DE10301638A1 - Multistage ring oscillator in semiconductor technology for frequency generation in mobile communications has control component connected to all the inverters - Google Patents

Multistage ring oscillator in semiconductor technology for frequency generation in mobile communications has control component connected to all the inverters Download PDF

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Abstract

A multistage ring oscillator with a voltage supply (UDD) comprises a ring of many series-connected inverters (1.1-1.4) and additional inverters (2.1-2.4) for forwards coupling and stable oscillation. The oscillator comprises an output controller (3,4) to which the positive or negative supply connections of all the inverters are connected. An independent claim is also included for an operational process for the above.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen in Halbleitertechnologie realisierten mehrstufigen Ringoszillator, an dem eine Versorgungsspannung anliegt. Der Ringoszillator umfasst mehrere zu einem Inverterring in Reihe verschaltete erste Inverterschaltungen und mehrere zusätzliche Inverterschaltungen zur Vorwärtskopplung und zur Sicherstellung einer stabilen Oszillation des Ringoszillators.The present invention relates to a multi-stage ring oscillator implemented in semiconductor technology, at which a supply voltage is present. The ring oscillator includes several first inverter circuits connected in series to form an inverter ring and several additional ones Inverter circuits for feed forward and to ensure stable oscillation of the ring oscillator.

Die Erfindung betrifft außerdem ein Verfahren zum Betrieb eines in Halbleitertechnologie realisierten mehrstufigen Ringoszillators. Der Ringoszillator umfasst mehrere zu einem Inverterring in Reihe verschaltete erste Inverterschaltungen und mehrere zusätzliche Inverterschaltungen zur Vorwärtskopplung und zur Sicherstellung einer stabilen Oszillation des Ringoszillators.The invention also relates to a Process for operating a semiconductor technology multi-stage ring oscillator. The ring oscillator comprises several first inverter circuits and connected in series to form an inverter ring several additional Inverter circuits for feed forward and to ensure stable oscillation of the ring oscillator.

Aus der Veröffentlichung „A low-phase-noise CMOS ring oscillator with differential control and quadrature outputs"; Liang Dai Harjani, R.; 14th Annual IEEE International ASIC/SOC Conference 2001; S. 134 bis 138; 12. bis 15. September 2001; Arlington, VA, USA; ISBN 0-7803-6741-3 und aus der Patentschrift US 6,469,585 B1 ist ein Ringoszillator der eingangs genannten Art bekannt. Der dort beschriebene Oszillator ist ein zweistufiger differentieller spannungsgesteuerter Ringoszillator (voltage controlled oszillator; VCO) mit Quadratur-Ausgängen, der in CMOS-Technologie ausgeführt ist.From the publication "A low-phase-noise CMOS ring oscillator with differential control and quadrature outputs"; Liang Dai Harjani, R .; 14th Annual IEEE International ASIC / SOC Conference 2001; pp. 134 to 138; September 12 to 15 2001; Arlington, VA, USA; ISBN 0-7803-6741-3 and from the patent specification US 6,469,585 B1 a ring oscillator of the type mentioned is known. The oscillator described there is a two-stage differential voltage-controlled oscillator (VCO) with quadrature outputs, which is implemented in CMOS technology.

Der bekannte Oszillator umfasst vier zu einem Inverterring in Reihe verschaltete erste Inverterschaltungen und vier zusätzliche Inverterschaltungen zur Vorwärtskopplung und zur Sicherstellung einer stabilen Oszillation des Oszillators. Die Eingänge der vier zusätzlichen Inverterschaltungen. sind jeweils mit einem der Eingänge der ersten Inverterschaltungen parallel geschaltet. Die Ausgänge der vier zusätzlichen Inverterschaltungen sind jeweils parallel zum Ausgang derjenigen ersten Inverterschaltung geschaltet, die der am Eingang des jeweiligen zusätzlichen Inverters parallel geschalteten ersten Inverterschaltung folgt. Diese Struktur des Oszillators kann 2 der Veröffentlichung sowie der Patentschrift entnommen werden.The known oscillator comprises four first inverter circuits connected in series to form an inverter ring and four additional inverter circuits for forward coupling and for ensuring stable oscillation of the oscillator. The inputs of the four additional inverter circuits. are each connected in parallel with one of the inputs of the first inverter circuits. The outputs of the four additional inverter circuits are each connected in parallel to the output of that first inverter circuit which follows the first inverter circuit connected in parallel at the input of the respective additional inverter. This structure of the oscillator can 2 can be found in the publication and the patent specification.

Der bekannte Ringoszillator verfügt über in CMOS-Technologie ausgeführte Steuerglieder zur Einstellung eines durch die ersten Inverterschaltungen des Ringoszillators fließenden Teils des Stroms. Die Frequenz der an den Ausgängen des Oszillators anliegenden Signale stellt sich dabei in Abhängigkeit dieses Stroms ein. Der Strom, der durch die zusätzlichen Inverterschaltungen fließt, bleibt bei der Einstellung des über die Steuerglieder fließenden Stroms unberücksichtigt und kann daher nicht beeinflusst werden. Diese Art der Steuerung der Frequenz führt bei der Einstellung kleiner Frequenzsollwerte zu hohen Querströmen in den Inverterschaltungen und damit zu einem erheblichen Stromverbrauch. Aus diesem Grund benötigt der bekannte Ringoszillator bei niedrigen Frequenzen fast genauso viel Strom wie bei höheren Frequenzen. Beim Einsatz in modernen Kommunikationsanwendungen, insbesondere in mobilen Kommunikationsanwendungen, deren Stromversorgung begrenzt ist (beispielsweise weil sie durch eine Batterie oder einen wiederaufladbaren Akkumulator mit Energie versorgt werden), kann dies zu einer deutlichen Reduzierung der Betriebszeit und damit zu einem erheblichen Nachteil führen.The well-known ring oscillator has CMOS technology executed Control elements for setting one by the first inverter circuits of the ring oscillator flowing Part of the stream. The frequency of the signals at the outputs of the oscillator Signals arise depending on this Current. The current flowing through the additional inverter circuits flows, stays with the setting of the the control links flowing Electricity not taken into account and therefore cannot be influenced. This type of control the frequency at setting small frequency setpoints for high cross currents in the Inverter circuits and thus considerable power consumption. Because of this, needed the well-known ring oscillator at low frequencies almost the same a lot of electricity like higher ones Frequencies. When used in modern communication applications, especially in mobile communication applications, their power supply is limited (for example, by a battery or a battery rechargeable battery can be powered) this leads to a significant reduction in operating time and thus lead to a significant disadvantage.

Des weiteren tritt bei dem bekannten Ringoszillator bei der Einstellung kleiner Frequenzsollwerte eine sehr hohe Empfindlichkeit der Signalfrequenz gegenüber dem über die Steuerglieder fließenden Strom auf. Nähert sich der über die Steuerglieder fließende Strom einem bestimmten unteren Schwellwert, so wird die Frequenz immer kleiner und die Oszillation reißt bei Erreichen des Schwellwerts plötzlich ab.Furthermore occurs in the known Ring oscillator when setting small frequency setpoints one very high sensitivity of the signal frequency to that of the Control elements flowing electricity on. approaches the over the control links flowing Current a certain lower threshold, so the frequency gets smaller and smaller and the oscillation breaks when the threshold value is reached suddenly off.

Daher lassen sich bei dem bekannten Ringoszillator kleine Frequenzsollwerte nur sehr schwer einstellen.Therefore, in the known Ring oscillator is very difficult to set small frequency setpoints.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Frequenz eines Ausgangssignals eines Ringoszillators über einen besonders weiten Frequenzbereich stufenlos zu steuern, wobei die Steuerung genau arbeiten und insbesondere nur wenig empfindlich gegenüber einem über die Steuerglieder fließenden Strom sein sollte. Des weiteren hat die vorliegende Erfindung die Aufgabe, den Stromverbrauch des Ringoszillators zu niedrigen Frequenzen hin zu reduzieren, insbesondere in etwa proportional zu der Frequenz des Ausgangssignals des Ringoszillators zu halten.The present invention lies the task is based on the frequency of an output signal of a ring oscillator steplessly control particularly wide frequency range, the Control work exactly and in particular only little sensitive across from one over the control links flowing Electricity should be. Furthermore, the present invention has the Task to reduce the power consumption of the ring oscillator to low frequencies to reduce, especially approximately proportional to the frequency to keep the output signal of the ring oscillator.

Zur Lösung dieser Aufgabe wird gemäß der vorliegenden Erfindung ausgehend von dem Ringoszillator der eingangs genannten Art vorgeschlagen, dass der Ringoszillator mindestens ein Steuerglied aufweist, wobei sämtliche positiven Versorgungsspannungsanschlüsse der ersten Inverterschaltungen. und der zusätzlichen Inverterschaltungen oder sämtliche negativen Versorgungsspannungsanschlüsse der ersten Inverterschaltungen und der zusätzlichen Inverterschaltungen an das mindestens eine Steuerglied angeschlossen sind.To solve this problem, according to the present Invention based on the ring oscillator of the aforementioned Kind proposed that the ring oscillator has at least one control element, where all positive supply voltage connections of the first inverter circuits. and the additional Inverter circuits or all negative supply voltage connections of the first inverter circuits and the additional Inverter circuits connected to the at least one control element are.

Gemäß der vorliegenden Erfindung wird also sowohl der durch die ersten Inverterschaltung als auch der durch die weiteren Inverterschaltungen fließende Strom durch das mindestens eine Steuerglied beeinflusst. Der gesamte durch den erfindungsgemäßen Ringoszillator fließende Strom lädt in erster Linie die Lastkapazitäten der Inverterschaltungen um, während Querströme durch die Inverterschaltungen minimiert werden. Dadurch ergibt sich eine wesentlich höhere Genauigkeit der Einstellung der Frequenz auf einen vorgegebenen Wert, insbesondere bei kleinen Frequenzen des Ausgangssignals des Ringoszillators. Zudem wird bei dem erfindungsgemäßen Ringoszillator der Stromverbrauch bei kleineren Frequenzen deutlich verringert, weil die Lastkapazitäten der Inverterschaltungen weniger oft umgeladen werden und die Querströme klein bleiben.According to the present invention, both the current flowing through the first inverter circuit and the current flowing through the further inverter circuits are influenced by the at least one control element. The entire current flowing through the ring oscillator according to the invention primarily reloads the load capacitances of the inverter circuits, while cross currents through the inverter circuits are minimized. This results in a much higher accuracy of the frequency setting to a predetermined value, especially at low frequencies of the output signal of the ring oscillator. In addition, in the ring oscillator according to the invention, the current consumption at lower frequencies is significantly reduced because the load capacities of the inverter circuits are reloaded less often and the cross currents remain small.

Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der vorliegenden Erfindung wird vorgeschlagen, dass der Ringoszillator zwei Steuerglieder aufweist, wobei sämtliche positiven Versorgungsspannungsanschlüsse der ersten Inverterschaltungen und der zusätzlichen Inverterschaltungen an eines der Steuerglieder und sämtliche negativen Versorgungsspannungsanschlüsse der ersten Inverterschaltungen und der zusätzlichen Inverterschaltungen an das andere der Steuerglieder angeschlossen sind. Genauer gesagt, sind sämtliche positiven Versorgungsspannungsanschlüsse der ersten Inverterschaltungen und der zusätzlichen Inverterschaltungen an dasjenige Steuerglied angeschlossen, das mit der positiven Versorgungsspannung des Ringoszillators in Verbindung steht. Ebenso sind sämtliche negativen Versorgungsspannungsanschlüsse der ersten Inverterschaltungen und der zusätzlichen Inverterschaltungen an das andere Steuerglied angeschlossen, das mit der negativen Versorgungsspannung in Verbindung steht.According to an advantageous development The present invention proposes that the ring oscillator has two control elements, all positive supply voltage connections of the first inverter circuits and the additional inverter circuits to one of the control members and all negative supply voltage connections of the first inverter circuits and the additional Inverter circuits connected to the other of the control elements are. More specifically, they are all positive supply voltage connections of the first inverter circuits and the additional Inverter circuits connected to the control element that connected to the positive supply voltage of the ring oscillator stands. Likewise, everyone is negative supply voltage connections of the first inverter circuits and the additional Inverter circuits connected to the other control element that with is connected to the negative supply voltage.

Während mittels des einen Steuerglieds über den gesamten durch den Ringoszillator fließenden Strom die Frequenz des Ausgangssignals des Oszillators eingestellt werden kann, kann mittels des zweiten Steuerglieds eine an einem Ausgang des Oszillators anliegende Ausgangsspannung auf einen vorgebbaren zeitlichen Mittelwert geregelt werden. Falls mehrere an verschiedenen Ausgängen des Oszillators anliegende Ausgangsspannungen berücksichtigt werden sollen, wird zunächst die gewichtete Summe der Ausgangsspannungen bestimmt und dann der zeitliche Mittelwert auf der. vorgegebenen zeitlichen Mittelwert geregelt.While by means of a control element via the total current flowing through the ring oscillator is the frequency of the Output signal of the oscillator can be set using of the second control element is applied to an output of the oscillator Output voltage regulated to a predeterminable time average become. If several are present at different outputs of the oscillator Output voltages are taken into account should be first determines the weighted sum of the output voltages and then the temporal one Mean on the. predetermined time average regulated.

Die Regelung vergleicht den aktuellen zeitlichen Mittelwert (Istwert) der Ausgangsspannung bzw. der gewichteten. Summe der Ausgangsspannungen mit dem vorgebbaren zeitlichen Mittelwert (Sollwert). Weicht der Istwert von dem Sollwert ab, wird das zweite Steuerglied derart angesteuert, dass sich der Istwert des Ausgangssignals des Oszillators dem Sollwert annähert. Vorzugsweise wird der Mittelwert der Ausgangsspannung bzw. der gewichteten Summe der Ausgangsspannungen auf die halbe an dem Ringoszillator anliegende Versorgungsspannung geregelt. Nachfolgende Schaltungsteile können auf diese Weise optimal angesteuert werden.The regulation compares the current one time average (actual value) of the output voltage or the weighted. Sum of the output voltages with the predefinable time average (setpoint). If the actual value deviates from the target value, the second control element controlled in such a way that the actual value of the output signal of the Oscillator approaches the setpoint. The mean value of the output voltage or the weighted sum is preferably half of the output voltages applied to the ring oscillator Supply voltage regulated. Subsequent circuit parts can can be optimally controlled in this way.

Alternativ wird vorgeschlagen, dass die Regelung den zeitlichen Mittelwert der Ausgangsspannung bzw. der gewichteten Summe der Ausgangsspannungen auf einen Schaltpunkt einer Inverterschaltung regelt. In dem Schaltpunkt hat eine Kennlinie der Ausgangsspannung der Inverterschaltungen in Abhängigkeit der Eingangsspannung einen annähernd linearen Verlauf und die größte Steilheit. Das bedeutet, dass dem Oszillator nachgeschaltete Inverterschaltungen bei einer auf den Schaltpunkt geregelten Ausgangsspannung bzw. bei einem auf den Schaltpunkt geregelten Mittelwert der Ausgangsspannungen optimal angesteuert werden können.Alternatively, it is suggested that the regulation the time average of the output voltage or the weighted sum of the output voltages on a switching point regulates an inverter circuit. Has a characteristic curve in the switching point the output voltage of the inverter circuits depending approximate the input voltage linear course and the greatest slope. This means that inverter circuits downstream of the oscillator at an output voltage regulated at the switching point or at an average of the output voltages regulated to the switching point can be optimally controlled.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird vorgeschlagen, dass der Ringoszillator eine gerade Anzahl von zu dem Inverterring verschalteten ersten Inverterschaltungen und eine gerade Anzahl von zusätzlichen Inverterschaltungen aufweist. Jeweils ein Signaleingang einer der zusätzlichen Inverterschaltungen ist mit einem Signaleingang einer der ersten Inverterschaltungen parallel geschaltet, und jeweils ein Signalausgang einer der zusätzlichen Inverterschaltung ist mit einem Signalausgang derjenigen ersten Inverterschaltung parallel geschaltet, deren Ausgangssignal eine Phasenverschiebung von 180° gegenüber dem Eingangssignal der entsprechenden zusätzlichen Inverterschaltung aufweist. Durch die zusätzlichen Inverterschaltungen kann eine stabile Oszillation des Ringoszillators sichergestellt werden.According to a preferred embodiment of the The present invention proposes that the ring oscillator an even number of first connected to the inverter ring Inverter circuits and an even number of additional ones Has inverter circuits. One signal input each of the additional Inverter circuits with one signal input is one of the first Inverter circuits connected in parallel, and one signal output each one of the additional Inverter circuit is the first with a signal output Inverter circuit connected in parallel, the output signal of one 180 ° phase shift from the input signal the corresponding additional Has inverter circuit. Through the additional inverter circuits can ensure a stable oscillation of the ring oscillator become.

Vorteilhafterweise weist der Ringoszillator vier zu dem Inverterring verschaltete erste Inverterschaltungen und vier zusätzlichen Inverterschaltungen auf. Jeweils ein Signaleingang einer der zusätzlichen Inverterschaltungen ist mit einem Signaleingang einer der ersten Inverterschaltungen parallel geschaltet. Jeweils ein Signalausgang einer der zusätzlichen Inverterschaltung ist mit einem Signalausgang derjenigen ersten Inverterschaltung parallel geschaltet, die der an dem Signaleingang der entsprechenden zusätzlichen Inverterschaltung parallel geschalteten ersten Inverterschaltung folgt. Bei einem solchen Ringoszillator stehen vier Ausgangsspannungen zur Verfügung, die jeweils um 90° relativ zueinander phasenverschoben sind. Die Ausgangsspannungen liegen zwischen den vier Ausgängen des Oszillators und Masse an. Mit dem gleichen Aufbau könnte der Ringoszillator auch als ein zweistufiger differentieller Oszillator arbeiten. Dabei stehen lediglich zwei Ausgangsspannungen unterschiedlicher Phasenlage zur Verfügung, wobei die Spannungen jeweils zwischen zwei Ausgängen des Oszillators anliegen.The ring oscillator advantageously has four first inverter circuits and four connected to the inverter ring additional Inverter circuits. One of the additional signal inputs Inverter circuits with one signal input is one of the first Inverter circuits connected in parallel. One signal output each one of the additional Inverter circuit is the first with a signal output Inverter circuit connected in parallel, that of the signal input the corresponding additional Inverter circuit first inverter circuit connected in parallel follows. With such a ring oscillator there are four output voltages to disposal, each relative by 90 ° are out of phase with each other. The output voltages are between the four outputs of the Oscillator and ground. With the same structure, the Ring oscillator also as a two-stage differential oscillator work. There are only two output voltages in different phases to disposal, where the voltages are present between two outputs of the oscillator.

Gemäß einer anderen Weiterbildung der Erfindung wird vorgeschlagen, dass die ersten Inverterschaltungen und die zusätzlichen Inverterschaltungen als unipolare Inverser ausgebildet sind. Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird vorgeschlagen, dass die ersten Inverterschaltungen und die zusätzlichen Inverterschaltungen als statische komplementäre Meta11-Oxid-Halbleiter (CMOS)-Inverter ausgebildet sind.According to another training The invention proposes that the first inverter circuits and the additional Inverter circuits are designed as unipolar inverters. According to one another preferred embodiment The invention proposes that the first inverter circuits and the additional Inverter circuits as static complementary Meta11 oxide semiconductor (CMOS) inverters are trained.

Vorteilhafterweise umfassen die Steuerglieder mindestens einen Feldeffekttransistor und/oder mindestens einen Bipolartransistor, wobei die Feldeffekttransistoren bzw. die Bipolartransistoren mit den Inverterschaltungen zusammen auf einem Halbleiterbauelement (Chip) integriert sind. Der über den jeweiligen Transistor fließende Strom kann über die an der Steuerelektrode des Transistors (Gate-Elektrode beim Feldeffekttransistor und Basis-Elektrode beim Bipolartransistor) anliegende Spannung gesteuert werden.The control elements advantageously comprise at least one field effect transistor and / or at least one bipolar transistor, the field effect transistors or the bipolar transistors with the Inverter circuits are integrated together on a semiconductor component (chip). The current flowing through the respective transistor can be controlled via the voltage applied to the control electrode of the transistor (gate electrode for the field effect transistor and base electrode for the bipolar transistor).

