JP2005500781A - 差動リング発振器段 - Google Patents
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Abstract
Description
【0001】
本発明は、第1入力及び反転第2入力並びに第1出力及び反転第2出力を持つ差動遅延手段と、前記遅延手段の前記第1出力に接続された入力を持つ第1出力バッファ手段と、前記遅延手段の第2出力に接続された入力を持つ第2出力バッファ手段とを有する、差動リング発振器段に関する。
【背景技術】
【0002】
リング発振器は、集積回路製造の分野において広く既知であり、通常、段として単純な反転論理回路を有する。各段の電流出力は、次の段の入力キャパシタンスを閾値電圧まで充電及び放電するのに特定の時間を要する。前記段は、カスケードループを形成するように直列に接続されるので、これにより特定の周波数において、180°位相シフトが、前記ループを順に回る信号に付与される。ループ利得が十分大きいという条件で、前記信号は、速やかに非線形になり、結果として様々な用途、特にデジタル信号処理に使用されることができる矩形波発振が得られる。
【0003】
金属酸化物半導体(MOS)の集積回路において、リング発振器は、一般にチャージポンプ回路を駆動するのに使用される。特に、リング発振器は、BiCMOS即ちバイポーラCMOS及び純粋なCMOS回路内に設けられる。リング発振器の好ましい応用は、データ及びクロックリカバリ回路又はPLL回路における提供である。
【0004】
米国特許5,412,349 Aは、PLLに基づくスキュー除去クロックジェネレータを開示する。前記クロックジェネレータは、位相周波数検出器と、チャージポンプと、ループフィルタと、内部クロックが生成される電圧制御発振器とを有する。前記電圧制御発振器は、5段リング発振器に基づき、各段は、差動電流制御遅延セルである。各セルを通る遅延は、pチャネル差動ソース結合対を通るテール電流、第1出力と反転第2出力との間の差動電圧振幅、並びに前記第1及び第2出力における容量性負荷の関数である。前記遅延セルにおける電圧振幅は、遅延段における電圧制御抵抗器と、電力供給の影響を受けない電圧振幅基準生成器と、フィードバック・レプリカ・バイアス回路と、電圧電流変換器とを使用することにより一定に保たれ、供給電圧に依存しない。前記リング発振器から出力された差動信号は、差動増幅器として実行され、前記差動信号をシングルエンド形高速クロック信号に変換するバッファ増幅器にフィードされる。
【0005】
米国特許5,691,669 Aは、信号のマルチプル利得周波数取得(multiple-gain frequency acquisition)を可能にするために設けられたデュアル調整電流制御位相同期ループを開示する。前記デュアル調整電流制御位相同期ループは、基準信号と合成信号とに応答して位相誤差信号を作成する位相検出器、前記位相誤差信号に応答して粗調整及び微調整制御信号を生成するコントローラ、並びに前記粗調整及び微調整制御信号に応答して前記合成信号の発振周波数を調整するデュアル調整電流制御発振器を含む。前記デュアル調整電流制御発振器は、一連の遅延素子を有する差動電流制御リング発振器を含む。各遅延素子は、前記粗調整制御信号に応答する高利得回路と、前記微調整制御信号に応答する低利得回路とを含む。
【0006】
GHz範囲における高い発振器周波数を達成するために、明白な選択は、段数を2に制限することであろう。前記発振器周波数は、段ごとの遅延を変更することにより変更されることができ、もし微同調及び粗同調機構を保証できるならば、前記発振器は、2つの同調ポートを持つであろう。10GB/sより上の適用に対する光学ネットワーキング応用において、低い位相ノイズは、前記発振器が、温度及び手順変更に対して安定な発振周波数を提供すべきであるという付加的な条件と共にデータ及びクロックリカバリ回路(DCR)におけるクロックを復旧するのに必須である。1より大きいデータレートを用いる幾つかの応用に対して、大きな同調範囲の発振器が必要とされる。前記発振器の線形性も、前記PLLのループ帯域幅を異なる同調状況に対して一定に留めるという理由により重要である。
【0007】
