JP3726677B2 - リングオシレータ - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、CMOSインバータのようなインバータを用いたリングオシレータに関するものである。
【0002】
【従来の技術】
従来のリングオシレータとしては、図10に示すように、インバータ1を奇数段直列に接続し、終段のインバータ1の出力を、初段のインバータ1の入力側に帰還させるようにしたものが知られている。インバータ1としては、例えば図11に示すように、PMOSトランジスタQ1とNMOSトランジスタQ2を組み合わせたCMOSインバータなどが用いられる。
【0003】
ところで、CMOSインバータの特徴は、ロジックが定常状態にあるときに、すなわち出力がハイレベル(Hレベル)またローレベル(Lレベル)のいずれか一方のときには、消費電流が流れないことである。そして、CMOSインバータを、図10に示すように、発振器の構成要素として用いる場合には、発振動作中に、その出力がHレベルとLレベルの遷移が常に生じることになる。
【0004】
CMOSインバータの入力が遷移すると出力が反転するため、電荷の充放電が行われる。さらに、場合によっては電源とグランドの間に貫通電流が生ずることもある。いずれの場合も、過渡電流が流れることになる。
この過渡電流は、電流経路中の寄生抵抗によって電圧に変換され、電源ラインのノイズとして乗ったり、MOSトランジスタのチャネル部分を通過した電流は、MOSトランジスタの基板部分にノイズとして伝播する。
【0005】
したがって、従来からのCMOSインバータを用いたリングオシレータでは、高速動作させる場合には、その動作時に発生するノイズを少なくすることができなかった。特に、デジタル部とアナログ部とが混在するデジタル・アナログ混成回路では、上記のように発生したノイズが、特にデジタル部側のCMOS回路がアナログ部側に与える影響が大きいので、デジタル部とアナログ部とを基板上で電気的に分離するために、ガートリングを設けたりするなどの対策が行なわれている。
【0006】
一方、CMOSインバータを用いたリングオシレータの発振周波数に着目すると、その発振周波数はCMOSインバータの接続段数に比例する。従って、各CMOSインバータの遅延時間をtpd、CMOSインバータ(リングオシレータ)の段数をNとすると、リングオシレータの発振周期はTは、次の(1)式のようになる。
【0007】
T=(tpd×N)+δ (1)
ここで、δは、リングオシレータを構成するCMOSインバータ間の配線の寄生抵抗と寄生容量による時定数である。
【0008】
【発明が解決しようとする課題】
ところが、CMOSインバータの段数を減らして発振周期を短くした場合、リングオシレータの各段の出力が反転する前に入力信号が変化してしまう場合があり、このような場合には、各段の出力が電源電圧とグランドの間の中間の電位に固定されてしまい、発振を停止してしまう場合がある。
【0009】
そのため、CMOSインバータでリングオシレータを構成する場合には、インバータの接続段数をある数以上としたり、MOSトランジスタのゲート長を長くして遅延時間tpdを大きくしたり、またはインバータ間に遅延バッファを挿入する方法を採用する。しかし、これらの方法によれば、回路全体のレイアウト面積の増大や、遷移にかかる時間が長くなるため、貫通電流が増大するおそれがある。
【0010】
また、従来のようにインバータのみで構成されるリングオシレータでは、発振周波数を可変することは困難であった。
そこで、本発明の目的は、動作時に生じる過渡的な電流に起因する雑音の発生を軽減するようにしたリングオシレータを提供することにある。
また、本発明の他の目的は、同一発振周波数であれば、従来のリングオシレータに比較して、インバータの直列接続の段数を軽減できるようにしたリングオシレータを提供することにある。
【0011】
さらに、本発明の他の目的は、発振周波数が可変できるリングオシレータを提供することにある。
【0013】
【課題を解決するための手段】
上記の課題を解決し本発明の目的を達成するために、請求項1〜請求項4に記載の各発明は、以下のように構成した。
すなわち、請求項1に記載の発明は、インバータを奇数段直列に接続し、終段のインバータの出力を初段のインバータの入力側に帰還させて自己発振させるリングオシレータであって、前記奇数段の各インバータをCSL型インバータで形成するとともに、前記CSL型インバータのうちの少なくも1つは、前記CSL型インバータよりも駆動能力が低く、入出力間に逆接続される帰還用のCSL型インバータを含むようにしたことを特徴とするものである。
