KR100404143B1 - 링 오실레이터 - Google Patents

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KR100404143B1
KR100404143B1 KR10-2001-0069345A KR20010069345A KR100404143B1 KR 100404143 B1 KR100404143 B1 KR 100404143B1 KR 20010069345 A KR20010069345 A KR 20010069345A KR 100404143 B1 KR100404143 B1 KR 100404143B1
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Abstract

본 발명은 링 오실레이터에 관한 것으로, 특히 공급되는 전류량에 따라 발진 주파수가 결정되는 링 오실레이터에서, 전력 공급기의 전압이나 공정 변화 또는 주파수를 조절하기 위한 전류량의 변화에 상관없이 전압 레귤레이터를 이용하여 발진부로 공급되는 전류와 발진부에서 방출되는 전류의 량을 정확하게 제어하므로써 발진 중간 전압(Common-mode oscillation voltage)이 전류량에 따라 변하는 것을 방지하여 지터 특성을 향상시킬 수 있는 링 오실레이터가 개시된다.

Description

링 오실레이터{Ring oscillator}
본 발명은 링 오실레이터에 관한 것으로, 특히 공급되는 전류량에 따라 발진 주파수가 결정되는 링 오실레이터에 관한 것이다.
도 1은 종래의 링 오실레이터를 나타낸 회로도이다.
도 1에 도시된 바와 같이, 소정 주파수의 파형(Fosc)을 발생시키는 발진부(10)와, 전원 전압원 및 발진부(10)의 전류 공급 노드(N11)간에 직렬로 접속되어 제 1 및 제 2 제어 신호(Vbiasp 및 Vcbiasp)에 따라 전류를 스위칭하는 제 1 및 제 2 전류 제어 수단(S11 및 S12)과, 접지 및 발진부(10)의 전류 방출 노드(N12)간에 직렬로 접속되어 제 3 및 제 4 제어 신호(Vbiasn 및 Vcbiasn)에 따라 전류를 스위칭하는 제 3 및 제 4 전류 제어 수단(S13 및 S14) 및 발진부(10)에서 발생시키는 파형(Fosc)을 증폭시켜 증폭된 파형(Fout)을 발생시키는 증폭 수단(11)으로 구성된다.
상기에서, 발진부(10)는 다수의 인버터(I11 내지 I13)가 직렬로 연결되고, 출력 단자가 입력 단자와 접속되는 피드백(Feed-back) 구조로 이루어져 소정의 주파수를 갖는 파형(Fosc)을 발생시킨다. 파형(Fosc)의 주파수는 다수의 인버터(I11 내지 I13)에 공급되는 전류량에 따라 제어된다.
제 1 및 제 2 전류 제어 수단(S11 및 S12)은 PMOS 트랜지스터로 이루어지며, 제 3 및 제 4 전류 제어 수단(S13 및 S14)은 NMOS 트랜지스터로 이루어진다.
상기의 구성으로 이루어지는 링 오실레이터의 동작을 설명하면 다음과 같다.
상기의 링 오실레이터는 단순히 발진부(10)로 공급되는 전류량을 조절하여 발진 주파수(Oscillation frequency)를 제어한다.
상기에서, 전류 공급 노드(N11) 및 전류 방출 노드(N12)의 전위는 발진부(10)로 공급되는 전류량 및 방출되는 전류량의 차이와, 제 1 내지 제 4 스위칭 수단(S11 내지 S14)의 채널 모듈레이션 이펙트(Channel modulation effect)의정도 차이에 따라서 변하게 된다.
발진부(10)의 출력 파형(Fosc)은 전류 공급 노드(N11) 및 전류 방출 노드(N12)의 전압값을 경계로 발진하는데, 그 스윙(Swing)에 대한 최고 전압과 최저 전압의 중간 전압인 파형의 발진 중간 전압(Oscillation common mode voltage)의 변화를 지터(Jitter)로 나타낸다. 그리고, 전류 공급 노드(N11) 및 전류 방출 노드(N12)의 전압 변화는 발진부(10)에 실제로 공급 및 방출되는 전류의 량을 변화시켜 지터 혹은 출력 주파수를 변화시킨다. 이로 인해, 출력 주파수가 변하지 않는 위상 고정 루프(Phase locked loop) 상태에서 출력 주파수가 변하여 위상이 달라지는 문제점이 발생된다.
