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Die
Erfindung bezieht sich auf einen Ringoszillator, auf ein zugehöriges Signalerzeugungsverfahren
und auf ein Speichersystem mit einem Ringoszillator.
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Schaltkreise,
die interne Taktungen benötigen,
verwenden typischerweise einen Taktgenerator zur Erzeugung periodischer
Signale, die direkt als Taktsignal verwendet werden können. Alternativ
erzeugt der Taktgenerator periodische Signale, die in langsamere
Takte gewandelt werden, wobei ein Zähler oder andere Mittel zur
Frequenzteilung benutzt werden. In einer weiteren Variante wird
ein Taktgenerator für
ein Speicherbauelement als Phasenregelkreis ausgelegt.
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Dynamische
Speicher benötigen
beispielsweise Auffrischsignale, um sicherzustellen, dass kein Datenverlust
in deren Speicherzellen auftritt. Ein Taktgenerator wird zur Erzeugung
eines periodischen Auffrischsignals benutzt. In entsprechenden Realisierungen
wird das periodische Signal einem Zähler zugeführt, und nach einer gewissen
Anzahl von Zählereignissen
gibt der Zähler
ein Auffrischsignal ab.
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Ein
Ringoszillator ist ein möglicher
Schaltungstyp, der zur Erzeugung des periodischen Signals verwendet
werden kann. Herkömmliche
Ringoszillatoren, wie sie z.B. in den Patentschriften
US 6.100.763 und
US 5.250.914 offenbart sind, umfassen üblicherweise
eine einzelne Schleifenschaltung mit einer ungeraden Anzahl von
Invertern. Indem das Ausgangssignal zur Eingangsseite der Schleife
rückgeführt wird,
wird es invertiert, was in einem Signal resultiert, das zwischen
einem hohen und einem niedrigen Pegel variiert und auf diese Weise
ein periodisches Signal mit einem genau definierten und stabilen
Zyklus darstellt. Die Periode des Ausgangssignals kann durch Erhöhen der
Leistung verringert werden, wodurch die Frequenz ansteigt. Dies
ermöglicht eine
einstellbare Frequenz.
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In
dem Zeitschriftenaufsatz S.J. Lee, A Novel High-Speed Ring Oscillator
for Multiphase Clock Generation using Negative Skewed Delay Scheme, IEEE
Journal of Solid-State Circuits, Februar 1997, Seite 289 ist die
Verwendung eines versetzten Verzögerungsschemas
offenbart, um Signale verschiedener Phasen zwecks Erzeugung eines
Mehrphasensignals anzuwenden. Diese Vorgehensweise erzeugt jedoch
kein Signal, das viel schneller als herkömmliche Signale ist.
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Mit
fortschreitender Technologie, insbesondere auch Speichertechnologie,
wird ein schnelleres Oszillationstaktsignal z.B. für Auffrischsignale,
Systemtakte, Phasenregelkreise etc. benötigt. Die oben erwähnten und
andere gegenwärtig
bekannte Lösungsansätze stellen
keine Signale zur Verfügung, die
eine so hohe Frequenz haben, wie dies für die sich entwickelnden Schaltkreistechnologien
wünschenswert
ist.
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Der
Erfindung liegt als technisches Problem die Bereitstellung eines
Ringoszillators, eines zugehörigen
Signalerzeugungsverfahrens und eines Speichersystems mit Ringoszillator
zugrunde, mit denen sich der erwähnte
Bedarf an Signalen vergleichsweise hoher Frequenz erfüllen lässt.
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Die
Erfindung löst
dieses Problem durch die Bereitstellung eines Ringoszillators mit
den Merkmalen des Anspruchs 1, 10 oder 13, eines Signalerzeugungsverfahrens
mit den Merkmalen des Anspruchs 17 und eines Speichersystems mit
den Merkmalen des Anspruchs 19 oder 20.
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Vorteilhafte
Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.
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Vorteilhafte
Ausführungsformen
der Erfindung sowie zu deren besserem Verständnis dienende herkömmliche
Ausführungsbeispiele
sind in den Zeichnungen dargestellt und werden nachfolgend beschrieben.