【0014】
請求項2に記載の発明は、請求項1に記載のリングオシレータにおいて、前記奇数段の各CSL型インバータと前記帰還用のCSL型インバータはバイアス印加端子を有し、前記CSL型インバータのうちの少なくとも1つのインバータに印加するバイアスを可変して発振周波数を可変自在にしたことを特徴とするものである。
【0015】
請求項3に記載の発明は、請求項1に記載のリングオシレータにおいて、前記奇数段のCSL型インバータは、第1と第2のバイアスがそれぞれ印加される第1と第2のバイアス印加端子を有するとともに、前記帰還用のCSL型インバータは、第3のバイアスが印加される第3のバイアス印加端子を有し、前記第1のバイアス印加端子には固定の第1のバイアスを印加するとともに、前記第2のバイアス印加端子には可変の第2バイアスを印加するようにし、かつ、前記第3のバイアス印加端子には前記第2のバイアスおよび第3のバイアスのうちのいずれか一方を印加するようにしたことを特徴とするものである。
【0016】
請求項4に記載の発明は、請求項3に記載のリングオシレータにおいて、前記CSL型インバータの各第2のバイアス印加端子には、可変する共通のバイアス、または可変する個別の各バイアスを印加するようにしたことを特徴とするものである。
このように、本発明によれば、インバータとしてCSL型インバータを用いるようにしたので、スイッチング動作時に過渡的な電流が発生せず、その電流に起因する雑音の発生を軽減できる。
【0017】
また、本発明において、CSL型インバータの入出力間にそれよりも駆動能力の低いCSL型インバータを逆に接続するようにした場合には、HレベルとLレベルの遷移時間を調整できる。このため、同一の発振周波数を得る場合には、従来のリングオシレータに比べて、インバータの直列接続の段数を軽減化することができる。
【0018】
さらに、本発明において、CSL型インバータに印加するバイアスを可変させる場合には、そのバイアスを可変させることにより、例えば外部から発振周波数を制御できる。
さらにまた、本発明では発振周波数を可変できるので、発振周波数を下げて使用可能な場合には、その発振周波数を下げることにより消費電力を軽減化することができる。
【0019】
【発明の実施の形態】
以下、本発明のリングオシレータの第1実施形態について、図面を参照して説明する。
この第1実施形態に係るリングオシレータは、インバータとして図1に示すようなCSL(Current Steering Logic)型インバータ11を使用するようにしたので、まず、このCSL型インバータについて説明する。
【0020】
ここで、図1は、CSL型インバータの具体的な構成を示す回路図であり、図2は、それのシンボル例を示す図である。
このCSL型インバータ11は、図1に示すように、スイッチング素子であるNMOSトランジスタQ11を有し、このNMOSトランジスタにはダイーオド接続されたNMOSトランジスタQ12が並列に接続されている。また、NMOSトランジスタQ11、Q12には、PMOSトランジスタQ13、Q14からなる定電流源により定電流が供給されるようになっている。
【0021】
さらに詳述すると、NMOSトランジスタQ11は、そのゲートに入力電圧INが印加され、そのソースが接地され、そのドレインから出力電圧OUTを取り出すようになっている。NMOSトランジスタQ12は、そのゲートが自己のドレイン、NMOSトランジスタQ11のドレイン、およびPMOSトランジスタQ14のドレインと共通に接続され、かつ、そのソースが接地されている。
【0022】
PMOSトランジスタQ13、Q14はカスコード接続されて定電流源を構成している。そして、PMOSトランジスタQ13のソースには電源電圧が供給され、PMOSトランジスタQ14のドレインはNMOSトランジスタQ11のドレイン等に共通に接続されている。
また、PMOSトランジスタQ13のゲートには、バイアス電圧BIAS1が印加され、これにより定電流源の電流量が調整されるようになっている。PMOSトランジスタQ14のゲートには、バイアス電圧BIAS2が印加され、これによりPMOSトランジスタQ14を飽和領域で動作させて定電流性を高めるようにしている。
【0023】
