JP2009253829A - Oscillator circuit - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、発振回路に関し、特に発振回路の低電圧、高速化技術に関する。 The present invention relates to an oscillation circuit, and more particularly to a technique for reducing the voltage and speed of the oscillation circuit.
近年、CPUの高速化やDDR等の高速インタフェースの低電圧、低消費電流での実現要求に伴い、発振回路にも低電圧での高速動作が必要となっている。このような発振回路として、遅延回路をリング状に縦続接続したリングオシレータおよびその変形回路が広く知られている。 In recent years, along with demands for realizing high-speed interfaces such as CPUs and high-speed interfaces such as DDR with low voltage and low current consumption, high-speed operation with low voltage is also required for oscillation circuits. As such an oscillation circuit, a ring oscillator in which delay circuits are cascade-connected in a ring shape and a modified circuit thereof are widely known.
図5は、特許文献1の発振回路を構成する遅延回路の回路図であり、図6は、この遅延回路を使用した発振回路の回路図である。まず、図5の構成について説明する。 FIG. 5 is a circuit diagram of a delay circuit constituting the oscillation circuit of Patent Document 1, and FIG. 6 is a circuit diagram of an oscillation circuit using the delay circuit. First, the configuration of FIG. 5 will be described.
図5の遅延回路は、トランジスタ25と26による第1の増幅器およびトランジスタ28と30による第2の増幅器とによって差動対を構成し、第1および第2の増幅器の出力をそれぞれ相互接続するトランジスタ27による第3の増幅器およびトランジスタ29による第4の増幅器と、トランジスタ31および32による可変電流源によって構成される。容量素子33と34は、出力端子Vout1と出力端子Vout2と、次段の入力端子の間に寄生する容量を示している。
The delay circuit of FIG. 5 is a transistor that forms a differential pair with a first amplifier composed of transistors 25 and 26 and a second amplifier composed of transistors 28 and 30, and interconnects the outputs of the first and second amplifiers. 27, a fourth amplifier by a transistor 29, and a variable current source by
次に、このような構成の遅延回路における動作について説明する。第1および第2の増幅器は反転増幅器(インバータ回路)であって、入力の反転を出力する。第3および第4の増幅器は、差動対の出力である出力端子Vout1と出力端子Vout2間にフィードフォワード接続され、差動対出力の間に生じた微小な電位差を検出し、差動対出力を強制的に電源側またはグランド側に動作させる。仮に差動対の入力であるVin1、Vin2が共にグランドレベルであっても、デバイスノイズ等によって差動対出力に生じた微小差電位を増幅し、差動対出力が逆相出力となるように作用する。 Next, the operation of the delay circuit having such a configuration will be described. The first and second amplifiers are inverting amplifiers (inverter circuits), and output an inverted input. The third and fourth amplifiers are feedforward connected between the output terminal Vout1 and the output terminal Vout2 which are outputs of the differential pair, detect a minute potential difference generated between the differential pair outputs, and output the differential pair output. Forcibly operate on the power supply side or ground side. Even if Vin1 and Vin2 that are inputs of the differential pair are both at the ground level, a minute difference potential generated at the output of the differential pair due to device noise or the like is amplified so that the output of the differential pair becomes a reverse phase output. Works.
さらに、可変電流源の電流は、VcontpおよびVcontnの電圧を変更することで可変される。可変電流源の電流を変更することで、遅延回路における入力から出力までの遅延を変更することが可能である。 Furthermore, the current of the variable current source can be varied by changing the voltages Vcontp and Vcontn. By changing the current of the variable current source, the delay from the input to the output in the delay circuit can be changed.
次に、発振回路の構成について説明する。図6は、図5の遅延回路18−d、18−e、18−f、18−gを縦続接続し、最終段の遅延回路18−gの出力端子Vout1と出力端子Vout2をそれぞれ初段の遅延回路18−dの入力端子Vin2とVin1に交差するように接続している。 Next, the configuration of the oscillation circuit will be described. 6 includes the delay circuits 18-d, 18-e, 18-f, and 18-g of FIG. 5 connected in cascade, and the output terminal Vout1 and the output terminal Vout2 of the final-stage delay circuit 18-g are respectively connected to the first-stage delays. The circuit 18-d is connected so as to cross the input terminals Vin2 and Vin1.
次に、このような構成の発振回路の動作を説明する。遅延回路18−dのVin1がハイレベル、Vin2がローレベルであったとすると、遅延回路18−d、18−e、18−fおよび18−gの出力端子Vout1はハイレベル、遅延回路18−d、18−e、18−fおよび18−gの出力端子Vout2はローレベルとなる。遅延回路18−gの出力信号対を交差して遅延回路18−dの入力端子に帰還しているので、遅延回路18−dのVin1はハイレベルからローレベルに遷移し、遅延回路18−dのVin2はローレベルからハイレベルに遷移する。これにより、遅延回路18−d、18−e、18−fおよび18−gの出力において、順次、出力端子Vout1はローレベルに遷移し、出力端子Vout2はハイレベルに遷移する。さらに、帰還によって遅延回路18−dのVin1はローレベルからハイレベルに遷移し、遅延回路18−dのVin2はハイレベルからローレベルに遷移する。これを繰り返すことで発振動作が行われる。 Next, the operation of the oscillation circuit having such a configuration will be described. If Vin1 of the delay circuit 18-d is at a high level and Vin2 is at a low level, the output terminal Vout1 of the delay circuits 18-d, 18-e, 18-f and 18-g is at a high level, and the delay circuit 18-d , 18-e, 18-f, and 18-g output terminals Vout2 are at a low level. Since the output signal pair of the delay circuit 18-g is crossed and fed back to the input terminal of the delay circuit 18-d, Vin1 of the delay circuit 18-d changes from high level to low level, and the delay circuit 18-d. Vin2 of the signal transitions from a low level to a high level. Thereby, in the outputs of the delay circuits 18-d, 18-e, 18-f, and 18-g, the output terminal Vout1 sequentially transitions to the low level, and the output terminal Vout2 transitions to the high level. Further, Vin1 of the delay circuit 18-d transits from the low level to the high level by feedback, and Vin2 of the delay circuit 18-d transits from the high level to the low level. The oscillation operation is performed by repeating this.