Als eine weitere Lösung der Aufgabe der vorliegenden Erfindung wird ausgehend von dem Verfahren der eingangs genannten Art vorgeschlagen, dass eine Frequenz eines Ausgangssignals des Ringoszillators durch Variation des gesamten durch den Ringoszillator fließenden Stroms gesteuert wird.As another solution to the The object of the present invention is based on the method of the type mentioned initially proposed that a frequency of Output signal of the ring oscillator by varying the total flowing through the ring oscillator Electricity is controlled.

Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der vorliegenden Erfindung wird vorgeschlagen, dass der zeitliche Mittelwert einer Ausgangsspannung des Ringoszillators auf einen vorgebbaren Wert geregelt wird. Sollen mehrere Ausgangsspannungen des Oszillators berücksichtigt werden, werden diese zunächst gewichtet summiert und dann der zeitliche Mittelwert auf den vorgebbaren Wert geregelt.According to an advantageous development The present invention proposes that the temporal Average value of an output voltage of the ring oscillator to predeterminable value is regulated. Should have multiple output voltages of the oscillator is taken into account will be, first of all weighted total and then the time average to the predeterminable Value regulated.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird vorgeschlagen, dass

  • a) die gemittelte Ausgangsspannung des Ringoszillators ermittelt wird, indem mindestens eine an Ausgängen des Ringoszillators anliegende Ausgangsspannung über die Zeit gemittelt wird;
  • b) die gemittelte Ausgangsspannung mit dem vorgebbaren Wert verglichen wird; und
  • c) bei einer Abweichung der gemittelten Ausgangsspannung von dem vorgebbaren Wert mindestens ein Stellglied des Ringoszillators derart angesteuert wird, dass sich die gemittelte Ausgangsspannung dem vorgebbaren Wert annähert.
According to a preferred embodiment of the present invention, it is proposed that
  • a) the averaged output voltage of the ring oscillator is determined by averaging at least one output voltage present at outputs of the ring oscillator over time;
  • b) the average output voltage is compared with the predeterminable value; and
  • c) in the event of a deviation of the averaged output voltage from the predeterminable value, at least one actuator of the ring oscillator is actuated in such a way that the averaged output voltage approaches the predeterminable value.

Vorteilhafterweise werden die an den Ausgängen des Ringoszillators anliegenden Ausgangsspannungen gewichtet summiert und dann über die Zeit gemittelt. Vorzugsweise werden die Ausgangsspannungen mit dem gleichen Wert gewichtet. Beispielsweise wird ein Wert 1,0 gleichmäßig auf die Anzahl der Ausgänge des Ringoszillators aufgeteilt, so dass bei vier Ausgängen jede Ausgangsspannung mit 0,25 gewichtet wird.Advantageously, the the exits output voltages of the ring oscillator are weighted and then over time averaged. The output voltages are preferably included weighted the same value. For example, a value of 1.0 becomes even the number of outputs of the ring oscillator, so that with four outputs each Output voltage is weighted with 0.25.

Es wird des weiteren vorgeschlagen, dass der zeitliche Mittelwert der Ausgangsspannung bzw. der zeitliche Mittelwert der Ausgangsspannungen auf die Hälfte einer an dem Ringoszillator anliegenden Versorgungsspannung geregelt wird.It is also proposed that the temporal mean of the output voltage or the temporal Average of the output voltages to half one on the ring oscillator supply voltage is regulated.

Alternativ wird vorgeschlagen, dass die Ausgangsspannung bzw. der zeitliche Mittelwert der Ausgangsspannungen auf eine Schaltpunktspannung einer Inverterschaltung geregelt wird.Alternatively, it is suggested that the output voltage or the time average of the output voltages is regulated to a switching point voltage of an inverter circuit.

Vorzugsweise werden zur Ermittlung der gemittelten Ausgangsspannung Widerstands-Kapazitäts-Glieder eingesetzt. Zum Vergleich der Ausgangsspannung bzw. des zeitlichen Mittelwerts der Ausgangsspannungen mit dem vorgebbaren Wert wird vorzugsweise ein Differenzverstärker eingesetzt.Preferably be used to determine the averaged output voltage resistance-capacitance elements used. To compare the output voltage or the temporal Average value of the output voltages with the predeterminable value preferably a differential amplifier used.

Weitere Merkmale, Anwendungsmöglichkeiten und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen der Erfindung, die in der Zeichnung dargestellt sind. Dabei bilden alle beschriebenen oder dargestellten Merkmale für sich oder in beliebiger Kombination den Gegenstand der Erfindung, unabhängig von ihrer Zusammenfassung in den Patentansprüchen oder deren Rückbeziehung sowie unabhängig von ihrer Formulierung bzw. Darstellung in der Beschreibung bzw. In der Zeichnung. Es zeigen:Other features, possible applications and advantages of the invention will become apparent from the following description of embodiments of the invention, which are shown in the drawing. Make it up all described or illustrated features on their own or in any combination the subject of the invention, regardless of its summary in the claims or their relationship back as well as regardless of their formulation or presentation in the description or in the drawing. Show it:

1 Topologie eines erfindungsgemäßen vierstufigen Ringoszillators gemäß einer ersten bevorzugten Ausführungsform; 1 Topology of a four-stage ring oscillator according to the invention according to a first preferred embodiment;

1a Topologie eines erfindungsgemäßen vierstufigen Ringoszillators gemäß einer zweiten bevorzugten Ausführungsform; 1a Topology of a four-stage ring oscillator according to the invention according to a second preferred embodiment;

1b Topologie eines erfindungsgemäßen vierstufigen Ringoszillators gemäß einer dritten bevorzugten Ausführungsform; 1b Topology of a four-stage ring oscillator according to the invention according to a third preferred embodiment;

2 Topologie einer aus dem Stand der Technik bekannten vierstufigen Inverterkette; 2 Topology of a four-stage inverter chain known from the prior art;

3 Topologie eines aus dem Stand der Technik bekannten vierstufigen Ringoszillators mit zusätzlicher Inverterschaltungen; 3 Topology of a four-stage ring oscillator known from the prior art with additional inverter circuits;

4 ein Schaltbild des Ringoszillators aus 3 mit als statische CMOS-Inverter ausgebildeten Inverterschaltungen; 4 a circuit diagram of the ring oscillator 3 with inverter circuits designed as static CMOS inverters;

5 ein Schaltbild des erfindungsgemäßen Ringoszillators aus 1; 5 a circuit diagram of the ring oscillator according to the invention 1 ;

6 einen erfindungsgemäßen Ringoszillator mit Treiberschaltungen an den Ausgängen des Ringoszillators; 6 a ring oscillator according to the invention with driver circuits at the outputs of the ring oscillator;

7 ein Schaltbild einer Regelschaltung zur Regelung einer an den Ausgängen des Ringoszillators anliegenden mittleren Ausgangsspannung; 7 a circuit diagram of a control circuit for controlling an average output voltage present at the outputs of the ring oscillator;

8 einen erfindungsgemäßen Ringoszillator mit einer Starterschaltung und Treiberschaltungen an den Ausgängen des Ringoszillators; und 8th a ring oscillator according to the invention with a starter circuit and driver circuits at the outputs of the ring oscillator; and

9 einen Signalverlauf einer an einem Ausgang des Ringoszillators anliegenden Ausgangsspannung. 9 a waveform of an output voltage applied to an output of the ring oscillator.

In 2 ist die Topologie einer aus dem Stand der Technik bekannten vierstufigen Inverterkette dargestellt. Die Inverterkette umfasst vier in Reihe geschaltete Inverterschaltungen 1. Eine vierstufige Inverterkette besitzt einen stabilen Zustand der logischen Zustände an den Ausgängen der Inverterschaltungen 1 und schwingt deshalb nicht an (sog. latch up). Die entsprechenden logischen Zustände (HIGH oder LOW) an den Ein- bzw. Ausgängen der Inverterschaltungen 1 in einem stabilen Zustand sind mit H und L angegeben. Dieser stabile Zustand ergibt sich bei jeder einfachen Inverterkette mit einer geraden Anzahl von in Reihe geschalteten Inverterschaltungen.In 2 the topology of a four-stage inverter chain known from the prior art is shown. The inverter chain comprises four inverter circuits connected in series 1 , A four-stage inverter chain has a stable state of the logic states at the outputs of the inverter circuits 1 and therefore does not swing (so-called latch up). The corresponding logic states (HIGH or LOW) at the inputs and outputs of the inverter circuits 1 in a stable state are indicated with H and L. This stable state results from any simple inverter chain with an even number of inverter circuits connected in series.

