DE19852428C1

DE19852428C1 - Schaltung zur Erzeugung von digitalen periodischen Signalen

Info

Publication number: DE19852428C1
Application number: DE19852428A
Authority: DE
Inventors: Patrick Heyne; Thoralf Graetz; Dieter Haerle
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1998-11-13
Filing date: 1998-11-13
Publication date: 2000-05-25
Anticipated expiration: 2018-11-14

Abstract

Eine Schaltung zur Erzeugung von digitalen periodischen Signalen mit präzisen Pulslängen und zueinander präzisen Phasenlagen enthält einen Ringoszillator (RO) mit mehreren Inverterstufen (I1; Ii) und eine logische Verarbeitungseinrichtung (VE). An einzelnen Inverterstufen (I1; Ii) des Ringoszillators (RO) werden ausgewählte Signale abgegriffen und der logischen Verarbeitungseinrichtung (VE) zugeführt, so daß an den Ausgängen (A1; Ak) der logischen Verarbeitungseinrichtung (VE) periodische Signale mit vorbestimmten Pulslängen und Phasenlagen erzeugt werden.

Description

Die Erfindung betrifft eine Schaltung zur Erzeugung von digi talen periodischen Signalen mit einem Ringoszillator, bei der durch Abgriff ausgewählter Signale über eine logische Verar beitungseinrichtung digitale periodische Signale mit bestimm ten Pulslängen und Phasenlagen erzeugt werden.

Bei vielen Anwendungen in integrierten Halbleiterschaltungen besteht ein Bedarf an digitalen Signalgeneratoren, die ver schiedene periodische Signale mit präzisen Pulslängen und zu einander präzisen Phasenlagen erzeugen. Eine solche Anwendung ist z. B. die Taktgenerierung mehrerer Taktsignale bei inte grierten Logikbausteinen. Eine weitere Anwendung ist eine als Spannungsmultiplizierschaltung oder Ladungspumpe bekannt ge wordene Schaltung. Eine sogenannte Ladungspumpe dient dazu, Spannungen mit einem größeren Betrag als von der Hauptspan nungsversorgung verfügbar zu erzeugen. Eine derartige Schal tung ist beispielsweise in der nicht veröffentlichten DE 197 52 985.2 beschrieben. Dort wird eine Ladungspumpenschaltung mit nach Pulsdauer und Phasenlage unterschiedlichen periodi schen Signalen angesteuert. Die beschriebenen Ladungsvorgänge der Ladungspumpenschaltung laufen in einer definierten Rei henfolge ab. Dabei kommt es insbesondere darauf an, daß die ansteuernden periodischen Signale eine präzise Pulsdauer und eine zueinander präzise Phasenlage haben. Beispielsweise dür fen zwischen den Aktivzuständen bestimmter Signale keine zeitlichen Überlappungen auftreten.

Ein Signalgenerator für solche Anforderungen wurde bisher mit Hilfe eines Ringoszillators, der als Taktgeber eine Signal frequenz vorgibt, und einer nachgeschalteten Kette von Inver terstufen realisiert. An ausgewählten Inverterstufen werden periodische Signale abgegriffen und mit logischen Operationen so weiterverarbeitet, daß die jeweilige erforderliche Puls länge und Phasenlage des Signals entsteht. Jede Inverterstufe weist bei der Signalübertragung eine gewisse Verzögerungszeit auf, um die verzögert der jeweils nächste Inverter angesteu ert wird. Da die Verzögerungszeiten im allgemeinen nur be grenzt genau zu bestimmen sind, wird die Periodendauer des vom Ringoszillator erzeugten Taktsignals für die Signalgene rierung nicht vollständig genutzt. Es wird so sichergestellt, daß die letzte Inverterstufe der Inverterkette geschaltet hat bevor die nächste Periode des Taktsignals den wiederholten Schaltablauf an der ersten Inverterstufe einleitet. Zwischen Signalen, die z. B. aus der ersten bzw. der letzten Inverter stufe abgeleitet werden, kann es ansonsten zu zeitlichen Überlappungen kommen. Neben daraus resultierenden Ungenauig keiten in der Signalabfolge entsteht in dem Zusammenhang ein gewisser Performanceverlust. Die Frequenz des Ringoszillators ist zudem nach oben hin begrenzt, da die gesamte Verzöge rungszeit der Inverterkette, zusammengesetzt aus den Verzöge rungszeiten der einzelnen Inverterstufen, nicht veränderbar ist.