次に、このような構成からなるCSL型インバータの動作例について、以下に説明する。
いま、PMOSトランジスタQ13、Q14からなる定電流源が、NMOSトランジスタQ11、Q12に所定の定電流(例えば500μA)を供給しているものとする。
【0024】
このとき、NMOSトランジスタQ11のゲートにHレベルが入力されると、NMOSトランジスタQ11がオンし、その定電流はNMOSトランジスタQ11に流れる。NMOSトランジスタQ11では、この定電流に対して所定の電圧降下(例えば数10mV程度)があり、これがLレベルとして出力される。
一方、NMOSトランジスタQ11のゲートにLレベルが入力されると、NMOSトランジスタQ11はオフし、その定電流はダイオード接続されるNMOSトランジスタQ12に流れる。NMOSトランジスタQ12では、その定電流に対して2V程度の電圧降下があり、これがHレベルとして出力される。
【0025】
このように、CSL型インバータによれば、常に定電流が流れ、スイッチング動作時に、過渡的な電流が生じないので、その過渡的な電流に起因する雑音を軽減することができる。
次に、この第1実施形態に係るリングオシレータについて、図3を参照して説明する。
【0026】
この第1実施形態に係るリングオシレータは、図3に示すように、図1に示すCSL型インバータ11を奇数段直列に接続し、終段のCSL型インバータ11の出力を、初段のCSL型インバータ1の入力側に帰還させて自己発振するようになっている。
また、この第1実施形態に係るリングオシレータは、図3に示すように、バイアス電圧BIAS1、BIAS2をそれぞれ印加するバイアス印加端子12、13を有している。そして、バイアス印加端子12は、CSL型インバータ11のPMOSトランジスタQ13の各ゲートに共通接続され、バイアス印加端子13は、CSL型インバータ11のPMOSトランジスタQ14の各ゲートに共通接続されている。
【0027】
さらに、この第1実施形態に係るリングオシレータでは、発振動作時に、バイアス印加端子12には、バイアス電圧BIAS1として固定の電圧が外部から供給されるとともに、バイアス印加端子13には、バイアス電圧BIAS2として電圧値が変化する電圧が外部から供給され、これにより外部から発振周波数が制御(可変)されるようになっている。
【0028】
以上説明したように、第1実施形態によれば、CSL型インバータを使用するようにしたので、スイッチング動作する際に過渡的な電流が発生せず、この過渡的な電流に起因する雑音の発生を軽減できる。
また、この第1実施形態によれば、バイアス印加端子であるPMOSトランジスタQ14のゲートに、電圧が可変するバイアス電圧BIAS2を外部から印加するようにしたので、外部から発振周波数を制御できる。
【0029】
さらに、第1実施形態によれば、発振周波数を可変できるので、発振周波数を下げて使用可能な場合には、その発振周波数を下げることにより消費電力を軽減化することができる。
なお、第1実施形態では、リングオシレータを構成する全てのCSL型インバータ11に、バイアス電圧BIAS2として、電圧値が変化する共通のバイアス電圧を外部から一律に供給し、これにより外部から発振周波数を制御する場合について説明した。
【0030】
しかし、これに代えて、バイアス電圧BIAS2として電圧値が変化する個別の電圧をインバータにそれぞれ供給し、発振周波数を制御するようにしても良い。また、全てのCSL型インバータ11のうち、少なくとも1つのインバータ11に電圧値が変化するバイアス電圧を供給し、残りのインバータ11には電圧値が固定のバイアス電圧を供給し、発振周波数を制御するようにしても良い。
【0031】
次に、本発明のリングオシレータの第2実施形態について、図4および図5を参照して説明する。
この第2実施形態に係るリングオシレータは、図4に示すように、図3に示す第1実施形態のリングオシレータを基本にし、その各CSL型インバータ11の入力と出力との間に、CSL型インバータ11よりも駆動能力が低い帰還用のCSL型インバータ21を逆接続するようにしたものである。そして、CSL型インバータ21には、CSL型インバータ11に印加される共通のバイアス電圧BIAS2が印加されるようになっている。
【0032】
ここで、第2実施形態の他の部分の構成は、図3の第1実施形態の構成と同様であるので、同一構成要素には同一符号を付してその説明は省略し、CSL型インバータ21の具体的な構成について、図5を参照して説明する。
