DE19728248A1 - Spannungsgesteuerter Oszillator - Google Patents

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG 1. Bereich der Erfindung

Die vorliegende Erfindung betrifft einen spannungsge­ steuerten Oszillator (VCO) und besonders einen verbesserten spannungsgesteuerten Oszillator, der in der Lage ist, hin­ sichtlich eines bei niedriger Spannung betriebenen Halblei­ terchips Hochfrequenz zu erzeugen.

2. Beschreibung des Stands der Technik

Ein herkömmlicher VCO, wie in Fig. 1 gezeigt, enthält:
einen PMOS-Transistor (10), dessen Source mit einer Versor­ gungsspannung VDD verbunden ist, und dessen Gate mit einer Eingangsspannung Vin verbunden ist; einen Ringoszillator (11) mit einer Vielzahl von CMOS-Invertern, die zwischen dem Drain des PMOS-Transistors (10) und einer Massespannung Vss zueinander parallelgeschaltet sind; und einen Inverter (12) zum Invertieren der Ausgangswerts aus dem Ringoszillator (11).

Die Vielzahl von CMOS-Invertern im Ringoszillator (11) enthält jeweils einen PMOS-Transistor und einen NMOS-Transi­ stor, die zwischen dem PMOS-Transistor (10) und der Masse Vss zueinander in Reihe geschaltet sind, wobei der Ausgang des letzten Inverters zurück in einen Eingang des ersten von diesen geführt wird.

Die Arbeitsweise des so aufgebauten herkömmlichen VCO wird nun mit Bezug auf die beigefügten Zeichnungen beschrie­ ben.

Geht die Eingangsspannung Vin von 0 V auf 5 V über, wird der PMOS-Transistor (10) abgeschaltet, und blockiert so, daß die Versorgungsspannung VDD an den Ringoszillator (11) angelegt wird, was zu einer Änderung des Ersatzwider­ stands der Vielzahl von Invertern im Ringoszillator (11) und einer Freilauffrequenz der Inverter führt, wodurch eine auf die Eingangsspannung Vin ansprechende Frequenz erhalten werden kann.

Die PMOS-Transistoren, die im herkömmlichen VCO die Inverter bilden, sind jedoch mit dem Drain des PMOS-Transi­ stors (10) in Reihe geschaltet, so daß es, verursacht durch einen Wert der Schwellenspannung Vt, unmöglich ist, diesen bei einer Spannung von weniger als 3 V zu betreiben.

Da der PMOS-Transistor (10) ferner die eingespeiste Spannung anfänglich verringert, wird bei einer Chipspannung hinsichtlich der eine Ringstruktur bildenden Inverter keine Hochfrequenz erhalten.

ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG

Es ist deshalb ein Ziel der vorliegenden Erfindung, einen spannungsgesteuerten Oszillator (VCO) zum Erfüllen einer Oszillatorfunktion bei einer niedrigsten Spannung während eines Niederspannungsbetriebs eines Halbleiterchips bereitzustellen.

Um das oben beschriebene Ziel zu erreichen, wird ein spannungsgesteuerter Oszillator (VCO) bereitgestellt, der enthält: einen Ringoszillator, der durch eine Eingangsspan­ nung gesteuert wird und eine Ringstruktur aufweist, wobei ein Ausgangswert eines ersten CMOS-Umkehrverstärkers an einen nächsten CMOS-Umkehrverstärker angelegt wird, und einen Inverter zum Invertieren eines Ausgangswerts des Ring­ oszillators.

KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN

Fig. 1 ist ein schematisches Schaltbild eines herkömm­ lichen spannungsgesteuerten Oszillators;

Fig. 2 ist ein schematisches Schaltbild eines span­ nungsgesteuerten Oszillators gemäß der vorliegenden Erfin­ dung;

Fig. 3 ist ein schematisches Schaltbild eines CMOS-Umkehrverstärkers in der Schaltung von Fig. 2;

Fig. 4 ist eine Grafik, die Übertragungseigenschaften des CMOS-Umkehrverstärkers in der Schaltung von Fig. 3 zeigt; und

Fig. 5 ist eine Grafik, die eine Ausgangsfrequenz hinsichtlich einer Eingangsspannung des VCO gemäß der vor­ liegenden Erfindung zeigt.

AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG

Wie in Fig. 2 gezeigt, enthält ein spannungsgesteuerter Oszillator (VCO) einen Ringoszillator (20), der eine Ring­ struktur bildet, mit einer Vielzahl von CMOS-Invertern, in der ein Ausgangswert eines ersten Inverters an einen Eingang eines zweiten CMOS-Inverters angelegt wird, und so weiter, und in der ein Ausgangswert des letzten CMOS-Inverters so­ wohl zurück zum Eingang des ersten CMOS-Inverters geführt als auch als der Ausgangswert des Ringoszillators (20) aus­ gegeben wird, und einen Inverter (21) zum Invertieren des Ausgangswerts des Ringoszillators (20). Die Vielzahl von Invertern des Ringoszillators (20) besteht jeweils aus einem CMOS-Umkehrverstärker, von denen jeder identisch aufgebaut ist.

