KR102379003B1 - 오실레이터 장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은, 링 오실레이터(1)에 기초하는 오실레이터 장치(1, 2)에 관한 것이다. 링 오실레이터의 클럭 신호의 주파수에서의 온도 의존적인 변동은, 링 오실레이터의 공급 전압을 조정함으로써 보상될 수 있다. 이 목적을 위해, 링 오실레이터(1)의 공급 전압은 전압 공급 회로(2)에 의해서 주변 온도에 따라 조정된다.

Description

오실레이터 장치

본 발명은, 오실레이터 장치에 관한 것이다. 특히, 본 발명은, 링 오실레이터를 구비하여 신속하게 시동하는 오실레이터 장치에 관한 것이다.

간행물 EP 1347575 A1호는, 상호 링크된 짝수 개의 인버터들을 초기화함으로써, 결과적으로 인버터의 출력이 제1 논리 값 및 제2 논리 값을 교대로 갖게 되는 단계, 및 발진을 여기시키기 위한 인버터의 상호 링크 내부로 여기 펄스를 입력하는 단계를 갖는, 발진 신호를 생성하기 위한 방법을 개시하며, 이 경우 여기 펄스의 길이는 인버터의 상호 링크를 통과하는 런타임보다 작다.

링 오실레이터는 공지되어 있다. 링 오실레이터는, 일반적으로 환상으로 상호 접속된 홀수 개의 인버팅 부품들을 포함한다. 개별 인버팅 부품 내에서의 유한한 런타임으로 인해, 공급 전압의 인가 후에는 적어도 거의 일정한 진동이 발생한다. 이 경우, 종래의 "프리 런닝" 링 오실레이터는 제조 공정 변동 및 주변 온도와 관련하여 매우 큰 주파수 분산을 가지며, 그렇기 때문에 일반적으로 사전 설정된 클럭 속도를 갖는 애플리케이션에는 적합하지 않다.

또한, 다양한 구조적 형상의 온도 보상된 정밀 클럭 발생기도 공지되어 있다. 하지만, 이와 같은 정밀 클럭 발생기는 일반적으로 10 ㎲를 초과하는 상대적으로 긴 스위치-온 시간을 갖는다.

예컨대 센서 인터페이스와 같은 특히 에너지 절약형 적용예를 위해서는, 입력/출력 레지스터 동기화를 위해 안정적인 클럭 속도가 필요하다. 이 목적을 위해, 활성화 직후에는, 사전 설정된 주파수 범위 내에서 안정적인 클럭 신호가 요구된다.

본 발명은 특허 청구항 1의 특징부를 갖는 오실레이터 장치를 개시한다.

그에 따라,

링 오실레이터 및 전압 공급 회로를 갖는 오실레이터 장치가 제공되어 있다. 링 오실레이터는, 클럭 신호를 출력하도록 설계되어 있다. 특히, 링 오실레이터는, 링 오실레이터에 입력 전압이 제공되면 클럭 신호를 출력하도록 설계되어 있다. 전압 공급 회로는, 링 오실레이터에 사전 설정된 입력 전압을 제공하도록 설계되어 있다. 특히, 전압 공급 회로는, 링 오실레이터에 제공되는 입력 전압을 오실레이터 장치의 주변 온도에 따라 조정하도록 설계되어 있다.

본 발명은, 링 오실레이터가 공급 전압의 인가 후에는 안정적인 클럭 신호를 매우 신속하게 출력할 수 있다는 인식을 토대로 한다. 이 경우, 링 오실레이터에 의해서 출력되는 클럭 신호의 주파수는 주변 온도 외에 또한 링 오실레이터의 인가된 입력 전압에도 의존한다.

그렇기 때문에, 본 발명의 아이디어는, 상기와 같은 인식을 고려하는 것, 그리고 링 오실레이터에 대한 공급 전압을 조정함으로써 링 오실레이터의 온도 의존적인 주파수 변동을 보상하는 것이다. 이 목적을 위해, 온도 변동 또는 경우에 따라서는 제조 공정에서 기인하는 변동으로 인한 링 오실레이터 내에서의 주파수 변화가 최대로 광범위하게 보상될 수 있도록, 적합한 전압 공급 회로에 의해서 링 오실레이터에 대한 입력 전압을 변화시키는 것이 제안되었다.

온도 변동이 넓은 범위 내에서 보상될 수 있도록 링 오실레이터의 입력 전압이 보상되면, 이로 인해서 스위치-온 후에 매우 짧은 시간격(수 나노 초) 이내에 안정적인 클럭 신호를 제공할 수 있는 온도 안정적인 회로가 실현될 수 있다.