差動出力バッファ手段を規定する前記第1及び第2バッファ手段は、レベルシフト操作を提供するため、及び次の段の負荷効果を最小化するために、前記差動リング発振器段に含まれる。当該信号は、デジタル信号であり、一連のパルスからなるので、このようなパルスの波形は、長方形であり、結果として、縁は垂直であるべきである。しかしながら、特定の物理的効果のため、前縁は立上がるのに特定の時間を必要とし、後縁は立下がるのに特定の時間を必要とするので、これにより現実には前記パルスの波形は、長方形ではなく、台形である。長方形波形の理想的な場合からのこのようなずれは、ゼロ交差のみに興味がある場合には基本的に問題ではない。しかしながら、特に前記出力における寄生容量の電流のために前記信号の波形は対称ではないが、しかし非対称であり、前記後縁の立下り時間は、前記前縁の立上がり時間より長い。この効果は、位相ノイズ及びジッタに帰着し、前記位相ノイズ及びジッタは、ゼロ交差の正確な検出が可能ではないので大きな不利である。特に、大きな信号振幅において、前記出力における電流は飽和し、前記波形の非常に高い非対称性の原因となる。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【0008】
本発明の目的は、位相ノイズ及びジッタが減少された差動リング発振器段を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【0009】
この及び他の目的を達成するために、本発明によると、
第1入力及び反転第2入力並びに第1出力及び反転第2出力を持つ差動遅延手段と、
前記遅延手段の前記第1出力に接続された入力を持つ第1出力バッファ手段と、
前記遅延手段の前記第2出力に接続された入力を持つ第2出力バッファ手段と、
を有する差動リング発振器段であって、
前記差動リング発振器段が、
前記第1出力バッファ手段の出力に接続され、前記遅延手段の前記第2出力からの信号によって制御される第1制御可能電流源手段と、
前記第2出力バッファ手段の出力に接続され、前記遅延手段の前記第1出力からの信号によって制御される第2制御可能電流源手段とを有し、
前記制御可能電流源手段は、動作範囲内で、前記電流の波形が前記遅延手段の出力からの信号の波形に本質的に比例すること、
を特徴とする差動リング発振器段が設けられる。
【0010】
本発明の構築は、前記出力バッファ手段からの出力信号の後縁の立下り時間が、短縮され、前記立下り時間が前記縁の立上がり時間と等しくなり、前記出力信号の波形が対称になるように前記立上がり時間に対して調整されるという利点となる。これは、各出力バッファ手段において、前記出力バッファからの前記出力信号の後縁の前記立下り時間を短縮するように、それぞれ前記遅延手段からの前記反転出力信号に従って前記制御可能電流源手段により、付加的な電流が生成されることにより達成される。換言すると、各出力バッファ手段において、前記出力信号の後縁の波形は、前記出力バッファ手段からの前記出力信号の後縁の波形を、前記遅延手段からの前記反転出力信号の前縁の波形、従って、それに応じて前記出力バッファ手段からの前記出力信号の前縁の波形と等しくするように、それぞれ前記遅延手段からの前記反転出力信号の前縁により制御される。前記出力バッファ手段を通って流れる電流は、飽和することができない。従来技術に優る更に他の利点は、本発明の構築によって前記出力バッファ手段が1より高い利得を持つことである。
【0011】
つまり、本発明は、より大きな振幅と等しい立上がり立下り時間とを持つ出力信号の供給を可能にし、結果として位相ノイズの減少になる。
【0012】
本発明の好ましい実施例において、前記第1制御可能電流源は、前記遅延手段の前記第2出力に接続されたベースと、所定の電位を印加されたエミッタと、前記第1出力バッファ手段の前記出力に接続されたコレクタとを持つトランジスタ、好ましくは、MOSトランジスタを有する。更に、前記第2制御可能電流源は、前記遅延手段の前記第1出力に接続されたベースと、所定の電位を印加されたエミッタと、前記第2出力バッファ手段の前記出力に接続されたコレクタとを持つトランジスタ、好ましくはMOSトランジスタを有し、ここで前記所定の電位は、好ましくはゼロ(アース)である。これらの実施例は、単純な構造を提供し、ここでもしこのようなトランジスタが線形領域に入るならば、前記出力バッファからの前記出力信号の波形は、依然として対称である。
【0013】
本発明の上記の及び他の目的及び特徴は、添付図面を参照する好ましい実施例を用いて以下の記述から明らかになるだろう。
【発明を実施するための最良の形態】
【0014】
