DE19844306C2

DE19844306C2 - Ringoszillator

Info

Publication number: DE19844306C2
Application number: DE19844306A
Authority: DE
Inventors: Frank Herzel
Original assignee: IHP GmbH
Current assignee: IHP GmbH
Priority date: 1998-09-17
Filing date: 1998-09-17
Publication date: 2002-11-21
Anticipated expiration: 2018-09-18
Also published as: US6271732B1; GB2341740A; DE19844306A1; GB9921429D0

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen Ringoszillator nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Zur Reduzierung des Jitters eines Ringoszillators wird in der WO 96/38913 und der US 5,559,476 die Verwendung von stromgesteuerten Verzögerungselementen vorgeschlagen, um den Einfluß des Versorgungsspannungsrauschens auf die Stabilität der Frequenz zu isolieren. Nachteilig ist, daß derartige Verzögerungselemente für jede Stufe des Ringoszillators eingesetzt werden müssen. Ferner ist eine Kontrollspannung erforderlich, deren Rauschen Jitter erzeugt.

Die US 5,418,498 beinhaltet einen Ringoszillator mit geringem Jitter. Dies wird durch die Verwendung von Gattern und Bauelementen mit Zeitverzögerungen hervorragender Stabilität erreicht. Die Komplexität der Schaltung ist jedoch relativ hoch.

Die EP 0 805 553 A1 beschreibt einen Oszillator mit geringem Jitter, basierend auf negativer Frequenzrückkopplung. Nachteilig hierbei ist, daß für die Rückkopplung ein zweiter Ringoszillator benötigt wird, was die Komplexität der Schaltung deutlich erhöht.

In "Oscillator Jitter Due to Supply and Substrate Noise. IEEE 1998 Custom Integrated Circuits Conference, pp 489-492" wird eine Designoptimierung für MOS-Ringoszillatoren durchgeführt, der Jitter wird jedoch nur teilweise reduziert.

Aufgabe der Erfindung ist es, einen einfachen Ringoszillator vorzuschlagen, dessen Frequenz unempfindlich gegenüber Schwankungen der Versorgungsspannung und der Substratspannung ist. Somit soll der Jitter infolge Rauschen der Versorgungs- und/oder Substratspannung stark reduziert werden. Damit lassen sich frequenzstabile phase-locked loops (PLLs) realisieren, die z. B. zur Takterzeugung und Taktrückgewinnung in digitalen Hochgeschwindigkeitsschaltungen benötigt werden. Beispielanwendungen sind Mikroprozessoren und Speicher.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß ein Ringoszillator anstatt wie bisher üblich von einer Versorgungsspannung von zwei Versorgungsspannungen betrieben wird, die negativ miteinander korreliert sind. Dabei wird von der globalen Versorgungsspannung V_DD eine Hilfsversorgungsspannung V_DD2 mittels eines invertierenden Verstärkers erzeugt, so daß sich V_DD2 verringert, wenn sich V_DD erhöht und umgekehrt. Es werden nun m Stufen eines n-stufigen Ringoszillators von V_DD2 betrieben und die anderen Stufen von V_DD. Die Gesamtempfindlichkeit K = df/dV_DD wird durch geeignete Dimensionierung des invertierenden Verstärkers auf Null gebracht, da die Empfindlichkeitsbeiträge der einzelnen Stufen sich kompensieren. Damit lassen sich der mittlere Periodenfehler (cycle jitter) und der sogenannte cycle-to-cycle jitter stark reduzieren, da diese Größen etwa proportional zu K sind. Für differentielle CMOS-Ringoszillatoren ist das Rauschen von Versorgungs- und Substratspannung äquivalent, da die entsprechenden Empfindlichkeiten den gleichen Betrag haben wie in "Oscillator Jitter Due to Supply and Substrate Noise. IEEE 1998 Custom Integrated Circuits Conference, pp 489-492" erläutert. Deshalb ist der erfindungsgemäße Gedanke auch geeignet, um den Jitter, der durch Substratspannungsrauschen erzeugt wird, zu minimieren.

Die Merkmale der Erfindung gehen außer aus den Ansprüchen auch aus der Beschreibung und den Zeichnungen hervor, wobei die einzelnen Merkmale jeweils für sich allein oder zu mehreren in Form von Unterkombinationen schutzfähige Ausführungen darstellen, für die hier Schutz beansprucht wird. Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in den Zeichnungen dargestellt und wird im folgenden näher erläutert.

Die Zeichnungen zeigen:

Fig. 1 Vierstufiger differentieller Ringoszillator,

Fig. 2 Implementierung einer einzelnen Stufe des Ringoszillators und

Fig. 3 Funktionsdarstellung der statischen Empfindlichkeit in Abhängigkeit des Lastwiderstandes des invertierenden Verstärkers.

Fig. 1 zeigt den Aufbau eines Ringoszillators, bestehend aus vier identisch aufgebauten Stufen. Der Ausgang einer Stufe ist mit dem Eingang der nächsten Stufe verbunden, der Ausgang der letzten Stufe ist mit dem Eingang der ersten Stufe invertierend verbunden. Aus der Versorgungsspannung V_DD wird mittels invertierendem Verstärker eine zweite Versorgungsspannung V_DD2 gewonnen. Der invertierende Verstärker besteht aus einem MOS- Transistor und den Widerständen R₁ und R₂ in Verbindung mit dem Lastwiderstand R₃. Die erste und dritte Stufe werden über die Versorgungsspannung V_DD angeschlossen, während die zweite und vierte Stufe mit der Versorgungsspannung V_DD2 betrieben werden.

Der Aufbau einer dieser Stufen ist in Fig. 2 dargestellt. In diesem Ausführungsbeispiel besteht eine Stufe aus zwei MOS-Transistoren M₁ und M₂ sowie zwei gleich großen Widerständen R_L an den Drains der MOS-Transistoren M₁ und M₂ sowie einer Stromquelle I_SS. Des weiteren sind in Fig. 2 die Anschlüsse für den Eingang V_in und den Ausgang V_out der Stufe dargestellt. Fig. 3 zeigt ein Diagramm, in dem die statische Empfindlichkeit K₀ in Abhängigkeit vom Lastwiderstand R₃ dargestellt ist.

In der vorliegenden Erfindung wurde anhand eines konkreten Ausführungsbeispiels ein Ringoszillator erläutert. Es sei aber vermerkt, daß die vorliegende Erfindung nicht auf die Einzelheiten der Beschreibung im Ausführungsbeispiel eingeschränkt ist, da im Rahmen der Patentansprüche Änderungen und Abwandlungen beansprucht werden.

Claims

1. Ringoszillator, dessen Frequenz unempfindlich gegenüber Schwankungen der Versorgungs- und/oder Substratspannung ist und der damit einen verringerten Jitter infolge Rauschen dieser Spannungen aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß der Ringoszillator mit zwei Versorgungsspannungen V_DD und V_DD2 betrieben wird, die negativ miteinander korreliert sind, wobei m < n Stufen eines n-stufigen Ringoszillators von V_DD2 und die anderen Stufen von V_DD betrieben werden.

2. Ringoszillator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite Versorgungsspannung V_DD2 mittels invertierendem Verstärker aus der globalen Versorgungsspannung V_DD gewonnen wird.

3. Ringoszillator nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Gesamtempfindlichkeit K = df/dV_DD durch geeignete Dimensionierung des invertierenden Verstärkers auf Null gebracht wird.

4. Ringoszillator nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß abwechselnd jede zweite Stufe des Ringoszillators von V_DD2 und die anderen Stufen von V_DD betrieben werden.