이로 인해서는, 클럭 신호를 필요로 하는 전자 회로를 매우 짧은 시간 간격 이내에 활성화하는 것 그리고 안정적인 클럭 신호를 제공하는 것이 가능해진다. 이와 같은 상황은, 상응하는 전자 회로의 매우 신속한 활성화를 가능하게 한다.

일 실시예에 따르면, 링 오실레이터는 링 형상으로 상호 결합된 복수의 인버터들 또는 인버팅 부품들을 포함한다. 특히, 링 오실레이터는 링 형상으로 상호 결합된 홀수 개의 인버팅 부품들 또는 인버터들을 포함할 수 있다. 이들 인버터의 유한한 런타임으로 인해, 링 형상으로 상호 결합된 인버터들의 수에 따라 상응하게, 상응하는 발진 주파수가 생성될 수 있다. 이와 같은 유형의 링 오실레이터는, 공급 전압의 인가 후에 안정적인 클럭 속도를 매우 신속하게 전달한다.

일 실시예에 따르면, 전압 공급 회로는 직렬 연결 가능한 소스 팔로워 회로를 포함한다. 이와 같은 소스 팔로워 회로는 입력 측에 제공된 전압에 상응하게 출력 측 전압을 매우 신속하게 조정할 수 있다.

일 실시예에 따르면, 소스 팔로워 회로는 셀프-컨덕팅 공핍형 트랜지스터를 포함한다. 특히, 소스 팔로워 회로는 소위 "Natural VT"-NMOS 트랜지스터를 포함한다. 이와 같은 유형의 트랜지스터를 갖는 소스 팔로워 회로는, 제공된 전압으로부터 매우 낮은 임피던스를 갖는 링 오실레이터를 위해서 필요한 공급 전압을 생성할 수 있다. 이와 같은 방식에 의해서는, 낮은 임피던스 및 낮은 (기생) 커패시턴스로 인해, 링 오실레이터가 수 나노 초 이내에 매우 신속하게 스위치-온 될 수 있다. 따라서, 링 오실레이터의 상응하는 출력 신호는 거의 즉시 이용 가능하다.

일 실시예에 따르면, 전압 공급 회로는 온도 센서 요소를 포함한다. 온도 센서 요소는 소스 팔로워 회로의 입력과 결합되어 있다. 이와 같은 방식에 의해서는, 오실레이터 장치의 온도 변화가 직접적으로 조정될 수 있음으로써, 다시 말하자면 보상될 수 있음으로써, 결과적으로 오실레이터 장치는 온도 안정적인 출력 신호를 생성할 수 있게 된다.

일 실시예에 따르면, 온도 센서 요소는 링 오실레이터의 부품을 모방한 직렬 회로를 포함한다. 특히, 온도 센서 요소는, 링 오실레이터 내의 트랜지스터와 유사하게 실현되어 있는 트랜지스터의 직렬 회로를 포함할 수 있다. 이와 같은 방식에 의해서는, 전원 공급 회로 내에서의 링 오실레이터의 온도 의존적인 효과가 시뮬레이팅 되어 보상될 수 있다.

일 실시예에 따르면, 오실레이터 장치는 또 다른 클럭 발생기를 포함한다. 또 다른 클럭 발생기는, 또 다른 클럭 신호를 제공하도록 설계되어 있다. 특히, 또 다른 클럭 신호는, 링 오실레이터의 주파수에 정확하게 또는 적어도 거의 상응하는 주파수를 갖는 클럭 신호를 포함할 수 있다. 이 경우, 오실레이터 장치는, 적어도 또 다른 클럭 발생기가 안정될 때까지 링 오실레이터에 의해서 클럭 신호를 제공하도록 설계되어 있다. 특히, 예를 들어 또 다른 클럭 발생기는 임의의 구조적 형상의 온도 보상된 정밀 클럭 발생기일 수 있다. 이와 같은 방식에 의해서는, 먼저 링 오실레이터에 의해서 매우 짧은 스위치-온 시간 후에 이미 클럭 신호를 제공하는 것이 가능한 한편, 또 다른 클럭 발생기는 아직까지 안정되지 않아서 안정적인 클럭 신호를 제공할 수 없다.

상기 실시예들 및 개선예들은, 타당하다면 서로 임의로 조합될 수 있다. 본 발명의 또 다른 실시예들, 개선예들 및 구현예들은 또한 실시예들과 관련하여 이전에 기술되었거나 이후에 기술될 본 발명의 특징부들의 명시적으로 언급되지 않은 조합들도 포함한다. 특히, 이 경우에 통상의 기술자는 또한 개별 양상들을 본 발명의 개별적인 기본 형상에 대한 개선예 또는 보완책으로서 추가하게 될 것이다.