図1は、直列に接続された一連の差動リング発振器セル又は段22.1ないし22.4を有する差動リング発振器20の概略的なブロック図を示す。図1に示されるように、各段は、第1入力IN+と、相補又は反転第2入力IN-と、第1出力OUT+と、相補又は反転第2出力OUT-とを有し、ここで反転第2入力IN-は、実質的に第1入力IN+の相補形であり、反転第2出力OUT-は、実質的に第1出力OUT+の相補形である。図1に更に示されるように、前記一連の段における最後の段22.4の前記第1出力は、第1段22.1の前記反転第2入力に接続され、最後の段22.4の前記反転第2出力は、第1段22.1の前記第1入力に接続されるので、これによりリングを形成する。更に、最後の段22.4の前記第1出力は、発振器20の第1出力端子24に接続され、最後の段22.4の前記反転第2出力は、発振器20の第2出力端子26に接続される。従って、発振器20の第1出力端子24において、第1出力信号が出力され、発振器20の第2出力端子26において、反転第2出力信号が出力され、ここで前記反転第2出力信号は、実質的に前記第1出力信号の相補形である。
【0015】
図1に示される実施例において、使用される段数は4である。これは偶数であり、この実施例の各段22.1ないし22.4の反転第2出力OUT-は第1出力OUT+において出力される前記出力信号に対して180°位相がずれた出力信号を生成するので、最後の段22.4の対応する第1及び第2出力信号は、既に上述されたように、それぞれ第1段22.1の前記反転第2入力信号及び第1入力信号として使用される。各段の差動的な性質のため、どんな段数でも、前記リング発振器を形成するために使用されることができる。これに対して、もし奇数の差動段が使用されれば、前記一連の段における前記最後の段からの対応する前記第1及び第2出力信号は、前記第1段のそれぞれ前記第1及び第2入力信号として使用される。
【0016】
また、図1に示されるように、粗同調制御入力28は、粗同調信号”VCOARSE”を入力するために設けられ、微同調制御信号30は、微同調信号”VFINE”を入力するために設けられる。粗同調信号”VCOARSE”を変更することにより、発振器20の周波数は、大きな同調範囲にわたり変更され、ここで微同調信号”VFINE”の変更は、更に発振器20の周波数の微同調を可能にする。
【0017】
通常、図1に示されるような種類の最小リング発振器は、発振周波数において遅延tDを提供する2つの段からなる。ループのまわりの位相発振条件を満たし、動作周波数が、
f0=1/(2tD)
であることは、示されることができる。
【0018】
理論的な場合に、反転段の実行が、前記ループにおける180°の位相シフトを実現することは、ここで注目されるべきである。しかしながら、補正されなければならない寄生による幾らかの位相シフトが常に存在する。このような補正は、例えば伝送線における遅延を使用することにより実現されることができる。
【0019】
図2は、本発明の好ましい実施例による差動リング発振器段の概略的なブロック図を示す。図2に示される差動リング発振器段22は、それぞれ第1入力IN+及び反転第2入力IN-に入力される前記第1及び反転第2入力信号を遅延する差動遅延素子32を有する。差動遅延素子32は、差動インバータ及び/又は差動利得増幅器からなることができる。レベルシフト操作を提供し、次の段の負荷効果を最小化するために、差動出力バッファ34が設けられる。差動出力バッファ34の第1入力及び反転第2入力は、それぞれ差動遅延素子32の前記第1出力及び前記反転第2出力に接続され、ここで差動出力バッファ34の前記第1出力及び前記反転第2出力は、それぞれ差動リング発振器段22の第1出力端子OUT+及び反転第2出力端子OUT-を規定する。
【0020】
調整可能な正抵抗Rからなる調整可能な負荷と調整可能な負抵抗-RTUNEが更に設けられる。前記正及び負抵抗は、差動遅延素子32の第1出力及び差動出力バッファ34の対応する入力を接続する第1分岐端子と、差動遅延素子32の反転出力及び差動出力バッファ34の反転入力を接続する第2分岐端子との間に並列に結合される。
【0021】
前記発振器における主要な時定数は、前記正及び負抵抗並びに前記負荷により並列と‘みなされる’寄生容量の並列の組み合わせの結果として生じる。負抵抗-RTUNEを同調することにより、発振器段ごとの遅延は同調され、従って、発振器周波数は変更される。しかしながら、正抵抗Rも同調する場合、二同調機構が設けられる。
【0022】
ここに記述されたように前記発振器段からなる発振器は、好ましくはシリコンゲルマニウム技術において高い周波数動作に対して実現されることができ、これは、10GB/sにおいて前方誤り訂正(FEC)データレートをも適合するために必要とされる4ないし14GHzの範囲において同調されることができる。
