JP2006054593A - Oscillator - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は位相同期ループ回路等に用いられる発振器に関し、特に、発振周波数の調整範囲を広く取ることによって製造歩留まりを向上させることができる発振器に関する。 The present invention relates to an oscillator used for a phase-locked loop circuit or the like, and more particularly to an oscillator that can improve the manufacturing yield by widening the adjustment range of the oscillation frequency.
位相同期ループ回路(PLL: Phase Locked Loop)等において、電圧制御型発振器(VCO: voltage controlled oscillator)が用いられる(例えば、非特許文献1参照)。 In a phase locked loop (PLL) or the like, a voltage controlled oscillator (VCO) is used (for example, see Non-Patent Document 1).
図6は、従来の電圧制御型発振器の回路構成を示す図である。この発振器は、制御電圧VCTRLに応じた周波数を発振する発振器で、奇数個の遅延回路610〜61n−1をリング状に接続したリング型発振器である。 FIG. 6 is a diagram showing a circuit configuration of a conventional voltage controlled oscillator. This oscillator is an oscillator that oscillates at a frequency corresponding to the control voltage V CTRL and is a ring type oscillator in which an odd number of delay circuits 61 0 to 61 n−1 are connected in a ring shape.
各遅延回路は、電源(電源電圧Vdd)と接続され、定電流回路62を介して接地点(接地電圧Vss)と接続されている。また、各遅延回路は、直列に接続されたインバータと1つの遅延部からなる。遅延部としてはMOSバラクタ等の容量性素子が用いられる。
Each delay circuit is connected to a power supply (power supply voltage V dd ), and is connected to a ground point (ground voltage V ss ) via a constant
この発振器の発振周波数は遅延回路の遅延量によって決まる。具体的には、発振器の周波数fと、遅延回路1段あたりの遅延量tpdと、遅延回路の段数Nには次のような関係がある。
f=1/(2×N×tpd) (数式1)
従って、各遅延回路の遅延量を精度良く制御しなければ仕様通りの周波数は得られない。
The oscillation frequency of this oscillator is determined by the delay amount of the delay circuit. Specifically, the frequency f of the oscillator, the delay amount t pd per stage of the delay circuit, and the number N of stages of the delay circuit have the following relationship.
f = 1 / (2 × N × t pd ) (Formula 1)
Therefore, unless the delay amount of each delay circuit is controlled with high accuracy, the frequency as specified cannot be obtained.
この発振器を用いた位相同期ループ回路では、電源電圧や温度の変動、各素子の製造ばらつきにより発振器の発振周波数が外れた場合、発振周波数を検出し、制御電圧VCTRLを変化させる。これにより、容量性素子の容量を変化させて遅延回路の遅延量を調整することで、発振器の発振周波数を調整していた。 In the phase-locked loop circuit using this oscillator, when the oscillation frequency of the oscillator deviates due to fluctuations in power supply voltage, temperature, or manufacturing variation of each element, the oscillation frequency is detected and the control voltage V CTRL is changed. Thus, the oscillation frequency of the oscillator is adjusted by adjusting the delay amount of the delay circuit by changing the capacitance of the capacitive element.
従来の発振器において、各素子の製造ばらつきにより発振器の発振周波数が仕様から大きく外れた等により、制御電圧VCTRLによる調整範囲を超えてしまった場合、制御電圧VCTRLを変化させるだけでは発振周波数を調整できないという問題があった。 In the conventional oscillator, the like the oscillation frequency of the oscillator due to manufacturing variations of each element is largely deviated from the specification, when exceeds the adjustment range of the control voltage V CTRL, only the oscillation frequency changes the control voltage V CTRL There was a problem that it could not be adjusted.
本発明は、上述のような課題を解決するためになされたもので、その目的は、発振周波数の調整範囲を広く取ることによって製造歩留まりを向上させることができる発振器を得るものである。 The present invention has been made to solve the above-described problems, and an object of the present invention is to obtain an oscillator capable of improving the manufacturing yield by widening the adjustment range of the oscillation frequency.