본 발명은, 도면부의 각각의 개략적인 도면에 도시된 실시예들을 참조하여 이하에서 더욱 상세하게 설명될 것이다. 도면부에서,
도 1은 오실레이터 장치의 일 실시예에 따른 링 오실레이터의 개략도를 도시하고,
도 2는 일 실시예에 따른 오실레이터 장치의 개략도를 도시하며, 그리고
도 3은 일 실시예에 따른 오실레이터 장치용 온도 센서 요소의 개략도를 도시한다.

도 1은, 일 실시예에 따른 링 오실레이터(1)의 개략도를 보여준다. 여기에 도시된 실시예에서, 링 오실레이터(1)는, 링 형상으로 상호 연결된 3개의 인버터들(11, 12 및 13)을 포함한다. 이와 같은 관계에서, 링 형상은, 인버터(11 또는 12)의 출력이 후속하는 인버터(12 또는 14)의 출력과 연결되어 있다는 것을 의미한다. 마지막 인버터(13)의 출력은 재차 제1 인버터(11)의 입력과 연결되어 있다. 이 경우, 다만 3개의 인버터들(11, 12 및 13)만을 갖는 여기에 도시된 변형예는 다만 도면에 대한 더욱 우수한 이해를 위해서만 이용된다. 또한, 또 다른 임의의 수의 인버터, 특히 임의의 홀수의 인버터도 가능하다. 개별 인버터(11, 12 및 13)의 유한한 런타임으로 인해, 링 오실레이터(1)에 공급 전압이 인가된 후에는 진동이 설정된다. 링 오실레이터(1)의 내부에서의 이와 같은 진동이 작용을 받아 외부로 가이드 될 수 있음으로써, 결과적으로 진동은 출력(out)에서 제공될 수 있다.

이 경우, 링 오실레이터(1)의 개별 인버터(11, 12 및 13)는 예를 들어 전계 효과 트랜지스터와 같은 트랜지스터에 의해서 실현될 수 있다. 이 경우에는, 링 오실레이터(1) 내에서의 런타임이 링 오실레이터(1)의 온도에 따라 변함으로써, 결과적으로 링 오실레이터(1)의 출력 신호의 주파수는 링 오실레이터(1)의 온도에 매우 강하게 의존한다.

링 오실레이터(1)의 출력 신호의 주파수의 온도 의존성 외에, 출력 신호의 주파수는 또한 링 오실레이터(1)의 공급 전압의 레벨에도 의존한다. 따라서, 공급 전압의 조정에 의해서 링 오실레이터(1)의 출력 신호의 주파수의 온도 의존적인 변동을 완전히 또는 적어도 부분적으로 보상하는 것이 가능해진다. 이 목적을 위해, 링 오실레이터(1)를 위한 공급 전압은 적합한 전압 공급 회로에 의해서 온도에 따라 조정될 수 있다.

도 2는, 일 실시예에 따른 오실레이터 장치의 개략도를 보여준다. 오실레이터 장치는, 링 오실레이터(1) 및 전압 공급 회로(2)를 포함한다. 링 오실레이터(1)는, 앞에서 이미 기술된 바와 같이 예를 들어 링 오실레이터(1)일 수 있다. 더 나아가서는, 링 오실레이터의 임의의 또 다른 구성도 물론 가능하다. 전압 공급 회로(2)는 링 오실레이터(1)에 공급 전압을 제공하며, 이 경우에는 공급 전압의 레벨이 조정될 수 있다. 특히, 전압 공급 회로(2)는, 오실레이터 장치의 주변 온도, 예를 들어 오실레이터 장치가 실현되어 있는 기판의 기판 온도에 따라 링 오실레이터(1)를 위한 공급 전압의 레벨을 조정할 수 있다.

여기에서, 전압 공급 회로(2)의 한 가지 특징부는, 오실레이터 장치가 활성화된 후에는, 온도 보상된 입력 전압이 링 오실레이터(1)에 신속하게 제공될 수 있다는 것이다. 오실레이터 장치의 활성화는, 예를 들어 오실레이터 장치에 적합한 입력 전압이 제공됨으로써 실현될 수 있다. 이와 같은 상황은, 예를 들어 스위치(3)가 폐쇄됨에 의해서 도 2에 명시되어 있다.