先に述べたように、VcontpおよびVcontnの電圧を変更することで、各遅延回路の遅延を変更することが可能であって、これにより、発振回路における発振周波数を変更することが可能となる。 As described above, by changing the voltages of Vcontp and Vcontn, the delay of each delay circuit can be changed, and thus the oscillation frequency in the oscillation circuit can be changed.
なお、関連して、全てがインバータ回路で構成される発振回路が特許文献2に記載されている。
Relatedly,
以下の分析は本発明において与えられる。 The following analysis is given in the present invention.
図5の第3、第4の増幅器を構成するトランジスタ27、29は、ゲート容量が各々出力端子Vout1、Vout2の負荷容量となっている。さらにドレインは各々出力端子Vout2、Vout1に接続されており、発振動作時に、出力端子Vout1と出力端子Vout2は逆相で動作する。この場合、ゲート容量は負荷容量としてミラー効果によってゲイン倍されて、出力端子Vout1、Vout2に加わることになる。 The transistors 27 and 29 constituting the third and fourth amplifiers in FIG. 5 have gate capacities as load capacities of the output terminals Vout1 and Vout2, respectively. Further, the drains are connected to the output terminals Vout2 and Vout1, respectively, and the output terminal Vout1 and the output terminal Vout2 operate in opposite phases during the oscillation operation. In this case, the gate capacitance is multiplied by the gain by the Miller effect as a load capacitance and added to the output terminals Vout1 and Vout2.
図6の発振回路において、遅延回路18−dの出力端子Vout1および出力端子Vout2が共にローレベル、18−eの出力端子Vout1および出力端子Vout2は共にハイレベル、遅延回路18−fの出力端子Vout1および出力端子Vout2は共にローレベル、遅延回路18−gの出力端子Vout1および出力端子Vout2は共にハイレベルとなり、発振しない状態となりうる。これを回避するため、第3、第4の増幅器を構成するトランジスタ27、29は、Vin1およびVin2が共にローレベルであっても出力端子Vout1と出力端子Vout2が逆相出力となるよう、トランジスタ25、28のゲートがローレベルのときの電流能力に対して、トランジスタ27、29のゲートがハイレベルのときの電流能力が、27、29の方が大きくなるように、概ねトランジスタ25、28と同等のディメンジョンに設定される。従ってトランジスタ27、29のゲート容量は、次段のゲート容量に対して無視できないものである。 In the oscillation circuit of FIG. 6, both the output terminal Vout1 and the output terminal Vout2 of the delay circuit 18-d are low level, the output terminal Vout1 and the output terminal Vout2 of 18-e are both high level, and the output terminal Vout1 of the delay circuit 18-f. Both the output terminal Vout2 and the output terminal Vout2 of the delay circuit 18-g are at a low level, and the output terminal Vout2 and the output terminal Vout2 are both at a high level. In order to avoid this, the transistors 27 and 29 constituting the third and fourth amplifiers are arranged so that the output terminal Vout1 and the output terminal Vout2 are in reverse phase output even when both Vin1 and Vin2 are at a low level. The current capability when the gates of the transistors 27 and 29 are at a high level is approximately the same as that of the transistors 25 and 28, so that the current capability when the gates of the transistors 27 and 29 are at a high level. Is set to the dimension. Therefore, the gate capacitance of the transistors 27 and 29 cannot be ignored with respect to the gate capacitance of the next stage.
以上のような発振回路において、出力端子Vout1、Vout2の負荷容量は、次段のゲート容量に加えて、トランジスタ27、29のゲート容量と、ミラー効果によってゲイン倍されたトランジスタ29、27のゲート容量が加わるため、充分に高速な発振動作ができない虞がある。 In the oscillation circuit as described above, the load capacitances of the output terminals Vout1 and Vout2 are the gate capacitance of the transistors 27 and 29 in addition to the gate capacitance of the next stage, and the gate capacitance of the transistors 29 and 27 multiplied by the gain by the Miller effect. Therefore, there is a possibility that a sufficiently high-speed oscillation operation cannot be performed.
本発明の1つのアスペクト(側面)に係る発振回路は、一方の入力端の信号を反転して一方の出力端に出力し、他方の入力端の信号を反転して他方の出力端に出力する第1〜第N(Nは3以上の奇数)のインバータ回路対と、NAND回路・NOR回路対と、を備え、第1のインバータ回路対は、一方の入力端をNOR回路の出力端と接続し、他方の入力端をNAND回路の出力端と接続し、K=2〜N(ただしKは整数)に対して、第Kのインバータ回路対は、一方の入力端を第K−1のインバータ回路対の一方の出力端と接続し、他方の入力端を第K−1のインバータ回路対の他方の出力端と接続し、NAND回路は、2入力を有し、一方の入力端を第Nのインバータ回路対の一方の出力端と接続し、他方の入力端を第N−1のインバータ回路対の他方の出力端と接続し、NOR回路は、2入力を有し、一方の入力端を第Nのインバータ回路対の他方の出力端と接続し、他方の入力端を第N−1のインバータ回路対の一方の出力端と接続する。 An oscillation circuit according to one aspect (side surface) of the present invention inverts a signal at one input end and outputs the inverted signal to one output end, and inverts a signal at the other input end and outputs the inverted signal to the other output end. A first to N-th (N is an odd number of 3 or more) inverter circuit pair and a NAND circuit / NOR circuit pair, and the first inverter circuit pair has one input terminal connected to the output terminal of the NOR circuit The other input terminal is connected to the output terminal of the NAND circuit, and for K = 2 to N (where K is an integer), the Kth inverter circuit pair has one input terminal connected to the (K−1) th inverter. One output terminal of the circuit pair is connected, the other input terminal is connected to the other output terminal of the (K−1) th inverter circuit pair, the NAND circuit has two inputs, and one input terminal is connected to the Nth input terminal. Is connected to one output terminal of the inverter circuit pair, and the other input terminal is connected to the (N-1) th inverter. The NOR circuit has two inputs connected to the other output terminal of the circuit pair, one input terminal is connected to the other output terminal of the Nth inverter circuit pair, and the other input terminal is connected to the (N-1) th. Connected to one output terminal of the inverter circuit pair.