공급되는 전류의 량에 따라 발진 정도가 제어되는 링 오실레이터(Current starved oscillator)는 전류의 량을 조절하여 목표 주파수의 출력 파형을 얻기 때문에, 이러한 정상적인 동작에 의해서도 전류 공급 노드 및 전류 방출 노드(N11 및 N12)의 전압이 변하여 파형의 발진 중간 전압이 변하게 된다.
일반적으로, 링 오실레이터에 공급되는 전류와 방출되는 전류를 정확하게 제어하기가 어렵고, 더욱이 반도체 제조 공정, 전력 공급기(Power supply)의 전압 및 주위 온도 변화에 따라 전류의 량을 제어하는 것은 거의 불가능하다.
이로 인해, 종래의 링 오실레이터의 발진 신호는 전력 공급기(Power supply)나 접지(Ground) 전압에 가까운 전압으로 발진하게 된다. 이러한 현상은 전력 공급기 또는 접지 단자에 접속된 전류 소오스(Current source)나 전류 제어 수단(S11 내지 S14)이 포화(Saturation) 영역에서 동작하지 못하는 결과를 가져온다. 결국,링 오실레이터에서 발생되는 출력 파형의 라이징 타임과 폴링 타임(Rising/falling time)이 달라지게 되어 소자 고유의 잡음(Device intrinsic noise)에 의한 지터의 양을 증가시키는 요인이 된다.
일반적으로 링 오실레이터의 발진 진폭(Oscillation amplitude)은 Rail-to-Rail 신호, 즉, (Full complementary metal oxide semiconductor)의 신호가 아니기 때문에, 도 1에서와 같이, 발진부(10)의 출력단에 증폭 수단(11)을 구비한다.
증폭 수단(11)이 소정 주파수의 파형(Fosc)을 정상적으로 증폭시키기 위해서는, 입력 신호인 파형의 발진 중간 전압(Common mode voltage)이 특정 범위에 있어야 한다. 그러나, 전류 공급 노드(N11) 또는 전류 방출 노드(N12)의 전위가 변하게 되면, 파형의 발진 중간 전압이 변하게 되므로, 증폭 수단(11)이 파형(Fosc)을 정상적으로 증폭시키지 못할 수도 있다.
따라서, 본 발명은 상기의 문제점을 해결하기 위하여 전력 공급기의 전압이나 공정 변화 또는 주파수를 조절하기 위한 전류량의 변화에 상관없이 전압 레귤레이터를 이용하여 발진부로 공급되는 전류와 발진부에서 방출되는 전류의 량을 정확하게 제어하므로써 발진 중간 전압이 전류량에 따라 변하는 것을 방지하여 지터 특성을 향상시킬 수 있는 링 오실레이터를 제공하는데 그 목적이 있다.
도 1은 종래의 링 오실레이터를 설명하기 위한 회로도.
도 2는 본 발명에 따른 링 오실레이터를 설명하기 위한 회로도.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>
10, 20 : 발진부 11, 21 : 증폭 수단
22 : 제어 수단 221 : 기준 전압 발생 수단
222 : 발진 중간 전압 발생 수단
본 발명에 따른 링 오실레이터는 소정 주파수의 파형을 발생시키며 전류 공급 노드 및 전류 방출 노드를 구비한 발진부와, 제 1 제어 신호에 따라 전원 전압원으로부터 전류 공급 노드로 공급되는 전류를 제어하는 제 1 전류 제어 수단과, 제 2 제어 신호에 따라 전류 방출 노드로부터 접지로 방출되는 전류를 제어하는 제 2 전류 제어 수단과, 전류 공급 노드 및 전류 방출 노드의 발진 중간 전압과 기준 전압을 비교하여 발진 중간 전압을 목표 전압으로 조절하는 제어 수단으로 이루어진 것을 특징으로 한다.