Um den Ringoszillator aus 2 zum Schwingen zu bringen, sind bei dem in 3 dargestellten und ebenfalls aus dem Stand der Technik bekannten Ringoszillator parallel zu den vier ersten Inverterschaltungen 1 zusätzliche Inverterschaltungen 2 vorgesehen. Jeweils zwei antiparallel geschaltete zusätzliche Inverterschaltungen 2 dienen als negativer Leitwert. Sie zwingen die Ausgänge der ersten Inverter 1, an die sie angeschlossen sind, in entgegengesetzte logische Zustände und sorgen für eine stabile Oszillation. Aufgrund der Symmetrie und aufgrund der geraden Anzahl an Inverterschaltungen 1 erzeugt der dargestellten Ringoszillator vier Ausgangssignale mit Phasen von 0°, 90°, 180° und 270° an. den Ausgängen der ersten Inverterschaltungen 1.Around the ring oscillator 2 to vibrate are in the 3 Darge and also known from the prior art ring oscillator in parallel with the first four inverter circuits 1 additional inverter circuits 2 intended. Two additional inverter circuits connected in antiparallel 2 serve as a negative conductance. They force the outputs of the first inverters 1 to which they are connected, in opposite logical states and ensure a stable oscillation. Because of the symmetry and because of the even number of inverter circuits 1 generates the ring oscillator shown four output signals with phases of 0 °, 90 °, 180 ° and 270 °. the outputs of the first inverter circuits 1 ,

In 4 ist ein Schaltbild eines aus der Veröffentlichung „A low-phase-noise CMOS ring oscillator with differential control and quadrature outputs"; Liang Dai Harjani, R.; 14th Annual IEEE International ASIC/SOC Conference 2001; S. 134 bis 138; 12. bis 15. September 2001; Arlington, VA, USA; ISBN 0-7803-6741-3 und aus der Patentschrift US 6,469,585 B1 bekannten Ringoszillators dargestellt. Bei der dort dargestellten Schaltung bilden jeweils zwei der ersten Inverterschaltungen 1, deren Ausgangssignale um 180° phasenverschoben sind, sowie zwei der zusätzlichen Inverterschaltungen 2, die antiparallel zwischen den beiden Ausgängen der ersten Inverterschaltungen 1 angeoränet sind, eine so genannte Verzögerungszelle (delay cell). Die zusätzlichen Inverterschaltungen 2 liegen unmittelbar an einer an dem Ringoszillator anliegenden externen Versorgungsspannung U_DD – U_SS an. Falls U_SS auf Masse liegt, ergibt sich für die Versorgungsspannung U_DD. Die ersten Inverterschaltungen liegen dagegen nicht direkt an der externen Versorgungsspannung U_DD – U_SS an. Der über die ersten Inverterschaltungen 1 jeweils der gleichen Verzögerungszelle fließende Strom wird über zwei Steuerglieder 3, 4 gesteuert, die als Transistoren ausgebildet sind.In 4 is a circuit diagram of one from the publication "A low-phase-noise CMOS ring oscillator with differential control and quadrature outputs"; Liang Dai Harjani, R .; 14th Annual IEEE International ASIC / SOC Conference 2001; pp. 134 to 138; 12. to September 15, 2001; Arlington, VA, USA; ISBN 0-7803-6741-3 and from the patent specification US 6,469,585 B1 known ring oscillator shown. In the circuit shown there, two of the first inverter circuits each form 1 , whose output signals are 180 ° out of phase, and two of the additional inverter circuits 2 , the antiparallel between the two outputs of the first inverter circuits 1 are attached, a so-called delay cell. The additional inverter circuits 2 are directly connected to an external supply voltage U_DD - U_SS applied to the ring oscillator. If U_SS is at ground, the supply voltage is U_DD. In contrast, the first inverter circuits are not directly connected to the external supply voltage U_DD - U_SS. The one about the first inverter circuits 1 each current flowing through the same delay cell is controlled by two control elements 3 . 4 controlled, which are designed as transistors.

Die Transistoren 3 und 4 jeweils innerhalb einer Verzögerungszelle, genauer gesagt die Transistoren 3a und 4a in der oberen Verzögerungszelle und die Transistoren 3b und 4b in der unteren Verzögerungszelle, dienen zur Steuerung der Verzögerungszeit der Verzögerungszelle und damit zur Steuerung der Schwingfrequenz des Ringoszillators. Die gewünschte Schwingfrequenz wird über zwei Steuerspannungen U_NMOS und U_PMOS vorgegeben. In 4 ist deutlich zu erkennen, dass die zweiten Inverterschaltungen 2 unmittelbar an der externen Versorgungsspannung U_DD – U_SS anliegen. Das bedeutet, dass die Steuerung der Schwingfrequenz lediglich den durch die ersten Inverterschaltungen 1 des Ringoszillators fließenden Strom beeinflussen. Der durch die zweiten Inverterschaltungen 2 fließende Strom bleibt bei der Steuerung der Schwingfrequenz unberücksichtigt. Das hat degenerierte Flanken der Ausgangssignale zur Folge. Außerdem bilden sich hohe Querströme und es herrscht ein hohes Phasenrauschen, insbesondere bei niedrigen Frequenzen.The transistors 3 and 4 each within a delay cell, more precisely the transistors 3a and 4a in the top delay cell and the transistors 3b and 4b in the lower delay cell, are used to control the delay time of the delay cell and thus to control the oscillation frequency of the ring oscillator. The desired oscillation frequency is specified via two control voltages U_NMOS and U_PMOS. In 4 it can clearly be seen that the second inverter circuits 2 directly applied to the external supply voltage U_DD - U_SS. This means that the oscillation frequency is only controlled by the first inverter circuits 1 influence current flowing in the ring oscillator. The through the second inverter circuits 2 flowing current is not taken into account when controlling the oscillation frequency. This results in degenerate edges of the output signals. In addition, high cross currents are formed and there is high phase noise, especially at low frequencies.

Im Gegensatz dazu erfolgt bei dem erfindungsgemäßen Ringoszillator, von dem ein Schaltbild gemäß einer ersten bevorzugten Ausführungsform in 1 dargestellt ist, die Steuerung der Schwingfrequenz durch Beeinflussung des gesamten durch den Ringoszillator fließenden Stroms. Dazu liegen sämtliche zusätzlichen Inverterschaltungen 2 des Ringoszillators nicht an der externen Versorgungsspannung U_DD – U_SS an. Vielmehr liegen sowohl die ersten Inverterschaltungen 1 als auch die zusätzlichen Inverterschaltungen 2 an einer internen Versorgungsspannung U'DD – U'SS an. Die externe Versorgungsspannung U_DD – U_SS liegt nur indirekt über die beiden weiteren Transistoren 3, 4 an den Inverterschaltungen 1, 2 an (vergleiche 5).In contrast to this, the ring oscillator according to the invention, of which a circuit diagram according to a first preferred embodiment in 1 is shown, the control of the oscillation frequency by influencing the entire current flowing through the ring oscillator. All additional inverter circuits are included 2 of the ring oscillator does not connect to the external supply voltage U_DD - U_SS. Rather, both the first inverter circuits are located 1 as well as the additional inverter circuits 2 to an internal supply voltage U'DD - U'SS. The external supply voltage U_DD - U_SS is only indirectly via the two other transistors 3 . 4 on the inverter circuits 1 . 2 on (compare 5 ).

Die Transistoren 3, 4 dienen als Steuerglieder für den durch den Ringoszillator fließenden Strom. Über die Transistoren 3, 4 lässt sich der gesamte durch den Ringoszillator fließende Strom und somit die Schwingfrequenz einstellen. Im einzelnen wird die interne Versorgungsspannung U'DD – U'SS des Ringoszillators und somit die Verzögerungszeit der Inverterschaltungen und damit wiederum die Schwingfrequenz des Oszillators gesteuert. Die gewünschte Schwingfrequenz wird über eine Steuerspannung U_NMOS und eine Steuerspannung U_PMOS vorgegeben. Die Spannungen U_PMOS und U_NMOS können mit Hilfe weiterer Schaltungskomponenten und einer Steuerspannung U_Steuer (vergleiche 7) derart vorgegeben werden, dass die Transistoren 3, 4 gleich gut leiten.The transistors 3 . 4 serve as control elements for the current flowing through the ring oscillator. About the transistors 3 . 4 the entire current flowing through the ring oscillator and thus the oscillation frequency can be set. In particular, the internal supply voltage U'DD - U'SS of the ring oscillator and thus the delay time of the inverter circuits and thus the oscillation frequency of the oscillator are controlled. The desired oscillation frequency is specified via a control voltage U_NMOS and a control voltage U_PMOS. The voltages U_PMOS and U_NMOS can be determined with the aid of further circuit components and a control voltage U_Steuer (cf. 7 ) are specified such that the transistors 3 . 4 manage equally well.

Der erste weitere Transistor 3, der in einer bevorzugten Ausführungsform als ein p-Kanal-MOSFET (Metal-Oxyde Semiconductor Field Effect Transistor) ausgebildet ist, ist zwischen der positiven externen Versorgungsspannung U_DD und der positiven internen Spannung U'_DD geschaltet. Der zweite weitere Transisitor 4, der in einer bevorzugten Ausführungsform als ein n-Kanal-MOSFET ausgebildet ist, ist zwischen der negativen externen Versorgungsspannung U_SS und der negativen internen Spannung U'_SS geschaltet. Die Steuerspannungen U_NMOS und U_PMOS dienen zur Steuerung der Leitfähigkeit der Transistoren 3 bzw. 4 und somit zur Steuerung des durch den Ringoszillator fließenden Stroms und damit wiederum zur Vorgabe der Frequenz des Ringoszillators. Falls der Oszillator in BiCMOS (Bipolar Complementary Metal Oxyde Semi-conductor)-Technologie ausgeführt ist, bietet es sich an, den MOSFET 4 durch einen npn-Bipolartransistor zu ersetzen.The first further transistor 3 , which is designed in a preferred embodiment as a p-channel MOSFET (Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor), is connected between the positive external supply voltage U_DD and the positive internal voltage U'_DD. The second additional transistor 4 , which in a preferred embodiment is designed as an n-channel MOSFET, is connected between the negative external supply voltage U_SS and the negative internal voltage U'_SS. The control voltages U_NMOS and U_PMOS serve to control the conductivity of the transistors 3 respectively. 4 and thus for controlling the current flowing through the ring oscillator and thus again for specifying the frequency of the ring oscillator. If the oscillator is designed in BiCMOS (Bipolar Complementary Metal Oxide Semi-conductor) technology, it is advisable to use the MOSFET 4 to be replaced by an npn bipolar transistor.

Selbstverständlich kann der erfindungsgemäße Ringoszillator auch nur einen der beiden Transistoren 3, 4 aufweisen (vergleiche 1a und 1b). In diesem Fall wird dann der gesamte durch den erfindungsgemäßen Ringoszillator fließende Strom zur Variation der Schwingfrequenz des Oszillators über die Steuerspannung U_PMOS oder U_NMOS mit dem einen Transistoren 3 oder 4 gesteuert.Of course, the ring oscillator according to the invention can also only one of the two transistors 3 . 4 exhibit (compare 1a and 1b ). In this case, the total current flowing through the ring oscillator according to the invention for varying the oscillation frequency of the oscillator via the control voltage U_PMOS or U_NMOS with the one transistor 3 or 4 ge controls.