【0023】
図3は、図2の遅延素子32と、正抵抗Rと、負抵抗-RTUNEとにより規定される利得段の実行を示し、ここで図2の遅延素子32は、トランジスタQ1及びQ2並びにMOS制御電流源Sにより本質的に規定される。更に図3に示されるように、図2の差動出力バッファ34は、第1出力バッファ34a及び反転第2出力バッファ34bからなる。前記利得段は、正抵抗R/2と負抵抗-RTUNEとの差動対を有し、その後に電流源Sを持つエミッタフォロワ(トランジスタQ1及びQ2により規定される)が続く。
【0024】
第1出力バッファ34aは、前記利得段の第1出力に接続されたベースと、供給電圧VCCを印加されたコレクタと、第1出力OUT+に接続されたエミッタとを持つトランジスタQ6を有する。第2出力バッファ34bは、前記利得段の反転第2出力に接続されたベースと、供給電圧VCCを印加されたコレクタと、反転第2出力OUT-に接続されたエミッタとを持つトランジスタQ5を有する。
【0025】
更に、第1出力バッファ34aは、前記利得段の反転第2出力に接続されたゲートと、第1出力OUT+に接続されたソースと、アースに接続されたドレインとを持つMOSトランジスタM6を有する。MOSトランジスタM6は、前記利得段の前記反転第2出力からの信号によって制御される第1制御可能電流源を規定する。同様な態様において、第2出力バッファ34bは、前記利得段の前記第1出力に接続されたゲートと、反転第2出力OUT-に接続されたソースと、アースに接続されたドレインとを持つMOSトランジスタM5を有する。よって、MOSトランジスタM5は、前記利得段の前記第1出力からの信号によって制御される第2制御可能電流源を規定する。
【0026】
出力バッファ34a及び34bにおけるMOSトランジスタM5及びM6は、第1出力OUT+及び反転第2出力OUT-におけるフィードフォワード制御を提供する。この構成により、出力バッファ34の利得は、1dBより僅かに高いが、しかし主な利点は、出力バッファ34a及び34bが、出力OUT+及びOUT-におけるスルーイング効果(slewing effect)が減少されることができるように、より多くの電流を容量性負荷に供給することができるという事実にある。通常のエミッタフォロワにおいて、前記エミッタにおける一定電流源は、等しくない立上がり及び立下り時間を決定する。発振器において、これは、位相ノイズを悪化させることができる出力における非対称波に変換する。この発振器は、前記出力における正弦波状の対称波形を供給するので、位相ノイズスペクトルにおける1/fノイズコーナは、搬送波に向かって進まされ、前記発振器の至近距離のノイズを最小化する。アップコンバージョン機構から発生するノイズも減少される。
【0027】
光ファイバ通信の出現は、より高い集積密度と既存のパッケージの制限された熱性能に対処するために低出力が必須になる完全に一体化された光受信器をもたらした。前記受信器側において、通常PLLに基づくデータ及びクロックリカバリユニット(DCR)は、クロック情報を回復し、入ってくるデータを時刻変更することを必要とされる。
【0028】
図4は、上述されたような種類の電圧制御可能発振器122を有するクロックリカバリ回路120の好ましい実施例を示す。制御可能発振器122は、制御信号生成器124を更に含む周波数同期ループの一部である。制御可能発振器122は、制御信号生成器124に結合された粗同調ポート122aを持ち、図1の粗同調制御入力28に対応する。制御信号生成器124は、クリスタルのような基準信号生成器126から基準信号Srefを受信する。制御可能発振器122は、入力信号Sinとフィードバック信号Sbとの間の位相差を示す位相差信号Sdを生成する位相検出器128を有する位相同期ループの一部をも形成する。フィードバック信号Sbは、制御可能発振器122の出力信号から分周器130により得られる。更に、図4のクロックリカバリ回路120は、チャージポンプ140を含み、チャージポンプ140は、入力において位相検出器128からの出力を受信し、出力でローパスフィルタ142に接続され、ローパスフィルタ142の出力は、図1の微同調制御入力30に対応する制御可能発振器122の微同調ポート122bに結合される。
【0029】