本発明の他のアスペクト(側面)に係る発振回路は、N(Nは2以上の整数)段構成の遅延回路から構成され、K=2〜N(ただしKは整数)に対して、第K段の遅延回路は、一方の入力端を第K−1段の遅延回路の一方の出力端に接続し、他方の入力端を第K−1段の遅延回路の他方の出力端に接続し、第1段の遅延回路は、Nが奇数の場合に、一方の入力端を第N段の遅延回路の一方の出力端に接続し、他方の入力端を第N段の遅延回路の他方の出力端に接続し、Nが偶数の場合に、一方の入力端を第N段の遅延回路の他方の出力端に接続し、他方の入力端を第N段の遅延回路の一方の出力端に接続し、各段の遅延回路は、差動的に動作可能であって、一方の入力端の信号を反転して一方の出力端に出力し、他方の入力端の信号を反転して他方の出力端に出力するインバータ回路対と、一方の入力端の信号を反転して一方の出力端に出力する第1のインバータ回路と、他方の入力端の信号を反転して他方の出力端に出力する第2のインバータ回路と、ソースを接地し一方の出力端にゲートを接続し他方の出力端にドレインを接続する第1のFETと、ソースを接地し他方の出力端にゲートを接続し一方の出力端にドレインを接続する第2のFETと、を含む差動回路と、のいずれかで構成され、少なくとも1以上のインバータ回路対と1以上の差動回路とを含む。 An oscillation circuit according to another aspect (side surface) of the present invention includes an N (N is an integer of 2 or more) stage delay circuit, and for K = 2 to N (where K is an integer), The stage delay circuit has one input terminal connected to one output terminal of the (K-1) th stage delay circuit, and the other input terminal connected to the other output terminal of the (K-1) th stage delay circuit, When N is an odd number, the first stage delay circuit connects one input terminal to one output terminal of the Nth delay circuit and the other input terminal to the other output of the Nth delay circuit. When N is an even number, one input terminal is connected to the other output terminal of the Nth stage delay circuit, and the other input terminal is connected to one output terminal of the Nth stage delay circuit. The delay circuit at each stage can operate differentially, inverts the signal at one input terminal and outputs it to one output terminal, and inverts the signal at the other input terminal. A pair of inverter circuits that output to the other output terminal, a first inverter circuit that inverts the signal at one input terminal and outputs it to one output terminal, and a signal from the other input terminal that inverts the other output terminal A second inverter circuit that outputs to the first FET, a first FET that grounds the source and has a gate connected to one output terminal and a drain connected to the other output terminal, and a ground that connects the source and a gate connected to the other output terminal And a second FET having a drain connected to one of the output terminals, and includes at least one or more inverter circuit pairs and one or more differential circuits.
本発明によれば、遅延回路をリング状に縦続接続した発振回路において、少なくとも1つの遅延回路をインバータ回路対で構成することで、低消費電力でより高速に発振する回路を実現することができる。 According to the present invention, in an oscillation circuit in which delay circuits are cascade-connected, a circuit that oscillates at high speed with low power consumption can be realized by configuring at least one delay circuit as a pair of inverter circuits. .
本発明の実施形態に係る発振回路は、インバータ回路対で構成される遅延回路を含む複数段の遅延回路をリング状に接続したリングオシレータである。 An oscillation circuit according to an embodiment of the present invention is a ring oscillator in which a plurality of stages of delay circuits including a delay circuit composed of an inverter circuit pair are connected in a ring shape.
第1の実施形態の発振回路として、一方の入力端の信号を反転して一方の出力端に出力し、他方の入力端の信号を反転して他方の出力端に出力する第1〜第N(Nは3以上の奇数)のインバータ回路対と、NAND回路・NOR回路対と、を備える。第1のインバータ回路対は、一方の入力端をNOR回路の出力端と接続し、他方の入力端をNAND回路の出力端と接続し、K=2〜N(ただしKは整数)に対して、第Kのインバータ回路対は、一方の入力端を第K−1のインバータ回路対の一方の出力端と接続し、他方の入力端を第K−1のインバータ回路対の他方の出力端と接続する。NAND回路は、2入力を有し、一方の入力端を第Nのインバータ回路対の一方の出力端と接続し、他方の入力端を第N−1のインバータ回路対の他方の出力端と接続する。NOR回路は、2入力を有し、一方の入力端を第Nのインバータ回路対の他方の出力端と接続し、他方の入力端を第N−1のインバータ回路対の一方の出力端と接続する。 As the oscillation circuit of the first embodiment, the first to Nth signals that invert the signal at one input terminal and output it to one output terminal, and invert the signal at the other input terminal to output to the other output terminal. (N is an odd number of 3 or more) inverter circuit pairs and NAND circuit / NOR circuit pairs. In the first inverter circuit pair, one input terminal is connected to the output terminal of the NOR circuit, the other input terminal is connected to the output terminal of the NAND circuit, and K = 2 to N (where K is an integer) The Kth inverter circuit pair has one input terminal connected to one output terminal of the (K-1) th inverter circuit pair and the other input terminal connected to the other output terminal of the (K-1) th inverter circuit pair. Connecting. The NAND circuit has two inputs, one input terminal is connected to one output terminal of the Nth inverter circuit pair, and the other input terminal is connected to the other output terminal of the N-1th inverter circuit pair. To do. The NOR circuit has two inputs, one input terminal is connected to the other output terminal of the Nth inverter circuit pair, and the other input terminal is connected to one output terminal of the N-1th inverter circuit pair. To do.
