JP2005006025A

JP2005006025A - リング発振回路

Info

Publication number: JP2005006025A
Application number: JP2003167029A
Authority: JP
Inventors: Takeshi Wakii; 剛脇井
Original assignee: Rohm Co Ltd
Current assignee: Rohm Co Ltd
Priority date: 2003-06-11
Filing date: 2003-06-11
Publication date: 2005-01-06
Also published as: CN1698267A; KR20060013479A; CN100346573C; TW200503421A; TWI334272B; WO2004112248A1

Abstract

【課題】リング発振回路は、高周波になると波形歪みが問題になる。
【解決手段】複数の差動増幅器Ａ１〜４の途中段でリングの経路を折り返し、差動増幅器の初段Ａ１と最終段Ａ４を近接配置し、結果的に、隣接しあう差動増幅器どうしの距離をできるだけ均等にする。これにより、差動増幅器間の信号線の長さを均等にし、伝搬遅延を揃える。その結果、単一周波数性の高い発振信号が出力される。
【選択図】図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明はリング発振回路に関し、とくに、複数の反転型増幅器を有するリング発振回路に関する。
【０００２】
【従来の技術】
所望の周波数で発振する信号を得るために、複数のインバータを直列に配置し、その最終段の出力を初段へ戻すリング発振回路が知られている。図８は一般的なリング発振回路の構成を示す。ここでは５個のインバータＩＮＶ１〜５が直列に並べられ、最終段のインバータＩＮＶ５の出力が初段のインバータＩＮＶ１まで戻され、入力されている。この例ではインバータが奇数個存在するため発振動作を継続する。こうしたリング発振回路は、例えば特許文献１にも記載されている。
【０００３】
【特許文献１】
特開２００１？８５９９４号公報（全文）
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、図８や特許文献１のような配置であると、最終段のインバータから初段のインバータへの戻り経路が長くなる。発振周波数が高くなると、この経路の長さが発振信号のジッタその他の歪成分として現れる。その結果、所望の周波数の信号が正しく出力できなかったり、高調波成分が増して不要輻射に悪影響を及ぼすといった現象が発生しうる。
【０００５】
本発明はこうした状況に鑑みてなされたものであり、その目的は、高周波であっても、単一周波数性の強い発振信号を生成することのできるリング発振回路を提供することにある。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明のある態様は、リング発振回路であり、リングの経路上に、複数の反転型増幅器が略均等距離で配置されている。具体的には、例えば、複数の反転型増幅器の途中段でリングの経路を折り返すよう配置することにより、複数の反転型増幅器の初段と最終段を近接配置し、結果的に、隣接しあう反転型増幅器どうしの距離を略均等にする。
【０００７】
このリング発振回路では、反転型増幅器間の距離が略均等であるから、最終段から初段への長い戻り経路のごとく、対称性を破る要素がない。そのため、隣接しあう反転型増幅器間の信号伝搬遅延が揃い、波形歪みが低減できる。また、最終段と初段の距離が近いことは、製造上の特性ばらつき抑制面でも有利で、やはり波形歪みの低減に結びつく。
【０００８】
なお、「反転型増幅器」は通常のインバータでもよいが、ＮＡＮＤやＮＯＲなど、複数入力論理素子を利用してもよい。また、差動増幅器であってもよい。差動増幅器の場合、一般に発振信号の波形歪みを低減できる点で好都合である。「略均等」とは、回路素子の配置上可能な範囲で均等になるよう設計されていれば十分である。また、「増幅器」のゲインは１を含む任意の数値であってよい。
