KR102649439B1 - 온도에 무관한 발진신호를 출력하는 rc발진기 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 온도에 무관한 발진신호를 출력하는 RC발진기로서, 더 구체적으로는, 입력전류를 생성하는 입력전류생성부; 제1전류미러부; 제2전류미러부; 상기 제1전류미러부에서 출력되는 전류에 따른 상한전압 및 하한전압을 생성하는 기준전압생성부; 및 발진신호를 출력하도록 하는 주파수스위칭부와 래치부;를 포함하고, RT저항이 내장된 입력전류생성부의 전류가 온도에 따라 변하더라도, 기준전압생성부에서 측정되는 상한전압과 하한전압이 가변됨에 따라 출력되는 발진신호의 주파수는 일정하게 출력되는, 온도에 무관한 발진신호를 출력하는 RC발진기에 관한 것이다.
또한, 본 특허는 2022년 ~ 2024년도 중소벤처기업부의 기술개발사업 지원에 의한 연구임. [S3307808]

Description

온도에 무관한 발진신호를 출력하는 RC발진기{The RC-Oscillator That Outputs An Oscillation-Signal Independent Of Temperature}
본 발명은 온도에 무관한 발진신호를 출력하는 RC발진기로서, 더 구체적으로는, 입력전류를 생성하는 입력전류생성부; 제1전류미러부; 제2전류미러부; 상기 제1전류미러부에서 출력되는 전류에 따른 상한전압 및 하한전압을 생성하는 기준전압생성부; 및 발진신호를 출력하도록 하는 주파수스위칭부와 래치부;를 포함하고, RT저항이 내장된 입력전류생성부의 전류가 온도에 따라 변하더라도, 기준전압생성부에서 측정되는 상한전압과 하한전압이 가변됨에 따라 출력되는 발진신호의 주파수는 일정하게 출력되는, 온도에 무관한 발진신호를 출력하는 RC발진기에 관한 것이다.
RC발진기(RC Oscillator)는 커패시터(C)와 저항기(R)를 이용한 충/방전 회로의 충전/방전 주기 조절을 통해 주기적인 파형(정현파)를 생성하며, 더 구체적으로는, 증폭기(amplifier)와 RC 피드백(RC Feedback) 네트워크의 조합을 사용하여 단계 간의 위상 변화로 인한 출력 진동을 생성한다.
위상 시프트 발진기라고도 하는 기본 RC발진기는 RC 래더 네트워크(RC Ladder Network)에서 얻은 재생 피드백을 사용하여 사인파 출력신호를 생성하고, RC 네트워크에서 이와 같은 재생 피드백은 커패시터가 전기전하를 저장하는 능력에 기인한다. 이러한 저항-커패시터 피드백 네트워크는 선행 위상 시프트(phase advance network)를 생성하거나 뒤쳐지는 위상 시프트(phase delay network)를 생성하기 위해 상호 교환될 수 있다.
위상 시프트 네트워크에서 저항기 또는 커패시터 중 하나 이상을 변화시킴으로써, 주파수는 다양하게 가변될 수 있으며, 일반적으로 3갱단 가변 커패시터를 사용하여 출력되는 신호의 주파수를 다양하게 제어할 수 있다. 즉, 커패시터가 주파수에 민감한 구성요소이기 때문에 출력하려는 주파수를 변형시키려는 경우, 커패시터를 변경하는 방법이 채택된다.
한편, 전술한 RC발진기와 관련된 종래기술의 경우, 별도록 인가되는 상한전압 및 하한전압에 따라 출력되는 발진신호의 주파수가 결정된다. 다시 말해, 상한전압과 하한전압으로 결정되는 기설정된 전압범위에서 캐패시터의 충전과 방전이 이루어지며, 이에 따라 발진신호가 출력되는 형태이다. 다만, 전압-전류 변환기에 저항이 필수적으로 요구되는데, 종래기술의 RC발진기의 경우, 저항값은 온도에 따라 가변되는 파라미터이므로 온도의 영향을 최소화하기 위해 외부에 배치하는 것이 일반적이다.
그러나, 저항을 외부에 배치하게 되는 경우, 기판의 레이아웃을 설계하는데 있어 한계점이 존재하고, 저항을 내부에 배치하게 되는 경우, 온도에 따라 발진신호의 주파수가 불안정해지므로 이를 해결하기 위한 기술이 요구되고 있다.
본 발명은 온도에 무관한 발진신호를 출력하는 RC발진기로서, 더 구체적으로는, 입력전류를 생성하는 입력전류생성부; 제1전류미러부; 제2전류미러부; 상기 제1전류미러부에서 출력되는 전류에 따른 상한전압 및 하한전압을 생성하는 기준전압생성부; 및 발진신호를 출력하도록 하는 주파수스위칭부와 래치부;를 포함하고, RT저항이 내장된 입력전류생성부의 전류가 온도에 따라 변하더라도, 기준전압생성부에서 측정되는 상한전압과 하한전압이 가변됨에 따라 출력되는 발진신호의 주파수는 일정하게 출력되는, 온도에 무관한 발진신호를 출력하는 RC발진기를 제공하는 것을 목적으로 한다.
상기와 같은 과제를 해결하기 위하여, 본 발명의 일 실시예는, 온도에 무관한 발진신호를 출력하는 RC발진기로서, 피드백회로부 및 제1내부저항을 포함하고, 입력전압에 대한 입력전류를 생성하는 입력전류생성부; 제1PMOS, 제2PMOS, 및 제3PMOS를 포함하고, 상기 입력전류생성부와 연결되어 제1전류 및 제2전류를 출력하되, 상기 제1전류 및 상기 제2전류는 서로 같은 전류값을 가지는 제1전류미러부; 상기 제1전류미러부로부터 상기 제1전류를 전달받아 내부에 구비된 제2내부저항 및 제3내부저항을 이용하여 상한전압 및 하한전압을 생성하는 기준전압생성부; 제1NMOS 및 제2NMOS를 포함하고, 상기 기준전압생성부와 연결되어 상기 제1전류와 동일한 전류값을 가지는 제3전류를 출력하는 제2전류미러부; 제4PMOS 및 제3NMOS를 포함하고, 상기 제1전류미러부 및 상기 제2전류미러부와 연결되고, 상기 제4PMOS 및 상기 제3NMOS 중 어느 하나가 동작됨으로써 커패시터가 충전되거나 방전되도록 하는 주파수스위칭부; 및 상기 주파수스위칭부와 연결되어 상기 커패시터에 인가되는 커패시터전압과 상기 상한전압 및 상기 하한전압 중 어느 하나와 비교하고, 발진신호를 출력하는 래치부;를 포함하고, 상기 래치부는 상기 발진신호로서 하이신호 및 로우신호를 교차하여 반복적으로 출력하는, RC발진기를 제공한다.
본 발명의 일 실시예에서는, 상기 RC발진기는 상기 하이신호를 출력하는 제1모드; 및 상기 로우신호를 출력하는 제2모드; 중 어느 하나로 동작하고, 상기 제1모드는, 상기 래치부에서, 상기 주파수스위칭부로 제1제어신호를 송신하는 단계; 상기 주파수스위칭부에서, 상기 제4PMOS가 오프 상태로 동작하고, 상기 제3NMOS가 온 상태로 동작하는 단계; 및 상기 커패시터에서, 충전되어 있던 전압을 방전하는 단계;를 포함하고, 상기 제1제어신호는 상기 커패시터전압이 상기 상한전압과 같아졌을 때 상기 주파수스위칭부로 송신될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에서는, 상기 제2모드는, 상기 래치부에서, 상기 주파수스위칭부로 제2제어신호를 송신하는 단계; 상기 주파수스위칭부에서, 상기 제4PMOS가 온 상태로 동작하고, 상기 제3NMOS가 오프상태로 동작하는 단계; 및 상기 커패시터에서, 상기 제2전류를 전달받아 충전하는 단계;를 포함하고, 상기 제2제어신호는 상기 커패시터전압이 상기 하한전압과 같아졌을 때 상기 주파수스위칭부로 송신될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에서는, 상기 제1PMOS는 입력전류생성부와 연결되고, 상기 제2PMOS는 상기 기준전압생성부와 연결되고, 상기 제3PMOS는 상기 주파수스위칭부와 연결되고, 상기 제1전류는 상기 제2PMOS를 통해 출력되고, 상기 제2전류는 상기 제3PMOS를 통해 출력되며, 상기 제1NMOS는 상기 기준전압생성부와 연결되고, 상기 제2NMOS는 상기 주파수스위칭부와 연결되고, 상기 제3전류는 상기 제2NMOS를 통해 출력되며, 상기 제1PMOS, 상기 제2PMOS, 및 상기 제3PMOS는 각각의 게이트 단이 서로 연결되어 있고, 상기 제1NMOS, 및 상기 제2NMOS는 각각의 게이트 단이 서로 연결되어 있을 수 있다.