インバータ回路対およびNAND回路・NOR回路対の少なくとも一つにおける電源電流を制御する可変電流源を備えるようにしてもよい。 A variable current source for controlling the power supply current in at least one of the inverter circuit pair and the NAND circuit / NOR circuit pair may be provided.
第2の実施形態の発振回路として、N(Nは2以上の整数)段構成の遅延回路から構成され、K=2〜N(ただしKは整数)に対して、第K段の遅延回路は、一方の入力端を第K−1段の遅延回路の一方の出力端に接続し、他方の入力端を第K−1段の遅延回路の他方の出力端に接続し、第1段の遅延回路は、Nが奇数の場合に、一方の入力端を第N段の遅延回路の一方の出力端に接続し、他方の入力端を第N段の遅延回路の他方の出力端に接続し、Nが偶数の場合に、一方の入力端を第N段の遅延回路の他方の出力端に接続し、他方の入力端を第N段の遅延回路の一方の出力端に接続する。各段の遅延回路は、一方の入力端の信号を反転して一方の出力端に出力し、他方の入力端の信号を反転して他方の出力端に出力するインバータ回路対と、一方の入力端の信号を反転して一方の出力端に出力する第1のインバータ回路と、他方の入力端の信号を反転して他方の出力端に出力する第2のインバータ回路と、ソースを接地し一方の出力端にゲートを接続し他方の出力端にドレインを接続する第1のFETと、ソースを接地し他方の出力端にゲートを接続し一方の出力端にドレインを接続する第2のFETと、を含む差動回路と、のいずれかで構成される。少なくとも1以上のインバータ回路対と1以上の差動回路とを含む。 The oscillation circuit according to the second embodiment is composed of N (N is an integer of 2 or more) stage delay circuit, and for K = 2 to N (where K is an integer), the K-th stage delay circuit is One input terminal is connected to one output terminal of the (K-1) th stage delay circuit, the other input terminal is connected to the other output terminal of the (K-1) th stage delay circuit, and the first stage delay circuit is connected. When N is an odd number, the circuit connects one input terminal to one output terminal of the Nth stage delay circuit, and connects the other input terminal to the other output terminal of the Nth stage delay circuit; When N is an even number, one input terminal is connected to the other output terminal of the Nth delay circuit, and the other input terminal is connected to one output terminal of the Nth delay circuit. Each stage delay circuit inverts the signal at one input terminal and outputs it to one output terminal, inverts the signal at the other input terminal and outputs it to the other output terminal, and one input A first inverter circuit that inverts the signal at one end and outputs it to one output end, a second inverter circuit that inverts the signal at the other input end and outputs it to the other output end, A first FET having a gate connected to the output terminal and a drain connected to the other output terminal; a second FET having a source grounded, a gate connected to the other output terminal, and a drain connected to one output terminal; And a differential circuit including any of the above. It includes at least one or more inverter circuit pairs and one or more differential circuits.
上記において、N=4であってもよい。 In the above, N = 4 may be sufficient.
第1および第2の遅延回路は、差動回路で構成され、第3および第4の遅延回路は、インバータ回路対で構成されることが好ましい。 The first and second delay circuits are preferably configured by differential circuits, and the third and fourth delay circuits are preferably configured by inverter circuit pairs.
一つのインバータ回路対が、NAND回路およびNOR回路として構成され、NAND回路は、2入力を有し、一方の入力端をインバータ回路対の一方の入力端とし、他方の入力端を発振制御用の第1の端子と接続し、出力端をインバータ回路対の一方の出力端とし、NOR回路は、2入力を有し、一方の入力端をインバータ回路対の他方の入力端とし、他方の入力端を発振制御用の第2の端子と接続し、出力端をインバータ回路対の他方の出力端とするようにしてもよい。 One inverter circuit pair is configured as a NAND circuit and a NOR circuit. The NAND circuit has two inputs, one input terminal is used as one input terminal of the inverter circuit pair, and the other input terminal is used for oscillation control. Connected to the first terminal, the output terminal is one output terminal of the inverter circuit pair, the NOR circuit has two inputs, one input terminal is the other input terminal of the inverter circuit pair, and the other input terminal May be connected to the second terminal for oscillation control, and the output terminal may be the other output terminal of the inverter circuit pair.
N段の遅延回路の少なくとも一つにおける電源電流を制御する可変電流源を備えるようにしてもよい。 A variable current source for controlling the power supply current in at least one of the N-stage delay circuits may be provided.
以上のような半導体装置によれば、少なくとも1つの遅延回路をインバータ対で構成する。したがって、フィードフォワード接続された増幅器が減少あるいは不要となり、負荷容量が低減され、高速な発振動作が可能である。 According to the semiconductor device as described above, at least one delay circuit is constituted by an inverter pair. Accordingly, the number of amplifiers connected in feedforward is reduced or unnecessary, load capacity is reduced, and high-speed oscillation operation is possible.
