KR100446305B1 - 제어 가능한 슈미트 트리거를 이용한 전원 전압 및 온도에무관한 ｒｃ 오실레이터 - Google Patents

제어 가능한 슈미트 트리거를 이용한 전원 전압 및 온도에무관한 ｒｃ 오실레이터

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Abstract

제어 가능한 슈미트 트리거를 이용한 전원 전압 및 온도에 무관한 RC 오실레이터가 개시된다. 본 발명의 오실레이터는 트랜지션 전압 발생회로, 슈미트 트리거 회로, RC 지연회로 및 양자화기를 구비한다. 트랜지션 전압 발생회로는 전원 전압에 비례하는 하이 트랜지션 전압 및 로우 트랜지션 전압을 발생한다. 슈미트 트리거 회로는 입력 전압이하이 트랜지션 전압 이상으로 상승하면 제1 레벨의 출력 전압을 발생하고, 입력 전압이 로우 트랜지션 전압 이하로 하강하면 제2 레벨의 출력 전압을 발생한다. RC 지연회로는 저항 및 커패시터를 포함하며, 출력 전압에 응답하여 입력 전압을 발생한다. 양자화기는 입력 전압을 양자화(quantization)하여 구형파 형태의 발진 신호를 출력한다. 본 발명에 의하면, 전원 전압 및 온도 등의 외부 조건의 변화에 대해 독립적이고 안정적인 발진 주파수를 가지는 발진 신호를 얻을 수 있다. 또한, 퓨즈를 이용하여 오실레이터의 제조 단계 또는 제조 후에도 발진 주파수를 조절하여 원하는 발진주파수로 정확하게 튜닝(tuning)할 수 있다.

Description

제어 가능한 슈미트 트리거를 이용한 전원 전압 및 온도에 무관한 ＲＣ 오실레이터{Power supply voltage-, temperature-independent R-C oscillator using controllable Schmitt trigger}
본 발명은 발진 신호를 발생하는 오실레이터(oscillator)에 관한 것으로, 특히, 슈미트 트리거 회로를 이용하는 R-C 오실레이터에 관한 것이다.
오실레이터는 일정한 발진 주파수를 가지는 발진 신호를 발생하는 전자회로이다. 오실레이터의 중요한 특성은 발진 주파수의 안정성, 즉 온도나 전원 전압 등의 외부 조건에 무관하게 발진 주파수를 일정하게 유지할 수 있는가 하는 점이다.
그런데, 종래 기술에 따른 오실레이터의 가장 큰 문제점은 전원 전압이나 온도와 같은 외부 조건에 대해 독립적이지 않다는 것이다.
도 1 내지 도 4는 종래 기술에 따른 오실레이터들을 나타내는 회로도이다.
도 1에 도시된 오실레이터는 링(ring) 오실레이터로서, 홀수(여기서는, 3) 개의 인버터(110)가 직렬로 연결된 구조를 가진다. 링 오실레이터의 경우, 구조는 간단하지만 온도나 전원 전압에 대하여 지연소자인 인버터(110)의 트랜스컨던턱스(transconductance) 값이 변하기 때문에 발진 주파수가 변하게 된다.
도 2에 도시된 오실레이터는 바이어스 전류에 의하여 지연셀이 제어되는 오실레이터로서, 통상 current starved delay 오실레이터라고도 한다. 도 2에 도시된 오실레이터는 인버터 형태로 구성되는 3개의 지연셀(210)에 흐르는 전류를 바이어스 전류단(220)이 제어한다. 지연셀(210)에 흐르는 전류량에 의하여 지연셀(210)의 지연 시간이 결정되므로, 전류량이 일정하다면 발진 주파수도 일정하게 유지된다. 그러나, 전원 전압(VDD)이 변하여 전류량에 변동이 있을 경우에는 발진 주파수도 변하는 단점이 있다.
도 3에 도시된 오실레이터는 종래 기술에 따른 슈미트 트리거 오실레이터이다. 도 3에 도시된 오실레이터는 슈미트 트리거(310)의 출력 신호의 전압 레벨에 따라 제1 스위치(SW1) 및 제2 스위치(SW2)를 교대로 온(on)시킴으로써, 커패시터(CC)에 충전과 방전을 반복한다. 그런데, 전원 전압(VDD)이 달라지면, 충전과 방전 속도가 달라져 발진 주파수가 바뀔 수 있다. 또한, 슈미트 트리거(310)의 트랜지션(transition) 전압(VIH, VIL)이 온도 등에 의해 변하면, 발진 주파수도 변하게 되는 문제점이 있다.
상기와 같이 전원 전압이나 온도 등의 외부 조건에 의해 발진 주파수가 변하는 문제점을 줄이기 위해 외부 조건에 비교적 둔감한 RC 오실레이터가 많이 사용되기도 한다.
도 4에 도시된 오실레이터는 종래 기술에 따른 RC 오실레이터로서, 홀수 개(여기서는 5개)의 인버터들(IV1~IV5), 커패시터(Cf) 및 저항 소자(Rf)를 구비한다.
도 4에 도시된 RC 오실레이터의 발진 주파수는 주로 저항 소자(Rf) 의 저항값 및 커패시터(Cf)의 커패시턴스(capacitance)에 의해 결정된다. 따라서, 저항값 및 커패시턴스가 온도나 전원 전압 등에 둔감하다면, 발진 신호(CLK)의 발진 주파수는 일정하게 유지될 수 있다.