본 발명의 일 실시예에서는, 상기 제2내부저항 및 상기 제3내부저항은 직렬로 연결되고, 상기 상한전압의 전압값은, 상기 입력전압의 전압값; 및 상기 제1전류의 전류값과 제2내부저항의 저항값의 곱;의 합으로 도출되고, 상기 하한전압의 전압값은, 상기 입력전압의 전압값; 및 상기 제1전류의 전류값과 제3내부저항의 저항값의 곱;의 차로 도출될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에서는, 상기 래치부는, 제1비교기; 제2비교기; 및 래치회로부;를 포함하고, 상기 제1비교기는, 상기 제1비교기의 제1단자에 인가되는 상한전압;과 상기 제1비교기의 제2단자에 인가되는 상기 커패시터전압;을 비교한 비교결과를 상기 래치회로부의 S인풋으로 입력하고, 상기 제2비교기는, 상기 제2비교기의 제1단자에 인가되는 커패시터전압;과 상기 제2비교기의 제2단자에 인가되는 상기 하한전압;을 비교한 비교결과를 상기 래치회로부의 R인풋으로 입력하고, 상기 래치회로부는, 상기 S인풋에 로우신호가 인가되고, 상기 R인풋에 하이신호가 인가되는 경우, 로우신호를 출력하고, 상기 S인풋에 하이신호가 인가되고, 상기 R인풋에 로우신호가 인가되는 경우, 하이신호를 출력할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 입력전류생성부에 필요한 저항을 집적회로에 내장할 수 있는 효과를 발휘할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 온도가 변하더라도 발진신호의 주파수를 일정하게 유지하는 효과를 발휘할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 기준전압생성부에 포함되는 내부저항을 가변저항으로 채택함으로써, 발진신호의 주파수를 가변할 수 있는 효과를 발휘할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 내장된 커패시터를 가변 커패시터로 채택함으로써, 발진신호의 주파수를 가변할 수 있는 효과를 발휘할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 RC발진기의 내부구성을 개략적으로 도시한다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 RC발진기의 내부구성 각각의 연결구성을 개략적으로 도시한다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 입력전류생성부의 구성을 개략적으로 도시한다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 제1전류미러부의 구성을 개략적으로 도시한다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 제2전류미러부의 구성을 개략적으로 도시한다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 주파수스위칭부의 구성을 개략적으로 도시한다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 기준전압생성부 및 래치부의 구성을 개략적으로 도시한다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 RC발진기가 제1모드로 동작하는 과정을 개략적으로 도시한다.
도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 RC발전기가 제2모드로 동작하는 과정을 개략적으로 도시한다.
도 10은 본 발명의 일 실시예에 따른 커패시터전압과 발진신호의 시간-전압 그래프를 개략적으로 도시한다.
도 11은 본 발명의 일 실시예에 따른 래치회로부의 진리표를 개략적으로 도시한다.
도 12는 본 발명의 종래기술의 RC발진기에서 출력되는 신호의 시간-전압 그래프를 온도 변화에 따라 개략적으로 도시한다.
도 13은 본 발명의 일 실시예에 따른 온도 변화에 따라 상한전압과 하한전압이 가변되는 과정을 개략적으로 도시한다.
도 14는 본 발명의 일 실시예에 따른 RC발진기의 회로도를 개략적으로 도시한다.
도 15는 본 발명의 다른 실시예에 따른 RC발진기의 회로도를 개략적으로 도시한다.
이하에서는, 다양한 실시예들 및/또는 양상들이 이제 도면들을 참조하여 개시된다. 하기 설명에서는 설명을 목적으로, 하나 이상의 양상들의 전반적 이해를 돕기 위해 다수의 구체적인 세부사항들이 개시된다. 그러나, 이러한 양상(들)은 이러한 구체적인 세부사항들 없이도 실행될 수 있다는 점 또한 본 발명의 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 인식될 수 있을 것이다. 이후의 기재 및 첨부된 도면들은 하나 이상의 양상들의 특정한 예시적인 양상들을 상세하게 기술한다. 하지만, 이러한 양상들은 예시적인 것이고 다양한 양상들의 원리들에서의 다양한 방법들 중 일부가 이용될 수 있으며, 기술되는 설명들은 그러한 양상들 및 그들의 균등물들을 모두 포함하고자 하는 의도이다.
또한, 제1, 제2 등과 같이 서수를 포함하는 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되지는 않는다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다. 예를 들어, 본 발명의 권리 범위를 벗어나지 않으면서 제1 구성요소는 제2 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2 구성요소도 제1 구성요소로 명명될 수 있다. 및/또는 이라는 용어는 복수의 관련된 기재된 항목들의 조합 또는 복수의 관련된 기재된 항목들 중의 어느 항목을 포함한다.
또한, 본 발명의 실시예들에서, 별도로 다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가지고 있다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥 상 가지는 의미와 일치하는 의미를 가지는 것으로 해석되어야 하며, 본 발명의 실시예에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 RC발진기(100)의 내부구성을 개략적으로 도시하고, 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 RC발진기(100)의 내부구성 각각의 연결구성을 개략적으로 도시한다.
도 1 및 도 2에 도시된 바와 같이, 온도에 무관한 발진신호를 출력하는 RC발진기(100)로서, 피드백회로부(112) 및 제1내부저항(113)을 포함하고, 입력전압(VREF)에 대한 입력전류를 생성하는 입력전류생성부(110); 제1PMOS(121), 제2PMOS(122), 및 제3PMOS(123)를 포함하고, 상기 입력전류생성부(110)와 연결되어 제1전류 및 제2전류를 출력하되, 상기 제1전류 및 상기 제2전류는 서로 같은 전류값을 가지는 제1전류미러부(120); 상기 제1전류미러부(120)로부터 상기 제1전류를 전달받아 내부에 구비된 제2내부저항(131) 및 제3내부저항(132)을 이용하여 상한전압(VTOP) 및 하한전압(VBOT)을 생성하는 기준전압생성부(130); 제1NMOS(141), 및 제2NMOS(142)를 포함하고, 상기 기준전압생성부(130)와 연결되어 상기 제1전류와 동일한 전류값을 가지는 제3전류를 출력하는 제2전류미러부(140); 제4PMOS(151) 및 제3NMOS(152)를 포함하고, 상기 제1전류미러부(120) 및 상기 제2전류미러부(140)와 연결되고, 상기 제4PMOS(151) 및 상기 제3NMOS(152) 중 어느 하나가 동작됨으로써 커패시터(C)가 충전되거나 방전되도록 하는 주파수스위칭부(150); 및 상기 주파수스위칭부(150)와 연결되어 상기 커패시터(C)에 인가되는 커패시터전압(VC)과 상기 상한전압(VTOP) 및 상기 하한전압(VBOT) 중 어느 하나와 비교하고, 발진신호를 출력하는 래치부(160);를 포함하고, 상기 래치부(160)는 상기 발진신호로서 하이신호 및 로우신호를 교차하여 반복적으로 출력한다.
구체적으로, 입력전류생성부(110)는 입력전압인가부(111); 피드백회로부(112); 및 제1내부저항(113)을 포함한다. 상기 입력전압인가부(111)는 외부로부터 입력전압(VREF)을 인가 받고, 상기 입력전류생성부(110)는 상기 입력전압인가부(111)로부터 입력전압(VREF)을 인가 받으면, 상기 피드백회로부(112) 및 상기 제1내부저항(113)을 통해 입력전류를 생성한다.
도 2에 도시된 바와 같이, 상기 입력전압인가부(111) 및 상기 제1내부저항(113) 각각은 상기 피드백회로부(112)와 전기적으로 접속된다. 상기 입력전압(VREF)은 후술되는 기준전압생성부(130)에서 상한전압(VTOP) 및 하한전압(VBOT)이 생성될 때 사용되며, 상기 입력전류는 상기 제1전류미러부(120)와 상기 입력전류생성부(110) 사이에서 흐르는 전류에 해당한다.