【０００９】
リングの経路のうち往路と復路で反転型増幅器の配置方向を反転させてもよい。この場合、複数の反転型増幅器がいわばリングの中心に対して対称に配置される効果があるから、反転型増幅器間の信号伝搬特性の均一化に貢献する。
【００１０】
リング発振回路はさらに、複数の反転型増幅器の駆動信号を生成する制御回路を備えてもよい。その場合、制御回路から複数の反転型増幅器への信号線を前記の往路と復路に対して略対称に配置してもよい。この配置も信号伝搬特性の均一化に有益である。制御回路は往路と復路の間に配置してもよく、その場合、制御回路から各反転型増幅器への距離が均等になり易いため、制御信号線の長さが揃うなど、やはり信号歪みの低減に有益である。
【００１１】
【発明の実施の形態】
図１は、実施の形態に係るリング発振回路１０を示す。同図において、発振部１２は４個の差動増幅器Ａ１〜Ａ４を有し、所定の周波数で発振する。制御回路１４は、駆動信号を供給して発振部１２を駆動し、発振部１２の発振周波数を所望の値に調整する。
【００１２】
発振部１２の差動増幅器Ａ１〜Ａ４は同じ構成であり、それぞれ、第１および第２入力Ｉ１、Ｉ２、第１および第２出力Ｏ１、Ｏ２、第１および第２制御信号Ｃ１、Ｃ２の端子を有する。これら以外に図示しない電源ＶＤＤと接地ＧＮＤのための端子をもつ。４個の差動増幅器Ａ１〜Ａ４はリング状に配線され、それぞれの第１および第２出力Ｏ１、Ｏ２が次の差動増幅器の第１および第２入力Ｉ１、Ｉ２へ接続される。ただし、４個という偶数個で発振を継続するために、最終段の差動増幅器Ａ４から初段の差動増幅器Ａ１の間で信号線が入れ替えられ、すなわち、最終段の差動増幅器Ａ４の第１および第２出力Ｏ１、Ｏ２がそれぞれ初段の差動増幅器Ａ１の第２および第１入力Ｉ２、Ｉ１へと接続されている。４個の差動増幅器Ａ１〜Ａ４の実際の配置は図３以降にて詳述する。
【００１３】
制御回路１４はまず電源と接地の間にこの順で接続された定電流源１６とｎチャネルＭＯＳＦＥＴである第１トランジスタＭ１を有する。第１トランジスタＭ１のゲートは定電流源１６の出力側に接続される。このため、定電流源１６に流れる電流によって第１トランジスタＭ１のゲート電圧が決まる。このゲート電圧は第１制御信号Ｃ１として利用される。制御回路１４はさらに、電源と接地の間にこの順で接続されたｐチャネルＭＯＳＦＥＴの第２トランジスタＭ２とｎチャネルＭＯＳＦＥＴの第３トランジスタＭ３を有する。第３トランジスタＭ３のゲートは第１トランジスタＭ１のゲートと接続され、そのオンの程度が決まる。第２トランジスタＭ２のゲートはそのドレインと接続され、かつ第３トランジスタＭ３のドレインとも接続されている。したがって、第３トランジスタＭ３のオンの程度によって第２トランジスタＭ２のオンの程度も決まり、第２トランジスタＭ２のゲート電圧が定まる。第２トランジスタＭ２のゲートは第２制御信号Ｃ２として利用される。以上の構成により、制御回路１４における定電流源１６の電流値および３個のトランジスタＭ１、Ｍ２、Ｍ３のサイズ等を調整することで発振部１２の発振周波数が決まる。
【００１４】
図２は図１の差動増幅器の詳細構成を示す。４個の差動増幅器Ａ１〜Ａ４は同じであるから、初段の差動増幅器Ａ１を例示する。この回路自体は既知であり、電源と接地の間にｐチャネルＭＯＳＦＥＴの第４トランジスタＭ４とｎチャネルＭＯＳＦＥＴの第６トランジスタＭ６による経路、およびｐチャネルＭＯＳＦＥＴの第５トランジスタＭ５とｎチャネルＭＯＳＦＥＴの第７トランジスタＭ７による経路が設けられ、全体の電流がｎチャネルＭＯＳＦＥＴの第８トランジスタＭ８によって規定される。第１および第２入力Ｉ１、Ｉ２はそれぞれ第６トランジスタＭ６、第７トランジスタＭ７のゲートに対応し、第１および第２出力Ｏ１、Ｏ２はそれぞれ第４トランジスタＭ４と第６トランジスタＭ６のドレイン、および第５トランジスタＭ５と第７トランジスタＭ７のドレインから引き出される。第１および第２制御信号Ｃ１、Ｃ２は、それぞれ第８トランジスタＭ８のゲート、および第４トランジスタＭ４と第５トランジスタＭ５の共通ゲートに与えられる。