本発明に係る発振器は、リング状に接続された複数の遅延回路とを有する発振器において、各遅延回路は、直列に接続されたインバータ、遅延部及び遅延微調整部を有し、遅延部は、外部から入力された制御電圧に応じた遅延を入力信号に付加し、遅延微調整部は、外部から入力された微調整信号に応じた遅延を入力信号に付加する。本発明のその他の特徴は以下に明らかにする。 The oscillator according to the present invention is an oscillator having a plurality of delay circuits connected in a ring shape, each delay circuit has an inverter, a delay unit and a delay fine adjustment unit connected in series, the delay unit, A delay according to the control voltage input from the outside is added to the input signal, and the delay fine adjustment unit adds a delay according to the fine adjustment signal input from the outside to the input signal. Other features of the present invention will become apparent below.
本発明により、発振周波数の調整範囲を広く取ることによって製造歩留まりを向上させることができる。 According to the present invention, the production yield can be improved by widening the adjustment range of the oscillation frequency.
図1は、本発明の実施の形態に係る電圧制御型発振器の回路構成を示す図である。この発振器は、奇数個(n個)の遅延回路110〜11n−1をリング状に接続したリング型発振器であり、制御電圧VCTRLに応じた周波数を発振する。 FIG. 1 is a diagram showing a circuit configuration of a voltage controlled oscillator according to an embodiment of the present invention. This oscillator is a ring type oscillator in which an odd number (n) of delay circuits 11 0 to 11 n−1 are connected in a ring shape, and oscillates at a frequency corresponding to the control voltage V CTRL .
各遅延回路110〜11n−1は、電源(電源電圧Vdd)と接続され、かつ、定電流回路12を介して接地点(接地電圧Vss)と接続されている。そして、外部のカウンタ等(不図示)から入力された制御電圧VCTRLと、外部の制御回路(不図示)から入力された微調整信号VTUNEに応じて、各遅延回路110〜11n−1が入力信号に付加する遅延量が調整される。
Each of the delay circuits 11 0 to 11 n−1 is connected to a power supply (power supply voltage V dd ), and is connected to a ground point (ground voltage V ss ) via the constant
また、電圧制御回路13は、外部の制御回路から入力された電圧制御信号VCS_SELに応じた電圧を定電流回路12に供給する。そして、定電流回路12は、電圧制御回路13から出力された電圧に応じた電流を各遅延回路110〜11n−1に供給する。各遅延回路110〜11n−1が入力信号に付加する遅延は電流に応じて調整される。
The
ここで、遅延回路の段数をN=7、遅延回路1段あたりの遅延量をtpd=115psとすると、数式1より、発振器の周波数はf=622MHzとなる。この周波数を初期設定値として、遅延量が125psに増加すると周波数はf=571MHzとなり、遅延量が105psに減少するとf=680MHzとなる。このように遅延量を変化させることで周波数を調整することができる。
Here, assuming that the number of stages of the delay circuit is N = 7 and the delay amount per stage of the delay circuit is t pd = 115 ps, from
図2は、各遅延回路110〜11n−1の回路構成を示す図である。各遅延回路110〜11n−1は、直列に接続されたインバータ15、遅延部16及び遅延微調整部17を有する。
FIG. 2 is a diagram illustrating a circuit configuration of each of the delay circuits 11 0 to 11 n−1 . Each delay circuit 11 0 to 11 n−1 includes an
遅延部16として、MOSバラクタ等の容量性素子が用いられる。ここでは、遅延部16はn型のMOSFET18を有する。このMOSFET18は、ゲートがインバータ15の出力端に接続され、ソースとドレインが共通接続されて制御電圧VCTRLが入力される。従って、ゲート絶縁膜を容量絶縁膜とするコンデンサが構成されている。そして、制御電圧VCTRLによってMOSFET18のドレインとソースの接続部の電圧を制御することにより、入力信号の負荷容量を制御する。即ち、遅延部16は、外部から入力された制御電圧VCTRLに応じた遅延を入力信号に付加する。
A capacitive element such as a MOS varactor is used as the
一方、遅延微調整部17では、初期設定がHighのn型のMOSFETと初期設定がLowのn型のMOSFETを1ペアとして、mペアが直列に接続されている。各ペアの初期設定がHighのMOSFET190H〜19(m−1)Hは、ゲートがインバータ15の出力端に接続され、ソースとドレインが共通接続されてそれぞれ微調整信号VTUNE0H〜VTUNE(m−1)Hが入力される。また、各ペアの初期設定がLowのMOSFET190L〜19(m−1)Lは、ゲートがインバータ15の出力端に接続され、ソースとドレインが共通接続されてそれぞれ微調整信号VTUNE0L〜VTUNE(m−1)Lが入力される。そして、遅延微調整部17は、外部から入力された微調整信号VTUNE(VTUNE0H〜VTUNE(m−1)H、VTUNE0L〜VTUNE(m−1)L)に応じた遅延を入力信号に付加する。