以下、実施例に即し、図面を参照して詳しく説明する。 Hereinafter, it will be described in detail with reference to the drawings in accordance with embodiments.
図1は、本発明の第1の実施例に係る発振回路の回路図である。図1において、発振回路は、遅延回路110、120、130および140を縦続接続するように構成される。すなわち、遅延回路110の出力であるノード115、116は、遅延回路120のそれぞれの入力に接続され、遅延回路120の出力であるノード125、126は、遅延回路130のそれぞれの入力に接続され、遅延回路130の出力であるノード135、136は、遅延回路140のそれぞれの入力に接続される。最終段の遅延回路140の出力であるノード145、146は、交差して初段の遅延回路110のそれぞれの入力端子に帰還して接続される。
FIG. 1 is a circuit diagram of an oscillation circuit according to a first embodiment of the present invention. In FIG. 1, the oscillation circuit is configured to cascade the
遅延回路110は、互いに相補型であるトランジスタ111と112による増幅器(インバータ回路に相当)と、互いに相補型であるトランジスタ113と114による増幅器(インバータ回路に相当)とからなる差動対を構成する。トランジスタ111と112は、ゲートとドレインを各々共有しており、ゲートは前段の遅延回路140のノード146に接続され、ドレインはノード115に接続される。トランジスタ111のソースは電源に接続され、トランジスタ112のソースはグランドに接続される。トランジスタ113と114は、ゲートとドレインを各々共有しており、ゲートは前段の遅延回路140のノード145に接続され、ドレインはノード116に接続される。トランジスタ113のソースは電源に接続され、トランジスタ114のソースはグランドに接続される。
The
遅延回路120は、遅延回路110と同一構成であって、トランジスタ121、122、123、124、ノード125、126は、それぞれトランジスタ111、112、113、114、ノード115、116に対応する。また、遅延回路130も、遅延回路110と同一構成であって、トランジスタ131、132、133、134、ノード135、136は、それぞれトランジスタ111、112、113、114、ノード115、116に対応する。
The
遅延回路140は、トランジスタ1411、1412、1421および1422から構成される一つの増幅器(NAND回路に相当)と、トランジスタ1431、1432、1441および1442から構成される他の増幅器(NOR回路に相当)とからなる。一つの増幅器と他の増幅器は、差動対(NAND回路・NOR回路対)を構成する。
The
トランジスタ1411と1421は、ゲートを共にノード135に接続し、ドレインを共にノード145に接続する。トランジスタ1412と1422は、ゲートを共にノード126に接続し、トランジスタ1412のドレインは、ノード145に接続される。トランジスタ1411と1412のソースは、共に電源に接続される。トランジスタ1422のドレインは、トランジスタ1421のソースと接続され、トランジスタ1422のソースは、グランドに接続される。
トランジスタ1431と1441は、ゲートを共にノード136に接続し、ドレインを共にノード146に接続する。トランジスタ1432と1442は、ゲートを共にノード125に接続し、トランジスタ1442のドレインは、ノード146に接続される。トランジスタ1441と1442のソースは、共にグランドに接続される。トランジスタ1432のドレインは、トランジスタ1431のソースと接続され、トランジスタ1432のソースは、電源に接続される。
次に、以上のような構成の発振回路の動作について説明する。発振回路は、遅延回路140のノード145、146を交差して遅延回路110のそれぞれの入力端子に帰還している。したがって、ノード145がローレベル、146がハイレベルであったとすると、ノード115はローレベル、116はハイレベルとなり、ノード125はハイレベル、126はローレベルとなり、ノード135はローレベル、136はハイレベルとなり、ノード145はローレベルからハイレベル、146はハイレベルからローレベルに遷移する。これにより、ノード115はハイレベル、116はローレベルとなり、ノード125はローレベル、126はハイレベルとなり、ノード135はハイレベル、136はローレベルとなり、ノード145はハイレベルからローレベル、146はローレベルからハイレベルに遷移する。これを繰り返すことで発振動作が行なわれる。
Next, the operation of the oscillation circuit configured as described above will be described. The oscillation circuit crosses the
次に、ノード115と116が同相状態となった場合を説明する。ノード115と116が共にローレベルであった場合、ノード125と126は共にハイレベル、ノード135と136は共にローレベルとなる。このとき、トランジスタ1411はオン状態、1421はオフ状態となるため、ノード145はハイレベルとなる。また、トランジスタ1442はオン状態、1432はオフ状態となるため、ノード146はローレベルとなる。従って、ノード145と146とは逆相出力となる。
Next, a case where the
また、ノード115と116が共にハイレベルであった場合、ノード125と126は共にローレベル、ノード135と136は共にハイレベルとなる。このとき、トランジスタ1412はオン状態、1422はオフ状態となるため、ノード145はハイレベルとなる。また、トランジスタ1441はオン状態、1431はオフ状態となるため、ノード146はローレベルとなる。従って、ノード145と146とは逆相出力となる。
When the
以上のように、ノード115、116の初期状態がいかなる状態であっても、ノード145と146は、逆相出力となり、前述した発振動作に移行する。
As described above, regardless of the initial state of the
以上説明したような発振回路によれば、以下の効果がもたらされる。 According to the oscillation circuit as described above, the following effects are brought about.