Rechts oben in 1 ist ein Symbol einer Inverterschaltung 1, 2 dargestellt. Mit A ist der Eingang der Inverterschaltung 1, 2 und mit B der Ausgang bezeichnet. Mit C ist ein positiver Anschluss der Inverterschaltung 1, 2 für die positive Versorgungsspannung U'_DD oder U_DD und mit D ein negativer Anschluss für die negative Versorgungsspannung U'_SS oder U_SS bezeichnet.In the top right 1 is a symbol of an inverter circuit 1 . 2 shown. With A is the input of the inverter circuit 1 . 2 and B denotes the exit. With C is a positive connection of the inverter circuit 1 . 2 for the positive supply voltage U'_DD or U_DD and D denotes a negative connection for the negative supply voltage U'_SS or U_SS.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Ringoszillators sind die Inverterschaltungen 1, 2 als statische CMOS-Inverter ausgebildet. Rechts unten in 1 ist das Schaltbild einer entsprechend realisierten Inverterschaltung 1, 2 dargestellt. Ein statischer CMOS-Inverter umfasst zwei in Reihe geschaltete MOSFETs, davon jeweils einen n-Kanal- und einen p-Kanal-MOSFET. Die beiden MOSFETs der Inverterschaltungen 1, 2 stehen über ihre Drain-Elektroden miteinander in Verbindung. Der Eingang A liegt an den Steuerelektroden (Gate-Elektroden) der beiden MOSFETs an, und der Ausgang B liegt an den Drain-Elektroden der beiden MOSFETs an. An der Source-Elektrode des p-Kanal-MOSFET liegt der positive Versorgungsanschluss C an, und an der Source-Elektrode des n-Kanal-MOSFET liegt der negative Versorgungsanschluss D an.According to a preferred embodiment of the ring oscillator according to the invention, the inverter circuits are 1 . 2 designed as a static CMOS inverter. In the bottom right 1 is the circuit diagram of a correspondingly implemented inverter circuit 1 . 2 shown. A static CMOS inverter comprises two MOSFETs connected in series, one of which is an n-channel and one of a p-channel MOSFET. The two MOSFETs of the inverter circuits 1 . 2 are connected to each other via their drain electrodes. Input A is applied to the control electrodes (gate electrodes) of the two MOSFETs, and output B is applied to the drain electrodes of the two MOSFETs. The positive supply connection C is connected to the source electrode of the p-channel MOSFET, and the negative supply connection D is connected to the source electrode of the n-channel MOSFET.

Wenn der erfindungsgemäße Ringoszillator mit statischen CMOS-Invertern ausgeführt ist, erzeugt er an seinen Ausgängen eine periodische Ausgangsspannung, deren Minimalwert (LOW) in etwa der negativen internen Versorgungsspannung U' SS entspricht und deren Maximalwert (HIGH) in etwa der positiven internen Spannung U'_DD entspricht. Das Tastverhältnis von HIGH zu LOW an den Ausgängen beträgt etwa 1:1. Wenn der erfindungsgemäße Ringoszillator mit statischen CMOS-Invertern und, wie in 1 gezeigt, als vierstufiger Ringoszillator ausgeführt ist, dann sind die Ausgangssignale in etwa sinusförmig. Wenn die Stufenzahl erhöht wird, zum Beispiel auf acht, dann nähert sich das Ausgangssignal des Oszillators mehr einer Rechteckform an.If the ring oscillator according to the invention is designed with static CMOS inverters, it generates a periodic output voltage at its outputs, the minimum value (LOW) approximately corresponds to the negative internal supply voltage U 'SS and the maximum value (HIGH) approximately to the positive internal voltage U' _DD corresponds. The duty cycle from HIGH to LOW at the outputs is approximately 1: 1. If the ring oscillator according to the invention with static CMOS inverters and, as in 1 shown as a four-stage ring oscillator, then the output signals are approximately sinusoidal. If the number of stages is increased, for example to eight, then the output signal of the oscillator approximates a rectangular shape.

Ein Schaltplan des erfindungsgemäßen Ringoszillators gemäß 1 ist in 5 dargestellt. Die p-Kanal-MOSFETs sind in 5 mit P_i und die n-Kanal-MOSFETs mit N_i bezeichnet. Die Source-Elektroden der p-Kanal-MOSFETs in den Inverterschaltungen 1, 2 liegen. an der internen positiver. Spannung U'_DD des Ringoszillators an. Die Source-Elektroden der n-Kanal-MOSFETs in den Inverterschaltungen 1, 2 liegen an der internen negativen Spannung U'_SS des Ringoszillators an. An der Substrat- oder Bulk-Elektrode der p-Kanal-MOSFETs der Inverterschaltungen 1, 2 liegt die positive Versorgungsspannung U_DD an, und an der Bulk-Elektrode der beiden n-Kanal-MOSFETs liegt die negative Versorgungsspannung U_SS an. Alternativ können die Bulk-Elektroden der p-Kanal- und der n-Kanal-MOSFETs jedoch auch an der positiven internen Spannung U'_DD oder an der negativen internen Spannung U'_SS anliegen. Die Steuerelektroden (Gate-Elektroden) der MOSFETs in den Inverterschaltungen 1, 2 bilden den Eingang einer Inverterschaltung 1, 2. Der Ausgang einer Inverterschaltunq 1, 2 liegt an der Verbindung zwischen den Drain-Elektroden der MOSFETs.A circuit diagram of the ring oscillator according to the invention 1 is in 5 shown. The p-channel MOSFETs are in 5 denoted by P_i and the n-channel MOSFETs by N_i. The source electrodes of the p-channel MOSFETs in the inverter circuits 1 . 2 lie. at the internal positive. Voltage U'_DD of the ring oscillator on. The source electrodes of the n-channel MOSFETs in the inverter circuits 1 . 2 are applied to the internal negative voltage U'_SS of the ring oscillator. On the substrate or bulk electrode of the p-channel MOSFETs of the inverter circuits 1 . 2 the positive supply voltage U_DD is present, and the negative supply voltage U_SS is present at the bulk electrode of the two n-channel MOSFETs. Alternatively, the bulk electrodes of the p-channel and n-channel MOSFETs can also be applied to the positive internal voltage U'_DD or to the negative internal voltage U'_SS. The control electrodes (gate electrodes) of the MOSFETs in the inverter circuits 1 . 2 form the input of an inverter circuit 1 . 2 , The output of an inverter circuit 1 . 2 is due to the connection between the drain electrodes of the MOSFETs.

Der Ausgang HF0 des Ringoszillators entspricht dem Eingang der ersten Inverterschaltung 1.1 (0° in 1). Der Ausgang HF90 entspricht dem Eingang der vierten Inverterschaltunq 1.4 (–270° in 1), da aufgrund der Invertierung durch die Inverterschaltung 1.4 die Phasenlage des Ausgangssignals –270° = +90° entspricht. Der Ausgang HF180 des Ringoszillators entspricht dem Eingang der dritten Inverterschaltunq 1.3 (180° in 1). Der Ausgang HF270 entspricht dem Eingang der zweiten Inverterschaltung 1.2 (–90° in 1), da aufgrund der Invertierung durch die Inverterschaltung 1.2 die Phasenlage des Ausgangssignals –90° = +270° entspricht.The output HF0 of the ring oscillator corresponds to the input of the first inverter circuit 1.1 (0 ° in 1 ). The HF90 output corresponds to the input of the fourth inverter circuit 1.4 (-270 ° in 1 ), because of the inversion by the inverter circuit 1.4 the phase position of the output signal corresponds to –270 ° = + 90 °. The output HF180 of the ring oscillator corresponds to the input of the third inverter circuit 1.3 (180 ° in 1 ). The HF270 output corresponds to the input of the second inverter circuit 1.2 (-90 ° in 1 ), because of the inversion by the inverter circuit 1.2 the phase position of the output signal corresponds to –90 ° = + 270 °.

Die Ausgangsspannungen des Ringoszillators liegen üblicherweise an weiteren Schaltungselementen an. Oft werden hinter dem Oszillator Pufferverstärker geschaltet, um die Ausgänge des Oszillators von der Belastung durch diese weiteren Schaltungselemente zu isolieren. Als Pufferverstärker können beispielsweise statische CMOS-Inverter eingesetzt werden. In 6 ist ein erfindungsgemäßer Ringoszillator gezeigt, der für Testzwecke derart ausgelegt ist, dass er in einer 50Ω-Umgebung vermessen werden kann. Wie in 6 dargestellt, liegen die Ausgänge des Ringoszillators hierbei an dreistufigen CMOS-Inverterketten 6 an. Diese werden als Leitungstreiber eingesetzt, um die niedrige Impedan, der 50Ω-Übertragungsleitungen 5 zu treiben. An den Inverterketten 6 liegt die externe Versorgungsspannung U_DD – U_SS an. Der letzte Inverter einer Inverterkette 6 stellt einen Spannungshub von etwa 1 V an einer Last 7 von 50Ω zur Verfügung. Die Last 7 entspricht dem Innenwiderstand des eingesetzten Messgeräts (nicht dargestellt). Um den Gleichspannungsanteil an den Ausgängen der Inverterketten 6 abzublocken, werden für die Messung externe DC (Gleichstrom)-Blöcke 8 eingesetzt. Die DC-Blöcke 8 umfassen beispielsweise einen Kondensator.The output voltages of the ring oscillator are usually applied to further circuit elements. Buffer amplifiers are often connected behind the oscillator in order to isolate the outputs of the oscillator from the load caused by these further circuit elements. For example, static CMOS inverters can be used as buffer amplifiers. In 6 shows a ring oscillator according to the invention, which is designed for test purposes in such a way that it can be measured in a 50Ω environment. As in 6 shown, the outputs of the ring oscillator are on three-stage CMOS inverter chains 6 on. These are used as line drivers to drive the low impedance, the 50Ω transmission lines 5 to drive. On the inverter chains 6 the external supply voltage U_DD - U_SS is present. The last inverter in an inverter chain 6 represents a voltage swing of about 1 V on a load 7 of 50Ω are available. Weight 7 corresponds to the internal resistance of the measuring device used (not shown). To the DC voltage component at the outputs of the inverter chains 6 block, external DC (direct current) blocks are used for the measurement 8th used. The DC blocks 8th include, for example, a capacitor.

