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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 dieses 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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Die
Offenlegungsschrift
US
2003/0146771 A1 offenbart eine Einrichtung zum Testen eines
integrierten Schaltkreises auf einem Wafer, die eine auf dem Wafer
mit dem integrierten Schaltkreis gebildete Testschaltung umfasst,
die ihrerseits einen Ringoszillator und an diese mittels einer Steuerschaltung
selektiv ankoppelbare Subschaltungen aufweist, so dass die Testschaltung
separate Testvorgänge
des integrierten Schaltkreises für
die durch die Steuerschaltung jeweils ausgewählte Subschaltung durchführen kann.
Der Ringoszillator selbst ist aus drei kaskadierten Inverterstufen
aufgebaut, wobei ihm drei parallele Subschaltungen mit je zwei Inverterstufen
vorgeschaltet sind, denen sein Ausgangssignal wahlweise direkt oder über eine
weitere Subschaltung mit zwei Inverterstufen eingangsseitig zurückgeführt ist.
Zwei weitere Subschaltungen sind an einen Knoten zwischen der vorletzten
und der letzten Inverterstufe des Ringoszillators angekoppelt. Dieser Schaltungsaufbau
realisiert eine variable Ringoszillatorschaltung, bei der die Subschaltungen
zum Verändern
der Basisfrequenz des eigentlichen Ringoszillators dienen. Durch
die Steuerschaltung kann jeweils eine der drei parallel vorgeschalteten
Subschaltungen zum aktiven Betrieb mit dem Ringoszillator ausgewählt werden,
und gleichzeitig wird durch die Steuerschaltung festgelegt, ob das
Ringoszillatorausgangssignal der jeweils aktiven vorgeschalteten
Subschaltung direkt oder über
die betreffende weitere Subschaltung zugeführt wird.
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Weitere
Ringoszillatorschaltungsanordnungen, die z. B. auch mit Differenzverstärkerstufen
aufgebaut und/oder in Phasenregelschleifen verwendet sein können, sind
in den Patentschriften
DE
693 15 010 T2 ,
DE
694 15 378 T2 und
US
4.105.950 sowie der Offenlegungsschrift
JP 61-065620 A offenbart.
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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 in einer vorteilhaften
Weise erfüllen
lässt.
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Die
Erfindung löst
dieses Problem durch die Bereitstellung eines Ringoszillators mit
den Merkmalen des Anspruchs 1, eines Signalerzeugungsverfahrens
mit den Merkmalen des Anspruchs 7 und eines Speichersystems mit
den Merkmalen des Anspruchs 8 oder 9.
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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 gemä 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 I5 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.