DE60318060T2

DE60318060T2 - Ringoszillator mit frequenzstabilisierung

Info

Publication number: DE60318060T2
Application number: DE60318060T
Authority: DE
Inventors: Paul F. San Jose ILLEGEMS
Original assignee: NXP BV
Current assignee: NXP BV
Priority date: 2002-07-16
Filing date: 2003-07-16
Publication date: 2008-12-04
Anticipated expiration: 2023-07-17
Also published as: AU2003256562A8; JP2005533443A; EP1523806B1; CN1669221A; US20040012449A1; DE60318060D1; EP1523806A2; ATE381146T1; WO2004008639A2; TW200522502A; AU2003256562A1; WO2004008639A3

Description

AUSGANGSSITUATION DER ERFINDUNG
1. Gebiet der Erfindung
Diese Erfindung betrifft das Gebiet elektronischer Schaltungen und insbesondere einen Ringoszillator, der unter verschiedenen Prozess-, Spannungs- und Temperaturbedingungen eine stabile Frequenz bereitstellt.
2. Beschreibung des Standes der Technik
Ringoszillatoren sind üblicher Stand der Technik und umfassen eine ungerade Anzahl von Invertern, die in einer Reihen-Ring-Konfiguration geschaltet sind. 1 veranschaulicht einen beispielhaften Ringoszillator 100 mit fünf Invertern 110 in Ringschaltung. Ein Puffer 120 führt die Ausgangsgröße des Oszillators 100 einer Last (nicht gezeigt) zu und isoliert den Ringoszillator 100 von der Last. Da der Ring eine ungerade Anzahl von Invertern 110 aufweist, wechselt jeder Inverter fortwährend seinen Zustand. Die Schwingungsfrequenz des Oszillators 100 wird durch die Geschwindigkeit bestimmt, mit der die Inverter 110 ihre Zustände ändern. Diese Geschwindigkeit wird in erster Linie durch die Größe der in den Invertern 110 verwendeten Bauelemente bestimmt. Die Zustandsänderungsgeschwindigkeit hängt auch von den Parametern des zur Schaffung des Oszillators 100 verwendeten Prozesses, der Betriebstemperatur und der Speisespannung (Vdd-Vss) ab. Innerhalb einer typischen Spanne von Prozessparametern (langsam, mittlere Geschwindigkeit, schnell), Temperatur (0–120°C) und Speisespannung (1,6–2,0 V) kann die Schwingungsfrequenz um 40% von der Nennfrequenz abweichen.
Das US-Patent 5,331,295 „VOLTAGE CONTROLLED OSCILLATOR WITH EFFICIENT PROCESS COMPENSATION" (SPANNUNGSGESTEUERTER OSZILLATOR MIT EFFIZIENTER PROZESSKOMPENSATION"), ausgestellt am 19. Juli 1994 an Jelinek u. a., lehrt einen stromgesteuerten Ringoszillator, der eine gesteuerte Schwingungsfrequenz bereitstellt, die die Kompensation von Prozess-, Spannungs- und Temperaturschwankungen einschließt. 2 veranschaulicht einen beispielhaften Ringoszillator 200 gemäß der Lehre von Jelinek u. a. Der zu jeder Inverterstufe 110 fließende Strom wird durch Strom begrenzende Transistoren 210, 215 geregelt. Ein Stromregler 250 regelt jeden der Strom begrenzenden Transistoren 210. Ein Transistorpaar 230, 235 ist so konfiguriert, dass es den entsprechenden Strom begrenzenden Transistoren 215 einen gleichen Strom zuführt.