Aus den Schriften DE 41 11 350 C1, US 5,841,307, US 5,233,316, US 5,847,590, EP 0 225 960 B1, US 5,861,780 sind jeweils Schaltungen zur Erzeugung von digitalen periodi schen Signalen zu entnehmen, die jeweils einen aus Invertern aufgebauten Ringoszillator sowie eine aus logischen Schalte lementen aufgebaute Funktionseinheit aufweisen. Die Ausgänge der einzelnen Inverter des jeweiligen Ringoszillators werden dabei der jeweiligen Funktionseinheit zugeführt. Die zu er zeugenden digitalen Signale sind an den Ausgängen der jewei ligen Funktionseinheit zu entnehmen.

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Schal tungsanordnung zur Erzeugung von digitalen periodischen Si gnalen anzugeben, die Signale mit präzisen Pulslängen und zu einander präzisen Phasenlagen erzeugt.

Die Aufgabe wird gelöst durch eine Schaltung zur Erzeugung von digitalen periodischen Signalen nach den Merkmalen des Patentanspruchs 1. Danach werden einzelne Inverterstufen ei nes Ringoszillators und Eingänge einer logischen Verarbei tungseinrichtung miteinander verschaltet, so daß an den Aus gängen der logischen Verarbeitungseinrichtung periodische Si gnale mit präzisen Pulslängen und zueinander präzisen Phasen lagen erzeugt werden.

Vorteilhafte Aus- und Weiterbildungen sind in Unteransprüchen gekennzeichnet.

Die Erfindung ist nachfolgend anhand der in der Zeichnung dargestellten Figuren näher beschrieben. In der Zeichnung zeigt

Fig. 1: ein Prinzipschaltbild einer Schaltungsanordnung mit einer Ladungspumpe und einer steuernden Schaltein richtung,

Fig. 2: ein schematisches Zeitablaufdiagramm ausgewählter Signale der Ladungspumpenschaltung,

Fig. 3: eine beispielhafte Schaltung zur Erzeugung zweier digitaler periodischer Signale mit einem Ringos zillator und einer nachgeschalteten Inverterkette,

Fig. 4: ein schematisches Zeitablaufdiagramm der perio dischen Signale nach Fig. 3,

Fig. 5: eine beispielhafte erfindungsgemäße Schaltung zur Erzeugung zweier digitaler periodischer Signale,

Fig. 6: ein schematisches Zeitablaufdiagramm der perio dischen Signale nach Fig. 5,

Fig. 7: ein Prinzipschaltbild der erfindungsgemäßen Schal tung mit zusätzlicher Entkopplung des Ringoszil lators von der logischen Verarbeitungseinrichtung durch Inverterstufen und 'Dummylasten' an unbela steten Schaltungsknoten,

Fig. 8: eine beispielhafte Realisierung eines spannungs kontrollierten Ringoszillators.

In Fig. 1 ist ein Ausführungsbeispiel einer Ladungspumpen schaltung 1 dargestellt zur Erzeugung einer dem Betrag nach gegenüber den internen Versorgungsspannungen größeren Pump spannung Vpp, die am Ausgang A abgegriffen wird. Die Ladungs pumpenschaltung 1 weist eine Ladungspumpe mit einer Ladekapa zität 2 und eine der Ladungspumpe zugeordnete und diese steu ernde Schalteinrichtung mit einer durch ein Taktsignal C an gesteuerten Logik- und Zeitablaufsteuerschaltung 3, zwei in Serie verbundene Feldeffekttransistoren T1 und T2 sowie In verter 4, 5, 6 auf. Die Funktionsweise der Schaltung soll an dieser Stelle nicht genauer beschrieben werden, sie ist in der DE 197 52 985.2 dargestellt.