CSL型インバータ21は、図5に示すように、スイッチング素子であるNMOSトランジスタQ21を有し、このNMOSトランジスタQ21にはダイーオド接続されたNMOSトランジスタQ22が並列に接続されている。また、NMOSトランジスタQ21、Q22には、PMOSトランジスタQ13、Q24かからなる定電流源により定電流が供給されるようになっている。
【0033】
さらに詳述すると、NMOSトランジスタQ21は、そのゲートがNMOSトランジスタQ11のドレインに接続され、そのソースが接地され、そのドレインがNMOSトランジスタQ11のゲートに接続されている。NMOSトランジスタQ22は、そのゲートが自己のドレイン、NMOSトランジスタQ21のドレイン、NMOSトランジスタQ11のゲート、およびPMOSトランジスタQ24のドレインと共通に接続され、かつ、そのソースが接地されている。
【0034】
PMOSトランジスタQ24は、そのゲートがPMOSトランジスタQ14のゲートに接続されて共通のバイアス電圧BIAS2が印加されるとともに、そのソースがPMOSトランジスタQ13のドレインに接続されている。
以上説明したように、第2実施形態によれば、CSL型インバータを使用するようにしたので、スイッチング動作する際に過渡的な電流が発生せず、この過渡的な電流に起因する雑音の発生を軽減できる。
【0035】
また、この第2実施形態によれば、CSL型インバータ11の入出力間にそれよりも駆動能力の低いCSL型インバータ21を逆接続することにより、HレベルとLレベルの遷移時間を調整するようにした。このため、同一の発振周波数であれば、従来のリングオシレータに比べて、インバータ11の直列接続の段数を軽減できる。
【0036】
なお、CSL型インバータ11の直列接続の個数を軽減できるものの、それに並列にCSL型インバータ21が接続されるが、CSL型インバータ21はCSL型インバータ11に比べて回路規模が小さいので、全体としてレイアウト面積を減少できる。
さらに、この第2実施形態によれば、PMOSトランジスタQ14、Q24の各ゲートに、電圧が変化するバイアス電圧BIAS2を外部から印加するようにしたので、外部から発振周波数を制御できる。
【0037】
なお、第2実施形態では、リングオシレータを構成する全てのCSL型インバータ11、21に、バイアス電圧BIAS2として、電圧値が変化する共通のバイアス電圧を外部から一律に供給し、これにより外部から発振周波数を制御する場合について説明した。
しかし、これに代えて、バイアス電圧BIAS2として電圧値が変化する個別の電圧を各インバータにそれぞれ供給し、発振周波数を制御するようにしても良い。また、全てのCSL型インバータ11、21のうち、少なくとも1つのインバータに電圧値が変化するバイアス電圧を供給し、残りのインバータには電圧値が固定のバイアス電圧を供給するようにし、発振周波数を制御するようにしても良い。
【0038】
次に、本発明のリングオシレータの第3実施形態について、図6および図7を参照して説明する。
この第3実施形態に係るリングオシレータは、図6に示すように、図4に示す第2実施形態のリングオシレータと基本的な構成を同様とし、その差異は、バイアス電圧BIAS3を印加するバイアス印加端子31を追加し、そのバイアス印加端子31を、CSL型インバータ21のPMOSトランジスタQ24の各ゲートに共通接続するようにしたものである。このため、PMOSトランジスタQ24のゲートには、図7に示すように、電圧が変化するバイアス電圧BIAS3が独立に印加されるようになっている。
【0039】
ここで、第3実施形態の他の部分の構成は、図4の第2実施形態の構成と同様であるので、同一構成要素には同一符号を付してその説明は省略する。
このような構成からなる第3実施形態において、バイアス電圧BIAS2、BIAS3として共通のバイアス電圧を使用し、このバイアス電圧の変化と発振周波数の変化の関係の一例を示すと、図8に示すようになる。
【0040】
以上のように、この第3実施形態によれば、第2実施形態と同様の効果を実現できる。
次に、図1に示す従来回路、図3に示す第1実施形態の回路、および図4に示す第2実施形態の回路について、シミュレーションにより各回路の比較を行ったので、その結果を図9に示す。
【0041】