Die US-A-5,072,197 zeigt eine Kompensationsschaltung für einen Ringoszillator mit einer ungeraden Mehrzahl von in Reihe geschalteten CMOS-Inverterstufen. Der Oszillator schließt einen ersten und einen zweiten P-Kanal-Transistor und einen Widerstand ein. Der erste Transistor hat eine an VDD gekoppelte Source und ein an Masse gekoppeltes Gate. Der Widerstand ist zwischen dem Drain des ersten Transistors und der Masse gekoppelt. Der zweite Transistor hat eine an VDD gekoppelte Source, ein an den Drain des ersten Transistors gekoppeltes Gate und einen Drain, der an einen Speiseknoten jedes der Inverterstufen des Ringoszillators gekoppelt ist, um eine Speisespannung bereitzustellen, die hinsichtlich Spannungs-, Temperatur- und Halbleiterverarbeitungsschwankungen kompensiert ist. Während des Betriebs steuert die spezifische elektrische Leitfähigkeit des ersten Transistors auf inverse Weise die spezifische elektrische Leitfähigkeit des zweiten Transistors, der den Inverterstufen eine kompensierte Leistung zuführt. Die kompensierte Leistung steuert die spezifische elektrische Leitfähigkeit der Transistoren in dem Ringoszillator und die entsprechende Schwingungsfrequenz.
Die WO 02/13384 beschreibt eine Taktgeberschaltung mit einer Taktgeberperiode, die sich mit zunehmender Temperatur verkürzt und mit abnehmender Temperatur verlängert. Eine Diode hat eine Stromkennlinie, die von der Temperatur abhängt. Der Durchlassstrom fließt durch einen n-MOS-Transistor, der die Primärseite eines Stromspiegels bildet. In Abhängigkeit von dem Strom, der durch den n-MOS-Transistor fließt, wird der Strom bestimmt, der durch einen p-MOS-Transistor und einen n-MOS-Transistor, die die Sekundärseite des Stromspiegels bilden, fließt. Der durch den p-MOS-Transistor und den n-MOS-Transistor fließende Strom wird als Betriebsstrom eines Ringoszillators, der durch Inverter gebildet wird, zugeführt. Daher spiegelt die Periode (Taktgeberperiode) eines Taktsignals CLK, das aus dem Ringoszillator ausgegeben wird, die Temperaturkennlinien der Diode wider, und die Taktgeberperiode verkürzt sich mit zunehmender Temperatur.
KURZE ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Es ist eine Aufgabe dieser Erfindung, ein einfaches, aber wirksames Mittel zur Bereitstellung einer bei verschiedenen Prozess-, Spannungs- und Temperaturschwankungen stabilen Schwingungsfrequenz bereitzustellen. Es ist eine weitere Aufgabe dieser Erfindung, einen bei verschiedenen Prozess-, Spannungs- und Temperaturschwankungen stabilen Ringoszillator bereitzustellen, der diese Stabilität unter Verwendung einer sehr geringen Anzahl von Bauelementen erreicht.
Die Erfindung wird durch den Hauptanspruch bestimmt. Unteransprüche beschreiben vorteilhafte Ausführungsformen.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Die Erfindung wird ausführlicher und anhand von Beispielen unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen erklärt, wobei:
1 ein beispielhaftes Blockdiagramm eines Ringoszillators nach dem Stand der Technik veranschaulicht;
2 ein beispielhaftes Blockdiagramm eines Ringoszillators nach dem Stand der Technik mit Prozess-, Spannungs- und Temperaturkompensation veranschaulicht;