Anhand des Zeitablaufdiagramms ausgewählter Signale N1, N2, N3 nach Fig. 2 wird deutlich, daß die einzelnen Ladungsvor gänge der Ladungspumpenschaltung 1 in einer definierten Rei henfolge ablaufen. Dabei ist für die korrekte Funktionsweise der Schaltung von ausschlaggebender Bedeutung, daß die die Inverter 4, 5, 6 ansteuernden Signale der Zeitablaufsteuerung 3 eine präzise Pulsdauer und zueinander präzise Phasenlage haben. Sie dürfen sich zeitlich nicht überlappen. Dies wird anhand der Ausgangssignale N1, N2, N3 der Inverter 4, 5, 6 gezeigt.

Eine beispielhafte Schaltung für die prinzipiellen Anforde rungen einer solchen Zeitablaufsteuerung ist in Fig. 3 dar gestellt. Sie erzeugt zwei digitale periodische Signale a und b, die sich in ihrer Phasenlage zueinander unterscheiden. Der Ausgang A eines Ringoszillators RO, der aus einer ungeraden Anzahl von Inverterstufen mit Verzögerungsgliedern besteht, ist an eine Kette von in Serie zueinander geschalteten Inver terstufen I1 bis Ii geschaltet. Jede Inverterstufe I1 bis Ii weist bei der Signalübertragung eine gewisse Verzögerungszeit τ auf, um die verzögert der jeweils nächste Inverter ange steuert wird. Aus dieser Inverterkette werden an einzelnen Inverterstufen Signale abgegriffen und mit logischen Schal tungen zu den Signalen a und b verarbeitet.

Fig. 4 stellt in einem schematischen Zeitablaufdiagramm den Signalverlauf der Signale a und b nach Fig. 3 dar. Der Aus gangszustand der Schaltungsknoten 1 und 2 sind die Zustände "log. 0" bzw. "log. 1". Bei einem Zustandswechsel des Aus gangssignals clk des Ringoszillators RO von "log. 0" auf "log. 1" am Ausgang A ändert sich zuerst am Schaltungsknoten 1 der Zustand auf "log. 1", so daß das Signal a den Zustand "log. 1" annimmt, solange der Schaltungsknoten 2 im Zustand "log. 1" bleibt. Nach der Zeit t1 (entspricht hier der Summe der Verzögerungszeiten τ jeder Inverterstufe I1 bis I3) än dert sich der Zustand am Schaltungsknoten 2 zu "log. 0", so daß das Signal a den Zustand "log. 0" einnimmt. Die Erzeugung des Signals b erfolgt analog dem Signal a ausgelöst durch den Übergang des Signals clk vom Zustand "log. 1" nach "log. 0".

Die Bestimmung der Verzögerungszeiten τ jeder Inverterstufe I1 bis Ii unterliegt gewissen Fertigungstoleranzen, so daß diese nur begrenzt genau zu ermitteln sind. Um sicherzustel len, daß das nächste aktive Signal a nicht vor dem Ende des letzten aktiven Signals b eintritt, muß ein gewisser zeitli cher Sicherheitsabstand t_sicher vom Schaltvorgang der Inverter stufe I7 zum nächsten Zustandswechsel des Signals clk einge halten werden. Neben einer solchen Ungenauigkeit in der Signalabfolge entsteht ein gewisser Performanceverlust, da die Periodendauer des Signals clk für die Generierung der Si gnale a und b nicht vollständig genutzt wird. Eine zeitliche Überlappung der Signale a und b ist bei unveränderter Verzö gerungszeit τ jeder Inverterstufe nicht mehr zu vermeiden, wenn sich die Frequenz des Signal clk nach oben hin so stark ändert, daß sich die nächste Periode des Signals clk und das aktive Signal b der letzten Periode überlappen. Dies ist in Fig. 4 anhand der Signale clk*, a*, b* dargestellt.

In Fig. 5 ist eine beispielhafte erfindungsgemäße Schaltung zur Erzeugung der Signale a und b ähnlich den Verläufen aus Fig. 4 dargestellt. Die einzelnen Signale, die zu den Signa len a und b weiterverarbeitet werden, werden hier an den In verterstufen I1 bis I7 des Ringoszillators RO selbst abge griffen. Das Signal clk entspricht hierbei dem Zustand des Signaleingangs der ersten Inverterstufe I1 gleich dem Zustand des Ausgangs A des Ringoszillators RO.