오실레이터 장치가 활성화된 후에는, 다시 말해 예를 들어 스위치(3)가 폐쇄되고 오실레이터 장치에 적합한 전압이 제공된 후에는, 소위 소스 팔로워 회로(source follower circuit)(21)를 통해서 링 오실레이터(1)에 온도 보상된 공급 전압이 제공된다. 소스 팔로워 회로(21)는, 복수의 트랜지스터들, 예를 들어 2개의 트랜지스터들(211 및 212)로 이루어진 예를 들어 직렬 연결된 소스 팔로워 회로를 포함할 수 있다. 특히, 소스 팔로워 회로(21)의 트랜지스터(211 및 212)는 NVT NMOS-트랜지스터("Natural VT" = 셀프-컨덕팅 공핍형-NMOS)일 수 있다. 이와 같은 유형의 트랜지스터의 소스 단자는, 예를 들어 적합한 전원을 통해서 기준 전위와 결합될 수 있다. 이와 같은 방식에 의해서는, 링 오실레이터(1)에서 낮은 임피던스를 갖는 공급 전압을 생성하는 것이 가능해진다. 이 경우에는, 작은 임피던스 및 낮은 기생 커패시턴스로 인해, 매우 짧은 시간 이내에, 다시 말하자면 예컨대 수 나노 초 이내에 링 오실레이터(1)에 공급 전압이 제공될 수 있다. 그 다음에는, 링 오실레이터(1)가 즉시 클럭 신호를 제공할 수 있다.

온도 보상을 위해, 소스 팔로워 회로(21)의 입력에는 온도 의존적인 전압 신호가 제공될 수 있다. 이와 같은 온도 의존적인 전압 신호는 예를 들어 온도 센서 요소(22)에 의해서 생성될 수 있다. 특히, 이 경우에 온도 센서 요소(22)는, 링 오실레이터(1)의 상응하는 부품을 시뮬레이팅 하는 부품에 의해서 실현될 수 있다. 링 오실레이터(1)가 예를 들어 트랜지스터에 의해서 실현되면, 온도 센서 요소(22) 내에서 이들 트랜지스터가 시뮬레이팅 될 수 있다. 특히, 온도 센서 요소(22) 내에서는, 예를 들어 링 오실레이터(1) 내에서도 사용될 수 있는 것과 같은 트랜지스터들이 각각 시뮬레이팅 될 수 있다. 예컨대, 이 목적을 위해서는, 링 오실레이터(1) 내에도 구현되어 있는 것과 같은 PMOS-트랜지스터 및 NMOS-트랜지스터가 온도 센서 요소(22)를 위해 직렬로 접속될 수 있다. PMOS-트랜지스터(221) 및 NMOS-트랜지스터(222)의 상응하는 직렬 회로는 예를 들어 도 3에 도시되어 있다.

링 오실레이터(1)와 전압 공급 회로(2)가 하나의 공통 기판상에서 실현되면, 온도 센서 요소(22)의 부품은 링 오실레이터(1)의 부품과 동일한 변동을 갖게 된다. 따라서, 이와 같은 방식에 의해서는, 상황에 따라 발생 가능한 제조 기술적인 변형 및 공차도 보상될 수 있다.

온도 센서 요소(22) 위에서의 전압 강하는, 소스 팔로워 회로(21)의 입력에 제공될 수 있다. 특히, 이 경우에는, 적합한 전압 분배기(23)를 통해서 소스 팔로워 회로(21)의 입력에 전압 강하를 제공하는 것이 가능하다. 이 목적을 위해, 예컨대 전압 공급 회로(2)의 입력 전압을 위한 단자와 온도 센서 요소(22) 사이에 전압 분배기(23)가 제공될 수 있으며, 이 전압 분배기의 중앙 탭은 소스 팔로워 회로 (21)의 입력과 결합되어 있다. 이때, 전압 분배기(23)가 가변적인 전압 분배기인 경우에는, 예컨대 또 다른 제조 기술적인 변동 또는 다른 변화를 보상하기 위하여 그리고 이로써 링 오실레이터(1)를 위한 공급 전압의 레벨을 적합한 정도로 조절하기 위하여, 필요에 따라 상기 전압 분배기(23)에 의해서 또 한 번의 조절이 실행될 수 있다.

전술된 오실레이터 장치는, 오실레이터 장치의 활성화 후에 매우 짧은 시간 이내에 안정적인 클럭 신호를 제공하는 것을 가능하게 한다. 특히, 링 오실레이터(1)에서 입력 전압을 조정함으로써, 온도 효과로 인한 클럭 신호의 주파수 변동을 저지하는 것 그리고 이와 같은 주파수 변동을 최대한 광범위하게 보상하는 것이 가능해진다.