3A und 3B ein beispielhaftes Blockdiagramm bzw. einen beispielhaften Schaltplan eines Ringoszillators mit Prozess-, Spannungs- und Temperaturkompensation gemäß dieser Erfindung veranschaulichen;
4 einen beispielhaften Schaltplan einer Temperaturkompensations-Stromquelle nach dem Stand der Technik veranschaulicht.
Ähnliche oder entsprechende Merkmale oder Funktionen sind in allen Zeichnungen mit den gleichen Bezugszeichen angegeben.
AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
3A und 3B veranschaulichen ein beispielhaftes Blockdiagramm bzw. einen beispielhaften Schaltplan eines Ringoszillators 300 mit Prozess-, Spannungs- und Temperaturkompensation gemäß dieser Erfindung. Eine Stromquelle 350 stellt einen im Wesentlichen konstanten Strom bereit, der dazu verwendet wird, jeder der Inverterstufen 110 des Ringoszillators 300 den Betriebsstrom zuzuführen. Dieser im Wesentlichen konstante Strom wird so geregelt, dass Spannungs-, Temperatur- und Prozessschwankungen kompensiert werden (weitere Einzelheiten weiter unten). Das heißt, dass der geregelte Strom im Wesentlichen konstant auf einem Stromwert ist, der in Abhängigkeit von der speziellen Menge von Spannungs-, Temperatur- und Prozessbedingungen dynamisch variiert wird.
Das Schalten jeder Inversionsstufe 110 umfasst ein wiederholtes Aufladen und Entladen von Kapazitäten innerhalb jeder Inversionsstufe. Der Ringoszillator nach dem Stand der Technik 200 in 2 stellt eine Frequenzregelung durch Regeln des jeder Inversionsstufe zugeführten Stroms bereit, wodurch die Zeit geregelt wird, die für das Aufladen und Entladen der Kapazitäten jeder Inversionsstufe benötigt wird.
Die Voraussetzung für die Erfindung dieser Anmeldung ist die Beobachtung, dass die einem Ringoszillator innewohnende Symmetrie eine relativ konstante Gesamtstromentnahme, oder zumindest eine symmetrische und wiederholte Stromentnahme von Periode zu Periode, produziert. Durch Bereitstellen der Zufuhr eines geregelten Stroms an alle Inversionsstufen 110 ist der Stromverbrauch pro Periode ungefähr konstant, und daher ist die Schwingungsfrequenz konstant. Wenn man diese innewohnende Symmetrie erkennt, wird die Notwendigkeit einer unabhängigen Stromregelung für jede Stufe, wie sie bei dem Ringoszillator nach dem Stand der Technik 200 in 2 besteht, vermieden, wodurch im Vergleich zu dem Oszillator 200 eine weniger kostspielige und weniger komplizierte Ausführungsform bereitgestellt wird.
Die Stromquelle 350 ist so konfiguriert, dass sie den geregelten Strom über einen weiten Bereich von Prozess-, Spannungs- und Temperaturschwankungen hinweg bereitstellt, so dass die Schwingungsfrequenz des Ringzählers innerhalb einer begrenzten Abweichung geregelt wird. Mit zunehmender Betriebstemperatur des Ringoszillators nimmt die Schaltgeschwindigkeit ab, wodurch die Schwingungsfrequenz reduziert wird. In einer einfachen Ausführungsform ist eine herkömmliche PTAT-Stromquelle (PTAT = proportional to absolute temperature – proportional zur absoluten Temperatur) verwendbar, um einen Strom bereitzustellen, der mit der Temperatur zunimmt, um diese Frequenzreduzierung zu kompensieren. Der erforderliche Kompensationsgrad ist unter Verwendung herkömmlicher Schaltungssimulationswerkzeuge und/oder Schaltungsoptimierungswerkzeuge bestimmbar.