Fig. 6 verdeutlicht, daß im Gegensatz zur Schaltung aus Fig. 3 hier das Signal clk keinen Zustandswechsel einnehmen kann bevor die letzte Inverterstufe I7 geschaltet hat. Eine Überlappung der Signale a und b ist nicht möglich. Die zeit liche Lage der Signale a und b zueinander ist präzise zu be stimmen. Die Periodendauer des Taktsignals clk wird vollstän dig ausgenutzt, so daß Vorgängen einer nachgeschalteten An wendung, die von den Signalen a und b gesteuert werden, eine maximal verfügbare Zeit pro Taktperiode zur Verfügung steht. Wie anhand der Signale a* und b* dargestellt, ist dies auch bei höheren Frequenzen des Signals clk (clk*) gewährleistet. Eine Erhöhung der Frequenz des Signals clk am Ausgang A geht mit der Verkürzung der Verzögerungszeiten τ der Inverterstu fen I1 bis I7 einher, so daß sich neben einer verkürzten Pe riodendauer des Signals clk* auch im gleichen Verhältnis ver kürzte Pulsdauern t1' und t2' der Signale a* und b* ergeben. Die relative Phasenlage der Signale clk*, a*, b* bleibt be stimmungsgemäß unverändert. Es ergibt sich ein weiterer Vor teil gegenüber der Schaltung aus Fig. 3, da die Signale a und b in ihrer Frequenz verändert werden können.

In Fig. 7 ist eine verallgemeinerte Schaltung analog der Schaltung aus Fig. 5 dargestellt. Bei den verwendeten Indi zes i, j, k, n handelt es sich um natürliche Zahlen. Die Schaltung weist einen Ringoszillator RO auf, der aus einer ungeraden Anzahl von in Serie zueinander geschalteten Inver terstufen I1 bis Ii besteht, die an Schaltungsknoten S1 bis Si miteinander verbunden sind. Die Erzeugung der beispielhaf ten Ausgangssignale a und b nach Fig. 5 mittels logischer Schaltungselemente wird hier in der logischen Verarbeitungs einrichtung VE vorgenommen, die mehrere Eingangssignale E1 bis Ej und ein oder mehrere Ausgangssignale A1 bis Ak auf weist. Die logische Verarbeitungseinrichtung VE besteht aus einem oder mehreren logischen Schaltungselementen, deren Aus gangssignale durch logische Verknüpfung von deren Eingangs signalen entstehen. Die Eingänge der logischen Schaltungsele mente sind mit den Eingangssignalen E1 bis Ej und deren Aus gänge mit den Ausgangssignalen A1 bis Ak der logischen Verar beitungseinrichtung VE verbunden. Die Eingangssignale E1 bis Ej der logischen Verarbeitungseinrichtung VE werden an ein zelnen Schaltungsknoten S1 bis Si der Inverterstufen I1 bis Ii des Ringoszillators RO abgegriffen.

Damit Ungenauigkeiten aus Fertigungstoleranzen genauer einge grenzt werden können und äußere Störeinflüsse möglichst wenig Einfluß auf den Ringoszillator RO und dessen Inverterstufen I1 bis Ii nehmen können, ist es vorteilhaft, die logische Verarbeitungseinrichtung VE vom Ringoszillator RO weitgehend zu entkoppeln. Ein oder mehrere Schaltungsknoten S1 bis Si des Ringoszillators RO werden demzufolge über jeweils eine Inverterstufe H1 bis Hj mit einem oder mehreren Eingangs signalen E1 bis Ej der Verarbeitungseinrichtung VE verbunden.

Um alle Schaltungsknoten S1 bis Si des Ringoszillators RO gleichmäßig zu belasten, werden die Schaltungsknoten S1 bis Si, die nicht mit der logischen Verarbeitungseinrichtung VE verbunden sind, mit jeweils einem Element mit kapazitivem Verhalten verbunden. Damit ist das Lastverhalten an allen Schaltungsknoten S1 bis Si des Ringoszillators RO nahezu gleich, wodurch bei der Signalübertragung etwaige Laufzeitun terschiede zwischen den Inverterstufen I1 bis Ii angeglichen werden. Wie in Fig. 7 gezeigt, werden an den Schaltungskno ten S1 bis Si des Ringoszillators RO, die nicht mit der logi schen Verarbeitungseinrichtung VE verbunden sind, sogenannte "Dummy-Treiber" in Form von Inverterstufen K1 bis Kn ange schlossen. Diese werden ausgangsseitig nicht beschaltet. An stelle der Inverterstufen K1 bis Kn können mit ähnlicher Wir kung auch Kapazitäten C1 bis Cn angeschlossen werden, wie in Fig. 7 angedeutet. Diese werden mit dem jeweils anderen An schluß mit einem internen Versorgungspotential der integrier ten Schaltung verbunden (in Fig. 7 nicht dargestellt).

