KR20120020096A - 초저전력 수정 발진기를 위한 무저항 피드백 바이어싱 - Google Patents

초저전력 수정 발진기를 위한 무저항 피드백 바이어싱 Download PDF

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KR20120020096A
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Abstract

OTA(operational transconductance amplifier)가 온도, 전압 및 프로세스 코너 변화를 최소화하기 위한 수정 발진기의 DC 바이어스 피드백으로서 사용되어 초저전력 레벨들에서 수정 발진기 동작의 신뢰성을 개선시킨다.

Description

초저전력 수정 발진기를 위한 무저항 피드백 바이어싱{RESISTORLESS FEEDBACK BIASING FOR ULTRA LOW POWER CRYSTAL OSCILLATOR}
본 발명은 집적회로 디바이스들에 관한 것으로, 특히 초저전력 수정 발진기를 위한 무저항 피드백 바이어싱을 갖는 집적회로 디바이스들에 관한 것이다.
도 1은 수정 발진기를 위한 종래기술의 피드백 저항 바이어스 회로 구성의 회로도이다. 종래의 온-칩 트랜지스터형 피드백 저항(106)은 온도, 공급 전압, 및 프로세스 코너들에 걸쳐 매우 큰 변화를 갖는다. 따라서, 수정 발진기 회로들을 위한 온-칩 트랜지스터형 피드백 저항(106)으로서 사용될 때 (온도, 공급 전압, 및 프로세스 코너들에 걸쳐) 매우 큰 변화가 있다. 이 변화는, DC 바이어스 동작점에서의 시프트 및 전류 Ibias-Ileak = IOSC를 발진기 트랜지스터(104)에서 우회시키는 저항(106)을 통과한 누설 전류 Ileak 때문에 발진기 스타트-업을 신뢰할 수 없게 한다.
따라서, 수정 발진기들에 사용되는 온-칩 트랜지스터형 피드백 저항의 (온도, 공급 전압, 및 프로세스 코너들에 걸친) 매우 큰 변화를 없애기 위한 방법이 요구된다. 이 변화는 발진기 스타트-업을 신뢰할 수 없게 한다. 또한, 발진기가 100nA에서 또한 1.0 볼트 동작 아래에서 바이어싱될 수 있는 매우 낮은 전력 동작이 가능한 것이 요구되고 있다.
본 발명에 따르면, 수정 발진기 피드백으로서 연결된 OTA(operational transconductance amplifier)는 온도, 전압 및 프로세스 코너들에 걸쳐 10-20mV 이하로 쉽게 제어되는 입력 오프셋 전압 변화만을 가져 저전압 발진기 동작에 대하여 큰 마진을 초래한다. 또한, OTA 바이어스 방식은 발진기 설계 방정식들에 투명하며, 따라서 발진기 분석을 수학적으로 간략화한다. 본 발명에 따르면, 이 저전력 OTA 바이어스 방식의 이용은 온-칩 피드백 저항 누설 및 저항값 변화를 극복하며, 이로써 초저전력 레벨들에서 보다 신뢰할만한 수정 발진기 동작을 가능하게 한다.
본 발명의 일실시예에 따르면, 초저전력 수정 발진기는 소스, 게이트, 및 드레인을 갖는 발진기 드라이버 트랜지스터; 포지티브 입력, 네거티브 입력 및 출력을 가지며, 단위 이득 버퍼 구성으로 연결된 저 동작전류 OTA(operational transconductance amplifier); 및 공급 전압에 연결되고, 상기 발진기 드라이버 트랜지스터의 상기 드레인으로 직류(DC) 전압을 세팅하는 바이어스 전류 발생기를 포함하고, 상기 OTA의 상기 포지티브 입력은 상기 발진기 드라이버 트랜지스터의 상기 드레인 및 상기 바이어스 전류 발생기에 연결되고, 상기 OTA의 상기 네거티브 입력 및 출력은 상기 발진기 드라이버 트랜지스터의 상기 게이트에 연결됨으로써, 상기 발진기 드라이버 트랜지스터의 상기 게이트 및 드레인 DC 바이어스 전압들은 실질적으로 동일하고, 상기 발진기 드라이버 트랜지스터 AC 동작이 방해받지 않는 한 상기 OTA의 상기 네거티브 입력 및 포지티브 입력에서의 상기 전압들은 실질적으로 동일하다.
본 발명의 또 하나의 실시예에 따르면, 초저전력 수정 발진기는 스타트-업 회로; 상기 스타트-업 회로에 연결된 바이어스 전류 발생기; 상기 바이어스 전류 발생기에 연결된 저 동작전류 OTA 피드백 회로; 상기 OTA 피드백 회로에 연결된 수정 발진기 트랜지스터; 및 상기 수정 발진기 트랜지스터에 연결된 발진기 버퍼 증폭기를 포함한다.
본 발명이 특정 실시예를 참조하여 특별히 도시되고 설명되었지만, 이러한 참조는 본 발명의 한정을 내포하지 않고 이러한 한정을 의미하지도 않는다. 본 발명은 이 기술분야의 당업자에 의해 형태와 기능에 있어서 수정물, 대체물, 및 균등물이 고려될 수 있다. 본 발명의 도시되고 설명된 실시예들은 단지 예로서, 본 발명의 범위를 한정하지 않는다.