図5は、光ファイバチャネル152用の受信器150の好ましい実施例を示す。受信器150は、光ファイバチャネル152に結合されたセンサ154からの入力信号Sinを受信する入力156を有する。図5の受信器150は、基準信号として入力信号Sinを受信する入力156に結合された図4のクロックリカバリ回路120を更に含む。データリカバリ回路158は、クロックリカバリ回路120及び入力156に結合され、入力信号Sinに応答してデジタル出力信号Soutを生成する出力160を有する。
【0030】
図6は、周波数同期ループと位相同期ループとを有するデータ及びクロックリカバリユニットの更に他の好ましい実施例を示す。図6の前記データ及びクロックリカバリユニットは、整合された電圧制御可能発振器を有し、ここで一方の前記制御可能発振器は、前記周波数同期ループの一部であり、他方の前記制御可能発振器は、前記位相同期ループの一部である。更に、図6の前記データ及びクロックリカバリユニットは、2つのチャージポンプを有し、ここで一方のチャージポンプCP1は、前記周波数同期ループに含まれ、他方のチャージポンプCP2は、前記位相同期ループに含まれる。更に、図6の前記データ及びクロックリカバリユニットは、ローパスフィルタを有し、ここで一方のローパスフィルタLPF1は、前記周波数同期ループに含まれ、他方のローパスフィルタLPF2は、前記位相同期ループに含まれる。
【図面の簡単な説明】
【0031】
【図1】差動リング発振器の概略的なブロック図である。
【図2】本発明による差動リング発振器段の好ましい実施例の概略的なブロック図である。
【図3】図2の差動リング発振器段の概略的な回路図である。
【図4】発振器を含むクロックリカバリ回路の好ましい実施例である。
【図5】図4のクロックリカバリ回路を含む光ファイバチャネル用の受信器の好ましい実施例である。
【図6】2つの発振器を含むデータ及びクロックリカバリユニットの更に他の好ましい実施例である。
Claims (8)
- 第1入力及び反転第2入力並びに第1出力及び反転第2出力を持つ差動遅延手段と、
前記遅延手段の前記第1出力に接続された入力を持つ第1出力バッファ手段と、
前記遅延手段の前記第2出力に接続された入力を持つ第2出力バッファ手段と、
を有する差動リング発振器段であって、
前記差動リング発振器段が、
前記第1出力バッファ手段の出力に接続され、前記遅延手段の前記第2出力からの信号によって制御される第1制御可能電流源手段と、
前記第2出力バッファ手段の出力に接続され、前記遅延手段の前記第1出力からの信号によって制御される第2制御可能電流源手段と、
を有し、
前記制御可能電流源手段は、動作範囲内で電流の波形が、前記遅延手段の前記出力からの前記信号の波形に本質的に比例するように、前記出力バッファ手段の前記出力に電流を供給する、
ことを特徴とする差動リング発振器段。 - 前記第1制御可能電流源は、前記遅延手段の前記第2出力に接続されたベースと、所定の電位を印加されたエミッタと、前記第1出力バッファ手段の前記出力に接続されたコレクタとを持つトランジスタ、好ましくはMOSトランジスタを有することを特徴とする、請求項1に記載の差動リング発振器段。
- 前記第2制御可能電流源は、前記遅延手段の前記第1出力に接続されたベースと、所定の電位を印加されたエミッタと、前記第2出力バッファ手段の前記出力に接続されたコレクタとを持つトランジスタ、好ましくはMOSトランジスタを有することを特徴とする、請求項1又は2に記載の差動リング発振器段。
- 前記所定の電位がゼロ(アース)である、請求項2又は3に記載の差動リング発振器段。
- 請求項1ないし4の少なくとも何れか一項に記載の少なくとも1つの差動リング発振器段を有するリング発振器。
- 請求項5に記載の発振器を有するクロックリカバリ回路。
- 請求項5に記載の少なくとも1つの発振器を含み、周波数同期ループ及び位相同期ループの両方の一部である制御可能発振器手段を有する、請求項6に記載のクロックリカバリ回路。
- 光ファイバチャネル用の受信器であって、
前記光ファイバチャネルに結合されたセンサからの入力信号を受信する入力と、
基準信号として前記入力信号を受信する前記入力に結合された請求項6又は7に記載のクロックリカバリ回路と、
前記クロックリカバリ回路及び前記入力と結合され、前記入力信号及び前記クロックリカバリ回路の出力信号に応答してデジタル出力信号を生成するデータリカバリ回路と、
前記デジタル出力信号を提供する出力と、
を有する光ファイバチャンネル用の受信器。
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