Fig. 8 zeigt eine beispielhafte Realisierung eines Ringos zillators RO mit C-MOS-Inverterstufen. Er wird in dieser Aus führungsform auch als sogenannter "Spannungsgesteuerter Os zillator" (VCO = Voltage Controlled Oscillator) bezeichnet. Durch die Steuerung der Durchlaßwiderstände der Transistoren R1 und R2 mit den Spannungspotentialen V_H und V_L wird zusam men mit der Kapazität C der jeweiligen Inverterstufe die Ver zögerungszeit τ jeder einzelnen Inverterstufe gesteuert und damit die Frequenz des Ringoszillators RO am Ausgang A.

Die beschriebene Schaltung zur Erzeugung von digitalen peri odischen Signalen nach Fig. 7 kann als Zeitablaufsteuer schaltung 3 einer Ladungspumpenschaltung 1 nach Fig. 1 ver wendet werden. Ein oder mehrere Ausgangssignale A1 bis Ak der logischen Verarbeitungseinrichtung VE sind dazu mit den Steu ersignaleingängen (Signaleingänge der Inverter 4, 5, 6) der Ladungspumpenschaltung 1 verbunden. Durch die Ansteuerung mit den Ausgangssignalen A1 bis Ak der logischen Verarbeitungs einrichtung VE, die in ihrer Frequenz, wie beschrieben, ver änderbar sind, ist die Ladungspumpenschaltung 1 in der Fre quenz der erzeugten Pumpspannung Vpp veränderbar.

Claims

1. Schaltung zur Erzeugung von digitalen periodischen Signa len mit folgenden Merkmalen:

1. die Schaltung enthält einen Ringoszillator (RO) mit mehre ren in Serie zueinander geschalteten Inverterstufen (I1; Ii), die an Schaltungsknoten (S1; Si) miteinander verbunden sind, und eine logische Verarbeitungseinrichtung (VE) mit Anschlüs sen für Eingangssignale (E1; Ej) und ein oder mehrere Aus gangssignale (A1; Ak),
2. die logische Verarbeitungseinrichtung (VE) enthält ein oder mehrere logische Schaltungselemente, deren Eingänge mit den Anschlüssen der Eingangssignale (E1; Ej) der logischen Verar beitungseinrichtung (VE) und deren Ausgänge mit den Anschlüs sen der Ausgangssignale (A1; Ak) der logischen Verarbeitungs einrichtung (VE) verbunden sind,
3. die Anschlüsse für die Eingangssignale (E1; Ej) der logi schen Verarbeitungseinrichtung (VE) sind mit Schaltungsknoten (S1; Si) des Ringoszillators (RO) verbunden,
4. ein oder mehrere Schaltungsknoten (S1; Si) des Ringoszilla tors (RO) sind über jeweils eine Inverterstufe (H1; Hj) mit Anschlüssen für die Eingangssignale (E1; Ej) der logischen Verarbeitungseinrichtung (VE) verbunden,
5. an den Schaltungsknoten (S1; Si) des Ringoszillators (RO), die nicht mit der logischen Verarbeitungseinrichtung (VE) verbunden sind, sind ausgangsseitig nicht beschaltete Inver terstufen (K1; Kn) angeschlossen.

2. Schaltung zur Erzeugung von digitalen periodischen Signa len nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß es sich bei dem Ringoszillator (RO) um einen spannungsgesteu erten Oszillator handelt.

3. Schaltung zur Erzeugung von digitalen periodischen Signa len nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß ein oder mehrere Ausgangssignale (A1; Ak) der logischen Verarbeitungseinrichtung (VE) mit Steuersignaleingängen einer Ladungspumpenschaltung verbunden sind.