KR900004198B1 - Voltage controled oscillator with high speed current switching - Google Patents
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Abstract
Description
제 1 도는 본 발명에 따라 전압에 의해 조절되는 발진기의 개략도.1 is a schematic diagram of an oscillator regulated by a voltage in accordance with the present invention.
제 2a-2g 도는 본 발명에 관계한 타이밍도.2a-2g are timing diagrams related to the present invention;
* 도면의 주요부분에 대한 부호의 실명* Real names of symbols on the main parts of the drawings
10 : 기준콘덴서 12 : 충전회로10: reference capacitor 12: charging circuit
14 : 디바이더(divider)회로 18 : 전압-전류변환기14 divider circuit 18 voltage-to-current converter
20 : 입력저항기 22 : 연산증폭기(OP AMP)20: input resistor 22: operational amplifier (OP AMP)
24 : 피리드 백(궤환)저항기 26 : 출력저항기24: Pyreback (feedback) resistor 26: Output resistor
28 : 바이어스(bias) 저항기 32 : 전계효과 트랜지스터28: bias resistor 32: field effect transistor
42,44 : 전송게이트(transmision gate) 72 : 인버터(inverter).42,44: transmission gate 72: inverter.
본 발명은 전압에 의해 조절되는 발진기(VCO'S)에 관한 것이며, 특히 보조 금속 산화막 규소 전계효과트랜지스터(CM0S) 회로를 일된으로 하는 전압에 의해 조절되는 발진기에 관한 것이다. 전압에 의해 조절되는 발진기는 위상고정 루우프(PLL)회로에서 널리 사용된다.The present invention relates to an oscillator controlled by a voltage (VCO'S), and more particularly, to an oscillator controlled by a voltage which makes an auxiliary metal oxide silicon field effect transistor (CM0S) circuit unified. Oscillators controlled by voltages are widely used in phase locked loop (PLL) circuits.
전압에 의해 조절되는 발진기는 제어입력전압에 선형관계인 출력 주파수를 제공하도록 동작한다. 이는 제어전압에 비례하는 비율로 충전 및 방전되는 콘덴서를 제공하므로써 달성된다. 비교기는 콘덴서에서의 전압이 제1 및 제2기준 전압이상 또는 이하로 가는 때 각각 충전 및 방전사이에서 스위치 되도록 제공된다.The voltage controlled oscillator operates to provide an output frequency that is linear to the control input voltage. This is achieved by providing a capacitor that is charged and discharged at a rate proportional to the control voltage. The comparator is provided to switch between charge and discharge, respectively, when the voltage at the capacitor goes above or below the first and second reference voltages.
콘덴서를 충전 및 방전시키기 위한 전류소스(current source) 및 전류싱크(current sink)를 포함하는 전압에 의해 조절되는 발진기는 타카아쉬(Takahashi)에게 허여된 제 3,886,408 호, 하시아오(Hsiao)에게 허여된 제 3,904,988 호, 아스틀(Astle)에게 허여된 제 4,263,567 호 그리고 페이네(Payne) 등에게 허여된 제 4,321,561 호에서 공개된다. 페이네와 하시아오의 특허에서 출력 전류통로에 위치한 스위칭 트랜지스터에 의해 전류 스위칭이 제공된다. 이같은 회로는 대체로 받아들일 수 있으나 출력전류 통로 내에 스위칭을 포함시킴이 진동저항(parasitic resistance) 및 진동용량을 유발 시키며 따라서 개폐시간(switching time)을 늦추는데 제한된다. VCO가 정상으로 동작하도록 하기 위해서는 전류 싱크 또는 소스가 가능한 한 빨리 스위치되도록 하여 콘덴서에 대해 균일한 충전속도가 달성되도록 함이 바람직하다. 출력 전류통로에서 스위칭을 포함하는 종전 기술회로로는 이와같은 빠른 스위칭을 달성시키기가 불가능하다.Oscillators regulated by a voltage, including a current source and a current sink for charging and discharging capacitors, are issued to Hsiao, No. 3,886,408, issued to Takaahashi. 3,904,988, 4,263,567 to Astle and 4,321,561 to Payne and others. In the Peine and Hassiao patents, current switching is provided by a switching transistor located in the output current path. Such circuits are generally acceptable, but the inclusion of switching in the output current path introduces parasitic resistance and vibration capacity and is therefore limited to slowing down the switching time. In order for the VCO to operate normally, it is desirable to allow the current sink or source to be switched as soon as possible to achieve a uniform charge rate for the capacitor. Prior art circuits, including switching in the output current path, make it impossible to achieve such fast switching.
