JP2005533443A - 周波数安定化リングオシレータ - Google Patents

Abstract

電流制御リングオシレータ（３００）はこのリングオシレータ（３００）の各反転段（１１０）に電流を供給するために単一の制御された電流源を用いる。制御された電流はプロセス、電圧、又は、温度状態を補償するよう動的に調整される。広いレンジのプロセス、電圧、又は、温度変化に渡ってすべての反転段（１１０）に制御された電流を供給する比較的簡単な回路（３５０）が用いられる。

Description

この発明は、電子回路の分野に関し、そして、特に、様々なプロセス、電圧、そして、温度条件に渡って安定した周波数を供給するリングオシレータに関する。

リングオシレータはこの分野では一般的であり、直列リング構造に接続された奇数個の反転器を備える。図１は５個の反転器１１０がリング状に接続されたリングオシレータ１００を例として示している。バッファ１２０がオシレータ１００の出力を負荷（図示しない）に供給し、そして、オシレータ１００を負荷から分離させている。リング内に奇数個の反転器１１０があるので、各反転器は継続して状態をスイッチングする。オシレータ１００の発振周波数は反転器が状態をスイッチングしたときの速度により決まり、それは主に反転器１１０に使われている素子サイズにより決まる。スイッチング速度はオシレータ１００の製造プロセスのパラメータ、動作温度、そして、供給電圧（Ｖｄｄ−Ｖｓｓ）に依存する。典型的なレンジ、即ち、プロセス・パラメータ（低、中、高）、温度（０乃至１２０°Ｃ）、そして、供給電圧（１．６乃至２．０Ｖ）では発振周波数は公称値から４０％程変化しうる。

１９９４年７月１９日にJelinek et al. に与えられた米国特許５，３３１，２９５”VOLTAGE CONTROLLED OSCILLATOR WITH EFFICIENT PROCESS COMPENSATION”はプロセス、電圧、そして、温度変化を補償して制御された発振周波数を供給する電流制御リングオシレータ１００を教示している。図２はJelinek et al. により教示されたリングオシレータ２００を例として示している。各反転器段１１０の電流が電流制限トランジスタ２１０，２１５により制御される。電流制御器２５０が各電流制限トランジスタ２１０を制御する。トランジスタ・ペア２３０，２３５が対応する電流制限トランジスタ２１５に等しい電流を供給するよう構成されている。

この発明の目的は、様々なプロセス、電圧、そして、温度変化に対して安定な発振周波数を供給する簡単且つ効果的な手段を提供することである。この発明のさらなる目的は、プロセス、電圧、そして、温度変化に対して安定で、この安定性をもたらすのに非常に素子数が少ないリングオシレータを提供することである。

これらのそしてさらなる目的は、オシレータ中の反転段数に無関係に単一の制御された電流源を用いる電流制御オシレータにより達成される。制御された電流はプロセス、電圧、又は、温度状態における変化を補償するよう動的に調整される。広いレンジのプロセス、電圧、又は、温度変化に渡ってすべての反転段に制御された電流を供給する比較的簡単な回路が用いられる。

この発明が例を挙げ、図面を参照してさらに詳細に説明される。

全図面を通じて同じ参照番号は同様又は対応する特徴又は機能を示す。

図３Ａ，３Ｂは各々、この発明のプロセス、電圧、そして、温度補償を伴うリングオシレータ３００のブロックダイアグラム、回路図の例を示す。電流源３５０がほぼ一定な電流を供給し、これがリングオシレータ３００の各反転器段１１０へ動作電流を供給するのに用いられる。このほぼ一定な電流は、後でさらに詳細に説明されるように、電圧、温度、そして、プロセス変化を補償するように制御される。即ち、この制御された電流は、電圧、温度、そして、プロセス状態という特定の組み合わせに依存して動的に変化する電流値においてほぼ一定な電流である。

各反転段１１０のスイッチングは各反転段内のキャパシタに対して充放電を繰り返すことにより行われる。図２の従来のリングオシレータ２００は各反転段へ供給される電流を制御することにより周波数制御を行い、それにより、各反転段のキャパシタに対する充放電に必要な時間を制御する。