저항 소자(Rf)는 주로 사용자에 의하여 외부에 연결되므로, 저항값이 일정하게 유지될 수 있다. 커패시터(Cf)는 제조 공정 등에 의하여 설계시의 커패시턴스와 달라질 수 있는데, 이를 보완하기 위하여, 다수의 커패시터들을 병렬로 연결하고, 제조 후 필요시에는 일부 커패시터를 퓨즈로 절단하여 분리하는 방법이 많이 이용된다. 즉, 다수의 커패시터들을 구비한 후, 제조 후에 커패시턴스를 측정하여 설계시 커패시턴스보다 크면, 특정 커패시터를 퓨즈로 절단하는 것이다. 그런데, 퓨즈를 이용한 커패시턴스의 조절은 일부 커패시터를 분리함으로써, 커패시턴스를 줄이는 것만이 가능하다. 따라서, 퓨즈를 이용한 조절 방법으로는 발진 주파수를 증가시킬 수는 있으나, 발진 주파수를 감소시킬 수는 없는 문제점이 있다.
또한 종래의 RC 오실레이터에서는 제1 노드(N1)에 연결된 인버터(IV1)에 고전압 스트레스가 인가되는 문제점이 있다. 이는 제1 노드 및 제2 노드(N1, N2)가 커패시터(Cf)를 통하여 연결됨으로써, 커패시터(Cf)를 통하여 전하가 펌핑되는 효과가 발생하기 때문이다.
도 4에 도시된 RC 오실레이터의 전압 파형도를 나타내는 도 5를 참조하면, 제2 노드 전압(V2)과 제3 노드 전압(V3)이 변하는 시점들(t1,t2,t3,t4)에서 인버터(IV1)에 고전압 스트레스가 인가된다. t1, t3 시점에서는 전원 전압(VDD) 보다 소정의 기준전압(VTR)만큼 높은 고전압이 인가된다. 상기와 같이, 인버터(IV1)에 고전압 스트레스가 계속하여 인가되면, RC 오실레이터의 수명이 단축되거나 신뢰성에 문제가 발생할 수 있다.
따라서 본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 전원 전압 및 온도 등의 외부 조건의 변화에 무관하게 일정한 발진 주파수를 가지는 발진 신호를 발생하는 오실레이터를 제공하는 것이다.
본 발명이 이루고자 하는 다른 기술적 과제는 원하는 발진 주파수를 가지도록 제조 단계 또는 제조 후에 발진 주파수를 조절할 수 있고, 또한 고전압 스트레스가 인가되지 않아 신뢰도가 향상되는 RC 오실레이터를 제공하는 것이다.
본 발명의 상세한 설명에서 인용되는 도면을 보다 충분히 이해하기 위하여 각 도면의 간단한 설명이 제공된다.
도 1은 종래 기술에 따른 링 오실레이터를 나타내는 회로도이다.
도 2는 종래 기술에 따른 전류 제어 오실레이터를 나타내는 회로도이다.
도 3은 종래 기술에 따른 슈미트 트리거를 이용한 오실레이터를 나타내는 회로도이다.
도 4는 종래 기술에 따른 RC 오실레이터를 나타내는 회로도이다.
도 5는 도 4에 도시된 RC 오실레이터의 전압 파형도이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 오실레이터를 나타내는 회로도이다.
도 7은 도 6에 도시된 트랜지션 전압 발생회로를 상세하게 나타내는 도면이다.
도 8은 도 6에 도시된 슈미트 트리거 회로의 입출력 전달특성을 나타내는 도면이다.
도 9는 도 6에 도시된 RC 오실레이터의 신호 파형도이다.
도 10은 도 6에 도시된 RC 오실레이터의 SPICE(Simulation Program with Integrated Circuit Emphasis) 시뮬레이션 결과로서, 입력 전압 및 발진 신호의 파형도이다.
도 11은 도 6에 도시된 RC 오실레이터의 전원 전압에 대한 시뮬레이션 결과를 나타내는 도면이다.
도 12는 도 6에 도시된 RC 오실레이터의 온도 조건에 대한 시뮬레이션 결과를 나타내는 도면이다.
도 13은 본 발명의 다른 일 실시예에 따른 오실레이터를 나타내는 회로도이다.
상기 기술적 과제들을 달성하기 위한 본 발명의 일면에 따른 오실레이터는 전원 전압에 비례하는 하이 트랜지션 전압 및 로우 트랜지션 전압을 발생하는 트랜지션 전압 발생회로; 입력 전압이 상기 하이 트랜지션 전압 이상으로 상승하면 제1 레벨의 출력 전압을 발생하고, 상기 입력 전압이 상기 로우 트랜지션 전압 이하로 하강하면 제2 레벨의 상기 출력 전압을 발생하는 슈미트 트리거 회로; 저항 및 커패시터를 포함하는 RC 지연회로로서, 상기 출력 전압에 응답하여 상기 입력 전압을 발생하는 상기 RC 지연회로; 및 상기 입력 전압을 양자화(quantization)하여 구형파 형태의 발진 신호를 출력하는 양자화기를 구비한다.
바람직하기로는, 상기 트랜지션 전압 발생회로는 상기 전원 전압을 분기하여 상기 하이 트랜지션 전압 및 상기 하이 트랜지션 전압보다 작은 상기 로우 트랜지션 전압을 발생한다.