본 발명은 높은 스위칭 속도를 갖는 전압에 의해 조절되는 발진기에 관한 것이다. 본 발명의 전압에 의해 조절되는 발진기는 10MHz 또는 그 이상에서 동작가능하며, 따라서 하도 디스크(hard disk) 자료분리기의 위상고정 루우프에서 사용하기에 적합하다. 회로는 전류소수 및 전류싱크로 동작하는 출력 트랜지스터에 의해 충전 및 방전되는 기준 콘덴서를 포함한다. 출력 트랜지스터는 전류소스 또는 전류싱크로의 동작을 조절하도록 개폐하는 전송게이트에 의해 전류반사구성 내에서 제어 트랜지스터에 연결된다. FET 콘덴서는 전류반사 트랜지스터의 게이트에 연결되어 출력 트랜지스터가 급속하게 개폐될 수 있도록 된다. 이와 같이 하여 콘덴서에 대한 균일한 충전 및 방전속도를 확실히 하며, 정확한 발진 동작을 보장케 한다.The present invention relates to an oscillator controlled by a voltage having a high switching speed. The voltage controlled oscillator of the present invention is operable at 10 MHz or higher and is therefore suitable for use in phase locked loops of hard disk data separators. The circuit includes a reference capacitor charged and discharged by an output transistor that operates with a current fraction and current sink. The output transistor is connected to the control transistor in the current reflecting arrangement by a transfer gate that opens and closes to regulate the operation of the current source or current sink. The FET capacitor is connected to the gate of the current reflecting transistor so that the output transistor can be opened and closed rapidly. This ensures a uniform charge and discharge rate to the capacitor and ensures accurate oscillation behavior.
본 발명을 첨부도면에 따라 하기에 설명한다. 다음의 설명은 본 발명을 수행하기에 가장 적합한 방법이며, 이들 설명은 본 발명의 일반 된칙을 설명하고자 하는 목적일 뿐이며 어떤 제한의 의미로 간주되어서는 안된다. 본 발명의 범위는 첨부된 특허청구범위를 참조하여 가장 잘 결정된다.The present invention will be described below in accordance with the accompanying drawings. The following description is the most suitable method for carrying out the present invention, which is for the purpose of describing the general principles of the invention only and should not be taken in any sense of limitation. The scope of the invention is best determined by reference to the appended claims.
제 1 도에서, 본 발명은 주파수가 입력제어전압(Vc)의 크기에 의해 조절되는 주기적 출력신호(VCO)를 제공하는 발진기에 관계한다. 기준 콘덴서(10)는 충전회로(12)의 조절하에 두개의 기준 전압사이에서 충전 및 방전된다. 기준 전압은 전압 디바이더 회로(l4)에 의해 제공되며, 그 출력은 기준전압을 기준 콘덴서(10)에 걸린 전압에 비교시키는 비교기(16)로 제공된다.In FIG. 1, the present invention relates to an oscillator for providing a periodic output signal VCO whose frequency is adjusted by the magnitude of the input control voltage Vc. The reference capacitor 10 is charged and discharged between two reference voltages under the control of the charging circuit 12. The reference voltage is provided by the voltage divider circuit 14 and its output is provided to the comparator 16 which compares the reference voltage to the voltage applied to the reference capacitor 10.
회로의 충전 및 방전속도는 제어입력전압(Vc)에 의해 조절되며, 이같은 입력전압은 전압-전류(voltage-to-current) 변환기(18)에 의해 제어전류로 변환된다.전압-전류 변환기는 입력저항기(20), 연산증폭기(22), 피이드 백(feeback) 저항기(24), 출력저항기(26) 그리고 바이어스 저항기(28)를 포함한다. 발진기의 동작점은 주어진 입력 전압에 상응하는 필요한 제어전류수준(Ic)을 제공하도록 선택된 외부저항기(30)에 의해 결정된다.The charging and discharging rate of the circuit is controlled by the control input voltage Vc, which is converted into a control current by a voltage-to-current converter 18. The voltage-current converter is input Resistor 20, operational amplifier 22, feedback resistor 24, output resistor 26 and bias resistor 28. The operating point of the oscillator is determined by the external resistor 30 selected to provide the required control current level Ic corresponding to the given input voltage.