Hierbei zeigen:
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1A und 1B jeweils ein Schaltbild herkömmlicher
Ringoszillatoren,
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2 eine schematische Knotendiagrammdarstellung
von Eingabe/Ausgabesignalen der herkömmlichen Ringoszillatoren der 1A und 1B,
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3 ein Zeitablaufdiagramm
für die
herkömmlichen
Ringoszillatoren gemäß den 1A und 1B,
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4 ein Schaltbild eines erfindungsgemäßen Ringoszillators,
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5 ein Schaltbild eines weiteren
erfindungsgemäßen Ringoszillators,
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6 eine schematische Knotendiagrammdarstellung
von Eingabe/Ausgabesignalen der Ringoszillatoren der 4 und 5,
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7A und 7B Zeitablaufdiagramme von Signalen an
den verschiedenen Knoten der Ringoszillatoren der 4 und 5,
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8A bis 8C ein Schaltbild, ein schematisches
Knotendiagramm bzw. ein Zeitablaufdiagramm für einen weiteren erfindungsgemäßen Ringoszillator,
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9A und 9B ein Schaltbild bzw. ein Knotendiagramm
für einen
weiteren erfindungsgemäßen Ringoszillator,
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10A und 10B ein Schaltbild bzw. ein Knotendiagramm
für einen
weiteren erfindungsgemäßen Ringoszillator,
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11 ein Blockdiagramm eines
erfindungsgemäßen Speichersystems
mit einem Taktgenerator, der einen Ringoszillator als Phasenregelschleife
benutzt, und
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12 ein Blockdiagramm eines
weiteren erfindungsgemäßen Speichersystems
mit Ringoszillator.
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1A zeigt einen herkömmlichen
Ringoszillator mit einem ersten Inverter I1, einem zweiten Inverter
I2 und einem dritten Inverter I3, die in Reihe hintereinander geschaltet
sind. Ein ausgangsseitig abgegebenes Signal Vosc wird zum eingangsseitigen
Inverter I1 rückgeführt, wodurch
das Signal zwischen einem hohen und einem niedrigen Pegel wechselt.
Die Periode dieses Signals entspricht der Verzögerung, die durch die Signalverarbeitung
in den Invertern verursacht wird. Eine alternative herkömmliche
Realisierung eines Ringoszillators ist in 1B dargestellt. Der Ringoszillator von 1B umfasst hintereinander
einen ersten, zweiten und dritten Differenzverstärker DA1, DA2, DA3. Unabhängig von der
speziellen Realisierung als Inverter oder Differenzverstärker werden
diese Komponenten vorliegend übergreifend
als invertierende Stufen bezeichnet. Die Ausführungsbeispiele der 1A und 1B weisen drei invertierende Stufen auf.
Die gesamte Periode des Wechsels zwischen hohem und niedrigem Signalpegel
ist durch die Anzahl von Stufen und durch die Verzögerung pro
Stufe bestimmt.
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2 zeigt in einem Knotendiagramm
eine Knotenanalyse für
drei in den 1A und 1B jeweils angegebene Schaltkreisknoten
A, B, C, von denen je einer mit dem Ausgang einer invertierenden
Stufe verbunden ist. 2 zeigt,
dass es pro Knoten ein Eingangs- und ein Ausgangssignal gibt. Um
ein resultierendes Signal mit einer Periode zu erzielen, die viel
kürzer
als für
die gezeigten herkömmlichen
Oszillatoren der 1A und 1B ist, kann ein Phasenmischen
zwischen verschiedenen Signalen verwendet werden. Bei den gezeigten
Ringoszillatoren der 1A und 1B gibt es jedoch kein derartiges
Phasenmischen an irgendeinem der Knoten A, B, C, und die Periode
des Ausgangssignals Vosc bleibt durch die Anzahl von invertierenden
Stufen zwischen dem Eingangs- und dem Ausgangssignal fixiert.
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3 zeigt ein Zeitablaufdiagramm
für die herkömmlichen
Ringoszillatoren der 1A und 1B. Wie daraus ersichtlich,
ist die Verzögerungszeit
D zwischen der fallenden Flanke des Eingangssignals und der ansteigenden
Flanke des Ausgangssignals zwischen den Knoten A und B im Wesentlichen gleich
der Verzögerungszeit
D zwischen der ansteigenden Flanke des Eingangssignals und der fallenden
Flanke des Ausgangssignals zwischen den Knoten B und C. Die Verzögerungszeit
zwischen den Knoten ist somit praktisch gleich groß. Dies
resultiert in einem periodischen Ausgangssignal mit den oben erwähnten Beschränkungen.