Um an den Ausgängen RF0, RF90, RF180, RF270 der Inverterketten 6 ein Tastverhältnis von HIGH zu LOW von etwa 1:1 sicherstellen zu können, muss die mittlere Ausgangsspannung U_HF,avg an den Ausgängen HF0, HF90, HF180, HF270 des Ringoszillators gleich einer Schaltpunktspannung U_M der Inverter in den Inverterketten 6 sein (vergleiche 7), Insbesondere wird vorgeschlagen, die mittlere Ausgangsspannung U_HF,avg auf die Schaltpunktspannung U_M einer Inverterschaltung 12b zu regeln. Das heißt für die Sicherstellung eines Tastverhältnisses von 1:1 an den Ausgängen RF0, RF90, RF180, RF270 der Inverterketten ist eine Regelung der mittleren Ausgangsspannung U_HF,avg an den Ausgängen HF0, HF90, HF180, HF270 des Ringoszillators auf einen vorgegebenen Wert erforderlich. Die in 7 dargestellten und an die Ausgänge HF0, HF90, HF180, HF270 des Ringoszillators angeschlossenen Rechtecke stellen Widerstände dar. Wenn diese Widerstände gleich groß gewählt werden, werden alle an den Ausgängen HF0, HF90, HF180, HF270 anliegenden Ausgangsspannungen mit dem gleichen Wert gewichtet und dann summiert und über die Zeit auf die mittlere Ausgangsspannung U_HF,avg gemittelt.To at the outputs RF0, RF90, RF180, RF270 of the inverter chains 6 To ensure a duty cycle of HIGH to LOW of approximately 1: 1, the average output voltage U_HF, avg at the outputs HF0, HF90, HF180, HF270 of the ring oscillator must be equal to a switching point voltage U_M of the inverters in the inverter chains 6 be (compare 7 ), In particular, it is proposed that the average output voltage U_HF, avg to the switching point voltage U_M of an inverter circuit 12b to regulate. This means that to ensure a duty cycle of 1: 1 at the outputs RF0, RF90, RF180, RF270 of the inverter chains, the mean output voltage U_HF, avg is regulated at the outputs HF0, HF90, HF180, HF270 of the ringo zillators required to a predetermined value. In the 7 Rectangles shown and connected to the outputs HF0, HF90, HF180, HF270 of the ring oscillator represent resistors. If these resistors are chosen to be the same size, all output voltages present at the outputs HF0, HF90, HF180, HF270 are weighted with the same value and then summed and averaged over time to the average output voltage U_HF, avg.

Vorteilhafterweise wird U_HF,avg auf die Schaltpunktspannung U_M geregelt. Bei der Schaltpunktspannung U_M befinden sich die Kennlinien der statischen CMOS-Inverter in einem nahezu linearen Bereich und weisen die größte Steilheit auf. Das bedeutet, dass die Inverterschaltungen 1, 2 besonders gut angesteuert werden können. Die Inverterschaltungen 1, 2 sind vorzugsweise derart ausgelegt, dass sie eine Schaltpunktspannung U_M von etwa der halben externen Versorgungsspannung U_DD – U_SS aufweisen. Dann weisen die Inverterschaltungen 1, 2 die kürzest mögliche Verzögerungszeit auf und können bis zu einer maximal möglichen Schaltfrequenz betrieben werden.U_HF, avg is advantageously regulated to the switching point voltage U_M. With the switching point voltage U_M, the characteristic curves of the static CMOS inverters are in an almost linear range and have the greatest slope. That means the inverter circuits 1 . 2 can be controlled particularly well. The inverter circuits 1 . 2 are preferably designed such that they have a switching point voltage U_M of approximately half the external supply voltage U_DD - U_SS. Then the inverter circuits point 1 . 2 the shortest possible delay time and can be operated up to a maximum possible switching frequency.

Um die mittlere Ausgangsspannung U_HF,avg an den Ausgängen HF0, HF90, HF180, HF270 des Oszillators auf den vorgegebenen Wert zu regeln, wird erfindungsgemäß der Transistor 3 als Stellglied verwendet. Alternativ kann auch der Transistor 4 als Stellglied für die Regelschaltung verwendet werden. U_PMOS ist dann der Steuerspannungs-Eingang. Die Regelschaltung 8 bis 12 wird dann als Komplementärstruktur zu der in 7 dargestellten Schaltung ausgeführt, das heißt negative Anschlüsse werden positiv und umgekehrt und U_PMOS-Anschlüsse werden U_NMOS-Anschlüsse und umgekehrt.In order to regulate the average output voltage U_HF, avg at the outputs HF0, HF90, HF180, HF270 of the oscillator to the predetermined value, the transistor is used according to the invention 3 used as an actuator. Alternatively, the transistor 4 can be used as an actuator for the control circuit. U_PMOS is then the control voltage input. The control circuit 8th to 12 is then used as a complementary structure to that in 7 shown circuit executed, that is, negative connections are positive and vice versa and U_PMOS connections become U_NMOS connections and vice versa.

Ein Schaltbild eines Teils des Oszillators (die ersten Inverterschaltungen 1.2 und 1.4, sowie die zusätzlichen Inverterschaltungen 2.1 und 2.2) mit einer entsprechenden Regelschaltung zur Regelung der mittleren Ausgangsspannung U_HF,avg ist in 7 dargestellt. U_NMOS kann von außerhalb des Ringoszillators als Steuerspannung U_Steuer zur Steuerung der Schwingfrequenz des Oszillators beliebig vorgegeben werden. Alternativ kann ein Steuerstrom I_Steuer eingeprägt werden, der über einen Transistor 12a in die Steuerspannung U_Steuer gewandelt wird. Die Spannung U_PMOS wird als Stellgröße für den Transistor 3 von der Regelschaltung vorgegeben.A circuit diagram of part of the oscillator (the first inverter circuits 1.2 and 1.4 , as well as the additional inverter circuits 2.1 and 2.2 ) with a corresponding control circuit for regulating the average output voltage U_HF, avg is in 7 shown. U_NMOS can be specified from outside the ring oscillator as control voltage U_Steuer to control the oscillation frequency of the oscillator. Alternatively, a control current I_steer can be impressed via a transistor 12a is converted into the control voltage U_steer. The voltage U_PMOS is used as a manipulated variable for the transistor 3 specified by the control circuit.

Die Regelschaltung umfasst fünf Transistoren 8 bis 12. Die beiden Transistoren 8, 9 sind Lasttransistoren, die wie nichtlineare Widerstände wirken. Die beiden Transistoren 10, 11 sind Verstärkertransistoren, die entscheiden, ob die mittlere Ausgangsspannung U_HF,avg größer oder kleiner als die Sollwertspannung U_M ist. Die beiden Transistoren 10, 11 bilden einen Differenzverstärker. Über den Transistor 12 wird der Arbeitspunkt des Differenzverstärkers eingestellt. Der Lasttransistor 8 der Regelschaltung und der Transistor 3 bilden einen Stromspiegel. Der Strom durch den Trarsistor 3 wird dann derart geregelt, dass die Forderung U_HF,avg = U_M erfüllt ist.The control circuit comprises five transistors 8th to 12 , The two transistors 8th . 9 are load transistors that act like non-linear resistors. The two transistors 10 . 11 are amplifier transistors that decide whether the average output voltage U_HF, avg is greater or less than the setpoint voltage U_M. The two transistors 10 . 11 form a differential amplifier. About the transistor 12 the operating point of the differential amplifier is set. The load transistor 8th the control circuit and the transistor 3 form a current mirror. The current through the trarsistor 3 is then regulated in such a way that the requirement U_HF, avg = U_M is fulfilled.

Zur Regelung der Ausgangsspannung wird zunächst der Mittelwert U_HF,avg über die an den vier Ausgängen HF0, HF90, HF180, HF270 anliegenden gewichteten Spannungen gebildet. Dies geschieht mittels Spannungsteilern und einem RC-Glied, wobei die Kapazität C in der Ausführungsform nach 7 durch die Gate-Kapazität des Transistors 11 gebildet wird. Dieser Mittelwert U_HF,avg wird mit dem Sollwert, vorteilhafterweise mit der Schaltpunktspannung U_M, die üblicherweise der halben externen Versorgungsspannung U_DD – U_SS entspricht, verglichen. Diesen Vergleich führt der Differenzverstärker 10, 11 durch. Falls die mittlere Ausgangsspannung U_HF,avg zu hoch ist, leitet der Transistor 3 zu gut. U_PMOS wird deshalb derart eingestellt, dass der Transistor 3 schlechter leitet, das heißt U_PMOS wird erhöht, so dass der Betrag der Gate-Source-Spannung U_GS an dem Transistor 3 kleiner wird. Falls die mittlere Ausgangsspannung U_HF,avg zu niedrig ist, leite der Transistor 3 nicht gut genug. U_PMOS wird deshalb derart eingestellt, dass der Transistor 3 besser leitet, das heißt U_PMOS wird verringert, so dass der Betrag der Gate-Source-Spannung U_GS an dem Transistor 3 größer wird. Aufgrund des Tastverhältnisses von 1:1 regeln sich die beiden Potentiale U'_DD und U'_SS der inneren Versorgungsspannung U'_DD – U'_SS auf symmetrische Werte ober- und unterhalb der Schaltschwelle U_M ein.To regulate the output voltage, the mean value U_HF, avg is first formed over the weighted voltages present at the four outputs HF0, HF90, HF180, HF270. This is done by means of voltage dividers and an RC element, the capacitance C in the embodiment according to 7 through the gate capacitance of the transistor 11 is formed. This mean value U_HF, avg is compared with the target value, advantageously with the switching point voltage U_M, which usually corresponds to half the external supply voltage U_DD - U_SS. The differential amplifier performs this comparison 10 . 11 by. If the average output voltage U_HF, avg is too high, the transistor conducts 3 too good. U_PMOS is therefore set such that the transistor 3 conducts worse, that is, U_PMOS is increased, so that the amount of gate-source voltage U_GS at the transistor 3 gets smaller. If the average output voltage U_HF, avg is too low, the transistor conducts 3 not good enough. U_PMOS is therefore set such that the transistor 3 conducts better, that is, U_PMOS is reduced, so that the amount of gate-source voltage U_GS at the transistor 3 gets bigger. Due to the duty cycle of 1: 1, the two potentials U'_DD and U'_SS of the internal supply voltage U'_DD - U'_SS regulate to symmetrical values above and below the switching threshold U_M.