한편, 상기 입력전류생성부(110)는 전술한 상기 입력전압인가부(111), 피드백회로부(112), 및 제1내부저항(113) 외의 다른 전기/전자적 구성을 더 포함할 수 있으며, 상기 입력전압인가부(111), 피드백회로부(112), 및 제1내부저항(113)은 본 발명의 RC발진기(100)의 동작원리를 설명하기 위한 최소한의 구성에 해당한다. 상기 입력전류생성부(110)에 대한 보다 상세한 설명은 도 3에 대한 설명에서 후술하도록 한다.
본 발명의 제1전류미러부(120)는, 제1PMOS(121), 제2PMOS(122), 및 제3PMOS(123)를 포함한다. 상기 제1PMOS(121), 제2PMOS(122), 및 제3PMOS(123) 각각은 P채널 MOSFET(P-channel Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor) 소자에 해당한다.
한편, 상기 제1전류미러부(120)는 전술한 상기 제1PMOS(121), 제2PMOS(122), 및 제3PMOS(123) 외의 다른 전기/전자적 구성을 더 포함할 수 있으며, 상기 제1PMOS(121), 제2PMOS(122), 및 제3PMOS(123)는 본 발명의 RC발진기(100)의 동작원리를 설명하기 위한 최소한의 구성에 해당한다. 상기 제1전류미러부(120)에 대한 보다 상세한 설명은 도 4에 대한 설명에서 후술하도록 한다.
본 발명의 제2전류미러부(140)는, 제1NMOS(141) 및 제2NMOS(142)를 포함한다. 상기 제1NMOS(141) 및 제2NMOS(142) 각각은 N채널 MOSFET(N-channel Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor) 소자에 해당하며, 본 발명의 일 실시예로서, 상기 제1NMOS(141)와 상기 제2NMOS(142)는 동일한 소자로 사용되는 것이 바람직하다.
한편, 상기 제2전류미러부(140)는 전술한 상기 제1NMOS(141) 및 제2NMOS(142) 외의 다른 전기/전자적 구성을 더 포함할 수 있으며, 상기 제1NMOS(141) 및 제2NMOS(142)는 본 발명의 RC발진기(100)의 동작원리를 설명하기 위한 최소한의 구성에 해당한다. 상기 제2전류미러부(140)에 대한 보다 상세한 설명은 도 5에 대한 설명에서 후술하도록 한다.
본 발명의 주파수스위칭부(150)는, 제4PMOS(151) 및 제3NMOS(152)를 포함한다. 더 구체적으로는, 상기 제4PMOS(151)는 상기 제1전류미러부(120)의 제3PMOS(123)와 전기적으로 연결되며, 상기 제3NMOS(152)는 상기 제2전류미러부(140)의 제2NMOS(142)와 전기적으로 연결된다.
한편, 상기 주파수스위칭부(150)는 전술한 상기 제4PMOS(151) 및 제3NMOS(152) 외의 다른 전기/전자적 구성을 더 포함할 수 있으며, 상기 제4PMOS(151) 및 제3NMOS(152)는 본 발명의 RC발진기(100)의 동작원리를 설명하기 위한 최소한의 구성에 해당한다. 상기 주파수스위칭부(150)에 대한 보다 상세한 설명은 도 6에 대한 설명에서 후술하도록 한다.
본 발명의 기준전압생성부(130)는, 제2내부저항(131) 및 제3내부저항(132)을 포함한다. 더 구체적으로, 상기 제2내부저항(131) 및 제3내부저항(132) 각각은 서로 동일한 저항소자에 해당하는 것이 바람직하며, 본 발명의 일 실시예로서, 상기 제2내부저항(131) 및 제3내부저항(132)의 중간지점은 상기 입력전압인가부(111)와 전기적으로 연결되는 것이 바람직하다.
또한, 상기 기준전압생성부(130)는 상기 제1전류미러부(120)를 통해 인입된 제1전류와 상기 제2내부저항(131) 및 제3내부저항(132)을 통해 상한전압(VTOP) 및 하한전압(VBOT)을 생성할 수 있다. 즉, 상기 상한전압(VTOP) 및 상기 하한전압(VBOT) 각각의 전압값은 상기 제1전류의 전류값과 상기 제2내부저항(131) 및 제3내부저항(132) 각각의 저항값에 기초하여 도출될 수 있다.
한편, 상기 기준전압생성부(130)는 전술한 상기 제2내부저항(131) 및 제3내부저항(132) 외의 다른 전기/전자적 구성을 더 포함할 수 있으며, 상기 제2내부저항(131) 및 제3내부저항(132)은 본 발명의 RC발진기(100)의 동작원리를 설명하기 위한 최소한의 구성에 해당한다. 상기 기준전압생성부(130)에 대한 보다 상세한 설명은 도 7에 대한 설명에서 후술하도록 한다.
본 발명의 래치부(160)는, 제1비교기(161), 제2비교기(162), 및 래치회로부(163)를 포함한다. 상기 래치부(160)는 상기 주파수스위칭와 전기적으로 연결된 커패시터(C)에서 측정되는 커패시터전압(VC);을 상기 기준전압생성부(130)에서 생성된 상한전압(VTOP) 및 하한전압(VBOT) 중 어느 하나;와 비교하고, 비교결과에 기초하여 하이신호와 로우신호가 반복적으로 교차되는 발진신호를 출력한다.
더 구체적으로, 상기 제1비교기(161)는 상기 상한전압(VTOP)과 상기 커패시터전압(VC)을 비교하고, 상기 제2비교기(162)는 상기 하한전압(VBOT)과 상기 커패시터전압(VC)을 비교하며, 상기 래치회로부(163)는 상기 제1비교기(161)에서 출력되는 비교결과와 상기 제2비교기(162)에서 출력되는 비교결과를 입력받아 상기 발진신호를 출력한다.
한편, 상기 래치부(160)는 전술한 상기 제1비교기(161), 제2비교기(162), 및 래치회로부(163) 외의 다른 전기/전자적 구성을 더 포함할 수 있으며, 상기 제1비교기(161), 제2비교기(162), 및 래치회로부(163)은 본 발명의 RC발진기(100)의 동작원리를 설명하기 위한 최소한의 구성에 해당한다. 상기 래치부(160)에 대한 보다 상세한 설명은 도 7에 대한 설명에서 상기 기준전압생성부(130)에 대한 설명과 함께 후술하도록 한다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 입력전류생성부(110)의 구성을 개략적으로 도시한다.
도 3에 도시된 바와 같이, 본 발명의 RC발진기(100)는, 피드백회로부(112) 및 제1내부저항(113)을 포함하고, 입력전압(VREF)에 대한 입력전류를 생성하는 입력전류생성부(110)를 포함한다.
개략적으로, 도 3의 (a)는 상기 입력전류생성부(110)의 내부구성 및 제1전류미러부(120)와 기준전압생성부(130) 간의 연결구성을 도시하고, 도 3의 (b)는 본 발명의 일 실시예로서, 상기 입력전류생성부(110)의 회로도를 도시한다.
구체적으로, 전술한 바와 같이 상기 입력전압인가부(111)에서 외부의 입력전압(VREF)을 인가 받으면, 상기 피드백회로부(112)와 상기 제1내부저항(113)을 통해 입력전류가 생성된다. 도 3의 (b)에 도시된 바와 같이, 상기 피드백회로부(112)는 증폭기와 NMOS로 구성되며, 더 구체적으로는, 상기 증폭기의 (+)인풋은 상기 입력전압인가부(111)와 연결되고, 상기 증폭기의 (-)인풋은 상기 NMOS의 소스(source) 단과 연결되며, 상기 증폭기의 아웃풋은 상기 NMOS의 게이트 단과 연결되는, 피드백 네트워크로 구성된다. 또한, 상기 NMOS의 드레인(drain) 단은 상기 제1전류미러부(120)와 연결되어, 상기 입력전류는 상기 상기 NMOS와 상기 제1전류미러부(120) 사이에 흐르는 전류에 해당한다.
상기 피드백회로부(112)는 상기 입력전압(VREF)과 상기 제1내부저항(113)에 걸리는 전압(VRT)가 동일하게 되도록 하는 역할을 수행하며, 상기 입력전류의 전류값은 VRT/(제1내부저항(113)의 저항값)으로 도출된다. 한편, 도 3의 (b)에 도시된 상기 입력전류생성부(110)의 회로구성은 본 발명의 일 실시예에 해당하며, 설명의 편의를 위하여 본 발명의 RC발진기(100)의 동작원리를 설명하기 위한 최소한의 구성에 대해서만 배치된 도면에 해당하고, 실제 발명에서는 도 3의 (b)에 도시된 구성 외의 별도의 전기/전자적 구성이 더 포함될 수 있다.