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4 zeigt einen erfindungsgemäßen Ringoszillator
mit Phasenmischung von Ausgangssignalen, was in einem Signal resultiert,
das eine kürzere Periode
und höhere
Frequenz aufweist, ohne die Schaltungskomplexität merklich zu erhöhen. Eine
alternative erfindungsgemäße Realisierung
eines Ringoszillators ist in 5 dargestellt. 4 zeigt ein Beispiel mit
Invertern als invertierende Stufen, während 5 ein Beispiel mit Differenzverstärkern als invertierende
Stufen darstellt. Soweit für
die invertierenden Stufen jeweils bestimmte Komponenten gezeigt
sind, ist dies nicht beschränkend
zu verstehen, sondern lediglich beispielhaft zum Zwecke einer klaren
Erläuterung
der Erfindung.
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Die
Ringoszillatorschaltungen der 4 und 5 weisen jeweils eine erste
Schaltkreisschleife mit den Invertern I1, I2 und I3 bzw. den Differenzverstärkern DA1,
DA2 und DA3 entsprechend den 1A und 1B sowie eine zweite Schaltkreisschleife
mit zusätzlichen
Invertern I4 und I5 und den Invertern I2 und I3 bzw. mit Differenzverstärkern DA4,
DA5, DA2 und DA3 auf. Die Signale der beiden Schleifen mischen sich
am Knoten A. An diesem Knoten A hat das am Knoten C abgegebene Ausgangssignal
zwei invertierende Stufen für
die zweite Schleife passiert, jedoch nur eine invertierende Stufe
von der ersten Schleife. Wegen der Variation zwischen den Signalen am
Knoten A tritt Phasenmischen auf. Unter dem Begriff Phasenmischen
wird hierbei vorliegend verstanden, dass wenigstens zwei Signale
mit unterschiedlichen Phasen sich am gleichen Knoten mischen.
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Eine
Knotenanalyse der Ringoszillatoren der 4 und 5 ist
in 6 dargestellt. Wie
daraus ersichtlich, haben der Knoten B und ein Knoten D jeweils
einen Eingang und einen Ausgang. Der Knoten B gibt ein Signal an
den Knoten C ab und empfängt ein
Eingangssignal vom Knoten A. Der Knoten D empfängt ein Ausgangssignal vom
Knoten C und gibt ein Eingangssignal für den Knoten A ab. Im Gegensatz
zum Stand der Technik der 1A und 1B liefert der Knoten C hingegen
jeweils ein Eingangssignal für den
Knoten A und den Knoten D, wobei er ein Eingangssignal vom Knoten
B empfängt.
Ebenfalls im Gegensatz zum herkömmlichen
Ringoszillator der 1A und 1B empfängt bei den Ringoszillatoren der 4 und 5 der Knoten A jeweils ein Eingangssignal
vom Knoten D und vom Knoten C, wobei er sein Ausgangssignal an den
Knoten B abgibt.
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Das
Empfangen zweier Eingangssignale mit unterschiedlichen Phasen bewirkt
das Phasenmischen am Knoten A. Ein Zeitablaufdiagramm für die resultierenden
Signale ist in 7A gezeigt.
Wie daraus ersichtlich, entspricht die Verzögerungszeit D zwischen der
fallenden Flanke des Eingangssignals und der ansteigenden Flanke
des Ausgangssignals zwischen den Knoten A und B der Verzögerungszeit D
zwischen der ansteigenden Flanke des Eingangssignals und der fallenden
Flanke des Ausgangssignals zwischen den Knoten B und C. Hingegen
ist die Verzögerungszeit
d zwischen der fallenden Flanke am Knoten C und der ansteigenden
Flanke am Knoten A kleiner als die zuvor genannte Verzögerungszeit
D, weil die Eingangssignale A' und
A'' an diesem Knoten
interpoliert werden. Dabei bezeichnet das Signal A' das über den
Inverter I5 bzw. den Differenzverstärker DA5 invertierte Signal
des Knotens D, und das Signal A'' bezeichnet das vom
Inverter I1 bzw. dem Differenzverstärker DA1 invertierte Signal
des Knotens C, wobei hier die Signalbezeichnung der Kürze halber
mit den Knotenbezeichnungen wiedergegeben sind. Die Verzögerungszeit
zwischen Knoten kann auf diese Weise mit einem unterschiedlichen
Wert pro Knoten gesteuert werden, wenn ein Ringoszillator erfindungsgemäß durch
wenigstens zwei Schleifen, wie in den 4 und 5, implementiert wird.