In 8 ist eine Starterschaltung für den erfindungsgemäßen Ringoszillator dargestellt, durch die ein sicheres und vor allem schnelles Starten der Oszillation ermöglicht wird. Um die Schwingung zu starten, ist eine anfängliche Auslenkung der Ausgangssignale des Ringoszillators erforderlich. Die Starterschaltung umfasst einen Pulldown-Transistor 13 an dem Ausgang HF0 des Ringoszillators, der eingeschaltet ist, wenn der Oszillator ausgeschaltet ist. Wenn der Oszillator begonnen hat zu schwingen, wird der Pulldown-Transistor 13 durch einen Transistor 13a ausgeschaltet. An den Ausgängen HF90, HF180 und HF270 sind Blindtransistoren 14 vorgesehen, die für eine gleichmäßige Lastkapazität an allen vier Ausgängen HF0, HF90, HF180 und HF270 sorgen.In 8th a starter circuit for the ring oscillator according to the invention is shown, by means of which a safe and, above all, fast starting of the oscillation is made possible. In order to start the oscillation, an initial deflection of the output signals of the ring oscillator is required. The starter circuit includes a pulldown transistor 13 at the output HF0 of the ring oscillator, which is switched on when the oscillator is switched off. When the oscillator has started to oscillate, the pulldown transistor becomes 13 through a transistor 13a switched off. There are dummy transistors at the HF90, HF180 and HF270 outputs 14 provided that ensure an even load capacity at all four outputs HF0, HF90, HF180 and HF270.

In 9 ist der entsprechende Verlauf der Ausgangssignale an den Ausgängen HF0, HF90, HF180, HF270 für den Anlauf des Ringoszillators bei einer Schwingfrequenz f_osz von etwa 850MHz und einer positiven Versorgungsspannung U DD von etwa 2V (die negative Versorgungsspannung U_SS entspricht Masse) dargestellt. Es ist deutlich zu erkennen, dass aufgrund der Regelung der mittleren Ausgangsspannung U_HF,avg an den Ausgängen HF0, HF90, HF180, HF270 des Ringoszillators auf die halbe externe Versorgungsspannung U_DD/2, der erfindungsgemäße Oszillator nach einer kurzen Einschwingphase (etwa 30ns nach dem Einschalten) sicher und zuverlässig um U_CD/2 = 1V schwingt. Mit dem Bezugszeichen 15 ist der Verlauf der Gate-Spannung des Pulldown-Transistors 13 bezeichnet. Mit dem Bezugszeichen 16 ist die mittlere Ausgangsspannung des Oszillators bezeichnet. Mit den Bezugszeichen 17, 18, 19 und 20 sind die um jeweils 90° zueinander phasenverschobenen Ausgangsspannungen an den Ausgängen HF0, HF90, HF180, HF270 des Ringoszillators bezeichnet, deren Mittelwert die mittlere Ausgangsspannung U_HF,avg 16 bildet.In 9 the corresponding course of the output signals at the outputs HF0, HF90, HF180, HF270 for starting the ring oscillator at an oscillation frequency f_osz of approximately 850 MHz and a positive supply voltage U DD of approximately 2 V (the negative supply voltage U_SS corresponds to ground) is shown. It can be clearly seen that due to the regulation of the average output voltage U_HF, avg at the outputs HF0, HF90, HF180, HF270 of the ring oscillator half the external supply voltage U_DD / 2, the oscillator according to the invention oscillates safely and reliably around U_CD / 2 = 1V after a short settling phase (about 30ns after switching on). With the reference symbol 15 is the course of the gate voltage of the pulldown transistor 13 designated. With the reference symbol 16 is the mean output voltage of the oscillator. With the reference numerals 17 . 18 . 19 and 20 are the output voltages at 90 ° to each other at the outputs HF0, HF90, HF180, HF270 of the ring oscillator, the mean of which is the mean output voltage U_HF, avg 16 forms.

Zusammenfassen hat der erfindungsgemäße Ringoszillator unter anderem die nachfolgenden Vorteile:

  • – Operation des Ringoszillators im GHz-Frequenzbereich (besonders hohe Frequenzen);
  • – Durchstimmbereich des Ringoszillators mindestens eine Dekade (zum Beispiel von 100 MHz bis 1 GHz);
  • – Realisierung des Ringoszillators ohne integrierte oder externe Induktivitäten;
  • – Quadraturausgänge;
  • – Geringes Phasenrauschen (Dies wird durch einen möglichst großen Signalhub erzielt, der auch bei kleinen Frequenzen in etwa das Doppelte der Schwellspannung des Inverters beträgt. Der große Signalhub wird durch den Einsatz von unipolaren Invertern als Verzögerungselemente erzielt. Außerdem kann das geringe Phasenrauschen auch dadurch erzielt werden, dass der Strom möglichst vollständig in das Umschalten der Kapazitäten in dem Ringoszillator herangezogen wird und Querströme eliminiert werden.); und
  • – Der Stromverbrauch ist in etwa proportional zu der Schwingfrequenz, das heißt bei kleinen Frequenzen geringerer Stromverbrauch.
To summarize, the ring oscillator according to the invention has the following advantages, among others:
  • - Operation of the ring oscillator in the GHz frequency range (particularly high frequencies);
  • - Tuning range of the ring oscillator at least one decade (for example from 100 MHz to 1 GHz);
  • - Realization of the ring oscillator without integrated or external inductors;
  • - quadrature outputs;
  • - Low phase noise (This is achieved by the largest possible signal swing, which is approximately twice the threshold voltage of the inverter even at low frequencies. The large signal swing is achieved by using unipolar inverters as delay elements. In addition, the low phase noise can also be achieved be that the current is used as completely as possible in the switching of the capacitances in the ring oscillator and cross currents are eliminated.); and
  • - The power consumption is roughly proportional to the oscillation frequency, i.e. lower power consumption at low frequencies.

Claims (15)

