_𝑔𝑑+ 𝐶_𝐴 (3-5)

ΔV_𝑜𝑢𝑡 = V_𝐶𝐿𝐾 𝐶_𝑔𝑠

𝐶_𝑔𝑠+ 𝐶_𝐵 (3-6)

V

V

C

C

C

C

CLK

圖 3-14 時脈饋入效應示意圖

如何應用各種設計方法來解決上述之不理想效應，是在設計充電泵時的核心 目標之一。

一般而言，在設計充電泵式鎖相迴路(charge pump phase locked loop)時，充電 泵與相位頻率偵測器是需同時考慮的，其兩者的關係式為(3-7)式:

I_𝑜𝑢𝑡 = I_𝑐𝑝∙Δ𝜙

2𝜋 (3-7)

其中 Iout為充電泵輸出電流，Icp為充電泵的充放電電流源，在此假設充電電

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流等於放電電流等於 Icp，∆Ф 為相位頻率偵測器的兩輸入訊號的相位誤差。不過 (3-7)式為一個近似過後之式子，因為充電泵是屬於離散時間系統，所以在設計鎖 相迴路時會將迴路頻寬設計小於參考頻率的 1/10 以上，此時(3-7)式即可以近似成 連續時間的系統[27]。