이와 같은 유형의 오실레이터 장치는, 예컨대 전자 회로의 활성화 직후에 적합한 클럭 신호를 제공할 수 있기 위하여 사용될 수 있다. 예를 들어, 이와 같은 방식에 의해서는, 예컨대 입력/출력 레지스터를 동기화하거나 클럭과 관련된 다른 동작을 실시하기 위하여, 활성화 후에 클럭 신호를 필요로 하는 인터페이스를 위해서 클럭 신호가 제공될 수 있다.

상기와 같은 회로가 활성화 후에 더 긴 시간 간격 동안 작동되면, 전술된 온도 보상된 링 오실레이터(1)에 추가로, 또 다른 클럭 발생기(도면에 도시되어 있지 않음)가 제공될 수 있다. 이와 같은 또 다른 클럭 발생기는, 예를 들어 임의의 온도 보상된 그리고 상황에 따라 트리밍 되는 정밀 클럭 발생기일 수 있다. 하지만, 이와 같은 유형의 정밀 클럭 발생기는 일반적으로 수십 ㎲에 달할 수 있는 매우 긴 스위치-온 시간을 필요로 한다. 이와 같은 상대적으로 긴 스위치-온 시간 후에 비로소, 상기와 같은 정밀 클럭 발생기가 안정적인 클럭 신호를 제공할 수 있다. 이 경우에는, 전압 공급 회로를 갖는 전술된 링 오실레이터에 의해서 활성화 직후에 클럭 신호가 제공될 수 있다. 상기 클럭 신호는, 또 다른 클럭 발생기가 안정화 되어 안정적인 클럭 신호를 제공할 때까지, 링 오실레이터(1)에 의해서 발생될 수 있다.

요약해서 말하자면, 본 발명은, 링 오실레이터에 기초하는 오실레이터 장치에 관한 것이다. 링 오실레이터의 클럭 신호의 주파수에서의 온도 의존적인 변동은, 링 오실레이터의 공급 전압을 조정함으로써 보상될 수 있다. 이 목적을 위해, 링 오실레이터의 공급 전압은 전압 공급 회로에 의해서 주변 온도에 따라 조정된다.

Claims (8)

1. 오실레이터 장치로서,
   입력 전압이 제공되면 클럭 신호를 출력하는 링 오실레이터;
   상기 링 오실레이터에 사전 설정된 입력 전압을 제공하는 전압 공급 회로;
   온도 센서;
   전압 분배기;
   두 개의 전원들;
   커패시터; 및
   또 다른 클럭 신호를 제공하는 또 다른 클럭 발생기를 구비하고,
   상기 전압 공급 회로는, 상기 오실레이터 장치의 주변 온도에 따라 상기 사전 설정된 입력 전압을 조정하도록 구성되고,
   상기 또 다른 클럭 발생기가 안정 상태에 도달하기에 앞서, 상기 오실레이터 장치는 상기 링 오실레이터의 상기 클럭 신호를 제공하도록 구성되고,
   상기 또 다른 클럭 신호는, 적어도 상기 링 오실레이터의 주파수에 대응하는 주파수를 갖는 클럭 신호를 포함하고,
   상기 전압 공급 회로는 소스 팔로워 회로를 포함하고,
   상기 소스 팔로워 회로의 입력은 상기 온도 센서와 결합되고,
   상기 두 개의 전원들은 상기 소스 팔로워 회로에 연결되고,
   상기 커패시터는 상기 두 개의 전원들 중 하나와 병렬로 연결되는, 오실레이터 장치.
2. 제1항에 있어서, 상기 링 오실레이터는 링 형상으로 상호 결합된 복수의 인버터들을 포함하는, 오실레이터 장치.
3. 제1항에 있어서, 상기 소스 팔로워 회로의 출력이 상기 링 오실레이터의 전압 공급 단자와 결합되어 있는, 오실레이터 장치.
4. 제1항에 있어서, 상기 소스 팔로워 회로는 셀프-컨덕팅 공핍형 트랜지스터들을 포함하는, 오실레이터 장치.
5. 제1항에 있어서, 상기 온도 센서는, 상기 링 오실레이터에 포함된 트랜지스터들에 각각 대응하는 트랜지스터들을 포함하는, 오실레이터 장치.
6. 제5항에 있어서, 상기 링 오실레이터에 포함된 상기 트랜지스터들이 직렬로 연결됨에 따라, 상기 온도 센서에 포함된 상기 트랜지스터들이 직렬로 연결되는, 오실레이터 장치.
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