Auf gleiche Weise ändert sich, im Hinblick auf Prozessparameter, die Schaltgeschwindigkeit auf inverse Weise mit der Schwellenspannung der Transistoren in dem Ringoszillator und auf direkte Weise mit der Verstärkung (Beta) der Transistoren. Daher ist in einer bevorzugten Ausführungsform die Stromquelle 350 auch so konfiguriert, dass sie den zugeführten Strom erhöht, wenn die Transistorschwellenspannung zunimmt und wenn der Transistor-Beta-Wert abnimmt.
Es wird ebenfalls bevorzugt, dass die Stromquelle 350 so konfiguriert ist, dass sie den oben erwähnten temperaturkompensierten und/oder prozesskompensierten geregelten Strom im Wesentlichen unabhängig von der Speisespannung bereitstellt. Wie es nach dem Stand der Technik üblich ist, schließt zum Beispiel eine Bandabstands-Bezugsspannungsquelle, die unter Verwendung von bipolaren oder Feldeffektschaltungen implementiert werden kann, typischerweise einen PTAT-Stromfluss in einem oder mehreren ihrer Zweige ein.
In einer bevorzugten Ausführungsform (siehe 3B) umfasst die Stromquelle 350 ein Paar von in Reihe geschalteten Widerständen R1 351, R2 352, die den Strom durch einen in Reihe geschalteten Transistor 354 regeln. Der gemeinsame Knoten zwischen den in Reihe geschalteten Widerständen 351, 352 stellt die Steuerspannung an dem Gate des Transistors 354 bereit, und der Anschlussknoten der Reihenschaltung stellt den Strom durch den Transistor 354 bereit. Der Anschlussknoten der Reihenschaltung stellt auch die Steuerspannung an dem Gate eines Transistors 356 bereit, der den geregelten Strom, i, über eine Stromspiegelanordnung 359 bereitstellt. Die speziellen Werte von R1, R2 und die Größen der Transistoren 354 und 356 werden unter Verwendung herkömmlicher Schaltungssimulations- und -optimierungsverfahren bestimmt, so dass eine relativ konstante Schwingungsfrequenz für eine vorgegebene Menge von Prozess-, Temperatur- und Spannungsbedingungen bereitgestellt wird. In einer beispielhaften Ausführungsform ergaben die folgenden Werte eine Oszillatorfrequenzabweichung von weniger als 10% innerhalb einer typischen Spanne von Prozessparametern (langsam, nominal, schnell), Temperatur (0–120°C) und Speisespannung (1,6–2,0 V):
R1 = 116,7 kΩ
R2 = 10,4 kΩ
T354: Breite 4 μm, Länge 1,06 μm, und
T356: Breite 8,42 μm, Länge 3,2 μm.
Dieses Ergebnis ist wesentlich besser als die oben erwähnte typische 40-prozentige Abweichung des herkömmlichen Ringoszillators 100 in 1. Ähnliche Ergebnisse wurden bei der Verwendung einer herkömmlichen PTAT-Stromquelle (zum Beispiel 350' in 4) registriert.
Zwar veranschaulichen die beispielhaften Schaltungen in 3B und 4 die Verwendung von Feldeffekttransistoren, doch wird ein Fachmann erkennen, dass auch andere, zum Beispiel bipolare, Technologien verwendet werden können, um den geregelten Strom, i, bereitzustellen. Wie oben erwähnt, wird es bevorzugt, dass der geregelte Strom, i,