In Halbleitertechnologie realisierter mehrstufiger Ringoszillator, an dem eine Versorgungsspannung (U_DD) anliegt, wobei der Ringoszillator a) mehrere zu einem Inverterring in Reihe verschaltete erste Inverterschaltungen (1.1, 1.2, 1.3, 1.4); und b) mehrere zusätzliche Inverterschaltungen (2.1, 2.2, 2.3, 2.4) zur Vorwärtskopplung und zur Sicherstellung einer stabilen Oszillation des Ringoszillators aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass der Ringoszillator c) mindestens ein Steuerglied (3, 4) aufweist, wobei sämtliche positiven Versorgungsspannungsanschlüsse der ersten Inverterschaltungen (1.1, 1.2, 1.3, 1.4) und der zusätzlichen Inverterschaltungen (2.1, 2.2, 2.3, 2.4) oder sämtliche negativen Versorgungsspannungsanschlüsse der ersten Inverterschaltungen (1.1, 1.2, 1.3, 1.4) und der zusätzlichen Inverterschaltungen (2.1, 2.2, 2.3, 2.4) an das mindestens eine Steuerglied (3, 4) angeschlossen sind.Multi-stage ring oscillator implemented in semiconductor technology, to which a supply voltage (U_DD) is present, the ring oscillator a) having a plurality of first inverter circuits connected in series to form an inverter ring ( 1.1 . 1.2 . 1.3 . 1.4 ); and b) several additional inverter circuits ( 2.1 . 2.2 . 2.3 . 2.4 ) for feedforward coupling and to ensure stable oscillation of the ring oscillator, characterized in that the ring oscillator c) has at least one control element ( 3 . 4 ), all positive supply voltage connections of the first inverter circuits ( 1.1 . 1.2 . 1.3 . 1.4 ) and the additional inverter circuits ( 2.1 . 2.2 . 2.3 . 2.4 ) or all negative supply voltage connections of the first inverter circuits ( 1.1 . 1.2 . 1.3 . 1.4 ) and the additional inverter circuits ( 2.1 . 2.2 . 2.3 . 2.4 ) to the at least one control element ( 3 . 4 ) are connected. Ringoszillator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Ringoszillator zwei Steuerglieder (3, 4) aufweist, wobei sämtliche positiven Versorgungsspannungsanschlüsse der ersten Inverterschaltungen (1.1, 1.2, 1.3, 1.4) und der zusätzlichen Inverterschaltungen (2.1, 2.2, 2.3, 2.4) an eines der Steuerglieder (3, 4) und sämtliche negativen Versorgungsspannungsanschlüsse der ersten Inverterschaltungen (1.1, 1.2, 1.3, 1.4) und der zusätzlichen Inverterschaltungen (2.1, 2.2, 2.3, 2.4) an das andere der Steuerglieder (3, 4) angeschlossen sind.Ring oscillator according to claim 1, characterized in that the ring oscillator has two control elements ( 3 . 4 ), all positive supply voltage connections of the first inverter circuits ( 1.1 . 1.2 . 1.3 . 1.4 ) and the additional inverter circuits ( 2.1 . 2.2 . 2.3 . 2.4 ) to one of the control elements ( 3 . 4 ) and all negative supply voltage connections of the first inverter circuits ( 1.1 . 1.2 . 1.3 . 1.4 ) and the additional inverter circuits ( 2.1 . 2.2 . 2.3 . 2.4 ) to the other of the control elements ( 3 . 4 ) are connected. Ringsoszillator nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Ringoszillator eine gerade Anzahl von zu dem Inverterring verschalteten ersten Inverterschaltungen (1.1, 1.2, 1.3, 1.4) und eine gerade Anzahl von zusätzlichen Inverterschaltungen (2.1, 2.2, 2.3, 2.4) aufweist, wobei jeweils ein Signaleingang einer der zusätzlichen Inverterschaltungen (2.1, 2.2, 2.3, 2.4) mit einem Signaleingang einer der ersten Inverterschaltungen (1.1, 1.2, 1.3, 1.4) parallel geschaltet ist und jeweils ein Signalausgang einer der zusätzlichen Inverterschaltung (2.1, 2.2, 2.3, 2.4) mit einem Signalausgang derjenigen ersten Inverterschaltung (1.1, 1.2, 1.3, 1.4) parallel geschaltet ist, deren Ausgangssignal eine Phasenverschiebung von 180° gegenüber dem Eingangssignal der entsprechenden zusätzlichen Inverterschaltung (2.1, 2.2, 2.3, 2.4) aufweist.Ring oscillator according to claim 1 or 2, characterized in that the ring oscillator has an even number of first inverter circuits ( 1.1 . 1.2 . 1.3 . 1.4 ) and an even number of additional inverter circuits ( 2.1 . 2.2 . 2.3 . 2.4 ), each with a signal input of one of the additional inverter circuits ( 2.1 . 2.2 . 2.3 . 2.4 ) with a signal input of one of the first inverter circuits ( 1.1 . 1.2 . 1.3 . 1.4 ) is connected in parallel and a signal output from one of the additional inverter circuits ( 2.1 . 2.2 . 2.3 . 2.4 ) with a signal output of that first inverter circuit ( 1.1 . 1.2 . 1.3 . 1.4 ) is connected in parallel, the output signal of which is a phase shift of 180 ° with respect to the input signal of the corresponding additional inverter circuit ( 2.1 . 2.2 . 2.3 . 2.4 ) having. Ringoszillator nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Ringoszillator vier zu dem Inverterring verschaltete erste Inverterschaltungen (1.1, 1.2, 1.3, 1.4) und vier zusätzlichen Inverterschaltungen (2.1, 2.2, 2.3, 2.4) aufweist, wobei jeweils ein Signaleingang einer der zusätzlichen Inverterschaltungen (2.1, 2.2, 2.3, 2.4) mit einem Signaleingang einer der ersten Inverterschaltungen (1.1, 1.2, 1.3, 1.4) parallel geschaltet ist und jeweils ein Signalausgang einer der zusätzlichen Inverterschaltung (2.1, 2.2, 2.3, 2.4) mit einem Signalausgang derjenigen ersten Inverterschaltung (1.1, 1.2, 1.3, 1.4) parallel geschaltet ist, die der an dem Signaleingang der entsprechenden zusätzlichen Inverterschaltung (2.1, 2.2, 2.3, 2.4) parallel geschalteten ersten Inverterschaltung (1.1, 1.2, 1.3, 1.4) folgt.Ring oscillator according to one of claims 1 to 3, characterized in that the ring oscillator four first inverter circuits connected to the inverter ring ( 1.1 . 1.2 . 1.3 . 1.4 ) and four additional inverter circuits ( 2.1 . 2.2 . 2.3 . 2.4 ), each with a signal input of one of the additional inverter circuits ( 2.1 . 2.2 . 2.3 . 2.4 ) with a signal input of one of the first inverter circuits ( 1.1 . 1.2 . 1.3 . 1.4 ) is connected in parallel and a signal output from one of the additional inverter circuits ( 2.1 . 2.2 . 2.3 . 2.4 ) with a signal output of that first inverter circuit ( 1.1 . 1.2 . 1.3 . 1.4 ) which is connected in parallel to the signal input of the corresponding additional inverter circuit ( 2.1 . 2.2 . 2.3 . 2.4 ) first inverter circuit connected in parallel ( 1.1 . 1.2 . 1.3 . 1.4 ) follows. Ringoszillator nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die ersten Inverterschaltungen (1.1, 1.2, 1.3, 1.4) und die zusätzlichen Inverterschaltungen (2.1, 2.2, 2.3, 2.4) als unipolare Inverter ausgebildet sind.Ring oscillator according to one of claims 1 to 4, characterized in that the first inverter circuits ( 1.1 . 1.2 . 1.3 . 1.4 ) and the additional inverter circuits ( 2.1 . 2.2 . 2.3 . 2.4 ) are designed as unipolar inverters. Ringoszillator nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die ersten Inverterschaltungen (1.1, 1.2, 1.3, 1.4) und die zusätzlichen Inverterschaltungen (2.1, 2.2, 2.3, 2.4) als statische komplementäre Metall-Oxid-Halbleiter (CMOS)-Inverter ausgebildet sind.Ring oscillator according to claim 5, characterized in that the first inverter circuits ( 1.1 . 1.2 . 1.3 . 1.4 ) and the additional inverter circuits ( 2.1 . 2.2 . 2.3 . 2.4 ) as a static complementary metal-oxide-semiconductor (CMOS) inverter det. Ringoszillator nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuerglieder (3, 4) mindestens einen Feldeffekttransistor und/oder mindestens einen Bipolartransistor umfassen, wobei die Feldeffekttransistoren bzw. die Bipolartransistoren mit den Inverterschaltungen zusammen auf einem Halbleiterbauelement integriert sind.Ring oscillator according to one of claims 1 to 6, characterized in that the control elements ( 3 . 4 ) comprise at least one field effect transistor and / or at least one bipolar transistor, the field effect transistors or the bipolar transistors being integrated together with the inverter circuits on a semiconductor component. Verfahren zum Betrieb eines in Halbleitertechnologie realisierten mehrstufigen Ringoszillators, wobei der Ringoszillator a) mehrere zu einem Inverterring in Reihe verschaltete erste Inverterschaltungen (1.1, 1.2, 1.3, 1.4); und b) mehrere zusätzliche Inverterschaltungen (2.1, 2.2, 2.3, 2.4) zur Vorwärtskopplung und zur Sicherstellung einer stabilen Oszillation des Ringoszillators aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass eine Frequenz eines Ausgangssignals des Ringoszillators durch Variation des gesamten durch den Ringoszillator fließenden Stroms gesteuert wird.Method for operating a multi-stage ring oscillator implemented in semiconductor technology, the ring oscillator a) having a plurality of first inverter circuits () connected in series to form an inverter ring ( 1.1 . 1.2 . 1.3 . 1.4 ); and b) several additional inverter circuits ( 2.1 . 2.2 . 2.3 . 2.4 ) for feedforward coupling and to ensure a stable oscillation of the ring oscillator, characterized in that a frequency of an output signal of the ring oscillator is controlled by varying the total current flowing through the ring oscillator. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass eine über die Zeit gemittelte Ausgangsspannung (U_HF,avg; des Ringoszillators auf einen vorgebbaren Wert geregelt wird.A method according to claim 8, characterized in that one over the time-averaged output voltage (U_HF, avg; of the ring oscillator is regulated to a predeterminable value. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass a) die gemittelte Ausgangsspannung (U_HF,avg) des Ringoszillators ermittelt wird, indem mindestens eine an Ausgängen (HF0, HF90, HF18C, HF270) des Ringoszillators anliegende Ausgangsspannung über die Zeit gemittelt wird; b) die gemittelte Ausgangsspannung (U_HF,avg) mit dem vorgebbaren Wert verglichen wird; und c) bei einer Abweichung der gemittelten Ausgangsspannung (U_HF,avg) von dem vorgebbaren Wert mindestens ein Stellglied (3, 4) des Ringoszillators derart angesteuert wird, dass sich die gemittelte Ausgangsspannung (U_HF,avg) dem vorgebbaren Wert annähert.Method according to Claim 9, characterized in that a) the averaged output voltage (U_HF, avg) of the ring oscillator is determined by averaging over time at least one output voltage present at outputs (HF0, HF90, HF18C, HF270) of the ring oscillator; b) the average output voltage (U_HF, avg) is compared with the predeterminable value; and c) in the event of a deviation of the averaged output voltage (U_HF, avg) from the predeterminable value, at least one actuator ( 3 . 4 ) of the ring oscillator is controlled such that the averaged output voltage (U_HF, avg) approximates the predeterminable value. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass an den Ausgängen (HF0, HF90, HF180, HF270) des Ringoszillators anliegende Ausgangsspannungen gewichtet summiert und über die Zeit gemittelt werden.A method according to claim 10, characterized in that at the exits (HF0, HF90, HF180, HF270) of the ring oscillator applied output voltages weighted summed up and over the time to be averaged. Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass die gemittelte Ausgangsspannung (U_HF,avg) auf die Hälfte einer an dem Ringoszillator anliegenden Versorgungsspannung (U_DD/2) geregelt wird.Method according to one of claims 8 to 11, characterized in that that the averaged output voltage (U_HF, avg) to half one supply voltage applied to the ring oscillator (U_DD / 2) becomes. Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass die gemittelte Ausgangsspannung (U_HF,avg) auf eine Schaltpunktspannung einer Inverterschaltung (1.1, 1.2, 1.3, 1.4, 2.1, 2.2, 2.3, 2.4, 12b) geregelt wird.Method according to one of claims 8 to 11, characterized in that the averaged output voltage (U_HF, avg) to a switching point voltage of an inverter circuit ( 1.1 . 1.2 . 1.3 . 1.4 . 2.1 . 2.2 . 2.3 . 2.4 . 12b ) is regulated. Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass zur Ermittlung der gemittelten Ausgangsspannung (U_HF,avg) Widerstands-Kapazitäts-Glieder eingesetzt werden.Method according to one of claims 8 to 13, characterized in that that to determine the average output voltage (U_HF, avg) Resistance-capacitance elements used become. Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass zum Vergleich der gemittelten Ausgangsspannung (U_HF,avg) mit dem vorgebbaren Wert ein Differenzverstärker (8, 9, 10, 11, 12) eingesetzt wird.Method according to one of claims 8 to 14, characterized in that for the comparison of the averaged output voltage (U_HF, avg) with the predeterminable value, a differential amplifier ( 8th . 9 . 10 . 11 . 12 ) is used.
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"A low-phase-noise CMOS ring ocillator with diff- erential control and quadrature outputs", Liang Dai Harjani, R., 14th Annual IEEE International ASIC/SOC Conference 2001, S.134 bis 138 *
"A low-phase-noise CMOS ring ocillator with diff- erential control and quadrature outputs", Liang Dai Harjani, R., 14th Annual IEEE International ASIC/SOC Conference 2001, S.134 bis 138; 12. bis 15. September 2001, Arlington, VA USA, ISBN 0-7803 -6741-3
12. bis 15. September 2001, Arlington, VA USA, ISBN 0-7803-6741-3 *

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