この出願の発明は、リングオシレータ特有の対称性により比較的安定な全電流が、又は、少なくとも対称的な電流が繰り返し生成されるということを前提としている。すべての反転段１１０に制御された電流を供給することにより、時間毎電流消費がほぼ一定となり、従って、発振周波数が一定となる。この特有の対称性を認識することにより、図２の従来のリングオシレータ２００のような格段に各々独立した電流制御が不要となり、リングオシレータ２００と比較して安価で簡単な形態となる。

リングカウンタの発振周波数が限定された変動内で制御されるように、広いレンジのプロセス、電圧、そして、温度変化に対して制御された電流を供給するように電流源３５０が構成される。リングオシレータの動作温度が上がるとスイッチング速度が遅くなるので発振周波数を低くする。ある簡単な実施形態では、従来のＰＴＡＴ（絶対温度に比例）電流源が温度と共に増加する電流を供給してこの周波数低下を補償するのに用いられてもよい。必要な補償の程度は従来の回路シミュレーション・ツール且つ又は回路最適化ツールを用いて決めることができる。

同様にして、プロセス・パラメータに関しては、リングオシレータ内のトランジスタの閾値電圧に反比例して、さらに、トランジスタの利得又はベータに対して直接反比例してスイッチング速度が変化する。従って、ある好ましい実施形態では、電流源３５０が、さらに、トランジスタの閾値電圧が上昇し、そして、トランジスタ・ベータが低下すると供給電流を増加するように構成される。

さらに好ましくは、電流源３５０は、供給電圧に対して実質的に独立した、上記の、温度補償され且つ又はプロセス補償された電流を供給するように構成される。例えば、この分野では一般的な、バイポーラ又は電界効果型回路を用いて実装されうる、バンドキャップ電圧基準では、通常、その一つ又はそれ以上のブランチにＰＴＡＴ電流が流れる。

図３Ｂに示されている好ましい実施形態では、電流源３５０は、直列接続トランジスタ３５４を介して電流を制御する一組の直列接続された抵抗Ｒ１ ３５１、Ｒ２ ３５２を備える。直列抵抗３５１、３５２間の共通ノードからトランジスタ３５４のゲートに制御電圧が供給され、そして、直列接続の末端ノードからトランジスタ３５４を介して電流が供給される。直列接続の末端ノードからはさらにトランジスタ３５６のゲートに制御電圧が供給され、これが、ミラー構成３５９を介して制御された電流ｉを供給する。与えられたプロセス、温度、そして、電圧状態の組み合わせに対して比較的一定な発振周波数を供給するように、従来の回路シミュレーション及び最適化技術を用いてＲ１，Ｒ２の値，そして、トランジスタ３５４、３５６のサイズが決められる。ある実施形態の例では、典型的なレンジ、即ち、プロセス・パラメータ（低、中、高）、温度（０乃至１２０°Ｃ）、そして、供給電圧（１．６乃至２．０Ｖ）での発振周波数の変化が１０％未満となるように以下の値が与えられる。
Ｒ１ ＝ １１６．７ＫΩ
Ｒ２ ＝ １０．４ＫΩ
Ｔ３５４： 幅４μｍ、長さ１．０６μｍ
Ｔ３５６： 幅８．４２μｍ、長さ３．２μｍ

この結果は、上記の図１の従来のリングオシレータ１００の典型的な４０％変化と比べて非常に好ましい。図４に３５０‘として示された従来のＰＴＡＴ電流源を用いても同様な結果が得られた。

図３Ｂと図４の回路例では電界効果型トランジスタが用いられたが、制御された電流ｉを供給するのに他の技術、例えば、バイポーラを用いることができることをこの分野の当業者であれば分かることである。上記のように、制御された電流ｉは、好ましくは、
温度と共に増加し、
トランジスタ閾値電圧と共に増加し、
トランジスタ・ベータに対して減少し、
供給電圧と共に一定である。

上記記載はこの発明の原理を示したに過ぎない。ここには明瞭に記載又は示されていないが、この発明の原理を具現化し、以下の請求項の精神並び範囲から外れることなく様々な態様を考案できることはこの分野の当業者であれば理解できるところである。

従来のリングオシレータのブロックダイアグラムの例を示す。 プロセス、電圧、そして、温度補償を伴う従来のリングオシレータのブロックダイアグラムの例を示す。 この発明のプロセス、電圧、そして、温度補償を伴うリングオシレータのブロックダイアグラムの例を示す。 この発明のプロセス、電圧、そして、温度補償を伴うリングオシレータの回路図の例を示す。 従来の温度補償電流源の回路図の例を示す。