또한 바람직하기로는, 상기 슈미트 트리거 회로는 상기 입력 전압과 트랜지션 전압을 비교하여 상기 출력 전압을 발생하는 전압 비교기; 및 상기 출력 전압에 응답하여 상기 하이 트랜지션 전압과 상기 로우 트랜지션 전압 중의 어느 하나를 상기 트랜지션 전압으로 제공하는 제어기를 포함한다.
또한 바람직하기로는, 상기 RC 지연회로는 출력 노드에 각각 연결되는 제1 및 제2 저항; 상기 전원 전압과 상기 제1 저항 사이에 형성되며, 상기 출력 전압에 응답하여 게이팅되는 제1 트랜지스터; 상기 제2 저항과 접지 전압 사이에 형성되며, 상기 출력 전압에 응답하여 게이팅되는 제2 트랜지스터; 및 상기 출력 노드 및 상기 접지 전압 사이에 형성되는 커패시터를 포함한다.
상기 기술적 과제들을 달성하기 위한 본 발명의 다른 일면에 따른 오실레이터는 입력 전압이 하이 트랜지션 전압 이상으로 상승하면 제1 레벨의 출력 전압을 발생하고, 상기 입력 전압이 로우 트랜지션 전압 이하로 하강하면 제2 레벨의 상기 출력 전압을 발생하는 슈미트 트리거 회로; 상기 출력 전압에 응답하여 소정의 출력 노드 및 접지 전압 사이에 형성되는 하나 이상의 커패시터에 충전하고 상기 커패시터 전하를 방전함으로써, 상기 입력 전압을 발생하는 RC 지연회로; 및 상기 입력 전압에 응답하여 소정의 발진 주파수를 가지는 발진 신호를 출력하는 양자화기를 구비하며, 상기 하이 트랜지션 전압 및 상기 로우 트랜지션 전압의 레벨은 전원 전압에 비례하는 것을 특징으로 한다.
바람직하기로는, 상기 RC 오실레이터는 상기 전원 전압을 분기하여 상기 하이 트랜지션 전압 및 상기 하이 트랜지션 전압보다 작은 상기 로우 트랜지션 전압을 발생하는 트랜지션 전압 발생회로를 더 구비한다. 또한 바람직하기로는, 상기 트랜지션 전압 발생회로는 상기 전원 전압과 접지 전압 사이에 직렬로 연결된 복수의 저항 소자들과 상기 복수의 저항 소자들 중 하나 이상의 저항에 병렬로 연결되는 퓨즈를 포함한다.
또한 바람직하기로는, 상기 RC 지연회로는 상기 전원 전압과 소정의 제1 노드 사이에 형성되며, 상기 출력 전압에 응답하여 게이팅되는 제1 트랜지스터; 소정의 제2 노드와 접지 전압 사이에 형성되며, 상기 출력 전압에 응답하여 게이팅되는 제2 트랜지스터; 상기 출력 노드 및 상기 접지 전압 사이에 병렬로 형성되는 복수의 상기 커패시터들; 소정의 제1 저항을 상기 제1 노드와 상기 출력 노드 사이에 전기적으로 연결하기 위한 제1 외부 단자; 및 소정의 제2 저항을 상기 제2 노드와 상기 출력 노드 사이에 전기적으로 연결하기 위한 제2 외부 단자를 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명과 본 발명의 동작상의 이점 및 본 발명의 실시에 의하여 달성되는 목적을 충분히 이해하기 위해서는 본 발명의 바람직한 실시예를 예시하는 첨부 도면 및 첨부 도면에 기재된 내용을 참조하여야만 한다.
이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 설명함으로써, 본 발명을 상세히 설명한다. 각 도면에 제시된 동일한 참조부호는 동일한 부재를 나타낸다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 오실레이터를 나타내는 회로도이다.
이를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 오실레이터는 트랜지션 전압 발생회로(410), 슈미트 트리거 회로(420), RC 지연회로(430) 및 양자화기(440)를 구비한다.
트랜지션 전압 발생회로(410)는 전원 전압(VDD)을 이용하여 하이 트랜지션 전압(VIH) 및 로우 트랜지션 전압(VIL)을 발생한다.
트랜지션 전압 발생회로(410)를 상세하게 나타내는 도 7을 참조하면, 트랜지션 전압 발생회로(410)는 전원 전압(VDD)을 디바이딩하여 하이 트랜지션 전압(VIH) 및 로우 트랜지션 전압(VIL)을 발생하는 전압 디바이더(voltage divider)이다. 트랜지션 전압 발생회로(410)는 전원 전압(VDD)과 접지 전압(GND) 사이에 직렬로 연결되는 총 Nt 개의 저항 소자들 중에서 Na 개의 저항 소자들에 걸리는 전압을 취하여 하이 트랜지션 전압(VIH)으로, Nb 개의 저항소자들에 걸리는 전압을 취하여 로우 트랜지션 전압(VIL)으로 발생한다. 여기서, Nt, Na 및 Nb는 저항 소자들의 수로 표현되었지만, 저항 소자가 하나의 물질로 이루어지고 그 길이에 따라 저항값이 결정되는 소자라면, Nt, Na 및 Nb는 길이를 나타내는 값일 수도 있다.
하이 트랜지션 전압(VIH), 로우 트랜지션 전압(VIL)과 전원 전압(VDD)의 관계는 다음 수학식 1과 같다.
따라서, 하이 트랜지션 전압(VIH)과 로우 트랜지션 전압(VIL)은 전원 전압(VDD)에 비례하는 전압이다.