제어전류(Ic)는 기준 N 타입 FET 트랜지스터(32)로 공급되며 이를 구동시킨다. 따라서 트랜지스터(32)를 통해 흐르는 기준전류의 크기는 제어입력전압의 크기에 달려있다. 트랜지스터(32)는 전류반사 구조 내에서 N 타입 트랜지스터(34)에 연결된다. 트랜지스터의 게이트와 소스의 공통 연결 때문에 트랜지스터(34)를 통하여 흐르는 전류는 트랜지스터(32)를 통하여 흐르는 전류를 반사시킬 것이다. 트랜지스터(34)를 통하여 흐르는 전류는 또한 드레인과 게이트가 트랜지스터(34)의 드레인에 연결되고 소스가 전된장치(Vcc)에 연결된 P타입 트랜지스터(36)를 통하여 흐를 것이다. 따라서 전류는 트랜지스터(34)(36)를 통하여 흐를 것이며 트랜지스터(32)를 통하여 흐르는 기준전류의 크기에 의해 결정되는 크기를 가질 것이다.The control current Ic is supplied to and drives the reference N type FET transistor 32. Therefore, the magnitude of the reference current flowing through the transistor 32 depends on the magnitude of the control input voltage. The transistor 32 is connected to the N type transistor 34 in the current reflecting structure. Because of the common connection of the gate and source of the transistor, the current flowing through transistor 34 will reflect the current flowing through transistor 32. The current flowing through the transistor 34 will also flow through the P-type transistor 36 whose drain and gate are connected to the drain of the transistor 34 and to the sourced device Vcc. The current will thus flow through the transistors 34 and 36 and have a magnitude determined by the magnitude of the reference current flowing through the transistor 32.
트랜지스터(34)(36)의 게이트는 전송게이트(42)(44)를 통하여 출력 트랜지스터(38)(40)의 게이트 각각으로 연결된다. 트랜지스터(38)의 소스는 접지에 연결되며, 트랜지스터(40)의 소스는 전된장치에 연결되고,이들 트랜지스터의 드레인은 상호 연결되어 기준 콘덴서(10)의 한 단자로 연결된다. 따라서 트랜지스터(38)는 전류반사(current mirror) 구조 내에서 트랜지스터(34)에 연결되며, 트랜지스터(40)는 전류반사 구조 내에서 트랜지스터(36)에 연결된다.Gates of transistors 34 and 36 are connected to each of the gates of output transistors 38 and 40 through transfer gates 42 and 44. The source of transistor 38 is connected to ground, the source of transistor 40 is connected to an electrical device, and the drains of these transistors are interconnected to one terminal of reference capacitor 10. Transistor 38 is thus connected to transistor 34 in a current mirror structure, and transistor 40 is coupled to transistor 36 in a current reflection structure.
트랜지스터(38)(40)는 기준 콘덴서(10)의 충전 및 방전을 조절시키기 위해 선택적으로 개폐된다. 콘덴서(10)를 충전시키기 위해서는 전송게이트(44)가 트랜지스터(36)를 트랜지스터(40)에 연결시키도록 폐쇄된다. 이와같이 하여 트랜지스터(40)를 작동시키며, 전류가 트랜지스터를 통해 흐르도록 하고 기준 콘덴서(10)를 충전시키도록 할 것이다.Transistors 38 and 40 are selectively opened and closed to regulate the charge and discharge of the reference capacitor 10. In order to charge the capacitor 10, the transfer gate 44 is closed to connect the transistor 36 to the transistor 40. In this way, the transistor 40 will operate, allowing current to flow through the transistor and charging the reference capacitor 10.