한편, 본 발명의 제1내부저항(113)은, 도 3에 도시된 바와 같이, 상기 RC발진기(100)에 포함되는, 즉, 상기 RC발진기(100)의 집적회로 내장되어 있는 것을 기술적 특징으로 한다. 종래 기술의 RC발진기의 경우, 온도와 관련된 문제로 인하여 입력전류를 생성하기 위한 저항(본 발명의 제1내부저항(113)에 대응되는 저항)을 외부에 배치하였다.
더 구체적으로, 상기 입력전류를 생성하기 위한 저항을 내부에 배치하는 경우, RC발진기가 내장된 집적회로의 온도가 변할 때마다, 상기 저항의 저항값도 온도에 따라 변화하였으며, 도 12를 참조하여, 저항값이 온도에 따라 변화하는 경우 해당 RC발진기에서 출력되는 신호의 주파수가 달라진다는 문제점이 존재하였다.
따라서, 본 발명의 RC발진기(100)와 관련된 종래의 기술들은 상기 저항의 온도에 의한 변화를 최소화하기 위하여 저항을 외부에 배치하였으나, 이런 경우, 집적회로 혹은 기판의 레이아웃을 설계할 때 발생되는 물리적인 한계점이 존재한다. 본 발명의 발명자는 이러한 한계점을 극복하기 위하여, 상기 저항(본 발명의 제1내부저항(113)에 대응되는 저항)을 내부에 배치하면서, 내부에 배치된 저항의 온도가 변하더라도 일정한 주파수의 발진신호를 출력하는 RC발진기(100)를 고안하였다. 본 발명의 RC발진기(100)에 대한 상세한 설명은 본 명세서 전반에 걸쳐 서술하도록 한다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 제1전류미러부(120)의 구성을 개략적으로 도시한다.
도 4에 도시된 바와 같이, 본 발명의 RC발진기(100)는, 제1PMOS(121), 제2PMOS(122), 및 제3PMOS(123)를 포함하고, 상기 입력전류생성부(110)와 연결되어 제1전류 및 제2전류를 출력하되, 상기 제1전류 및 상기 제2전류는 서로 같은 전류값을 가지는 제1전류미러부(120)를 포함한다.
또한, 상기 제1PMOS(121)는 입력전류생성부(110)와 연결되고, 상기 제2PMOS(122)는 상기 기준전압생성부(130)와 연결되고, 상기 제3PMOS(123)는 상기 주파수스위칭부(150)와 연결되고, 상기 제1전류는 상기 제2PMOS(122)를 통해 출력되고, 상기 제2전류는 상기 제3PMOS(123)를 통해 출력되며, 상기 제1PMOS(121), 상기 제2PMOS(122), 및 상기 제3PMOS(123)는 각각의 게이트 단이 서로 연결된다.
개략적으로, 도 4의 (a)는 상기 제1전류미러부(120)의 내부구성 및 입력전류생성부(110), 기준전압생성부(130), 주파수스위칭부(150) 각각 간의 연결구성을 도시하고, 도 4의 (b)는 본 발명의 일 실시예로서, 상기 제1전류미러부(120)의 회로도를 도시한다.
구체적으로, 상기 제1전류미러부(120)는 상기 입력전류생성부(110)에서 생성된 전류에 따른 제1전류 및 제2전류를 출력하는 특징을 가지며, 더 구체적으로는, (상기 입력전류의 전류값) : (상기 제1전류의 전류값) : (상기 제2전류의 전류값) = N : 1 : 1 의 비율로 상기 제1전류 및 상기 제2전류가 출력되는 것을 기술적 특징으로 한다. 상기 N은 1 이상의 실수에 해당하며, 본 발명의 발명자 혹은 설계자에 의하여 언제든지 설계 변경 가능한 구성에 해당한다. 다시 말해, 상기 제1전류미러부(120)는 상기 입력전류를 기설정된 비율(1/N)만큼 감쇄한 전류(제1전류 및 제2전류)를 출력하는 전류원으로서의 역할을 수행하며, 상기 제1전류의 전류값 및 상기 제2전류의 전류값은 동일하다.
상기 입력전류생성부(110)와 상기 제1PMOS(121) 사이에서 입력전류가 흐르게 되면, 상기 제2PMOS(122)에서는 상기 기준전압생성부(130)로 제1전류가 흐르게 되고, 상기 제3PMOS(123)에서는 상기 주파수스위칭부(150)로 제2전류가 흐르게 된다. 즉, 상기 입력전류, 상기 제1전류, 및 상기 제2전류의 방향은 동일한 것이 바람직하다.
도 4의 (b)에 도시된 바와 같이, 상기 제1PMOS(121), 상기 제2PMOS(122), 및 상기 제3PMOS(123) 각각의 게이트(gate) 단은 서로 직접적 혹은 간접적으로 연결되어 있으며, 상기 제1PMOS(121)의 게이트 단과 상기 제1PMOS(121)의 드레인 단은 서로 연결되어 있다. 또한, 상기 제1PMOS(121), 상기 제2PMOS(122), 및 상기 제3PMOS(123) 각각의 소스(source) 단은 공통전압원(VDD)와 연결된다.
한편, 도 4의 (b)에 도시된 상기 제1전류미러부(120)의 회로구성은 본 발명의 일 실시예에 해당하며, 설명의 편의를 위하여 본 발명의 RC발진기(100)의 동작원리를 설명하기 위한 최소한의 구성에 대해서만 배치된 도면에 해당하고, 실제 발명에서는 도 4의 (b)에 도시된 구성 외의 별도의 전기/전자적 구성이 더 포함될 수 있다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 제2전류미러부(140)의 구성을 개략적으로 도시한다.
도 5에 도시된 바와 같이, 본 발명의 RC발진기(100)는, 제1NMOS(141), 및 제2NMOS(142)를 포함하며, 상기 기준전압생성부(130)와 연결되어 상기 제1전류와 동일한 전류값을 가지는 제3전류를 출력하는 제2전류미러부(140)를 포함한다.
또한, 상기 제1NMOS(141)는 상기 기준전압생성부(130)와 연결되고, 상기 제2NMOS(142)는 상기 주파수스위칭부(150)와 연결되고, 상기 제3전류는 상기 제2NMOS(142)를 통해 출력되며, 상기 제1NMOS(141), 및 상기 제2NMOS(142)는 각각의 게이트 단이 서로 연결된다.
개략적으로, 도 5의 (a)는 상기 제2전류미러부(140)의 내부구성 및 기준전압생성부(130), 주파수스위칭부(150) 각각 간의 연결구성을 도시하고, 도 5의 (b)는 본 발명의 일 실시예로서, 상기 제2전류미러부(140)의 회로도를 도시한다.
구체적으로, 상기 제2전류미러부(140)는 상기 제1전류미러부(120)에서 출력되는 제1전류에 따른 제3전류를 출력하는 특징을 가지며, 더 구체적으로는, (상기 제1전류의 전류값) : (상기 제3전류의 전류값) = 1 : 1의 비율로 상기 제3전류가 출력되는 것을 기술적 특징으로 하고, 상기 제1전류는 상기 제1전류미러부(120)에서 상기 기준전압생성부(130)를 거쳐 상기 제2전류미러부(140)로 인입된다. 즉, 상기 제2전류미러부(140)는 상기 제1전류와 동일한 전류값을 가지는 전류(제3전류)를 출력하는 전류원으로서의 역할을 수행한다. 상기 기준전압생성부(130)와 상기 제1NMOS(141) 사이에서 제1전류가 흐르게 되면, 상기 제2NMOS(142)에서는 상기 주파수스위칭부(150)로 제3전류가 흐르게되며, 상기 제1전류의 방향과 상기 제3전류의 방향은 동일한 것이 바람직하다.
도 5의 (b)에 도시된 바와 같이, 상기 제1NMOS(141) 및 상기 제2NMOS(142) 각각의 게이트 단은 서로 직접적 혹은 간접적으로 연결되어 있으며, 상기 제1NMOS(141)의 게이트 단과 상기 제1NMOS(141)의 드레인 단은 서로 연결되어 있다. 또한, 상기 제1NMOS(141) 및 상기 제2NMOS(142) 각각의 소스(source) 단은 그라운드(ground)와 연결된다.