슈미트 트리거 회로(420)는 입력 전압(VIN)이 하이 트랜지션 전압(VIH) 이상으로 상승하면 제1 레벨(여기서는 하이 레벨)의 출력 전압(VOUT)을 발생하고, 입력 전압(VIN)이 로우 트랜지션 전압(VIL) 이하로 하강하면 제2 레벨(여기서는, 로우레벨)의 출력 전압(VOUT)을 발생한다. 여기서, 하이레벨은 전원 전압(VDD) 레벨이다.
슈미트 트리거 회로(420)는 전압 비교기(421) 및 제어기(422)를 포함한다.
전압 비교기(421)는 정(+)단자로 입력 전압(VIN)을 수신하고, 부(-)단자로 트랜지션 전압(VC)을 수신하여, 양 전압(입력 전압(VIN)과 트랜지션 전압(VC))을 비교하여 출력 전압(VOUT)을 발생한다.
제어기(422)는 전압 비교기(421)로부터 출력되는 출력 전압(VOUT)에 응답하여 하이 트랜지션 전압(VIH)과 로우 트랜지션 전압(VIL) 중의 어느 하나를 트랜지션 전압(VC)으로 제공하는 역할을 하는데, 제1 및 제2 제어 스위치(SW1, SW2), 그리고 인버터를 포함한다. 제1 제어 스위치(SW1)는 전압 비교기(421)의 부(-)단자와트랜지션 전압 발생회로(410) 사이에 배치되고, 출력 전압(VOUT)의 반전(inverted) 전압에 의하여 온(on)/오프(off) 된다. 제2 제어 스위치(SW2) 역시 전압 비교기(421)의 부(-)단자와 트랜지션 전압 발생회로(410) 사이에 배치되며, 출력 전압(VOUT)에 의하여 온(on)/오프(off) 된다. 따라서, 출력 전압(VOUT)이 로우레벨이면 제2 제어 스위치(SW2)는 오프(off)되고 제1 제어 스위치(SW1)가 온되어, 하이 트랜지션 전압(VIH)이 트랜지션 전압(VC)으로 제공된다. 입력 전압(VIN)이 증가하여 하이 트랜지션 전압(VIH)보다 커지게 되면, 출력 전압(VOUT)이 하이레벨이 된다. 출력 전압(VOUT)이 하이레벨이면 제1 제어 스위치(SW1)는 오프(off)되고 제2 제어 스위치(SW2)가 온(on)되어, 로우 트랜지션 전압(VIL)이 트랜지션 전압(VC)으로 제공된다. 트랜지션 전압(VC)이 로우 트랜지션 전압(VIL)인 상태에서, 입력 전압(VIN)이 로우 트랜지션 전압(VIL)보다 작아지면 출력 전압(VOUT)이 다시 로우레벨이 된다.
상기와 같은 슈미트 트리거 회로(420)의 입출력 전달특성을 나타내는 도면이 도 8이다.
다시 도 6을 참조하면, RC 지연회로(430)는 제1 및 제2 트랜지스터(PM, NM), 제1 및 제2 저항(R1,R2) 그리고 커패시터(Cd)를 포함한다.
제1 트랜지스터(PM)는 그 소오스는 전원 전압(VDD)에, 그 드레인은 제1 저항(R1)의 일 단자(N31)에 연결되며, 그 게이트로는 출력 전압(VOUT)이 입력되는 피모스(PMOS) 트랜지스터인 것이 바람직하다. 제2 트랜지스터(NM)는 그 소오스는 접지 전압(GND)에, 그 드레인은 제2 저항(R2)의 일측 단자(N32)에 연결되며, 그 게이트로는 출력 전압(VOUT)이 입력되는 엔모스(NMOS) 트랜지스터인 것이 바람직하다. 제1 및 제2 트랜지스터(PM, NM)는 출력 전압(VOUT)에 응답하여 턴온/턴오프되는 일종의 스위치라 할 수 있다.
제1 저항(R1)은 제1 트랜지스터(PM)의 드레인과 출력 노드(N33) 사이에 형성되며, 제2 저항(R2)은 제2 트랜지스터(NM)의 드레인과 출력 노드(N33) 사이에 형성된다. 제1 저항(R1)과 제2 저항(R2)은 동일한 저항값을 가지는 것이 바람직하다.
커패시터(Cd)는 출력 노드(N33) 및 접지 전압(GND) 사이에 형성된다.
출력 전압(VOUT)이 로우레벨이면, 제1 트랜지스터(PM)는 턴온되고 제2 트랜지스터(NM)는 턴오프되어 제1 저항(R1)을 통하여 커패시터(Cd)에 충전된다. 반면, 출력 전압(VOUT)이 하이레벨이면, 제1 트랜지스터(PM)는 턴오프되고 제2 트랜지스터(NM)는 턴온되어 커패시터(Cd)에 충전된 전압이 제2 저항(R2)을 통하여 방전된다.
제1 및 제2 트랜지스터(PM, NM)는 각각 제1 및 제2 저항(R1,R2)의 저항값에 비하여 충분히 작은 턴온 저항(turn-on resistance)을 가지는 것이 바람직하다. 즉, 제1 및 제2 트랜지스터(PM, NM)의 크기가 충분히 커서 제1 및 제2 저항(R1,R2)에 비하여 제1 및 제2 트랜지스터(PM, NM)의 턴온 저항이 무시될 수 있는 것이 바람직하다. 제1 및 제2 트랜지스터(PM, NM)의 턴온 저항이 충분히 작다면, 지연 시간은 RC 시정수(time-constant)에 의해서만 결정된다. 따라서, 온도와 전원 전압(VDD)의 조건에 무관하게 출력 전압(VOUT)으로부터 입력 전압(VIN)까지의 지연시간이 항상 일정하게 된다.