상기에서, 발진부는 다수의 인버터가 직렬로 연결되고, 출력 단자가 입력 단자에 접속되어 출력 신호를 피드백하며, 발진부의 출력 주파수는 다수의 인버터에 공급되는 전류의 량에 따라 제어된다.
제 1 및 제 2 전류 제어 수단은 MOS 트랜지스터로 이루어지며, 파형을 증폭시키기 위한 증폭 수단을 더 포함하여 이루어진다.
기준 전압은 전원 전압과 접지 전압의 중간 전압이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 더욱 상세히 설명하기로 한다.
도 2는 본 발명에 따른 링 오실레이터를 설명하기 위한 회로도이다.
도 2에 도시된 바와 같이, 링 오실레이터는 소정 주파수의 파형(Fosc)을 발생시키는 발진부(21)와, 직렬로 접속되어 제 1 및 제 2 제어 신호(Vbiasp 및 Vcbiasp)에 따라 전원 전압원으로부터 발진부(21)의 전류 공급 노드(N21)로 전류를스위칭하는 제 1 및 제 2 전류 제어 수단(S21 및 S22)과, 제 3 및 제 4 제어 신호(Vcbiasn 및 Vbiasn)에 따라 발진부(20)의 전류 방출 노드(N22)로부터 접지로 전류를 스위칭하는 제 3 및 제 4 전류 제어 수단(S23 및 S24)을 기본 구성으로 하고, 전류 공급 노드(N21) 및 전류 방출 노드(N22)의 발진 중간 전압(Vcm)과 기준 전압(Vref)을 비교하여 발진 중간 전압(Vcm)을 목표 전압으로 조절하는 제어 수단(22)을 더 포함하여 이루어진다. 발진부(20)의 출력 단자에는 출력 파형(Fosc)을 증폭시키기 위한 증폭 수단(21)이 구비된다.
또한, 제어 수단(22)은 전원 전압원 및 접지간에 접속되어 기준 전압(Vref)을 발생시키는 기준 전압 발생 수단(221)과, 전류 공급 노드(N21) 및 전류 방출 노드(N22)간에 접속되어 발진 중간 전압(Vcm)을 발생시키는 발진 중간 전압 발생 수단(222)과, 발진 중간 전압(Vcm)에 의해 구동되는 제 1 스위칭 수단(S25)과, 기준 전압(Vref)에 의해 구동되는 제 2 스위칭 수단(S26)과, 제 1 및 제 2 스위칭 수단(S25 및 S26)과 상기 접지간에 접속되어 외부 바이어스(Vbias)에 의해 구동되는 제 3 스위칭 수단(S27)과, 제 1 및 제 2 스위칭 수단(S25 및 S26)과 전원 전압원간에 각각 접속되어 게이트와 소오스가 연결된 제 4 및 제 5 스위칭 수단(S28 및 S29)과, 전원 전압원에 접속되고 제 8 스위칭 수단(S28)의 게이트 전압에 의해 구동되는 제 10 스위칭 수단(S30)과, 제 6 스위칭 수단(S30)과 접지간에 접속되며 게이트와 드레인이 연결된 제 7 스위칭 수단(S31)과, 전원 전압원과 전류 공급 노드(N11)간에 접속되어 제 5 스위칭 수단(S29)의 게이트 전압에 따라 전원 전압원 및 전류 공급 노드(N11)간에 흐르는 전류의 량을 제어하는 제 5 전류 제어수단(S32)과, 접지와 전류 방출 노드(N12)간에 접속되어 제 7 스위칭 수단(S31)의 게이트 전압에 따라 접지 및 전류 방출 노드(N12)간에 흐르는 전류의 량을 제어하는 제 6 전류 제어 수단(S33)으로 이루어진다.