Claims (12)

1. 制御された電流出力を供給するように構成された電流発生器と、
   動作可能にリング状に結合され、そして、動作可能に前記電流発生器に結合された奇数個の反転段とを備え、
   前記反転段は前記制御された電流出力により共通に駆動されることを特徴とするリングオシレータ。
2. 前記電流発生器は、
   第一の電圧源と第一のノードとの間に動作可能に結合された第一の抵抗器と、
   前記第一のノードと第二のノードとの間に動作可能に結合された第二の抵抗器と、
   前記第一のノードに動作可能に結合されたゲートと、
   前記第二のノードに動作可能に結合された第一の端子と、
   第二の電圧源に動作可能に結合され、前記第一の端子との間の電流の流れが前記ゲートにより制御される第二の端子とを有する第一のトランジスタと、
   前記第二のノードに動作可能に結合されたゲートと、
   前記第二の電圧源に動作可能に結合された第一の端子と、
   前記制御された電流出力に動作可能に結合され、前記第一の端子との間の電流の流れが前記ゲートにより制御される第二の端子とを有する第二のトランジスタとを備えたことを特徴とする請求項１に記載のリングオシレータ。
3. 前記電流発生器はさらに前記第二のトランジスタの前記第二の端子と前記制御された電流出力との間に動作可能に結合されたカレントミラーを備えた特徴とする請求項２に記載のリングオシレータ。
4. 各反転段は、
   前の反転段に動作可能に結合されたゲートと、
   前記制御された電流出力に動作可能に結合された第一の端子と、
   次の反転段に動作可能に結合され、前記第一の端子との間の電流の流れが前記ゲートにより制御される第二の端子とを有する第三のトランジスタと、
   前記前の反転段に動作可能に結合されたゲートと、
   前記次の反転段に動作可能に結合された第一の端子と、
   前記第二の電圧源に動作可能に結合され、前記第一の端子との間の電流の流れが前記ゲートにより制御される第二の端子とを有する第四のトランジスタとを備えたことを特徴とする請求項３に記載のリングオシレータ。
5. 広いレンジのプロセス、電圧、そして、温度変化に渡ってほぼ安定した発振周波数を発生ために前記制御された電流出力が供給されるように、前記第一のトランジスタと前記第二のトランジスタとの抵抗値と、前記第一のトランジスタと前記第二のトランジスタとのサイズ値が決められることを特徴とする請求項２に記載のリングオシレータ。
6. 前記電流発生器は少なくとも、
   動作温度の上昇、
   閾値電圧の上昇、
   ベータの減少のいずれか一つを基に前記制御された電流出力を増加させるように構成されたことを特徴とする請求項１に記載のリングオシレータ。
7. 前記電流発生器は該電流発生器への供給電圧の変化に無関係に前記制御された電流出力を供給するように構成されたことを特徴とする請求項１に記載のリングオシレータ。
8. 各反転段は、
   前の反転段に動作可能に結合されたゲートと、
   前記制御された電流出力に動作可能に結合された第一の端子と、
   次の反転段に動作可能に結合され、前記第一の端子との間の電流の流れが前記ゲートにより制御される第二の端子とを有する第一のトランジスタと、
   前記前の反転段に動作可能に結合されたゲートと、
   前記次の反転段に動作可能に結合された第一の端子と、
   電圧源に動作可能に結合され、前記第一の端子との間の電流の流れが前記ゲートにより制御される第二の端子とを有する第二のトランジスタとを含むことを特徴とする請求項１に記載のリングオシレータ。
9. 前記電流発生器はＰＴＡＴ電流発生器を含むことを特徴とする請求項１に記載のリングオシレータ。
10. 複数の反転段を含むリングオシレータの出力周波数を制御する方法であって、
    制御された電流出力を供給し、
    前記制御された電流出力を前記リングオシレータの前記複数の反転段の各反転段に供給することを特徴とする方法。
11. 動作温度の上昇、
    前記複数の反転段の閾値電圧の上昇、
    前記複数の反転段のベータの減少の少なくともいずれか一つを基に前記制御された電流出力を増加させることを特徴とする請求項１０に記載の方法。
12. 前記制御された電流は該制御された電流を供給する電圧源の変化に無関係にほぼ一定であることを特徴とする請求項１０に記載の方法。

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