– mit der Temperatur zunimmt;
– mit der Transistorschwellenspannung zunimmt;
– mit dem Transistor-Beta-Wert abnimmt; und
– mit der Speisespannung konstant bleibt.

Das oben Erwähnte veranschaulicht lediglich die Prinzipien der Erfindung. Es wird somit einleuchten, dass Fachleute in der Lage sein werden, verschiedene Anordnungen zu ersinnen, die, obwohl sie hierin nicht explizit beschrieben oder gezeigt worden sind, Ausführungsformen der Prinzipien der Erfindung sind und somit innerhalb des Schutzbereichs der folgenden Ansprüche liegen.

Claims

Ein Ringoszillator, umfassend: – einen Stromgenerator (350) zur Bereitstellung eines geregelten Ausgangsstroms (i), – eine ungerade Anzahl von Inversionsstufen (110), die in einer Ringkonfiguration gekoppelt und ferner an den Stromgenerator (350) gekoppelt sind, wobei die Inversionsstufen (110) gemeinsam durch den geregelten Ausgangsstrom (i) mit Strom versorgt werden, – wobei der Stromgenerator (350) einschließt: – einen ersten Widerstand (351), der zwischen einem ersten Spannungsquellenanschluss und einem ersten Knoten gekoppelt ist, – einen ersten Transistor (354), der einen Steueranschluss hat, der den Stromfluss zwischen einem ersten Anschluss und einem zweiten Anschluss des ersten Transistors steuert, wobei der Steueranschluss an den ersten Knoten gekoppelt ist, der erste Anschluss an einen zweiten Knoten gekoppelt ist, der sich von besagtem ersten Knoten unterscheidet, und der zweite Anschluss an einen zweiten Spannungsquellenanschluss gekoppelt ist, und – eine Stromspiegelanordnung (359, 356) zur Bereitstellung des geregelten Ausgangsstroms (i) mit einem Steueranschluss, der an den zweiten Knoten gekoppelt ist, wobei der Stromgenerator dadurch gekennzeichnet ist, dass er ferner umfasst – einen zweiten Widerstand (352), der zwischen dem ersten Knoten und dem zweiten Knoten gekoppelt ist.
Der Ringoszillator nach Anspruch 1, wobei jede der Inversionsstufen einschließt: einen dritten Transistor, der ein Gate hat, das den Stromfluss zwischen einem ersten Anschluss und einem zweiten Anschluss des dritten Transistors steuert, wobei das Gate an eine vorhergehende Inversionsstufe gekoppelt ist, der erste Anschluss an den geregelten Ausgangsstrom gekoppelt ist und der zweite Anschluss an eine nächste Inversionsstufe gekoppelt ist; und einen vierten Transistor, der ein Gate hat, das den Stromfluss zwischen einem ersten Anschluss und einem zweiten Anschluss des vierten Transistors steuert, wobei das Gate an die vorhergehende Inversionsstufe gekoppelt ist, der erste Anschluss an die nächste Inversionsstufe gekoppelt ist und der zweite Anschluss an die zweite Spannungsquelle gekoppelt ist.
Der Ringoszillator nach Anspruch 1, wobei die Stromspiegelanordnung einen zweiten Transistor umfasst, der einen Steueranschluss hat, der an den zweiten Knoten gekoppelt ist, und wobei Widerstandswerte des ersten Widerstands und des zweiten Widerstands und Größenwerte des ersten Transistors und eines zweiten Transistors so bestimmt werden, dass der geregelte Ausgangsstrom zur Erzeugung einer im Wesentlichen konstanten Schwingungsfrequenz über einen weiten Bereich von Prozess-, Spannungs- und Temperaturschwankungen hinweg bereitgestellt wird.
Der Ringoszillator nach Anspruch 1, wobei der Stromgenerator so konfiguriert ist, dass er den geregelten Ausgangsstrom auf mindestens einer der folgenden Grundlagen erhöht: – ein Anstieg der Betriebstemperatur, – ein Anstieg der Schwellenspannung, und – ein Absinken des Beta-Werts.
Der Ringoszillator nach Anspruch 1, wobei der Stromgenerator so konfiguriert ist, dass er den geregelten Ausgangsstrom unabhängig von einer Abweichung einer dem Stromgenerator zugeführten Speisespannung bereitstellt.
Der Ringoszillator nach Anspruch 1, wobei jede der Inversionsstufen einschließt: – einen ersten Inversionsstufentransistor, der ein Gate hat, das den Stromfluss zwischen einem ersten Anschluss und einem zweiten Anschluss des ersten Inversionsstu fentransistors steuert, wobei das Gate an eine vorhergehende Inversionsstufe gekoppelt ist, der erste Anschluss an den geregelten Ausgangsstrom gekoppelt ist und der zweite Anschluss an eine nächste Inversionsstufe gekoppelt ist; und – einen zweiten Inversionsstufentransistor, der ein Gate hat, das den Stromfluss zwischen einem ersten Anschluss und einem zweiten Anschluss des zweiten Inversionsstufentransistors steuert, wobei das Gate an die vorhergehende Inversionsstufe gekoppelt ist, der erste Anschluss an die nächste Inversionsstufe gekoppelt ist und der zweite Anschluss an die zweite Spannungsquelle gekoppelt ist.
Der Ringoszillator nach Anspruch 1, wobei der Stromgenerator einen Proportional-zur-absoluten-Temperatur-Stromgenerator einschließt.