発振回路の初期状態がいかなる状態であっても、遅延回路140の2つの出力は逆相出力となり、これが発振のトリガとなって、発振しないという問題は回避される。これにより、図5の従来回路が設けていた第3および第4の増幅器(トランジスタ27、29)を設ける必要がない。
Regardless of the initial state of the oscillation circuit, the two outputs of the
遅延回路120のノード125と126には、図6の従来回路と比較し、次段の遅延回路130のゲート容量に加え、遅延回路140のゲート容量も負荷容量として追加されている。しかしながら、ノード125がハイレベルからローレベルに遷移するときには、ノード146の状態は遷移しないためミラー効果は現れない。また、ノード126がローレベルからハイレベルに遷移するときには、ノード145の状態は遷移しないためミラー効果は現れない。従って、遅延回路120のノード125と126には、遅延回路140のゲート容量が追加されるのみであって、ミラー効果でゲイン倍されたゲート容量は追加されないため、発振動作の高速化を妨げる要因にはならない。
Compared with the conventional circuit of FIG. 6, the gate capacity of the
また、ノード125がローレベルからハイレベル、ノード126がハイレベルからローレベルに遷移するときには、ノード145と146の遷移は、ノード125と126によってもたらされ、遅延回路130をバイパスするため、ミラー効果が現れる。しかしながら、ノード125、126の遷移からノード145、146が遷移するまでの遅延時間が遅くなることはなく、発振動作の高速化を妨げる要因にはならない。
Also, when
以上のことから、従来技術のようにゲート容量が増えることが無いので、発振動作のより高速化が可能になる。 From the above, since the gate capacitance does not increase as in the prior art, the oscillation operation can be performed at higher speed.
図2は、発振回路において、シミュレーションによって得られた発振周波数と消費電流との関係を表す図である。実線は本実施例の場合を表し、破線は従来回路の場合を表す。発振周波数と消費電流は、各々従来回路の最大値を1として規格化して表している。同じ消費電流で比較した場合、本発明の発振回路は従来のものから概ね35%高速化していることが示される。 FIG. 2 is a diagram illustrating the relationship between the oscillation frequency and the current consumption obtained by the simulation in the oscillation circuit. The solid line represents the case of this embodiment, and the broken line represents the case of the conventional circuit. Oscillation frequency and current consumption are expressed by standardizing the maximum value of the conventional circuit as 1, respectively. When compared with the same current consumption, it is shown that the oscillation circuit of the present invention is approximately 35% faster than the conventional circuit.
なお、以上の説明では、3段の遅延回路110、120、130をインバータ回路対とする例を示した。しかし、これに限定されること無く、N(Nは3以上の奇数)段の遅延回路としてそれぞれインバータ回路対を備えるようにしてもよい。
In the above description, an example in which the three-
図3は、本発明の第2の実施例に係る発振回路の回路図である。図3において、図1と同一の符号は、同一物を表し、その説明を省略する。図3の発振回路では、グランドに接続していた図1のトランジスタ112、114、122、124、132、134、1422、1441および1442のソースを、共通のノード302に接続する。そして、可変電流源を構成するトランジスタ300は、ドレインをノード302に接続し、ソースをグランドに接続し、ゲートに制御信号301を与える点が図1と異なる。
FIG. 3 is a circuit diagram of an oscillation circuit according to the second embodiment of the present invention. In FIG. 3, the same reference numerals as those in FIG. In the oscillation circuit in FIG. 3, the sources of the
可変電流源の電流は、制御信号301の電圧を変更することで可変とされ、遅延回路110、120、130および140の遅延時間を可変にすることができる。これにより、制御信号301の電圧によって発振回路の発振周波数を制御することが可能となり、PLL等で使用される電圧制御発振回路としての機能を実現することができる。
The current of the variable current source is made variable by changing the voltage of the
なお、図3では、可変電流源を全ての遅延回路で共通としたが、図5、6に示す従来技術のように、遅延回路110、120、130および140各々に可変電流源を設けても、電圧制御発振回路を構成できることは明らかである。また、可変電流源は、図3のようにグランド側だけに設けてもよいし、電源側だけ、もしくは、電源側とグランド側の両方に設けても構わない。さらに、可変電流源は、全ての遅延回路ではなく、遅延回路の一部、例えば、遅延回路110と120だけに設けても電圧制御発振回路を構成できることは明らかである。
In FIG. 3, the variable current source is common to all delay circuits. However, the variable current source may be provided in each of the
図4は、本発明の第3の実施例に係る発振回路の回路図である。図4において、図1と同一の符号は、同一物を表し、その説明を省略する。第1の実施例との違いは、図1においてノード125に接続されていたトランジスタ1432、1442のゲートを、端子202に接続し、ノード126に接続されていたトランジスタ1412、1422のゲートを端子201に接続した点にある。端子201と端子202の制御信号は、逆相の関係にあり、端子201がハイレベルであれば端子202はローレベル、端子201がローレベルであれば端子202はハイレベルとする。
FIG. 4 is a circuit diagram of an oscillation circuit according to the third embodiment of the present invention. In FIG. 4, the same reference numerals as those in FIG. The difference from the first embodiment is that the gates of the
さらに、遅延回路110aにおいて、フィードフォワード接続されたトランジスタ117、118をさらに設け、遅延回路120aにおいて、フィードフォワード接続されたトランジスタ127、128をさらに設けている点が第1の実施例と異なる。トランジスタ117は、ドレインをノード115に接続し、ゲートをノード116に接続し、ソースをグランドに接続する。トランジスタ118は、ドレインをノード116に接続し、ゲートをノード115に接続し、ソースをグランドに接続する。トランジスタ127は、ドレインをノード125に接続し、ゲートをノード126に接続し、ソースをグランドに接続する。トランジスタ128は、ドレインをノード126に接続し、ゲートをノード125に接続し、ソースをグランドに接続する。
Further, the delay circuit 110a is further provided with feedforward-connected