Ein erster von den CMOS-Invertern enthält einen PMOS-Transistor (PM11), der mit einem NMOS-Transistor (NM11) zwi­ schen einer Versorgungsspannung VDD und einer Massespannung Vss in Reihe geschaltet ist, wobei die Gates der Transisto­ ren (PM11) und (NM11) zueinander parallelgeschaltet sind, und einen NMOS-Transistor (NM21), dessen Gate mit einem Eingangsanschluß Vin verbunden ist, dessen Source mit den jeweiligen Gates des PMOS-Transistors (PM11) und des NMOS-Transistors (NM11) verbunden ist, und dessen Drain mit einem Ausgangsanschluß verbunden ist. Der Transistor (NM21) kann durch einen PMOS-Transistor ersetzt werden.

Die Arbeitsweise des so aufgebauten spannungsgesteuer­ ten Oszillators gemäß der vorliegenden Erfindung wird nun beschrieben.

Zunächst hat, wie oben beschrieben, die Vielzahl von 2n+1 (n=1, . . ., n) Invertern des Ringoszillators (20) je­ weils einen CMOS-Umkehrverstärker als grundlegende Einheit.

Deshalb kann die Vielzahl von Invertern jeweils als die in Fig. 3 gezeigte CMOS-Umkehrverstärker-Ersatzschaltung dargestellt werden, und eine Kurve der Übertragungseigen­ schaften hinsichtlich des CMOS-Umkehrverstärkers kann wie in Fig. 4 gezeigt dargestellt werden. Die Steigung der Kurve der Übertragungseigenschaften (a) zeigt eine hohe Verstär­ kung und die Kurve (b) zeigt eine niedrige Verstärkung, wo­ bei jede Steigung durch den Wert des Widerstands R in Fig. 3 bestimmt wird. Das bedeutet, eine Zunahme von R führt zu einer erhöhten Verstärkung, und wenn eine Abnahme von R Eingang und Ausgang kurzschließt, wird die Verstärkung "1" (Eins).

Folglich verändert die vorliegende Erfindung R entspre­ chend der Eingangsspannung Vin, um so die Verstärkung des CMOS-Umkehrverstärkers zu ändern, was zur Änderung der Frei­ lauffrequenz führt.

Ein Anstieg der an die NMOS-Transistoren (NM21, . . ., NM2n) angelegten Eingangsspannung Vin vermindert nämlich R, und wenn die NMOS-Transistoren (NM21, . . ., NM2n) angeschal­ tet werden, wird R weiter auf "1" vermindert, wodurch die Ausgangsfrequenz minimiert wird.

Wie in Fig. 5, die eine Änderung der Ausgangsfrequenz entsprechend der Änderung der von 0 V bis 3 V reichenden Eingangsspannung Vin darstellt, gezeigt, wird auch durch den Betrieb des VCO bei niedriger, von 0 V bis 3 V reichender Spannung eine Hochfrequenzausgabe erzeugt.

Wie oben beschrieben ändert der VCO gemäß der vorlie­ genden Erfindung die Verstärkung der CMOS-Umkehrverstärker hinsichtlich der Eingangsspannung Vin und folglich deren Freilauffrequenz, so daß sowohl eine Hochfrequenzschwingung erzeugt werden kann als auch der Betrieb des VCO bei niedri­ ger, von 0 V bis 3 V reichender Spannung ermöglicht wird.

Die vorliegende Erfindung erfüllt ferner eine Oszilla­ torfunktion bei minimaler Versorgungsspannung und ist somit auf alle Schaltungen, die einen Phasenregelkreis (PLL) ein­ setzen, anwendbar.

Claims (4)

1. Spannungsgesteuerter Oszillator (VCO) der umfaßt:
einen Ringoszillator (20), der durch eine Eingangsspan­ nung gesteuert wird und eine Ringstruktur aufweist, und der aus einer Vielzahl von CMOS-Umkehrverstärkern besteht, worin ein Ausgangswert eines ersten CMOS-Umkehrverstärkers an einen Eingang eines nächsten CMOS-Umkehrverstärkers angelegt wird; und
einen Inverter (21) zum Invertieren eines Ausgangswerts des Ringoszillators (20).

2. Oszillator nach Anspruch 1, bei dem jeder CMOS-Umkehrverstärker umfaßt:
einen PMOS-Transistor und einen ersten NMOS-Transistor, die zwischen eine Versorgungsspannung und eine Massespannung in Reihe geschaltet sind, wobei jeweilige Gates jedes von diesen parallelgeschaltet sind; und
einen zweiten NMOS-Transistor, dessen Gate mit einem Eingangsanschluß des Ringoszillators (20) verbunden ist, dessen Source mit den jeweiligen Gates des PMOS-Transistors und des ersten NMOS-Transistors verbunden ist, und dessen Drain mit einem Ausgangsanschluß des Ringoszillators (20) verbunden ist.

3. VCO nach Anspruch 1, bei dem der Ringoszillator (20) 2n+1 (n=1, . . ., n) CMOS-Umkehrverstärker umfaßt.

4. VCO nach Anspruch 2, bei dem der zweite NMOS-Transistor durch einen zweiten PMOS-Transistor ersetzt ist.