첨부한 도면들과 관련된 아래의 설명들을 참조하면 본 발명을 보다 완전히 이해할 수 있다.
도 1은 수정 발진기를 위한 종래기술의 피드백 저항 바이어스 회로 구성의 회로도이다.
도 2는 본 발명의 특정 실시예에 따른 초저전력 수정 발진기를 위한 OTA(operational transconductance amplifier) 바이어스 회로 구성의 회로도이다.
도 3은 본 발명의 특정 실시예에 따른 OTA 피드백 바이어싱된 초저전력 수정 발진기의 블록도이다.
도 4는 본 발명에 따른 도 3에 도시한 OTA 피드백 바이어스 회로의 회로도이다.
본 발명은 다양한 변형물들 및 대체 형태들이 가능하지만, 특정 실시예들이 도면들에 도시되고 여기에 상세히 설명되었다. 하지만, 특정 실시예들의 설명은 본 발명을 여기에 개시된 특정 형태들로 한정하려는 것이 아니고, 반대로, 본 발명은 첨부한 청구범위에 의해 한정된 모든 수정물들 및 균등물들을 포함하여야 한다.
이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부한 도면을 참조하여 상세히 설명한다. 도면에서 동일한 구성요소는 동일한 참조부호로 나타내고, 유사한 구성요소는 아래첨자를 달리하여 동일한 부호로 나타낸다.
도 2는 본 발명의 특정 실시예에 따른 초저전력 수정 발진기를 위한 OTA 바이어스 회로 구성의 회로도이다. 매우 약한(매우 낮은 전류) OTA(206)가 단위 이득 버퍼 구성으로 연결된다. 그 포지티브 입력은 발진기 드라이버의 드레인에 연결되고 그 출력 및 네거티브 입력은 발진기 드라이버 트랜지스터(104)의 게이트에 연결된다. 게이트의 발진기 DC 바이어스 전압(Vgate) 및 드레인의 발진기 DC 바이어스 전압(Vdrain)을 가능한한 서로 근접하게 세팅하는 것이 목적이다. 약한 OTA(206)는 네거티브 입력 전압을 포지티브 입력 전압과 같아지도록 동작하는 동시에 발진기 AC 동작이 방해받지 않게 한다. 정전류 바이어스 발생기(102)는 발진기 드라이버 트랜지스터(104)의 드레인에서 DC 전압을 세팅한다. OTA(206)는 이 전압을 발진기 드라이버 트랜지스터(104)의 게이트로 미러링하고, 따라서 (OTA(206)의 매우 작은 입력 오프셋 전압을 뺀) 게이트 및 드레인의 DC 바이어스 전압들은 언제나 실질적으로 동일할 것이며, 예를 들면, Vgate = Vdrain - Vos(여기서, Vos는 OTA(206)의 입력 오프셋 전압)이다.
프로세스 및 온도에 걸쳐, OTA(206)의 입력 오프셋 전압은 트랜지스터형 피드백 저항(도 1)의 누설 보다 훨씬 작아서, (도 1에 도시된) 트랜지스터형 피드백 네트워크에서 생기는 누설 및 변화 문제들에 대한 매우 신뢰할만한 해결책이 된다. 이러한 바이어스 방식은 프로세스 및 주파수 독립적이다. 이 바이어스 방식으로, 수정 발진기들은 1 볼트 이하의 전원을 이용하여 용이하게 동작하도록 바이어싱될 수 있다. 본 발명에 따르면, 이 발진기는 0.8 볼트에 이르기까지 신뢰성있게 동작할 수 있으며, 심지어는 그 보다 낮은 전압들에 이르기까지 동작할 수 있다. 발진기 드라이버 트랜지스터는 FET(field effect transistor)(예를 들면, 접합형 FET(junction FET), IG(insulated gate) FET, MOS(metal oxide semiconductor) FET 등)일 수 있다.
도 3은 본 발명의 특정 실시예에 따른 OTA 피드백 바이어싱된 초저전력 수정 발진기의 블록도이다. 일반적으로 참조부호(300)로 나타낸 수정 발진기는 스타트-업 회로(314), 바이어스 전류 발생기(302), OTA 피드백 회로(306), 발진기(304), 및 발진기 버퍼(318)를 포함한다. OTA 피드백 바이어스 회로(306)는 바이어스 전류 발생기(302)에서 발진기(304)로 전류값을 미러링하며, 도 2에 도시된 것과 같이 구성될 수 있다. 수정(108)은 수정 발진기(300)의 발진 주파수를 결정한다.
도 4는 본 발명에 따른 도 3에 도시한 OTA 피드백 바이어스 회로의 회로도이다. OTA 피드백 바이어스 회로(306)는 출력(452)을 가지며 또한 차동 입력들(450)(+) 및 (448)(-)을 갖는다. 출력(452) 및 네거티브 입력(448)은 발진기 트랜지스터(104)의 게이트(도 2 참조)에 연결된다. 포지티브 입력(450)은 발진기 트랜지스터(104)의 드레인(도 2 참조)에 연결된다. 바이어스 입력(446)은 바이어스 전류 발생기(302)(도 3)에 연결되고, 그것에서 발진기 트랜지스터(104)(도 2 참조)로 전류값을 미러링한다.