【００１５】
図３は、ひとつの差動増幅器Ａ１の具体的な配置配線を示す。ただし、同図は見やすさのために模式化しており、異なる層にて重なり合うパターンの上下関係やパターンの太さなどは一般に同図のとおりではない。同図において、上から順に、
１）電源ＶＤＤのパターン
２）１）と別層で一部重なる第２制御信号Ｃ２のパターン（図中の点描部分）
３）第４トランジスタＭ４と第５トランジスタＭ５
４）第２および第１入力Ｉ２、Ｉ１、第２および第１出力Ｏ２、Ｏ１のパターン
５）第１制御信号Ｃ１のパターン
６）第８トランジスタＭ８
７）接地ＧＮＤのパターン
が形成されている。第４トランジスタＭ４と第５トランジスタＭ５は電源ＶＤＤに接続されたソースを共有し、ゲートにはともに第２制御信号Ｃ２が入力される。それぞれドレインは第１および第２出力Ｏ１、Ｏ２となるとともに、第６トランジスタＭ６および第７トランジスタＭ７のドレインへ接続される。第６トランジスタＭ６と第７トランジスタＭ７はソースを共有し、ゲートにはそれぞれ第１、第２入力Ｉ１、Ｉ２が与えられる。第６トランジスタＭ６と第７トランジスタＭ７の共通ソースは第８トランジスタＭ８のドレインへ接続される。第８トランジスタＭ８のソースは接地され、ゲートには第１制御信号Ｃ１が与えられる。
【００１６】
以上の構成において、第１および第２入力Ｉ１、Ｉ２がそれぞれ第１および第２出力Ｏ１、Ｏ２に位置的に水平に対応するため、差動増幅器を並べたとき、前段の差動増幅器の出力を次段の差動増幅器へ渡す際、単純に水平にパターンを形成すれば接続が完了する。同様に、電源パターン、第１および第２制御信号Ｃ１、Ｃ２についても、やはり水平に形成されているため、それらをそれぞれ水平に延設すれば前段と次段で自然に信号パターンがつながり、好都合である。ただし、パターンは水平に形成することに限る趣旨ではなく、前段と次段である程度接続が容易であれば十分である。
【００１７】
図４は、図３の差動増幅器を利用し、図１のリング発振回路１０の具体的な配置を示す。同図のごとく、発振部１２と制御回路１４は並置され、発振部１２において４個の差動増幅器Ａ１〜Ａ４が以下の規則で配置されている。
【００１８】
１．リングは初段の差動増幅器Ａ１からふたつの差動増幅器Ａ２、Ａ３を経由して最終段の差動増幅器Ａ４へ至り、再度初段の差動増幅器Ａ１へ戻る。
２．リングの往路に置かれた初段の差動増幅器Ａ１とつぎの差動増幅器Ａ２は図３に示す向きに配置され、復路に置かれた３段目の差動増幅器Ａ３と最終段の差動増幅器Ａ４は図３に示す向きと１８０°回転した向きに配置される。同図では、反転配置を符号の上下反転で示している。
【００１９】
３．隣接しあう差動増幅器間の距離をできるだけ均等にし、差動増幅器間で受け渡しをする第１および第２入力信号Ｉ１、Ｉ２のパターン長を可能なかぎり揃える。
４．発振部１２全体は可能な範囲でコンパクトにする。
【００２０】
規則３により、発振周波数が高くなってもジッタの発生が抑制でき、単一周波数性の強い高品質な出力波形が得られる。波形歪みの低減により不要輻射も減る。規則２は規則３の実現に寄与するだけでなく、制御回路１４から発振部１２への信号パターンの形成を容易または効率化する。制御回路１４から発振部１２へ供給する信号パターンは、図４から明らかなとおり初段の差動増幅器Ａ１と最終段の差動増幅器Ａ４の間、および２段目の差動増幅器Ａ２と３段目の差動増幅器Ａ３の間とを結ぶ仮想的な線に対して対称でよい。このことはまた、４個の差動増幅器Ａ１〜Ａ４を均等に駆動できる意味でも有益である。規則４は単に実装効率面で有利なだけでなく、４個の差動増幅器Ａ１〜Ａ４が物理的に近づくため、製造上の特性ばらつきを抑える効果をもつ。また、高周波の信号線長が短くなる分、不要輻射も低減する。
【００２１】