양자화기(440)는 입력 전압(VIN)을 양자화(quantization)하여 발진 신호를 출력하는데, 하나 이상의 인버터를 포함한다. 양자화기(440)는 입력 전압(VIN)이 기준 전압(VTR)보다 크면 하이레벨(여기서는 VDD)을, 기준 전압보다 작으면 로우레벨을 출력한다. 따라서, 양자화기(440)에서 출력되는 발진 신호(CLK)는 구형파 형태를 가지게 된다.
도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 RC 오실레이터의 신호 파형도이다. 도 9(a)에 도시된 바와 같이, RC 지연회로(430)에서 출력되는 입력 신호(VIN)는 삼각파 형태이다. 입력 신호(VIN)를 양자화하여 얻은 발진 신호(CLK)는 도 9(b)에 도시된 바와 같이, 구형파 형태이다.
도 6 및 도 9를 함께 참조하여, 본 발명의 일 실시예에 따른 RC 오실레이터의 동작을 기술하면 다음과 같다.
초기 상태에서 출력 전압(VOUT)과 입력 전압(VIN)이 로우레벨(0)이라면, RC 지연회로(430)의 제1 트랜지스터(PM)가 턴온되어 도 9(a)의 (1)구간과 같이 입력 전압(VIN)이 증가한다. 입력 전압(VIN)이 증가하여 하이 트랜지션 전압(VIH)에 다다르면, 출력 전압(VOUT)이 하이레벨(VDD)이 된다, 그러면, RC 지연회로(430)의 제2 트랜지스터(NM)가 턴온되어 이번에는 (2)구간과 같이 입력 전압(VIN)이 감소한다. 입력 전압(VIN)이 감소하여 로우 트랜지션 전압(VIL)에 다다르면, 출력 전압(VOUT)은 로우레벨(0)이 된다. 출력 전압(VOUT)이 로우레벨이면 RC 지연회로(430)의 제1 트랜지스터(PM)가 다시 턴온되어 도 9(a)의 (3)구간과 같이 입력 전압(VIN)이 증가한다. 도 9(a)의 (2) 구간과 (3) 구간이 반복적으로 일어난다.
상기와 같이 (2)~(3)구간이 반복됨에 따라, 양자화기(440)에서 출력되는 신호는 도 9(b)에 도시된 바와 같이, 일정한 주기를 가지는 펄스 형태의 발진 신호(CLK)가 된다.
한편, 도 9(a)의 (2)구간에서 걸리는 시간을 폴링 타임(이하, tF라 함)이라 하면 tF는 제2 저항(R2), 제2 트랜지스터의 턴온 저항(RONn)과 커패시터(Cd)로 구성된 RC 회로에서 입력 전압(VIN)이 초기값인 하이 트랜지션 전압(VIH)으로부터 로우 트랜지션 전압(VIL)에 도달하기까지 걸리는 시간과 같다. 초기값(Va(0))이 하이 트랜지션 전압(VIH)이고 최종값(Va(∞))은 '0'이므로 (2) 구간에서의 입력 전압(Va(t))은 수학식 2와 같다. 따라서, 폴링 타임(tF)은 수학식 2에 t=tF, Va(t)=VIL을 대입함으로써, 수학식 3과 같이 계산된다.
여기서, Rd는 제2 저항(R2)의 저항값, Cd는 커패시터(Cd)의 커패시턴스이다.
제2 트랜지스터(NM)의 크기가 충분히 커 수학식 3에서 제2 트랜지스터의 턴온 저항(RONn)을 무시할 수 있고, 수학식 1의 VIH와 VIL을 수학식 3에 대입하여 계산하면, tF는 수학식 4와 같이 간략화될 수 있다.
상기 폴링 타임(tF)과 마찬가지로, 도 9(a)의 (3)구간에서 걸리는 시간을 라이징 타임(이하, tR라 함)이라 하면 tR는 제1 저항(R1), 제1 트랜지스터의 턴온 저항(RONp)과 커패시터(Cd)로 구성된 RC 회로에서 입력 전압(VIN)이 초기값인 로우 트랜지션 전압(VIL)으로부터 하이 트랜지션 전압(VIH)에 도달하기까지 걸리는 시간과 같다. 초기값(Va(0))이 로우 트랜지션 전압(VIL)이고 최종값(Va(∞))은 'VDD'이므로 (2) 구간에서의 입력 전압(Va(t))은 수학식 5와 같다.
따라서, 라이징 타임(tR)은 수학식 5에 t=tR, Va(t)=VIH을 대입함으로써, 수학식 6과 같이 계산된다.
제1 트랜지스터(PM)의 크기가 충분히 커 수학식 6에서 제1 트랜지스터의 턴온 저항(RONp)을 무시할 수 있고, 수학식 1의 VIH와 VIL을 수학식 6에 대입하여 계산하면, tR는 수학식 7과 같이 간략화될 수 있다.
발진 주기(tOSC)는 'tR+tF'이고, 발진 주파수(fOSC)는 tOSC의 역수와 같으므로, fOSC는 다음의 수학식 8과 같이 계산된다.