한편, 도 5의 (b)에 도시된 상기 제2전류미러부(140)의 회로구성은 본 발명의 일 실시예에 해당하며, 설명의 편의를 위하여 본 발명의 RC발진기(100)의 동작원리를 설명하기 위한 최소한의 구성에 대해서만 배치된 도면에 해당하고, 실제 발명에서는 도 5의 (b)에 도시된 구성 외의 별도의 전기/전자적 구성이 더 포함될 수 있다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 주파수스위칭부(150)의 구성을 개략적으로 도시한다.
도 6에 도시된 바와 같이, 본 발명의 RC발진기(100)는, 제4PMOS(151) 및 제3NMOS(152)를 포함하고, 상기 제1전류미러부(120) 및 상기 제2전류미러부(140)와 연결되고, 상기 제4PMOS(151) 및 상기 제3NMOS(152) 중 어느 하나가 동작됨으로써 커패시터(C)가 충전되거나 방전되도록 하는 주파수스위칭부(150)를 포함한다.
개략적으로, 도 6의 (a)는 주파수스위칭부(150)의 내부구성 및 제1전류미러부(120), 제2전류미러부(140), 래치부(160) 각각 간의 연결구성을 도시하고, 도 6의 (b)는 본 발명의 일 실시예로서, 상기 주파수스위칭부(150)의 회로도를 도시한다.
구체적으로, 상기 주파수스위칭부(150)는 내부에 배치된 제4PMOS(151)와 제3NMOS(152) 중 어느 하나를 온 상태로 동작시킴으로써, 상기 주파수스위칭부(150)와 연결된 커패시터(C)가 충전되거나 방전되도록 하는 역할을 수행한다. 더 구체적으로, 상기 제4PMOS(151)가 온 상태로 동작하고, 제3NMOS(152)가 오프 상태로 동작하는 경우, 상기 커패시터(C)는 상기 제1전류미러부(120)를 통해 인입된 제2전류에 의하여 충전되며, 커패시터전압(VC)은 상기 상한전압(VTOP) 전압에 도달할 때까지 점진적으로 상승한다. 또한, 상기 제4PMOS(151)가 오프 상태로 동작하고, 제3NMOS(152)가 온 상태로 동작하는 경우, 상기 커패시터(C)는 상기 제2전류미러를 통해 방전되며, 상기 커패시터전압(VC)은 상기 하한전압(VBOT) 전압에 도달할 때까지 점진적으로 하강한다. 해당 과정에 대한 보다 상세한 설명은 도 8 내지 도 9에 대한 설명에서 후술하도록 한다.
도 6의 (b)에 도시된 바와 같이, 상기 제4PMOS(151)의 드레인 단과 상기 제3NMOS(152)의 드레인 단이 서로 연결되며, 상기 제4PMOS(151)의 소스 단은 상기 제1전류미러부(120)와 연결되고, 상기 제3NMOS(152)의 소스 단은 제2전류미러부(140)와 연결된다. 다시 말해, 전술한 바와 같이, 상기 제4PMOS(151)가 온 상태로 동작하는 경우, 상기 제1전류미러부(120)와 상기 제4PMOS(151) 사이에는 제2전류가 흐르게 되고, 상기 제3NMOS(152)가 온 상태로 동작하는 경우 상기 제2전류미러부(140)와 상기 제3NMOS(152) 사이에는 제3전류가 흐르게 된다.
또한, 상기 제4PMOS(151)의 드레인 단과 상기 제3NMOS(152)의 드레인 단은 상기 커패시터(C)와 래치부(160)와 연결되며, 상기 래치부(160)는 상기 제4PMOS(151) 및 상기 제3NMOS(152) 각각의 게이트 단과 연결된다. 상기 래치부(160)와 상기 주파수스위칭부(150)와의 연결에 대한 추가적인 설명은 도 7에 대한 설명에서 후술하도록 한다. 한편, 도 6의 (b)에 도시된 상기 주파수스위칭부(150)의 회로구성은 본 발명의 일 실시예에 해당하며, 설명의 편의를 위하여 본 발명의 RC발진기(100)의 동작원리를 설명하기 위한 최소한의 구성에 대해서만 배치된 도면에 해당하고, 실제 발명에서는 도 6의 (b)에 도시된 구성 외의 별도의 전기/전자적 구성이 더 포함될 수 있다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 기준전압생성부(130) 및 래치부(160)의 구성을 개략적으로 도시한다.
도 7에 도시된 바와 같이, 본 발명의 RC발진기(100)는, 상기 제1전류미러부(120)로부터 상기 제1전류를 전달받아 내부에 구비된 제2내부저항(131) 및 제3내부저항(132)을 이용하여 상한전압(VTOP) 및 하한전압(VBOT)을 생성하는 기준전압생성부(130); 및 상기 주파수스위칭부(150)와 연결되어 상기 커패시터(C)에 인가되는 커패시터전압(VC)과 상기 상한전압(VTOP) 및 상기 하한전압(VBOT) 중 어느 하나와 비교하고, 발진신호를 출력하는 래치부(160);를 포함한다.
또한, 상기 제2내부저항(131) 및 상기 제3내부저항(132)은 직렬로 연결되고, 상기 상한전압(VTOP)은, 상기 입력전압(VREF)값; 및 상기 제1전류의 전류값과 제2내부저항(131)의 저항값의 곱;의 합으로 도출되고, 상기 하한전압(VBOT)값은, 상기 입력전압(VREF)값; 및 상기 제1전류의 전류값과 제3내부저항(132)의 저항값의 곱;의 차로 도출된다.
또한, 상기 래치부(160)는, 제1비교기(161); 제2비교기(162); 및 래치회로부(163);를 포함하고, 상기 제1비교기(161)는, 상기 제1비교기(161)의 제1단자에 인가되는 상한전압(VTOP);과 상기 제1비교기(161)의 제2단자에 인가되는 상기 커패시터전압(VC);을 비교한 비교결과를 상기 래치회로부(163)의 S인풋으로 입력하고, 상기 제2비교기(162)는, 상기 제2비교기(162)의 제1단자에 인가되는 커패시터전압(VC);과 상기 제2비교기(162)의 제2단자에 인가되는 상기 하한전압(VBOT);을 비교한 비교결과를 상기 래치회로부(163)의 R인풋으로 입력하고, 상기 래치회로부(163)는, 상기 S인풋에 로우신호가 인가되고, 상기 R인풋에 하이신호가 인가되는 경우 로우신호를 출력하고, 상기 S인풋에 하이신호가 인가되고, 상기 R인풋에 로우신호가 인가되는 경우 하이신호를 출력한다.
개략적으로, 도 7의 (a)는 기준전압생성부(130)와 래치부(160)의 내부구성 및 각 구성 간의 연결구성을 도시하고, 도 7의 (b)는 본 발명의 일 실시예로서, 상기 기준전압생성부(130), 상기 주파수스위칭부(150), 및 상기 래치부(160)의 회로도를 도시한다.
구체적으로, 상기 기준전압생성부(130)는 제2내부저항(131) 및 제3내부저항(132)을 포함하고, 본 발명의 일 실시예로서 상기 제2내부저항(131) 및 제3내부저항(132)은 동일한 저항 소자에 해당하는 것이 바람직하여, 상기 제2내부저항(131) 및 제3내부저항(132)은, 도 7의 (b)를 참고하여 직렬 연결되는 것이 바람직하다. 한편, 본 발명의 일 실시예로서, 상기 제2내부저항(131) 및 상기 제3내부저항(132) 각각은 가변저항에 해당할 수 있으며, 본 발명의 발명자 혹은 사용자는 상기 가변저항의 저항값을 변경함으로써, 발진신호의 주파수를 조절할 수 있다.