기준 전압 발생 수단(221)은 직렬로 접속된 제 1 및 제 2 저항(R21 및 R22)으로 이루어지며, 제 1 및 제 2 저항(R21 및 R22)의 전압 분배에 의해 기준 전압(Vref)을 발생시킨다. 발진 중간 전압 발생 수단(222)은 직렬로 접속된 제 3 및 제 4 저항(R23 및 R24)으로 이루어지며, 제 3 및 제 4 저항(R23 및 R24)의 전압 분배에 의해 발진 중간 전압(Vcm)을 발생시킨다.
전원 전압원 및 전류 공급 노드(N21)간에는 제 1 커패시터(C21)가 되며, 전원 전압원 및 전류 방출 노드(N22)간에는 제 2 커패시터(C22)가 된다.
이하, 상기의 구성으로 이루어진 링 오실레이터의 동작을 설명하기로 한다.
제 1 내지 제 4 제어 신호(Vbiasp, Vcbiasp, Vcbiasn 및 Vbiasn)에 의해 제 1 내지 제 4 전류 제어 수단(S21 내지 S24)이 구동되면, 전류 공급 노드(N21) 및 전류 방출 노드(N22)를 통해 발진부(20)로 소정의 전류가 공급 및 방출되어 소정 주파수의 파형(Fosc)이 발생된다.
이때, 전원 전압원 및 접지간에 접속된 제어부(22)의 기준 전압 발생 수단(221)에 의해 기준 전압(Vref)이 발생된다. 기준 전압 발생 수단(221)은 직렬 접속된 제 1 및 제 2 저항(R21 및 R22)을 통해 전원 전압을 분배하며, 이로써 소정의 전위를 갖는 기준 전압(Vref)이 발생된다.
전류 공급 노드(N21) 및 전류 방출 노드(N22)간에 접속된 발진 중간 전압 발생 수단(222)은 직렬 접속된 제 3 및 제 4 저항(R23 및 R24)의 전압 분배를 통해 전류 공급 노드(N21) 및 전류 방출 노드(N22)의 중간 전위를 갖는 발진 중간 전압(Vcm)을 발생시킨다.
전원 전압 또는 발진부(20)로 공급되는 전류의 량이 변하면 전류 공급 노드(N21) 및 전류 방출 노드(N22)의 전위가 변한다. 이로 인해, 발진부(20)에서 발생된 파형(Fosc)의 최고 전압 및 최저 전압이 높아지거나 낮아져 파형(Fosc)이 왜곡된다.
전류 공급 노드(N21) 및 전류 방출 노드(N22)의 전위가 변하면, 발진 중간 전압 발생부(222)의 발진 중간 전압(Vcm)의 전위도 변한다.
예를 들어, 전류 공급 노드(N21) 및 전류 방출 노드(N22)의 전위가 상승하면 발진 중간 전압(Vcm)도 높아지는데, 이 경우 제 4 스위칭 수단(S28)을 통해 발진 중간 전압(Vcm)에 의해 구동되는 제 1 스위칭 수단(S25)으로 흐르는 전류의 량이 기준 전압(Vref)에 의해 구동되는 제 2 스위칭 수단(S26)에 흐르는 전류의 량보다 더 많아진다. 제 6 스위칭 수단(S30)에 흐르는 전류의 량은 제 4 스위칭 수단(28)에 흐르는 전류의 량과 동일하므로, 제 6 스위칭 수단(S30)에 흐르는 전류의 량은 제 1 스위칭 수단(S25)에 흐르는 전류의 량과 동일하고, 변화량도 동일하다.
전류 방출 노드(N22) 및 접지 전원 단자간에 접속된 제 6 전류 제어 수단(S33)은 제 6 스위칭 수단(S30)에 흐르는 전류에 따라 구동되므로, 제 1 스위칭 수단(S25)에 흐르는 전류의 량에 따라 전류 방출 노드(N22)로부터 접지로 방출시키는 전류의 량이 증가한다. 결국, 제 6 전류 제어 수단(S33)은 전류 방출 노드(N22)로부터 접지로 방출되는 전류의 량을 제어하는 전류 구동 소자로써의 역할을 한다.