以上、本実施の形態では、差動増幅器によるリング発振回路１０を説明したが、差動型ではなく、一入力一出力タイプの通常のインバータ、その他任意の反転回路でリング発振回路１０を構成してもよく、その配慮は本明細書を通じて有効である。
【００２２】
本実施の形態では差動増幅器を４個としたが、当然これは任意の数でよい。差動増幅器が偶数２ｎの場合、リングの経路が１〜ｎ番目の差動増幅器に至る経路を往路とし、（ｎ＋１）〜２ｎ番目の差動増幅器に至る経路を復路とするよう折り返し点を定めればよい。ただし、厳密に中間点で折り返す必要はなく、本質は、隣接する差動増幅器間の発振信号のパターン長ができる限り均等になることにある。本明細書ではその趣旨で「往路」「復路」「折り返し」などのことばを用いるに過ぎない。なお、増幅器が奇数の場合の配慮は図６以下で説明する。
【００２３】
図５は別の実施の形態に係るリング発振回路１０の具体的な配置を示す。同図において図４との相違は、制御回路１４が発振部１２の中に配置される点にある。より具体的には、リングの経路を等分するよう、制御回路１４が往路と復路の境界線上に置かれている。この実施の形態によれば、制御回路１４から４個の差動増幅器Ａ１〜Ａ４へ至る距離が等しく、それらを均等に駆動しやすくなる。そのため、波形歪みを低減できる。
【００２４】
図６は、増幅器が奇数の場合のリング発振回路１０を示す。ここでは増幅器として５個のインバータＡ１〜Ａ５がこの順に接続され、最終段のインバータＡ５の出力が初段のインバータＡ１へ戻されている。発振信号は最終段のインバータＡ５の出力をバッファＢ１を通して得られる。
【００２５】
図７は、図６のリング発振回路１０の具体的な配置を示す。リング発振回路１０は発振部１２、制御回路１４、およびバッファＢ１を有する。発振部１２において、５個のインバータＡ１〜Ａ５は、逆Ｗ字状に配置されているが、これに限らず、隣接インバータ間の発振信号のパターン長が近くなれば足りる。
【００２６】
以上、本発明を実施の形態をもとに説明した。実施の形態は例示に過ぎず、いろいろな変形例が存在すること、そうした変形例も本発明に含まれることは、当業者に理解されるところである。
【００２７】
【発明の効果】
本発明によれば、波形歪みを低減したリング発振回路が提供される。
【図面の簡単な説明】
【図１】実施の形態に係るリング発振回路を示す図である。
【図２】図１の各差動増幅器の詳細構成を示す図である。
【図３】図１の各差動増幅器の具体的な配置配線を示す図である。
【図４】図３を利用し、図１のリング発振回路の具体的な配置を示す図である。
【図５】別の実施の形態に係るリング発振回路の具体的な配置を示す図である。
【図６】別の実施の形態に係るリング発振回路を示す図である。
【図７】図６のリング発振回路の具体的な配置を示す図である。
【図８】従来一般的なリング発振回路の構成を示す図である。
【符号の説明】
１０リング発振回路、１２発振部、１４制御回路、Ｍ１〜８トランジスタ、Ａ１〜５差動増幅器またはインバータ、ＩＮＶ１〜５インバータ、１６定電流源、Ｂ１バッファ。

Claims

複数の反転型増幅器を備えたリング発振回路において、リングの経路上に、前記複数の反転型増幅器が略均等距離で配置されることを特徴とするリング発振回路。
複数の反転型増幅器を備えたリング発振回路において、前記複数の反転型増幅器の途中段でリングの経路を折り返すよう配置することにより、前記複数の反転型増幅器の初段と最終段を近接配置し、結果的に、隣接しあう反転型増幅器どうしの距離を略均等にしたことを特徴とするリング発振回路。
前記リングの経路のうち往路と復路で前記反転型増幅器の配置方向を反転させたことを特徴とする請求項２に記載のリング発振回路。
前記複数の反転型増幅器の駆動信号を生成する制御回路をさらに備え、この制御回路から前記複数の反転型増幅器への信号線を前記往路と復路に対して略対称に配置したことを特徴とする請求項３に記載のリング発振回路。
前記複数の反転型増幅器の駆動信号を生成する制御回路をさらに備え、この制御回路を前記往路と復路の間に配置したことを特徴とする請求項３に記載のリング発振回路。