Claims (13)

  1. 소스, 게이트, 및 드레인을 갖는 발진기 드라이버 트랜지스터;
    포지티브 입력, 네거티브 입력 및 출력을 가지며, 발진기 피드백 바이어스 요소로서 단위 이득 버퍼 구성으로 연결된 저 동작전류 OTA(operational transconductance amplifier); 및
    공급 전압에 연결되고, 상기 발진기 드라이버 트랜지스터의 상기 드레인으로 직류(DC) 전압을 세팅하는 바이어스 전류 발생기를 포함하고,
    상기 OTA의 상기 포지티브 입력은 상기 발진기 드라이버 트랜지스터의 상기 드레인 및 상기 바이어스 전류 발생기에 연결되고, 상기 OTA의 상기 네거티브 입력 및 출력은 상기 발진기 드라이버 트랜지스터의 상기 게이트에 연결됨으로써,
    상기 발진기 드라이버 트랜지스터의 상기 게이트 및 드레인 DC 바이어스 전압들은 동일하고,
    상기 발진기 드라이버 트랜지스터 AC 동작이 방해받지 않는 한 상기 OTA의 상기 네거티브 입력 및 포지티브 입력에서의 상기 전압들은 동일한 것을 특징으로 하는 초저전력 수정 발진기.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 발진기 드라이버 트랜지스터는 FET(field effect transistor)인 것을 특징으로 하는 초저전력 수정 발진기.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 발진기 드라이버 트랜지스터는 JFET(junction field effect transistor)인 것을 특징으로 하는 초저전력 수정 발진기.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 발진기 드라이버 트랜지스터는 IG(insulated gate) FET인 것을 특징으로 하는 초저전력 수정 발진기.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 발진기 드라이버 트랜지스터는 MOSFET인 것을 특징으로 하는 초저전력 수정 발진기.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 바이어스 전류 발생기는 정전류원인 것을 특징으로 하는 초저전력 수정 발진기.
  7. 스타트-업 회로;
    상기 스타트-업 회로에 연결된 바이어스 전류 발생기;
    상기 바이어스 전류 발생기에 연결된 저 동작전류 OTA 피드백 회로;
    상기 OTA 피드백 회로에 연결된 수정 발진기 트랜지스터; 및
    상기 수정 발진기 트랜지스터에 연결된 발진기 버퍼 증폭기를 포함하는 것을 특징으로 하는 초저전력 수정 발진기.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 바이어스 전류 발생기는 공급 전압에 연결된 정전류원인 것을 특징으로 하는 초저전력 수정 발진기.
  9. 제7항에 있어서,
    상기 OTA 피드백 회로는 포지티브 입력, 네거티브 입력 및 출력을 갖는 저 동작전류 OTA이고, 상기 OTA는 단위 이득 버퍼 구성으로 연결된 것을 특징으로 하는 초저전력 수정 발진기.
  10. 제7항에 있어서,
    상기 수정 발진기 트랜지스터는 FET인 것을 특징으로 하는 초저전력 수정 발진기.
  11. 제7항에 있어서,
    상기 발진기 트랜지스터는 JFET인 것을 특징으로 하는 초저전력 수정 발진기.
  12. 제7항에 있어서,
    상기 발진기 트랜지스터는 IG FET인 것을 특징으로 하는 초저전력 수정 발진기.
  13. 제7항에 있어서,
    상기 발진기 트랜지스터는 MOSFET인 것을 특징으로 하는 초저전력 수정 발진기.
KR1020117020008A 2009-04-13 2010-04-12 초저전력 수정 발진기를 위한 무저항 피드백 바이어싱 KR20120020096A (ko)

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