On the other hand, in the delay
なお、各ペアのMOSFETのサイズは、微調整信号VTUNEのレベルをHigh(電源電圧Vdd)とLow(接地電圧Vss)で切り替えることで遅延量を調整し、周波数のずれを補正できるように決定されている。また、遅延微調整部17に含まれるペアの数は製造バラツキのマージン分を考慮して決定される。
The size of each pair of MOSFETs is determined so that the level of the fine adjustment signal V TUNE can be switched between High (power supply voltage Vdd) and Low (ground voltage Vss) to adjust the delay amount and correct the frequency shift. Has been. Further, the number of pairs included in the fine
具体的には、第1のペアであるMOSFET190H/0LはVTUNE0H/0LのレベルをHighとLowで切り替えることで発振器の周波数を±10MHz変化させるサイズ(面積)とする。この場合、VTUNE0HをHighからLowにすることで−10MHzが得られ、VTUNE0LをLowからHighにすることで+10MHzが得られる。同様に第2のペアであるMOSFET191H/1LはVTUNE1H/1Lのレベルを切り替えることで発振器の周波数を±30MHz変化させるサイズ、第3のペアであるMOSFET192H/2LはVTUNE2H/2Lのレベルを切り替えることで発振器の周波数を±60MHz変化させるサイズとする。これら3つのペアを組み合わせることで、10MHz刻みで±100MHzの周波数制御が可能となる。なお、トランジスタのサイズは容量に比例するため、上記の場合、MOSFET190H/0Lのサイズ:MOSFET191H/1Lのサイズ:MOSFET192H/2Lのサイズ=1:3:6となる。このように各ペアのトランジスタのサイズを変えることで、全てのペアのトランジスタを同じサイズにするのに比べて、トランジスタの数を減少させることができる。
Specifically,
図3は、電圧制御回路の回路構成を示す図である。オペアンプ21の逆相入力端子には、n型のMOSFET22のソースと、抵抗23の一端が接続されている。また、n型のMOSFET22のドレイン及びゲートは電源に接続され、抵抗23の他端は接地点に接続されている。
FIG. 3 is a diagram illustrating a circuit configuration of the voltage control circuit. The source of the n-type MOSFET 22 and one end of the
オペアンプ21の正相入力端子には、抵抗240〜242の一端と、n型のMOSFET25のドレインが接続されている。そして、MOSFET25のソースは接地点に接続されている。また、抵抗240〜242の他端には、それぞれp型のMOSFET260〜262のドレインと、n型のMOSFET270〜272のソースが接続されている。そして、MOSFET260〜262のソースと、MOSFET270〜272のドレインは電源に接続されている。さらに、MOSFET260〜262のゲートにはそれぞれインバータ280〜282を介して、MOSFET270〜272のゲートには直接に、それぞれ電圧制御信号VCS_SEL0〜VCS_SEL2が入力される。即ち、トランスファーゲートを用いたアナログスイッチの構成となっている。これにより、電圧制御回路において、電圧制御信号VCS_SEL0〜VCS_SEL2の設定によりMOSFET25に流れる電流量が変化し、オペアンプ21の出力電圧の変化をもたらす。
One end of resistors 24 0 to 24 2 and the drain of n-
また、オペアンプ21の出力端子には、MOSFET25のゲートと、コンデンサ29の一端が接続される。コンデンサ29の他端は接地点に接続されている。
The output terminal of the
以上の構成を有する電圧制御回路13は、電源電圧や温度の変動に対して、オペアンプによるフィードバックを利用して出力する電圧を一定に保つことができる。これにより、定電流回路12から遅延回路に供給する電流を一定に保ち、発振器の発振周波数を一定に保つことができる。
The
また、電圧制御信号VCS_SEL0〜VCS_SEL2を切り替えることで、電圧制御回路13から定電流回路12に供給する電圧を調整することができる。これにより、大きな製造ばらつきにより発振器の発振周波数が理想値から大きくずれている場合でも、電圧制御回路13から定電流回路12に供給する電圧を調整し、定電流回路12から遅延回路に供給する電流を変化させて、発振器の発振周波数を理想値に近づけることができる。
Further, the voltage supplied from the
例えば、設定値として、VCS_SEL0をHigh、VCS_SEL1をLow、VCS_SEL2をLow、抵抗240の抵抗値を3100Ω、抵抗241の抵抗値を2200Ω、抵抗242の抵抗値を4800Ωとした場合、電圧設定回路13から定電流回路12に供給される電圧が0.86V、遅延回路に供給される電流が1.06mAとなる。
For example, if a set value, and the V CS_SEL0 High, Low and V CS_SEL1, Low and V CS_SEL2, 3100Ω resistance value of the resistor 24 0, 2200Omu the resistance value of the resistor 24 1, the resistance value of the resistor 24 2 and 4800Ω The voltage supplied from the