상기 기준전압생성부(130)는 상기 제2내부저항(131) 및 상기 제3내부저항(132) 각각의 저항값;과 상기 입력전압인가부(111)에서 인가되는 입력전압(VREF); 그리고 상기 제1전류미러부(120)를 통해 인입되는 제1전류의 전류값;에 따라 도출되는 상한전압(VTOP)과 하한전압(VBOT)을 생성한다. 더 구체적으로는, 상기 상한전압(VTOP)은 하기 [식 1]과 같이, 상기 입력전압(VREF)값; 및 상기 제1전류의 전류값과 제2내부저항(131)값의 곱;의 합으로 도출될 수 있고, 상기 하한전압(VBOT)은 하기 [식 2]와 같이, 상기 입력전압(VREF)값; 및 상기 제1전류의 전류값과 제3내부저항(132)값의 곱;의 차로 도출될 수 있으며, 도 7의 (b)에 도시된 바와 같이, 상기 상한전압(VTOP)은 상기 제1전류미러부(120)와 상기 제2내부저항(131) 사이에서 측정되는 전압에 해당하고, 상기 하한전압(VBOT)은 상기 제2전류미러부(140)와 상기 제3내부저항(132) 사이에서 측정되는 전압에 해당한다.
[식 1]
(상한전압) = (입력전압값) + (제1전류의 전류값) * (제2내부저항의 저항값)
[식 2]
(하한전압) = (입력전압값) - (제1전류의 전류값) * (제3내부저항의 저항값)
또한 상기 래치부(160)는 상기 기준전압생성부(130) 및 상기 주파수스위칭부(150)와 연결되며, 제1비교기(161), 제2비교기(162), 및 래치회로부(163)를 포함한다. 더 구체적으로, 상기 제1비교기(161)는 상기 상한전압(VTOP)과 상기 커패시터전압(VC)을 비교하고, 상기 제2비교기(162)는 상기 하한전압(VBOT)과 상기 커패시터전압(VC)을 비교한다. 상기 제1비교기(161) 및 상기 제2비교기(162) 각각의 비교결과는 상기 래치회로부(163)로 전달되고, 상기 래치회로부(163)는 입력되는 비교결과에 따라 발진신호를 출력한다.
더 구체적으로는, 본 발명의 일 실시예로서, 상기 래치회로부(163)는, SR래치(SR Latch)를 구현한 회로 혹은 집적회로를 포함할 수 있으며, 상기 래치회로부(163)의 동작은 도 11에 도시된 진리표를 따를 수 있으나, 본 발명의 다른 실시예에 따르면, 상기 래치회로부(163)은 도 11과 상이한 진리표에 따라 동작할 수 있다. 한편, 상기 커패시터(C)는, 본 발명의 일 실시예로서, 가변커패시터에 해당할 수 있으며, 본 발명의 설계자 혹은 사용자는 상기 커패시터(C)의 커패시턴스(capacitance)를 조절함으로써, 해당 커패시터전압(VC)의 기울기, 다시 말해, 본 발명의 발진신호의 주파수를 조절할 수 있다.
도 7의 (b)에 도시된 바와 같이, 상기 제1비교기(161)에서, 상기 제1비교기(161)의 제1단자(도 7의 (b)에서는 (-)인풋)에는 상기 상한전압(VTOP)이 인가되고, 상기 제1비교기(161)의 제2단자(도 7의 (b)에서는 (+)인풋)에는 상기 커패시터전압(VC)이 인가된다. 그리고, 상기 제1비교기(161)는 상기 상한전압(VTOP)과 상기 커패시터전압(VC)의 비교결과를 상기 래치회로부(163)의 S인풋에 입력한다. 만약 커패시터전압(VC)이 상한전압(VTOP)보다 큰 경우, 상기 제1비교기(161)는 비교결과로서 로우신호(도 11에서는 '0')를 출력하여 상기 래치회로부(163)의 S인풋에 입력하고, 만약 커패시터전압(VC)이 상한전압(VTOP)보다 작은 경우, 상기 제1비교기(161)는 비교결과로서 하이신호(도 11에서는 '1')를 출력하여 상기 래치회로부(163)의 S인풋에 입력한다.
동일한 원리로, 상기 제2비교기(162)에서, 상기 제2비교기(162)의 제1단자(도 7의 (b)에서는 (-)인풋)에는 상기 커패시터전압(VC)이 인가되고, 상기 제2비교기(162)의 제2단자(도 7의 (b)에서는 (+)인풋)에는 상기 하한전압(VBOT)이 인가된다. 그리고, 상기 제2비교기(162)는 상기 커패시터전압(VC)과 상기 하한전압(VBOT)의 비교결과를 상기 래치회로부(163)의 S인풋에 입력한다. 만약 하한전압(VBOT)이 커패시터전압(VC)보다 큰 경우, 상기 제2비교기(162)는 비교결과로서 로우신호(도 11에서는 '0')를 출력하여 상기 래치회로부(163)의 R인풋에 입력하고, 만약 하한전압(VBOT)이 커패시터전압(VC)보다 작은 경우, 상기 제2비교기(162)는 비교결과로서 하이신호(도 11에서는 '1')를 출력하여 상기 래치회로부(163)의 R인풋에 입력한다.
상기 제1비교기(161) 및 상기 제2비교기(162) 각각으로부터 비교결과를 입력받은 래치회로부(163)는, 도 11에 도시된 진리표에 따라, 발진신호로서 하이신호 혹은 로우신호를 기설정된 주기에 따라 출력한다. 한편, 상기 래치회로부(163)에 대하여, 본 발명의 일 실시예로서 채용된 SR 래치회로를 기준으로 설명하였으나, 본 발명의 다른 실시예에 따르면, 상기 래치회로부(163)에는 NOR 게이트로 구성된 래치회로, NAND 게이트로 구성된 래치회로, JK래치회로, D래치회로 등 다양한 공지의 기술이 채용될 수 있다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 RC발진기(100)가 제1모드로 동작하는 과정을 개략적으로 도시하고, 도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 RC발진기(100)가 제2모드로 동작하는 과정을 개략적으로 도시한다.
도 8 및 도 9에 도시된 바와 같이, 상기 RC발진기(100)는 상기 하이신호를 출력하는 제1모드; 및 상기 로우신호를 출력하는 제2모드; 중 어느 하나로 동작하고, 상기 제1모드는, 상기 래치부(160)에서, 상기 주파수스위칭부(150)로 제1제어신호를 송신하는 단계; 상기 주파수스위칭부(150)에서, 상기 제4PMOS(151)가 오프 상태로 동작하고, 상기 제3NMOS(152)가 온 상태로 동작하는 단계; 및 상기 커패시터(C)에서, 충전되어 있던 전압을 방전하는 단계;를 포함하고, 상기 제1제어신호는 상기 커패시터전압(VC)이 상기 상한전압(VTOP)과 같아졌을 때 상기 주파수스위칭부(150)로 송신된다.
또한, 상기 제2모드는, 상기 래치부(160)에서, 상기 주파수스위칭부(150)로 제2제어신호를 송신하는 단계; 상기 주파수스위칭부(150)에서, 상기 제4PMOS(151)가 온 상태로 동작하고, 상기 제3NMOS(152)가 오프 상태로 동작하는 단계; 및 상기 커패시터(C)에서, 상기 제2전류를 전달받아 충전하는 단계;를 포함하고, 상기 제2제어신호는 상기 커패시터전압(VC)이 상기 하한전압(VBOT)과 같아졌을 때 상기 주파수스위칭부(150)로 송신된다.
개략적으로, 도 8의 (a)는 제4PMOS(151)가 오프 상태로 동작하고, 제3NMOS(152)가 온 상태로 동작할 때 커패시터(C)가 방전되는 과정을 도시하고, 도 8의 (b)는 상기 커패시터(C)가 방전됨에 따라 측정되는 커패시터전압(VC)과 발진신호의 그래프를 도시한다. 또한, 도 9의 (a)는 제4PMOS(151)가 온 상태로 동작하고, 제3NMOS(152)가 오프 상태로 동작할 때 커패시터(C)가 충전되는 과정을 도시하고, 도 9의 (a)는 상기 커패시터(C)가 충전됨에 따라 측정되는 커패시터전압(VC)과 발진신호의 그래프를 도시한다.
구체적으로, 본 발명의 RC발진기(100)는 발진신호로서 하이신호를 출력하는 제1모드; 및 발진신호로서 로우신호를 출력하는 제2모드; 중 어느 하나로 동작하며, 바람직하게는, 상기 RC발진기(100)는 기설정된 주기마다 상기 제1모드와 제2모드로 반복적으로 교차하여 동작한다. 상기 기설정된 주기는 전술한 입력전류생성부(110), 제1전류미러부(120), 기준전압생성부(130), 제2전류미러부(140), 주파수스위칭부(150), 및 래치부(160)에 포함되는 소자에 따라 달라질 수 있으며, 설계자의 의도에 따라 변경가능한 구성에 해당한다.