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Die
Knotenanalyse lässt
sich des weiteren anhand des Zeitablaufdiagramms der Signale an
den verschiedenen Knoten gemäß 7B verstehen.
Wie daraus ersichtlich, durchläuft
das Signal am Knoten A, wenn das Signal vom Knoten C auf hohem Pegel liegt,
eine Verzögerung
und geht dann durch die erste Schleife auf niedrigen Pegel. Das
Signal am Knoten D liegt ebenfalls auf niedrigem Pegel. Das Signal
am Knoten A geht durch den Inverter 15 bzw. den Differenzverstärker DA5
auf hohen Pegel. Das interpolierte Signal am Knoten A ist mit der
finalen Linie dar gestellt. Wie anhand der beiden gestrichelten vertikalen Linien
ersichtlich, weist das interpolierte Signal eine kürzere Periode
auf.
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8A zeigt eine zu 4 alternative Realisierung
eines erfindungsgemäßen Ringoszillators. Dieser
Ringoszillator weist drei Schleifen auf. Wie beim Ausführungsbeispiel
von 6 besitzt die erste Schaltkreisschleife
eine ungerade Anzahl von invertierenden Stufen, und die zweite Schaltkreisschleife hat
eine gerade Anzahl von invertierenden Stufen. Die gesamte resultierende
Anzahl invertierender Stufen sollte generell ungeradzahlig sein,
um das gewünschte
Oszillationssignal zu erzeugen. Im Ausführungsbeispiel der 8A ist zusätzlich eine
dritte Schleife mit einer ungeraden Anzahl invertierender Stufen
vorgesehen.
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Speziell
beinhaltet im Beispiel von 8A die
erste Schaltkreisschleife 3 die invertierenden Stufen I1, I2 und
I3. Die zweite Schaltkreisschleife läuft über die vier Inverter I4, I5,
I2 und I3. Die dritte Schaltkreisschleife läuft über drei invertierende Stufen
I3, I4 und I6 zwischen den Knoten B und C, C und D bzw. D und B.
In diesem Fall tritt eine Phaseninterpolation an den Knoten A und
B auf. Am Knoten A treffen zwei Eingangssignale vom Inverter I1
bzw. I5 ein. Am Knoten B treffen zwei Eingangssignale vom Inverter
I2 bzw. I6 zusammen. Dies resultiert in einer Frequenz des Ausgangssignalimpulses,
die höher als
im vorigen Beispiel von 4 bzw. 5 ist.
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Wie
durch die Knotenanalyse in 8B ersichtlich
ist, empfangen die beiden Knoten A und B zwei Eingangssignale. Dementsprechend
zeigt das Zeitablaufdiagramm von 8C die
resultierenden Signale aus der Interpolation an zwei Knoten. Die
Anstiegs- bzw. Abfallzeit eines Oszillationsimpulses für jeden
der Knoten A und B ist kürzer
als diejenige der Oszillationsimpulse an den Knoten C und D, wie
anhand entsprechender Signale A',
A'', B' und B'' und zugehöriger Verzögerungszeiten β und γ dargestellt. Die
Frequenz des Ausgabeimpulses ist aufgrund der kürze ren Verzögerung der beiden Knoten höher. Dies resultiert
in einem noch schnelleren, d.h. höherfrequenten, Ausgangssignal
als im vorigen Beispiel der 4.
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9A zeigt einen weiteren
erfindungsgemäßen Ringoszillator.
Diese Realisierung verwendet eine Phaseninterpolation an allen vorhandenen
Knoten A bis E. Der Ausgabeimpuls hat die höchste Frequenz aller vorliegend
gezeigten Ausführungsbeispiele.