次に、以上のような構成の発振回路の動作について説明する。発振動作を開始する前は、端子201、202は、各々ローレベル、ハイレベルとしておく。これにより、トランジスタ1412はオン状態、トランジスタ1422はオフ状態となるため、ノード145はハイレベルとなる。また、トランジスタ1432はオフ状態、トランジスタ1442はオン状態となるため、ノード146はローレベルとなる。これにより、縦続接続された遅延回路のノード115、116は各々ハイレベル、ローレベル、ノード125、126は各々ローレベル、ハイレベル、ノード135、136は各々ハイレベル、ローレベルとなり、全ての遅延回路の出力信号は逆相状態になる。
Next, the operation of the oscillation circuit configured as described above will be described. Before the oscillation operation is started, the terminals 201 and 202 are set to a low level and a high level, respectively. Accordingly, the
発振動作を開始する場合は、端子201、202を各々ハイレベル、ローレベルに遷移させる。これにより、トランジスタ1412はオフ状態、トランジスタ1422はオン状態、トランジスタ1432はオン状態、トランジスタ1442はオフ状態となる。ここで、ノード135、136は、各々ハイレベル、ローレベルであるので、遅延回路140のノード145、146は、各々ローレベル、ハイレベルに遷移する。この遷移を受けて、第1の実施例と同様に発振動作を開始する。
When starting the oscillation operation, the terminals 201 and 202 are changed to a high level and a low level, respectively. Accordingly, the
遅延回路110aと遅延回路120aに設けたトランジスタ117、118、127および128は、フィードフォワードの作用によって各遅延回路のばらつきによる遅延時間の差を補正する。ノード115とノード116とは、トランジスタ117と118によって関連付けられ、ノード125とノード126とは、トランジスタ127と128によって関連付けられる。これにより、ノード135とノード136、ノード145とノード146とに遅延回路のばらつきによる遅延時間の差が生じても、ノード115とノード116、ノード125とノード126とは逆相の関係を維持する。従って、遅延回路のばらつきによる遅延時間の差があっても、この差が蓄積されて発振停止に陥ることなく、各遅延素子の出力は逆相を維持し、発振を継続する。
The
以上説明したように、遅延回路140のトランジスタ1412、1422、1432および1442のゲートを、遅延回路120の出力に替えて外部端子とした場合であっても、各遅延回路の出力を逆相出力に初期設定することが可能となり、発振しないという問題を回避することができる。
As described above, even when the gates of the
これにより、図5の従来回路が設けていた第3および第4の増幅器に相当するトランジスタ117、118、127および128のディメンジョンを大幅に小さくすることが出来る。そのディメンジョンは、概ね従来回路の1/20でよく、遅延時間に与える影響は無視できるほどに小さい。
As a result, the dimensions of the
さらに、遅延回路120aのノード125とノード126は、遅延回路140に接続する必要がなくなるため、ノード125とノード126の負荷容量を削減することができ、第1の実施例よりも更なる高速化が可能となる。
Further, since it is not necessary to connect the
以上の説明では、4段の遅延回路から構成される例を示した。しかし、これに限定されること無くN(Nは2以上の整数)段構成としてもよい。この場合、第1段の遅延回路は、Nが奇数の場合に、一方の入力端を第N段の遅延回路の一方の出力端に接続し、他方の入力端を第N段の遅延回路の他方の出力端に接続し、Nが偶数の場合に、一方の入力端を第N段の遅延回路の他方の出力端に接続し、他方の入力端を第N段の遅延回路の一方の出力端に接続する。また、N段の遅延回路の内、少なくとも1段を遅延回路130あるいは140として構成することが好ましい。
In the above description, an example including four stages of delay circuits is shown. However, the present invention is not limited to this, and an N-stage configuration (N is an integer of 2 or more) may be used. In this case, when N is an odd number, the first-stage delay circuit connects one input terminal to one output terminal of the N-th delay circuit and the other input terminal to the N-th delay circuit. Connected to the other output terminal, and when N is an even number, one input terminal is connected to the other output terminal of the Nth delay circuit, and the other input terminal is one output of the Nth delay circuit. Connect to the end. Further, it is preferable that at least one of the N stages of delay circuits is configured as the
また、第2の実施例で説明したように、N段の遅延回路の少なくとも一つにおける電源電流を制御する可変電流源を備えるようにしてもよい。 Further, as described in the second embodiment, a variable current source for controlling the power supply current in at least one of the N-stage delay circuits may be provided.
なお、前述の特許文献等の各開示を、本書に引用をもって繰り込むものとする。本発明の全開示(請求の範囲を含む)の枠内において、さらにその基本的技術思想に基づいて、実施形態ないし実施例の変更・調整が可能である。また、本発明の請求の範囲の枠内において種々の開示要素の多様な組み合わせないし選択が可能である。すなわち、本発明は、請求の範囲を含む全開示、技術的思想にしたがって当業者であればなし得るであろう各種変形、修正を含むことは勿論である。 It should be noted that the disclosures of the aforementioned patent documents and the like are incorporated herein by reference. Within the scope of the entire disclosure (including claims) of the present invention, the embodiments and examples can be changed and adjusted based on the basic technical concept. Various combinations and selections of various disclosed elements are possible within the scope of the claims of the present invention. That is, the present invention of course includes various variations and modifications that could be made by those skilled in the art according to the entire disclosure including the claims and the technical idea.