도 8에 도시된 바와 같이, 상기 커패시터전압(VC)이 상승하다가 상기 상한전압(VTOP)과 같아지는 경우, 상기 래치부(160)는 상기 주파수스위칭부(150)로 제1제어신호를 송신하며, 상기 제1제어신호는 래치부(160)에서 출력되는 발진신호에 따라 결정되는 것이 바람직하다. 상기 주파수스위칭부(150)가 상기 제1제어신호를 수신하면, 상기 제4PMOS(151)는 오프 상태로 동작하고, 상기 제3NMOS(152)는 온 상태로 동작한다. 즉, 도 8의 (a)를 참고하면, 상기 주파수스위칭부(150)로 인입되던 제2전류가 차단되고, 상기 제2전류미러부(140)로 제3전류만 흐르게 되며, 이에 따라 커패시터(C)가 방전되기 시작한다. 이 때, 상기 래치부(160)는 하이신호에 해당하는 발진신호를 출력하며, 더욱 상세하게는, 상기 래치부(160)는 상기 커패시터전압(VC)이 하한전압(VBOT)과 같아질 때까지 하이신호에 해당하는 발진신호를 출력하며, 상기 커패시터(C)는 상기 커패시터전압(VC)이 상기 하한전압(VBOT)과 같아질 때까지 방전된다.
이후, 도 9에 도시된 바와 같이, 상기 커패시터전압(VC)이 하강하다가 상기 하한전압(VBOT)과 같아지는 경우, 상기 래치부(160)는 상기 주파수스위칭부(150)로 제2제어신호를 송신하며, 상기 제2제어신호는 래치부(160)에서 출력되는 발진신호에 따라 결정되는 것이 바람직하다. 상기 주파수스위칭부(150)가 상기 제2제어신호를 수신하면, 상기 제4PMOS(151)는 온 상태로 동작하고, 상기 제3NMOS(152)는 오프 상태로 동작한다. 즉, 상기 주파수스위칭부(150)에서 흘러나가던 제3전류가 차단되고, 상기 제1전류미러부(120)를 통해 제2전류가 인입되며, 이에 따라 커패시터(C)가 다시 충전되기 시작한다. 이 때, 상기 래치부(160)는 로우신호에 해당하는 발진신호를 출력하며, 더욱 상세하게는, 상기 래치부(160)는 상기 커패시터전압(VC)이 상한전압(VTOP)과 같아질 때까지 로우신호에 해당하는 발진신호를 출력하며, 상기 커패시터(C)는 상기 커패시터전압(VC)이 상기 상한전압(VTOP)과 같아질 때까지 충전된다.
도 10은 본 발명의 일 실시예에 따른 커패시터전압(VC)과 발진신호의 시간-전압 그래프를 개략적으로 도시한다.
구체적으로, 전술한 바와 같이, 상기 커패시터(C)는 상한전압(VTOP)과 하한전압(VBOT) 사이에서 충전과 방전이 반복되며, 이에 따라, 상기 래치부(160)는 하이신호와 로우신호를 반복하여 출력하며, 상기 커패시터전압(VC)과 발진신호를 시간에 따른 그래프로 도시하면 도 10과 같다. 발진신호로서 로우신호가 출력되는 구간에 해당하는 제1구간(T1)과 발진신호로서 하이신호가 출력되는 제2구간(T2) 각각의 시간길이는 서로 동일한 것이 바람직하며, 본 발명의 경우, 온도가 변하더라도 상기 제1구간(T1) 및 상기 제2구간(T2)의 시간길이가 변하지 않는 것을 기술적 특징으로 한다.
도 12는 본 발명의 종래기술의 RC발진기에서 출력되는 신호의 시간-전압 그래프를 온도 변화에 따라 개략적으로 도시하고, 도 13은 본 발명의 일 실시예에 따른 온도 변화에 따라 상한전압(VTOP)과 하한전압(VBOT)이 가변되는 과정을 개략적으로 도시한다.
개략적으로, 앞에서, 종래기술의 RC발진기에서 입력전류를 생성하기 위한 저항(이하 IRT)을 내부에 내장하는 경우, 온도에 따라 출력되는 신호의 주파수가 변한다고 언급하였으며, 이하에서는 이에 대해 설명하도록 한다.
구체적으로, 도 12에 도시된 그래프에서 제1그래프(10)는 기본(default) 상태에서의 커패시터전압(VC) 그래프에 해당하며 제1주기(t1)를 가지고, 제2그래프(20)는 상기 IRT의 저항값이 온도에 의해 증가한 경우의 커패시터전압(VC) 그래프에 해당하며 제2주기(t2)를 가지고, 제3그래프(30)는 상기 IRT의 저항값이 온도에 의해 감소한 경우의 커패시터전압(VC) 그래프에 해당하며 제3주기(t3)를 가진다.
본 발명의 RC발진기(100)의 경우, 상한전압(VTOP) 및 하한전압(VBOT)이 가변될 수 있는 것을 기술적 특징으로 하는 반면, 종래기술의 RC발진기(100)의 경우, 상한전압(VTOP)과 하한전압(VBOT)이 고정된 값을 가진다. 즉, 상기 IRT의 저항값이 온도에 의해 커지게 되면, 도 12의 제2그래프(20)와 같이, 커패시터(C)의 충/방전 속도가 빨라지게 되어 커패시터전압(VC)의 기울기가 증가하게 되는데 상한전압(VTOP)과 하한전압(VBOT)이 고정되어 있어, 출력되는 신호의 주파수가 빨라지게 된다. 동일한 원리로, 상기 IRT의 저항값이 온도에 의해 작아지게 되면, 도 12의 제3그래프(30)와 같이, 커패시터(C)의 충/방전 속도가 느려지게 되어 커패시터전압(VC)의 기울기가 감소하게 되고, 출력되는 신호의 주파수는 느려지게 된다.
그러나, 도 13에 도시된 바와 같이, 본 발명의 경우, 제1내부저항(113)의 저항값이 온도에 의해 증가한 경우, 도 3에 대한 설명에서 전술한 바와 같이, 상기 입력전류의 전류값은 VRT/(제1내부저항(113)의 저항값)으로 도출되므로, 입력전류의 전류값이 감소하게 되고, 상기 [식 1] 및 [식 2]를 참조하여, 상기 입력전류의 전류값이 감소하면 상한전압(VTOP)의 전압값은 감소하고 및 하한전압(VBOT)의 전압값은 증가한다. 이 때, 제2내부저항(131) 및 제3내부저항(132)의 저항값이 같으므로, 상한전압(VTOP)의 감소폭과 하한전압(VBOT)의 증가폭은 동일하다. 즉, 온도가 증가하더라도, 본 발명의 RC발진기(100)에서 출력되는 발진신호의 주파수는 일정하게 유지된다.
마찬가지로, 상기 제1내부저항(113)의 저항값이 온도에 의해 감소한 경우, 입력전류의 전류값은 증가하게 되고, 이에 따라 상한전압(VTOP)은 증가하고, 하한전압(VBOT)은 감소하므로, 온도가 감소하더라도 본 발명의 RC발진기(100)에서 출력되는 발진신호의 주파수는 일정하게 유지될 수 있다. 한편, 전술한 이유와 동일한 이유로 온도가 감소할 때 상한전압(VTOP)의 증가폭과 하한전압(VBOT)의 감소폭은 동일한다.
즉, 온도에 의하여 커패시터전압(VC)의 기울기는 변화하나, 상한전압(VTOP)과 하한전압(VBOT)이 같이 변화하기 때문에, 본원 발명의 RC발진기(100)는 온도에 무관하게 일정한 주파수의 발진신호를 출력하는 것을 기술적 특징으로 한다.
도 14는 본 발명의 일 실시예에 따른 RC발진기(100)의 회로도를 개략적으로 도시한다.
도 14에 도시된 바와 같이, 본 발명의 입력전류생성부(110); 제1전류미러부(120); 기준전압생성부(130); 제2전류미러부(140); 주파수스위칭부(150); 및 래치부(160);는 유기적으로 결합되며, 이러한 유기적 구성을 통해 전술한 바와 같이, 입력전류를 생성하기 위한 저항(113)을 집적회로에 내장하더라도 온도에 무관하게 일정한 주파수를 가지는 발진신호를 출력하는 것을 기술적 특징으로 하며, 별도의 온도보상회로가 추가되지 않아 설계의 용이함을 극대화하는 효과를 발휘할 수 있다.