여기서, Rd, Cd는 RC 지연회로(430)의 저항 및 커패시터 값으로 설계자가 결정하는 상수이고, Na ,Nb ,Nt은 각각 트랜지션 전압 발생회로(410)에서 결정되는 상수이므로, 발진 주파수(fOSC)는 전원 전압(VDD) 및 기타 온도 등의 외부 조건에 무관하게 결정됨을 알 수 있다.
도 10은 도 6에 도시된 RC 오실레이터의 SPICE(Simulation Program with Integrated Circuit Emphasis) 시뮬레이션 결과로서, 입력 전압(VIN) 및 발진 신호(CLK)의 파형을 나타내는 도면이다.
도 11 및 도 12는 도 6에 도시된 RC 오실레이터의 전원 전압(VDD) 및 온도 조건에 대한 시뮬레이션 결과를 각각 나타내는 도면이다.
시뮬레이션 결과 전원 전압(VDD)에 대한 발진 주파수(fOSC)의 변화율은 1.2%/V이고, 온도에 대한 발진 주파수(fOSC)의 변화율은 0.013%/℃ 이다.
상기 시뮬레이션 결과에서 알 수 있듯이, 본 발명의 오실레이터는 온도나 전원 전압 등의 외부 조건의 영향을 거의 받지 않는다.
도 13은 본 발명의 다른 일 실시예에 따른 오실레이터를 나타내는 회로도이다.
이를 참조하면, 본 발명의 다른 일 실시예에 따른 오실레이터는 트랜지션 전압 발생회로(510), 슈미트 트리거 회로(420), RC 지연회로(530) 및 양자화기(440)를 구비한다.
트랜지션 전압 발생회로(510)는 도 6에 도시된 트랜지션 전압 발생회로(410)와 마찬가지로, 전원 전압(VDD)을 디바이딩하여 하이 트랜지션 전압(VIH) 및 로우 트랜지션 전압(VIL)을 발생한다. 도 6에 도시된 트랜지션 전압 발생회로(410)와의 차이점은 전원 전압(VDD)과 접지 전압(GND) 사이에 직렬로 연결되는 저항들 외에 하나 이상의 저항에 병렬로 연결되는 퓨즈를 더 포함하는 것이다.
본 실시예에서는, 제1 저항 노드(N51) 및 제2 저항 노드(N52) 사이에 제1 퓨즈(511)가 배치되고, 제2 저항 노드(N52)와 제3 저항 노드(N53) 사이에 제2 퓨즈(512)가 배치되어 총 2개의 퓨즈가 구비된다. 퓨즈들(511, 512)은 오실레이터의 제조 단계 또는 후에 절단될 수 있다.
퓨즈들(511, 512)이 절단되지 않은 상태에서는 전류는 제1 저항 노드(N51)와 제2 저항 노드(N52) 사이의 저항(R51) 및 제2 저항 노드(N52)와 제3 저항 노드(N53) 사이의 저항(R52)을 거치지 않고, 퓨즈들(511, 512)을 통해 직접 연결된 경로로 흐른다. 반면, 제1 퓨즈(511)가 절단되면, 전류는 제1 저항 노드(N51)와 제2 저항 노드(N52) 사이의 저항(R51)과 제2 저항 노드(N52)와 제3 저항 노드(N53) 사이의 제2 퓨즈(512)를 통해 흐른다. 따라서, 제1 퓨즈(511)가 절단된 경우의 로우 트랜지션 전압(VIL)에 대한 하이 트랜지션 전압(VIH)의 비(Na/Nb)는 제1 및 제2 퓨즈(511,512)가 절단되지 않은 경우의 로우 트랜지션 전압(VIL)에 대한 하이 트랜지션 전압(VIH)의 비(Na/Nb) 보다 커진다.
반면, 제1 및 제2 퓨즈(511, 512)가 모두 절단되면, 전류는 제1 저항 노드(N51)와 제2 저항 노드(N52) 사이의 저항(R51) 및 제2 저항 노드(N52)와 제3 저항 노드(N53) 사이의 저항(R52)을 통해 흐른다. 따라서, 제1 및 제2 퓨즈(511, 512)가 모두 절단된 경우의 로우 트랜지션 전압(VIL)에 대한 하이 트랜지션 전압(VIH)의 비(Na/Nb)는 제1 퓨즈(511)만 절단된 경우의 로우 트랜지션 전압(VIL)에 대한 하이 트랜지션 전압(VIH)의 비(Na/Nb) 보다 더욱 커진다.
수학식 8에서 알 수 있듯이 로우 트랜지션 전압(VIL)에 대한 하이 트랜지션 전압(VIH)의 비(Na/Nb)가 증가하면, 발진 주파수(fOSC)는 감소한다. 따라서, 상기와 같은 퓨즈의 절단을 통하여 오실레이터의 제조 후에 발진 주파수(fOSC)를 조절함으로써, 원하는 발진 주파수(fOSC)를 정확하게 얻을 수 있다.
슈미트 트리거 회로(420) 및 양자화기(440)는 도 6에 도시된 슈미트 트리거 회로(420) 및 양자화기(440)와 동일하므로, 여기서 상세한 설명은 생략된다.