이때, 제 3 스위칭 수단(S27)에 흐르는 전류의 양은 일정하므로, 제 1 스위칭 수단(S25)에 흐르는 전류의 량이 많아지면 제 5 스위칭 수단(S29)을 통해 제 2 스위칭 수단(S26)으로 흐르는 전류의 량은 감소한다. 제 5 전류 제어 수단(S32)은 제 5 스위칭 수단(S29)을 통해 흐르는 전류의 양에 따라 구동되므로, 줄어든 제 5 스위칭 수단(S29)에 흐르는 전류의 량에 따라 전류 공급 노드(N21)로 공급되는 전류의 량이 감소한다. 결국, 제 5 전류 제어 수단(S32)은 전원 전압원으로부터 전류 공급 노드(N21)로 공급되는 전류의 량을 제어하는 전류 구동 소자로써의 역할을 한다.
상기의 동작에 의해, 전류 공급 노드(N21)로 공급되는 전류의 량이 감소하고, 전류 방출 노드(N22)로부터 방출되는 전류의 량이 증가하게 되면, 전류 공급 노드(N21) 및 전류 방출 노드(N22)의 전위가 낮아지므로 높아진 발진 중간 전압(Vcm)이 목표 전압으로 낮아지게 된다. 이로써, 발진부(20)에서 발생되는 출력 파형(Fosc)은 정상적인 전압 사이에서 발진하게 되며, 왜곡 발생을 방지할 수 있다.
전류 공급 노드(N21) 및 전류 방출 노드(N22)의 전위는 링 오실레이터의 스위칭 동작에 의해서 약간씩 변할 수 있으며, 이로 인해 발생되는 리플(Ripple)이 증폭되지 않도록 하기 위하여 제어 수단(22)의 밴드폭(Bandwidth)을 작게하는 것이바람직하다. 이는, 전원 전압원과 전류 공급 노드(N21)간에 제 1 커패시터(C21)를 설치하고, 접지와 전류 방출 노드(N22)간에 제 2 커패시터(C22)를 설치하여 해결한다.
상기에서는, 발진 중간 전압(Vcm)이 높아지는 경우를 설명하였으나, 낮아지는 경우에는 제어부(22)가 상기의 동작과는 반대로 전류 공급 노드(N21)에 공급되는 전류의 량을 증가시키고, 전류 방출 노드(N22)에서 방출되는 전류의 량을 감소시켜 발진 중간 전압(Vcm)을 목표 전압으로 상승시킨다.
상술한 바와 같이, 본 발명은 전원 전압 또는 전류량의 변화에 따라 발진부로 공급 및 방출되는 전류의 량을 제어하여 발진 중간 전압이 목표 전압값을 유지할 수 있도록 하므로써 출력 파형 주파수의 지터를 감소시키고, 증폭 수단이 포화(Saturation) 영역에서 동작하는 것을 보장하며, 출력 파형의 라이징 타임 및 폴링 타임의 차이가 발생되는 것을 방지하여 소자 고유의 노이즈(Device Intrinsic Noise)에 의한 지터를 감소시키는 효과가 있다.