図9に示すように、発振周波数が同じであれば、インバータの接続段数、レイアウト面積のいずれにおいても、第1実施形態と第2実施形態の回路の方が、従来回路よりも優れていることがわかる。また、第1実施形態と第2実施形態の回路を比較すると、第2実施形態の回路の方が優れていることがわかる。
【0042】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、インバータとしてCSL型インバータを用いるようにしたので、スイッチング動作時に過渡的な電流が発生せず、その電流に起因する雑音の発生を軽減できる。
また、本発明において、CSL型インバータの入出力間にそれよりも駆動能力の低いCSL型インバータを逆に接続するようにした場合には、HレベルとLレベルの遷移時間を調整できる。このため、同一の発振周波数を得る場合には、従来のリングオシレータに比べて、インバータの直列接続の段数を軽減化することができる。
【0043】
さらに、本発明において、CSL型インバータに印加するバイアスを可変させる場合には、そのバイアスを可変させることにより、外部から発振周波数を制御できる。
さらにまた、本発明では発振周波数を可変できるので、発振周波数を下げて使用可能な場合には、その発振周波数を下げることにより消費電力を軽減化することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明のリングオシレータの第1実施形態に使用されるCSL型インバータの具体的な構成を示す回路図である。
【図2】そのCSL型インバータのシンボルを示す図である。
【図3】本発明のリングオシレータの第1実施形態の構成を示すブロックである。
【図4】本発明のリングオシレータの第2実施形態の構成を示すブロックである。
【図5】第2実施形態に使用されるCSL型インバータの構成を示す回路図である。
【図6】本発明のリングオシレータの第3実施形態の構成を示すブロックである。
【図7】第3実施形態に使用されるCSL型インバータの構成を示す回路図である。
【図8】バイアス電圧と発振周波数の関係を示す図である。
【図9】従来回路と実施形態の回路との比較例を示す図である。
【図10】従来のリングオシレータの一例を示すブロックである。
【図11】CMOSインバータの構成を示す回路図である。
【符号の説明】
Q11、Q12、Q21、Q22 NMOSトランジスタ
Q13、Q14、Q24 PMOSトランジスタ
BIAS1 バイアス電圧(第1のバイアス)
BIAS2 バイアス電圧(第2のバイアス)
BIAS3 バイアス電圧(第3のバイアス)
11 CSL型インバータ
12、13、31 バイアス印加端子
21 CSL型インバータ
Claims (4)
- インバータを奇数段直列に接続し、終段のインバータの出力を初段のインバータの入力側に帰還させて自己発振させるリングオシレータであって、
前記奇数段の各インバータをCSL型インバータで形成するとともに、前記CSL型インバータのうちの少なくも1つは、前記CSL型インバータよりも駆動能力が低く、入出力間に逆接続される帰還用のCSL型インバータを含むようにしたことを特徴とするリングオシレータ。 - 前記奇数段の各CSL型インバータと前記帰還用のCSL型インバータはバイアス印加端子を有し、前記CSL型インバータのうちの少なくとも1つのインバータに印加するバイアスを可変して発振周波数を可変自在にし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。
- 前記奇数段のCSL型インバータは、第1と第2のバイアスがそれぞれ印加される第1と第2のバイアス印加端子を有するとともに、前記帰還用のCSL型インバータは、第3のバイアスが印加される第3のバイアス印加端子を有し、
前記第1のバイアス印加端子には固定の第1のバイアスを印加するとともに、前記第2のバイアス印加端子には可変の第2バイアスを印加するようにし、かつ、前記第3のバイアス印加端子には前記第2のバイアスおよび第3のバイアスのうちのいずれか一方を印加するようにし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。 - 前記CSL型インバータの各第2のバイアス印加端子には、可変する共通のバイアス、または可変する個別の各バイアスを印加するようにし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。
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