RC 지연회로(530)는 도 6에 도시된 RC 지연회로(430)와 유사하다. 다만 차이점은 도 13에 도시된 RC 지연회로(530)는 출력 노드(N33)와 접지 전압(GND) 사이에 병렬로 연결되는 다수개의 커패시터들및 커패시터와 출력 노드 사이에 배치되는 하나 이상의 퓨즈를 포함한다는 점이다.
본 실시예에서는, 두 개의 커패시터들, 즉 제1 및 제2 커패시터(C1, C2)가 출력 노드(N33)와 접지 전압(GND) 사이에 각각 연결되고, 하나의 퓨즈(531)가 제2 커패시터(C2)와 출력 노드(N33) 사이에 배치된다.
퓨즈(531)는 트랜지션 전압 발생회로(510)의 퓨즈들(511,512)과 마찬가지로, 제조 단계 또는 제조 후에 절단될 수 있다. 퓨즈(531)가 절단되면 퓨즈(531)가 절단되지 않은 경우에 비하여 커패시턴스(Cd)가 줄어든다.
따라서, 수학식 8에서 알 수 있듯이 커패시턴스(Cd)가 감소하면, 발진 주파수(fOSC)는 증가한다. 그러므로, 트랜지션 전압 발생회로(510)의 퓨즈들(511,512)과 RC 지연회로(530)의 퓨즈(531)의 선택적 절단을 통하여 발진 주파수(fOSC)를 조절함으로써, 원하는 발진 주파수(fOSC)를 정확하게 얻을 수 있다.
그리고, RC 지연회로(530)의 제1 및 제2 저항(R1, R2)은 집적회로, 즉 칩 상에 포함되는 것이 아니라, 사용자에 의해 연결될 수 있다. 즉, 본 발명의 다른 일 실시예에 따른 오실레이터는 제1 및 제2 저항(R1, R2)을 제외한 회로 소자들을 집적화하고, 제1 및 제2 저항(R1, R2)은 사용자에 의해 칩 외부에 연결될 수 있도록 외부 단자를 구비하는 형태로 설계/제작될 수 있다.
사용자는 본 발명의 제2 실시예에 따른 오실레이터 칩의 외부 단자에, 원하는 발진 주파수를 얻을 수 있는 적절한 제1 및 제2 저항(R1, R2)을 연결하여 사용할 수 있다. 이 경우, 제1 및 제2 저항(R1, R2)의 특정 값에 대하여 특정의 발진 주파수가 얻어지도록 설계된다.
그런데, 제조 후에 발진 주파수에 오차가 생기면, 상술한 바와 같이, 트랜지션 전압 발생회로(510)의 퓨즈들(511,512)과 RC 지연회로(530)의 퓨즈(531)의 선택적 절단을 통하여 발진 주파수(fOSC)를 조절함으로써, 원하는 발진 주파수(fOSC)를 정확하게 얻을 수 있다.
본 발명은 도면에 도시된 일 실시예를 참고로 설명되었으나 이는 예시적인 것에 불과하며, 본 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 등록청구범위의 기술적 사상에 의해 정해져야 할 것이다.
본 발명에 의하면, 슈미트 트리거 회로로 입력되는 트랜지션 전압을 제어하여 적절한 트랜지션 전압을 선택함으로써, 전원 전압의 변화에 대해서 일정한 발진 주파수를 가진다. 또한 물리적인 저항과 커패시터로 구현됨으로써, 온도에 대한 발진 주파수의 변동도 거의 없다. 따라서, 전원 전압 및 온도 등의 외부 조건의 변화에 대해 독립적이고 안정적인 발진 주파수를 가지는 발진 신호가 얻어지는 효과가 있다.
아울러, 본 발명에 의하면, 퓨즈를 이용하여 오실레이터의 제조 단계 또는 제조 후에도 발진 주파수를 증가/감소시킬 수 있으므로, 원하는 발진주파수로 정확하게 튜닝(tuning)할 수 있다.

Claims (18)

  1. 전원 전압에 비례하는 하이 트랜지션 전압 및 로우 트랜지션 전압을 발생하는 트랜지션 전압 발생회로;
    입력 전압이 상기 하이 트랜지션 전압 이상으로 상승하면 제1 레벨의 출력전압을 발생하고, 상기 입력 전압이 상기 로우 트랜지션 전압 이하로 하강하면 제2 레벨의 상기 출력 전압을 발생하는 슈미트 트리거 회로;
    저항 및 커패시터를 포함하는 RC 지연회로로서, 상기 출력 전압에 응답하여 상기 입력 전압을 발생하는 상기 RC 지연회로; 및
    상기 입력 전압을 양자화(quantization)하여 구형파 형태의 발진 신호를 출력하는 양자화기를 구비하는 RC 오실레이터.
  2. 제 1항에 있어서, 상기 트랜지션 전압 발생회로는
    상기 전원 전압을 분기하여 상기 하이 트랜지션 전압 및 상기 하이 트랜지션 전압보다 작은 상기 로우 트랜지션 전압을 발생하는 것을 특징으로 하는 RC 오실레이터.
  3. 제 2항에 있어서, 상기 트랜지션 전압 발생회로는
    상기 전원 전압과 접지 전압 사이에 직렬로 연결된 둘 이상의 저항 소자들을 포함하는 것을 특징으로 하는 RC 오실레이터.
  4. 제 1항에 있어서, 상기 슈미트 트리거 회로는
    상기 입력 전압과 트랜지션 전압을 비교하여 상기 출력 전압을 발생하는 전압 비교기; 및
    상기 출력 전압에 응답하여 상기 하이 트랜지션 전압과 상기 로우 트랜지션전압 중의 어느 하나를 상기 트랜지션 전압으로 제공하는 제어기를 포함하는 것을 특징으로 하는 RC 오실레이터.