Claims (12)

  1. 소정 주파수의 파형을 발생시키며 전류 공급 노드 및 전류 방출 노드를 구비한 발진부와,
    제 1 제어 신호에 따라 전원 전압원으로부터 상기 전류 공급 노드로 공급되는 전류를 제어하는 제 1 전류 제어 수단 수단과,
    제 2 제어 신호에 따라 상기 전류 방출 노드로부터 접지로 방출되는 전류를 제어하는 제 2 전류 제어 수단과,
    상기 전류 공급 노드 및 상기 전류 방출 노드의 발진 중간 전압과 기준 전압을 비교하여, 전류량의 변화에 상관없이 상기 발진 중간 전압을 목표 전압으로 조절하는 제어 수단으로 이루어진 것을 특징으로 하는 링 오실레이터.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 발진부는 다수의 인버터가 직렬로 연결되고, 출력 단자가 입력 단자와 접속되는 것을 특징으로 하는 링 오실레이터.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 발진부의 출력 주파수는 상기 다수의 인버터에 공급되는 전류의 량에따라 제어되는 것을 특징으로 하는 링 오실레이터.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 1 및 제 2 전류 제어 수단은 MOS 트랜지스터로 이루어진 것을 특징으로 하는 링 오실레이터.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 파형을 증폭시키기 위한 증폭 수단을 더 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 링 오실레이터.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 기준 전압은 전원 전압과 접지 전압의 중간 전압인 것을 특징으로 하는 링 오실레이터.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 제어 수단은 상기 전류 공급 노드 및 상기 전류 방출 노드간에 접속되어 상기 발진 중간 전압을 발생시키는 발진 중간 전압 발생 수단과,
    상기 전원 전압원 및 상기 접지간에 접속되어 기준 전압을 발생시키는 기준 전압 발생 수단과,
    상기 발진 중간 전압에 의해 구동되는 제 1 스위칭 수단과,
    상기 기준 전압에 의해 구동되는 제 2 스위칭 수단과,
    상기 제 1 및 제 2 스위칭 수단과 상기 접지간에 접속되어 외부 바이어스에 의해 구동되는 제 3 스위칭 수단과,
    상기 제 1 및 제 2 스위칭 수단과 상기 전원 전압원간에 각각 접속되어 게이트와 소오스가 연결된 제 4 및 제 5 스위칭 수단과,
    상기 전원 전압원에 접속되고 상기 제 4 스위칭 수단의 게이트 전압에 의해 구동되는 제 6 스위칭 수단과,
    상기 제 6 스위칭 수단과 접지간에 접속되며 게이트와 드레인이 연결된 제 7 스위칭 수단과,
    상기 전원 전압원과 상기 전류 공급 노드간에 접속되어 상기 제 5 스위칭 수단의 게이트 전압에 따라 상기 전원 전압원 및 상기 전류 공급 노드간에 흐르는 전류의 량을 제어하는 제 5 전류 제어 수단과,
    상기 접지와 상기 전류 방출 노드간에 접속되어 상기 제 7 스위칭 수단의 게이트 전압에 따라 상기 접지 및 상기 전류 방출 노드간에 흐르는 전류의 량을 제어하는 제 6 전류 제어 수단으로 이루어진 것을 특징으로 하는 링 오실레이터.
  8. 제 7 항에 있어서,
    상기 기준 전압 발생 수단은 직렬로 접속된 제 1 및 제 2 저항으로 이루어지며, 상기 제 1 및 제 2 저항의 전압 분배에 의해 상기 기준 전압을 발생시키는 것을 특징으로 하는 링 오실레이터.
  9. 제 7 항에 있어서,
    상기 발진 중간 전압 발생 수단은 직렬로 접속된 제 3 및 제 4 저항으로 이루어지며, 상기 제 3 및 제 4 저항의 전압 분배에 의해 상기 발진 중간 전압을 발생시키는 것을 특징으로 하는 링 오실레이터.
  10. 제 7 항에 있어서,
    상기 제 1 내지 제 7 스위칭 수단 및 제 1 및 제 2 전류 제어 수단은 MOS 트랜지스터로 이루어진 것을 특징으로 하는 링 오실레이터.
  11. 제 7 항에 있어서,
    상기 전원 전압원 및 전류 공급 노드간에 상기 제 5 전류 제어 수단과 병렬로 접속된 커패시터를 더 포함하여 이루어진 것을 특징으로 하는 링 오실레이터.
  12. 제 7 항에 있어서,
    상기 접지 및 전류 방출 노드간에 상기 제 6 전류 제어 수단과 병렬로 접속된 커패시터를 더 포함하여 이루어진 것을 특징으로 하는 링 오실레이터.
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