この状態からVCS_SEL0をHighからLow、VCS_SEL1をLowからHighにすると、定電流回路に供給される電圧が1.01V、遅延回路に供給される電流が1.38mAとなる。この結果、発振器の発振周波数を110MHz高くすることができる。 From this state, when V CS_SEL0 is changed from High to Low and V CS_SEL1 is changed from Low to High, the voltage supplied to the constant current circuit is 1.01 V, and the current supplied to the delay circuit is 1.38 mA. As a result, the oscillation frequency of the oscillator can be increased by 110 MHz.
また、VCS_SEL0をHighからLow、VCS_SEL2をLowからHighにすると、定電流回路に供給される電圧が0.72V、遅延回路に供給される電流が0.77mAとなる。この結果、発振器の発振周波数を110MHz低くすることができる。 Further, when V CS_SEL0 is changed from High to Low and V CS_SEL2 is changed from Low to High, the voltage supplied to the constant current circuit is 0.72V and the current supplied to the delay circuit is 0.77 mA. As a result, the oscillation frequency of the oscillator can be lowered by 110 MHz.
このように定電流回路から遅延回路に供給される電流が多いと遅延量が減少して発振周波数は上がり、逆に、定電流回路から遅延回路に供給される電流が少ないと遅延量が増大して発振周波数は下がる。 In this way, if the current supplied from the constant current circuit to the delay circuit is large, the delay amount decreases and the oscillation frequency increases. Conversely, if the current supplied from the constant current circuit to the delay circuit is small, the delay amount increases. As a result, the oscillation frequency decreases.
図4は、理想状態及び最大変動状態について制御電圧と発振周波数の関係を示す図である。理想状態では、制御電圧を1.3V程度に調整すれば、発振器の発振周波数を仕様の発振周波数622MHzを発振することができる。また、理想状態を基準として電源電圧や温度が最も変動した最大変動状態であっても、制御電圧を変化させるだけで仕様の周波数622MHzを発振することができる。 FIG. 4 is a diagram showing the relationship between the control voltage and the oscillation frequency in the ideal state and the maximum variation state. In the ideal state, if the control voltage is adjusted to about 1.3 V, the oscillation frequency of the oscillator can oscillate at the specified oscillation frequency of 622 MHz. Further, even in the maximum fluctuation state in which the power supply voltage and the temperature fluctuate most with respect to the ideal state, the specified frequency of 622 MHz can be oscillated only by changing the control voltage.
図5は、理想状態、高周波状態及び調整後の状態について制御電圧に対する発振器の発振周波数の関係を示す図である。製造ばらつきによって発振器の特性が高周波側にずれた高周波状態では、制御電圧を調整しても発振器の発振周波数を仕様の発振周波数622MHzにすることはできない。これに対し、VTUNEとVCS_SELの信号レベルを設定することで、高周波状態を理想状態に近づけるよう調整することができる。また、理想状態よりも低周波側にずれた場合でも同様に調整することができる。 FIG. 5 is a diagram showing the relationship of the oscillation frequency of the oscillator with respect to the control voltage in the ideal state, the high frequency state, and the adjusted state. In a high frequency state where the characteristics of the oscillator are shifted to the high frequency side due to manufacturing variations, even if the control voltage is adjusted, the oscillation frequency of the oscillator cannot be set to the specified oscillation frequency of 622 MHz. On the other hand, by setting the signal levels of V TUNE and V CS_SEL , the high frequency state can be adjusted to approach the ideal state. Further, the same adjustment can be performed even when the frequency shifts to a lower frequency side than the ideal state.