  5. 제 1항에 있어서, 상기 RC 지연회로는
    출력 노드에 각각 연결되는 제1 및 제2 저항;
    상기 전원 전압과 상기 제1 저항 사이에 형성되며, 상기 출력 전압에 응답하여 게이팅되는 제1 트랜지스터;
    상기 제2 저항과 접지 전압 사이에 형성되며, 상기 출력 전압에 응답하여 게이팅되는 제2 트랜지스터; 및
    상기 출력 노드 및 상기 접지 전압 사이에 형성되는 커패시터를 포함하는 것을 특징으로 하는 RC 오실레이터.
  6. 제 5항에 있어서, 상기 제1 및 제2 트랜지스터는 각각
    상기 제1 및 제2 저항의 저항값에 비하여 충분히 작은 턴온 저항을 가지는 것을 특징으로 하는 RC 오실레이터.
  7. 제 5항에 있어서, 상기 제1 및 제2 저항은
    실질적으로 동일한 저항값을 가지는 것을 특징으로 하는 RC 오실레이터.
  8. 입력 전압이 하이 트랜지션 전압 이상으로 상승하면 제1 레벨의 출력 전압을발생하고, 상기 입력 전압이 로우 트랜지션 전압 이하로 하강하면 제2 레벨의 상기 출력 전압을 발생하는 슈미트 트리거 회로;
    상기 출력 전압에 응답하여 소정의 출력 노드 및 접지 전압 사이에 형성되는 하나 이상의 커패시터에 충전하고 상기 커패시터 전하를 방전함으로써, 상기 입력 전압을 발생하는 RC 지연회로; 및
    상기 입력 전압에 응답하여 소정의 발진 주파수를 가지는 발진 신호를 출력하는 양자화기를 구비하며,
    상기 하이 트랜지션 전압 및 상기 로우 트랜지션 전압의 레벨은 전원 전압에 비례하는 것을 특징으로 하는 RC 오실레이터.
  9. 제 8항에 있어서, 상기 RC 오실레이터는
    상기 전원 전압을 분기하여 상기 하이 트랜지션 전압 및 상기 하이 트랜지션 전압보다 작은 상기 로우 트랜지션 전압을 발생하는 트랜지션 전압 발생회로를 더 구비하는 것을 특징으로 하는 RC 오실레이터.
  10. 제 9항에 있어서, 상기 트랜지션 전압 발생회로는
    상기 전원 전압과 접지 전압 사이에 직렬로 연결된 복수의 저항 소자들을 포함하는 것을 특징으로 하는 RC 오실레이터.
  11. 제 10항에 있어서, 상기 트랜지션 전압 발생회로는
    상기 복수의 저항 소자들 중 하나 이상의 저항에 병렬로 연결되는 퓨즈를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 RC 오실레이터.
  12. 제 11항에 있어서, 상기 발진 주파수는
    상기 퓨즈의 절단에 의하여 감소되는 것을 특징으로 하는 RC 오실레이터.
  13. 제 8항에 있어서, 상기 슈미트 트리거 회로는
    상기 입력 전압과 트랜지션 전압을 비교하여 상기 출력 전압을 발생하는 전압 비교기; 및
    상기 출력 전압에 응답하여 상기 하이 트랜지션 전압과 상기 로우 트랜지션 전압 중의 어느 하나를 상기 트랜지션 전압으로 제공하는 제어기를 포함하는 것을 특징으로 하는 RC 오실레이터.
  14. 제 8항에 있어서, 상기 RC 지연회로는
    상기 전원 전압과 소정의 제1 노드 사이에 형성되며, 상기 출력 전압에 응답하여 게이팅되는 제1 트랜지스터;
    소정의 제2 노드와 접지 전압 사이에 형성되며, 상기 출력 전압에 응답하여 게이팅되는 제2 트랜지스터;
    상기 출력 노드 및 상기 접지 전압 사이에 병렬로 형성되는 복수의 상기 커패시터들;
    소정의 제1 저항을 상기 제1 노드와 상기 출력 노드 사이에 전기적으로 연결하기 위한 제1 외부 단자; 및
    소정의 제2 저항을 상기 제2 노드와 상기 출력 노드 사이에 전기적으로 연결하기 위한 제2 외부 단자를 포함하는 것을 특징으로 하는 RC 오실레이터.
  15. 제 14항에 있어서, 상기 제1 저항 및 제2 저항은
    사용자에 의하여 외부에 연결되는 것을 특징으로 하는 RC 오실레이터.
  16. 제 15항에 있어서, 상기 제1 트랜지스터 및 상기 제2 트랜지스터는
    상기 제1 및 제2 저항의 저항값에 비하여 충분히 작은 턴온 저항을 가지는 것을 특징으로 하는 RC 오실레이터.
  17. 제 15항에 있어서, 상기 RC 지연회로는
    상기 출력 노드와 상기 복수의 커패시터들의 일측 사이에 형성되는 퓨즈를 하나 이상 더 포함하는 것을 특징으로 하는 RC 오실레이터.
  18. 제 17항에 있어서, 상기 발진 주파수는
    상기 퓨즈의 절단에 의하여 증가하는 것을 특징으로 하는 RC 오실레이터.
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