도 15는 본 발명의 다른 실시예에 따른 RC발진기의 회로도를 개략적으로 도시한다.
개략적으로, 도 15는 도 14에 도시된 RC발진기에서 제5PMOS(124)가 추가된 제1전류미러부(120); 및 제4NMOS(143)가 추가된 제2전류미러부(140);을 포함하는 RC발진기의 회로도를 도시한다.
구체적으로, 도 14에 도시된 실시예와 다른 실시예로서, 도 15에 도시된 바와 같이, 본 발명의 RC발진기는 4개의 PMOS(121 내지 124)를 포함하는 제1전류미러부(120)와 3개의 NMOS(141 내지 143)를 포함하는 제2전류미러부(140)를 포함하는 것이 바람직하다.
상기 제5PMOS(124)의 게이트는 상기 제1PMOS(121) 및 상기 제2PMOS(122) 각각의 게이트와 서로 연결된다. 상기 제5PMOS(124)에서 출력되는 제4전류는 상기 제1PMOS(121)에서 출력되는 제1전류와 같은 전류값을 가지는 것이 바람직하다. 다시 말해, 상기 제1전류미러부(120)에서는 (상기 입력전류의 전류값) : (상기 제1전류의 전류값) : (상기 제2전류의 전류값) : (상기 제4전류의 전류값) = N : 1 : 1 : 1 의 비율로 상기 제1전류, 상기 제2전류, 및 상기 제4전류가 출력되는 것을 기술적 특징으로 한다. 상기 제5PMOS(124)에서 출력되는 제4전류는 상기 제4NMOS(143)로 인입된다. 상기 제4NMOS(143)의 게이트는 상기 제1NMOS(141)의 게이트와 서로 연결되도록 구성되는 것이 바람직하며, 상기 제2전류미러부(140)로 인입되는 제1전류, 제3전류, 및 제4전류의 값은 모두 동일하다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 입력전류생성부에 필요한 저항을 집적회로에 내장할 수 있는 효과를 발휘할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 온도가 변하더라도 발진신호의 주파수를 일정하게 유지하는 효과를 발휘할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 기준전압생성부에 포함되는 내부저항을 가변저항으로 채택함으로써, 발진신호의 주파수를 가변할 수 있는 효과를 발휘할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 내장된 커패시터를 가변 커패시터로 채택함으로써, 발진신호의 주파수를 가변할 수 있는 효과를 발휘할 수 있다.
이상과 같이 실시예들이 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 해당 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 상기의 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하다. 예를 들어, 설명된 기술들이 설명된 방법과 다른 순서로 수행되거나, 및/또는 설명된 시스템, 구조, 장치, 회로 등의 구성요소들이 설명된 방법과 다른 형태로 결합 또는 조합되거나, 다른 구성요소 또는 균등물에 의하여 대치되거나 치환되더라도 적절한 결과가 달성될 수 있다. 그러므로, 다른 구현들, 다른 실시예들 및 특허청구범위와 균등한 것들도 후술하는 특허청구범위의 범위에 속한다.

Claims (6)

  1. 온도에 무관한 발진신호를 출력하는 RC발진기로서,
    피드백회로부 및 제1내부저항을 포함하고, 입력전압에 대한 입력전류를 생성하는 입력전류생성부;
    제1PMOS, 제2PMOS, 및 제3PMOS를 포함하고, 상기 입력전류생성부와 연결되어 제1전류 및 제2전류를 출력하되, 상기 제1전류 및 상기 제2전류는 서로 같은 전류값을 가지는 제1전류미러부;
    상기 제1전류미러부로부터 상기 제1전류를 전달받아 내부에 구비된 제2내부저항 및 제3내부저항을 이용하여 상한전압 및 하한전압을 생성하는 기준전압생성부;
    제1NMOS, 및 제2NMOS를 포함하고, 상기 기준전압생성부와 연결되어 상기 제1전류와 동일한 전류값을 가지는 제3전류를 출력하는 제2전류미러부;
    제4PMOS 및 제3NMOS를 포함하고, 상기 제1전류미러부 및 상기 제2전류미러부와 연결되고, 상기 제4PMOS 및 상기 제3NMOS 중 어느 하나가 동작됨으로써 커패시터가 충전되거나 방전되도록 하는 주파수스위칭부; 및
    상기 주파수스위칭부와 연결되어 상기 커패시터에 인가되는 커패시터전압과 상기 상한전압 및 상기 하한전압 중 어느 하나와 비교하고, 발진신호를 출력하는 래치부;를 포함하고,
    상기 래치부는 상기 발진신호로서 하이신호 및 로우신호를 교차하여 반복적으로 출력하는, RC발진기
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 RC발진기는 상기 하이신호를 출력하는 제1모드; 및 상기 로우신호를 출력하는 제2모드; 중 어느 하나로 동작하고,
    상기 제1모드는,
    상기 래치부에서, 상기 주파수스위칭부로 제1제어신호를 송신하는 단계;
    상기 주파수스위칭부에서, 상기 제4PMOS가 오프 상태로 동작하고, 상기 제3NMOS가 온 상태로 동작하는 단계; 및
    상기 커패시터에서, 충전되어 있던 전압을 방전하는 단계;를 포함하고,
    상기 제1제어신호는 상기 커패시터전압이 상기 상한전압과 같아졌을 때 상기 주파수스위칭부로 송신되는, RC발진기.
  3. 청구항 2에 있어서,
    상기 제2모드는,
    상기 래치부에서, 상기 주파수스위칭부로 제2제어신호를 송신하는 단계;
    상기 주파수스위칭부에서, 상기 제4PMOS가 온 상태로 동작하고, 상기 제3NMOS가 오프 상태로 동작하는 단계; 및
    상기 커패시터에서, 상기 제2전류를 전달받아 충전하는 단계;를 포함하고,
    상기 제2제어신호는 상기 커패시터전압이 상기 하한전압과 같아졌을 때 상기 주파수스위칭부로 송신되는, RC발진기.
  4. 청구항 1에 있어서,
    상기 제1PMOS는 입력전류생성부와 연결되고,
    상기 제2PMOS는 상기 기준전압생성부와 연결되고,
    상기 제3PMOS는 상기 주파수스위칭부와 연결되고,
    상기 제1전류는 상기 제2PMOS를 통해 출력되고, 상기 제2전류는 상기 제3PMOS를 통해 출력되며,
    상기 제1NMOS는 상기 기준전압생성부와 연결되고,
    상기 제2NMOS는 상기 주파수스위칭부와 연결되고,
    상기 제3전류는 상기 제2NMOS를 통해 출력되며,
    상기 제1PMOS, 상기 제2PMOS, 및 상기 제3PMOS는 각각의 게이트 단이 서로 연결되어 있고,
    상기 제1NMOS, 및 상기 제2NMOS는 각각의 게이트 단이 서로 연결되어 있는, RC발진기.
  5. 청구항 1에 있어서,
    상기 제2내부저항 및 상기 제3내부저항은 직렬로 연결되고,
    상기 상한전압의 전압값은,
    상기 입력전압의 전압값; 및 상기 제1전류의 전류값과 제2내부저항의 저항값의 곱;의 합으로 도출되고,
    상기 하한전압의 전압값은,
    상기 입력전압의 전압값; 및 상기 제1전류의 전류값과 제3내부저항의 저항값의 곱;의 차로 도출되는, RC발진기.
  6. 청구항 1에 있어서,
    상기 래치부는,
    제1비교기; 제2비교기; 및 래치회로부;를 포함하고,
    상기 제1비교기는, 상기 제1비교기의 제1단자에 인가되는 상한전압;과 상기 제1비교기의 제2단자에 인가되는 상기 커패시터전압;을 비교한 비교결과를 상기 래치회로부의 S인풋으로 입력하고,
    상기 제2비교기는, 상기 제2비교기의 제1단자에 인가되는 커패시터전압;과 상기 제2비교기의 제2단자에 인가되는 상기 하한전압;을 비교한 비교결과를 상기 래치회로부의 R인풋으로 입력하고,
    상기 래치회로부는,
    상기 S인풋에 로우신호가 인가되고, 상기 R인풋에 하이신호가 인가되는 경우 로우신호를 출력하고,
    상기 S인풋에 하이신호가 인가되고, 상기 R인풋에 로우신호가 인가되는 경우 하이신호를 출력하는, RC발진기.
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