このVTUNEとVCS_SELの信号レベルの設定は、IC組み立て時に予め行っておくと良い。これにより、製造ばらつきにより発振器が理想状態から大きくずれていても、ユーザの使用時には理想状態に調整していることになる。従って、ユーザの使用時にはVTUNEとVCS_SELの信号レベルの設定を意識することなく、制御電圧を変化させるだけで仕様の周波数を発振することが出来る。 The signal levels of V TUNE and V CS_SEL may be set in advance when the IC is assembled. As a result, even if the oscillator is largely deviated from the ideal state due to manufacturing variations, it is adjusted to the ideal state when used by the user. Therefore, the frequency of the specification can be oscillated only by changing the control voltage without being conscious of the setting of the signal levels of V TUNE and V CS_SEL at the time of use by the user.
以上説明したように、本発明の実施の形態に係る電圧制御型発振器ならば、発振周波数の調整範囲を広く取ることによって製造歩留まりを向上させることができる。 As described above, the voltage controlled oscillator according to the embodiment of the present invention can improve the manufacturing yield by widening the adjustment range of the oscillation frequency.
なお、プロセスルールが0.13μmのCMOSを用いることで、この発振器は、3mA、7mWの低消費電力で、レイアウト面積が260×290μm=75400μm2の超小型の発振器とすることができる。 Note that by using a CMOS with a process rule of 0.13 μm, this oscillator can be a very small oscillator with a low power consumption of 3 mA and 7 mW and a layout area of 260 × 290 μm = 75400 μm 2 .
また、上記の実施の形態では、電圧を切り替えて容量を変化させる方法で遅延量を調整しているが、これに限らず、電流を切り替えて容量を変化させる方法や、抵抗を用いる方法で遅延量を調整してもよい。 In the above embodiment, the delay amount is adjusted by changing the voltage by changing the voltage. However, the present invention is not limited to this, and the delay is changed by changing the current and changing the capacitance, or by using a resistor. The amount may be adjusted.
110〜11n-1 遅延回路
12 定電流回路
13 電圧制御回路
15 インバータ
16 遅延部
17 遅延微調整部
18,190L〜19(m−1)L,190H〜19(m−1)H MOSFET
11 0 to 11 n−1
Claims (3)
各遅延回路は、直列に接続されたインバータ、遅延部及び遅延微調整部を有し、
前記遅延部は、外部から入力された制御電圧に応じた遅延を入力信号に付加し、
前記遅延微調整部は、外部から入力された微調整信号に応じた遅延を前記入力信号に付加することを特徴とする発振器。 In an oscillator having a plurality of delay circuits connected in a ring shape,
Each delay circuit has an inverter, a delay unit, and a delay fine adjustment unit connected in series,
The delay unit adds a delay according to a control voltage input from the outside to the input signal,
The delay fine adjustment unit adds a delay corresponding to a fine adjustment signal input from the outside to the input signal.
前記電圧制御回路は、外部から入力された電圧制御信号に応じた電圧を前記定電流回路に供給し、
前記定電流回路は、前記電圧に応じた電流を前記各遅延回路に供給し、
前記各遅延回路が前記入力信号に付加する遅延は前記電流に応じて調整されることを特徴とする請求項1に記載の発振器。 A constant current circuit and a voltage control circuit;
The voltage control circuit supplies a voltage according to a voltage control signal input from the outside to the constant current circuit,
The constant current circuit supplies a current corresponding to the voltage to each delay circuit,
The oscillator according to claim 1, wherein a delay added to the input signal by each delay circuit is adjusted according to the current.
定電流回路と、
電圧制御回路とを有し、
前記電圧制御回路は、外部から入力された電圧制御信号に応じた電圧を前記定電流回路に供給し、
前記定電流回路は、前記電圧に応じた電流を前記各遅延回路に供給し、
前記各遅延回路が前記入力信号に付加する遅延は前記電流に応じて調整されることを特徴とする発振器。 A plurality of delay circuits connected in a ring;
A constant current circuit;
A voltage control circuit,
The voltage control circuit supplies a voltage according to a voltage control signal input from the outside to the constant current circuit,
The constant current circuit supplies a current corresponding to the voltage to each delay circuit,
The delay added to the input signal by each delay circuit is adjusted according to the current.
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