Ein Phasenmischen an allen Knoten ist am meisten wünschenswert,
wenn die Impulsgeschwindigkeit entsprechend hoch sein soll. Ein
Kompromiss zwischen Geschwindigkeit und Schaltkreiskomplexität kann im
Schaltungsentwurf dazu führen,
dass eine Interpolation nur an einem Teil aller Knoten günstiger
ist, wenn die Interpolation in einem Ausgabeimpuls mit einer Frequenz
resultiert, die hoch genug ist, den entsprechenden Bedarf für das betrachtete
System zu erfüllen.
Im allgemeinen wird es aber das Ausgangssignal mit der höchsten Frequenz
sein, welches als das wünschenswerteste
angesehen wird.
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Die
Knotenanalyse zur Schaltungsauslegung von 9A, deren Verschaltung im übrigen selbsterklärend aus
der Zeichnung ersichtlich ist, ist in 9B dargestellt.
Wie daraus ersichtlich, empfangen alle Knoten zwei Eingangssignale
und erzeugen zwei Ausgangssignale. Die Phaseninterpolation bzw.
das Phasenmischen tritt mit den beiden eintreffenden Signalen an
jedem Knoten auf. Die Ausgangssignale sind typischerweise nicht
als zwei tatsächliche
Ausgangssignale implementiert, sondern stellen im allgemeinen ein
Ausgangssignal dar, das so bereitgestellt wird, dass es auf zwei
Leitungen verzweigt wird. Beispielsweise ist das Ausgangssignal eines
Inverters I14 in 9A ein
solches, das als Eingangssignal für einen Inverter I15 und für einen Inverter
I18 dient und daher auch als zwei Ausgangssignale bezeichnet wird.
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Bis
hierher wurde das Phasenmischen anhand von jeweils zwei Signalen
an einem jeweiligen Knoten erläutert. 10A zeigt hingegen ein weiteres
erfindungsgemäßes Beispiel
eines Ringoszillators, bei dem im Unterschied zu den vorigen Beispielen
auch ein Phasenmischen mit vier Eingangssignalen auftritt. Beispielsweise
werden am Knoten A vier Eingangssignale von vier Invertern I25,
I30, I32 und I33 empfangen. Diese vier Eingangssignale werden in
der Interpolation benutzt, was in einem Phasenmischen der vier Eingangssignale
für ein
Ausgangssignal resultiert, das eine vergleichsweise hohe Frequenz
hat. Dieses Phasenmischungsverhalten wird aus dem zugehörigen Knotendiagramm
von 10B deutlich.
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Auf
diese Weise erlaubt das Phasenmischen ein schnelleres Ausgangssignal,
das in vielen verschiedenen Anwendungen benutzt werden kann. Beispielsweise
kann ein Speichersystem das Ausgangssignal hoher Frequenz als Phasenregelkreissignal
in einem Taktgenerator benutzen, der zur Erzeugung eines internen
Taktes für
einen Ausgabepuffer oder zum Auffrischen des Speichers oder zum
Takten von Adressen oder Datenzugriffen für den Speicher dient. Ein Beispiel
für ein
solches Speichersystem ist in 11 dargestellt.
Wie daraus ersichtlich, weist ein Taktgenerator 10 des
Speichersystems einen Impulsgenerator 12 und einen Phasenregelkreis 14 mit einem
Ringoszillator 16 in irgendeiner der erfindungsgemäßen Ringoszillatorrealisierungen
auf.
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Der
Taktgenerator 10 gibt ein entsprechendes Taktsignal CLK
an eine Speichersteuereinheit 18 und ein Speichermodul 20 ab,
die in üblicherweise miteinander
zur Übertragung
von Adress-, Daten- und Befehlssignalen in Verbindung stehen.
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12 zeigt ein weiteres erfindungsgemäßes Speichersystem,
bei dem erfindungsgemäße Ringoszillatoren 16a, 16b als
Teil von DRAM-Bauelementen 19a, 19b innerhalb
des Speichermoduls 20 vorgesehen sind, z.B. für einen
Phasenregelkreis oder einen Verzögerungsregelkreis
im jeweiligen Speicherbauelement. Das resultierende Taktsignal CLK
des Taktgenerators 10 wird der Speichersteuereinheit 18 und
dem Speichermodul 20 zugeführt, und das resultierende
PLL- oder DLL-Taktsignal
kann im jeweiligen Speicherbauelement z.B. einem dort angeordneten
Ausgabepuffer zugeführt
werden.