110、110a、120、120a、130、140 遅延回路
115、116、125、126、135、136、145、146、302 ノード
111、112、113、114、121、122、123、124、131、132、133、134、1411、1412、1421、1422、1431、1432、1441、1442、300 トランジスタ
201、202 端子
301 制御信号
110, 110a, 120, 120a, 130, 140
Claims (7)
NAND回路・NOR回路対と、
を備え、
第1のインバータ回路対は、一方の入力端をNOR回路の出力端と接続し、他方の入力端をNAND回路の出力端と接続し、
K=2〜N(ただしKは整数)に対して、第Kのインバータ回路対は、一方の入力端を第K−1のインバータ回路対の一方の出力端と接続し、他方の入力端を第K−1のインバータ回路対の他方の出力端と接続し、
前記NAND回路は、2入力を有し、一方の入力端を第Nのインバータ回路対の一方の出力端と接続し、他方の入力端を第N−1のインバータ回路対の他方の出力端と接続し、
前記NOR回路は、2入力を有し、一方の入力端を第Nのインバータ回路対の他方の出力端と接続し、他方の入力端を第N−1のインバータ回路対の一方の出力端と接続することを特徴とする発振回路。 First to Nth inverters (N is an odd number of 3 or more) that inverts the signal of one input terminal and outputs the inverted signal to one output terminal, and inverts the signal of the other input terminal and outputs the inverted signal to the other output terminal A circuit pair,
NAND circuit / NOR circuit pair;
With
The first inverter circuit pair has one input terminal connected to the output terminal of the NOR circuit, the other input terminal connected to the output terminal of the NAND circuit,
For K = 2 to N (where K is an integer), the Kth inverter circuit pair has one input terminal connected to one output terminal of the K-1th inverter circuit pair, and the other input terminal connected. Connected to the other output terminal of the K-1th inverter circuit pair;
The NAND circuit has two inputs, one input terminal is connected to one output terminal of the Nth inverter circuit pair, and the other input terminal is connected to the other output terminal of the N-1th inverter circuit pair. connection,
The NOR circuit has two inputs, one input terminal is connected to the other output terminal of the Nth inverter circuit pair, and the other input terminal is connected to one output terminal of the N-1th inverter circuit pair. An oscillation circuit characterized by being connected.
K=2〜N(ただしKは整数)に対して、第K段の遅延回路は、一方の入力端を第K−1段の遅延回路の一方の出力端に接続し、他方の入力端を第K−1段の遅延回路の他方の出力端に接続し、
第1段の遅延回路は、Nが奇数の場合に、一方の入力端を第N段の遅延回路の一方の出力端に接続し、他方の入力端を第N段の遅延回路の他方の出力端に接続し、Nが偶数の場合に、一方の入力端を第N段の遅延回路の他方の出力端に接続し、他方の入力端を第N段の遅延回路の一方の出力端に接続し、
前記各段の遅延回路は、
一方の入力端の信号を反転して一方の出力端に出力し、他方の入力端の信号を反転して他方の出力端に出力するインバータ回路対と、
一方の入力端の信号を反転して一方の出力端に出力する第1のインバータ回路と、他方の入力端の信号を反転して他方の出力端に出力する第2のインバータ回路と、ソースを接地し一方の出力端にゲートを接続し他方の出力端にドレインを接続する第1のFETと、ソースを接地し他方の出力端にゲートを接続し一方の出力端にドレインを接続する第2のFETと、を含む差動回路と、
のいずれかで構成され、
少なくとも1以上の前記インバータ回路対と1以上の前記差動回路とを含むことを特徴とする発振回路。 N (N is an integer of 2 or more) stage delay circuit,
For K = 2 to N (where K is an integer), the Kth delay circuit has one input terminal connected to one output terminal of the (K-1) th delay circuit and the other input terminal connected to the K-1th delay circuit. Connected to the other output terminal of the delay circuit of the (K-1) th stage,
When N is an odd number, the first stage delay circuit connects one input terminal to one output terminal of the Nth delay circuit and the other input terminal to the other output of the Nth delay circuit. When N is an even number, one input terminal is connected to the other output terminal of the Nth stage delay circuit, and the other input terminal is connected to one output terminal of the Nth stage delay circuit. And
The delay circuit of each stage is
A pair of inverter circuits that inverts the signal at one input end and outputs it to one output end, inverts the signal at the other input end and outputs to the other output end;
A first inverter circuit that inverts a signal at one input terminal and outputs the inverted signal to one output terminal, a second inverter circuit that inverts a signal at the other input terminal and outputs the inverted signal to the other output terminal, and a source A first FET that is grounded and has a gate connected to one output end and a drain connected to the other output end, and a second FET that grounds the source, connects the gate to the other output end, and connects the drain to one output end A differential circuit comprising:
Consisting of either
An oscillation circuit comprising at least one inverter circuit pair and one or more differential circuits.
前記NAND回路は、2入力を有し、一方の入力端をインバータ回路対の一方の入力端とし、他方の入力端を発振制御用の第1の端子と接続し、出力端をインバータ回路対の一方の出力端とし、
前記NOR回路は、2入力を有し、一方の入力端をインバータ回路対の他方の入力端とし、他方の入力端を発振制御用の第2の端子と接続し、出力端をインバータ回路対の他方の出力端とすることを特徴とする請求項3または5記載の発振回路。 One inverter circuit pair is configured as a NAND circuit and a NOR circuit,
The NAND circuit has two inputs, one input terminal is used as one input terminal of the inverter circuit pair, the other input terminal is connected to the first terminal for oscillation control, and the output terminal is connected to the inverter circuit pair. As one output end,
The NOR circuit has two inputs, one input terminal is used as the other input terminal of the inverter circuit pair, the other input terminal is connected to the second terminal for oscillation control, and the output terminal is connected to the inverter circuit pair. 6. The oscillation circuit according to claim 3, wherein the oscillation circuit is the other output terminal.
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CN113162616A (en) * | 2021-01-14 | 2021-07-23 | 温州大学 | Ring oscillator |
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