충전이 끝마쳐진 때 전송게이트(44)가 개방되며 그리고 전송게이트(46)가 트랜지스터(40)를 끄도록 폐쇄된다. 트랜지스터(40)의 정확하고 신속한 스위칭을 보장하기 위해서 FET 트랜지스터(48)가 트랜직스터 (36)의 게이트에 연결된다. 이같은 콘덴서는 전하를 저장하며, 트랜지스터(40)를 전도상태로 급히 스위치시키기 위해 충분한 순간전류를 제공한다. 본 발명의 실시예에서, 콘덴서(48)는 대략 30 피코따라드(pF)의 크기를 가지며 3.5볼트(volts)의 게이트-소스간 전압으로 바이어스된다. 트랜지스터(40)는 트랜지스터(36)크기의 대략 10배의 크기를 가지며, 트랜지스터(40)를 통한 전류를 트랜지스터(36)를 통한 전류와 비례하며, 트랜지스터들의 상대적 크기와 직접 관계한다.When charging is complete, the transfer gate 44 is opened and the transfer gate 46 is closed to turn off the transistor 40. FET transistor 48 is connected to the gate of transistor 36 to ensure accurate and rapid switching of transistor 40. Such capacitors store charge and provide sufficient instantaneous current to rapidly switch transistor 40 to a conducting state. In an embodiment of the present invention, the capacitor 48 has a size of approximately 30 picolites (pF) and is biased at a gate-source voltage of 3.5 volts. Transistor 40 is approximately ten times the size of transistor 36, and the current through transistor 40 is proportional to the current through transistor 36 and directly related to the relative size of the transistors.
따라서 제어입력전압에 비례하는 전류가 트랜지스터(36)를 통하여 흐를 것이며 트랜지스터(40)는 전송게이트(44)를 폐쇄 시킴에 따라 전도상태로 신속히 스위치될 것이다. 따라서 트랜지스터(40)를 통한 전류는 제어입력전압에 비례하는 수준으로 계단식으로 변하게 될 것이다. 이같은 전류수준은 콘덴서(10)의 충전속도를 결정할 것이다.Thus, a current proportional to the control input voltage will flow through the transistor 36 and the transistor 40 will quickly switch to the conduction state by closing the transfer gate 44. Therefore, the current through the transistor 40 will be cascaded to a level proportional to the control input voltage. This current level will determine the charge rate of the capacitor 10.
트랜지스터(40)가 전류소스로 동작하는 반면, 트랜지스터(38)는 기준 콘덴서(10)를 방전시키기 위한 전류싱크로 동작한다. 트랜지스터는 트랜지스터(38)의 게이트를 트랜지스터(34)의 게이트와 상호연결 시키기 위해 전송게이트(42)를 폐쇄시키므로써 전도성이도록 만들어진다. 트랜지스터(38)의 크기는 대략 트랜지스터(34) 크기의 10배이며, 트랜지스터(38)을 통하여 흐르는 전류는 트랜지스터(34)를 통하여 흐르는 전류와 비례할 것이다. MOS 콘덴서(50)가 다시 제공되어 트랜지스터(38)를 전도상태로 급히 스위치 시키기 위해 충분한 순간 전류가 이용가능 하도록 된다. 콘덴서의 한 단자는 적절한 M0S 콘덴서 동작을 달성하도록 콘덴서(50)를 바이어스 시키기위해 전된장치에 연결된다. 콘덴서(50)의 크기는 콘덴서(48)의 크기, 즉 본 발명의 실시예에서 대략 30 피코파라드(pF)와 같다. 추가의 전송게이트(52)는 트랜지스터(38)의 게이트를 접지에 연결하여 트랜지스터를 끄도록 제공된다.Transistor 40 operates as a current source, while transistor 38 operates as a current sink to discharge the reference capacitor 10. The transistor is made conductive by closing the transfer gate 42 to interconnect the gate of transistor 38 with the gate of transistor 34. The size of transistor 38 is approximately ten times the size of transistor 34, and the current flowing through transistor 38 will be proportional to the current flowing through transistor 34. The MOS capacitor 50 is again provided so that sufficient instantaneous current is available to rapidly switch the transistor 38 to the conductive state. One terminal of the capacitor is connected to an integrated device to bias the capacitor 50 to achieve proper M0S capacitor operation. The size of the condenser 50 is equal to the size of the condenser 48, i.e., approximately 30 picofarads pF in the embodiment of the present invention. An additional transfer gate 52 is provided to connect the gate of transistor 38 to ground to turn off the transistor.
고 및 저 기준전압(본 발명의 실시예에서는 3볼트와 2볼트)이 5개의 상호 연결된 트랜지스터(54)(56)(58)(60) 및 (62)를 포함하는 전압 디바이더에 의해 제공된다. 두 기준전압 중 하나는 두 전송게이트(64)(66)를 적절히 조절하므로써 비교기(16)의 역 입력으로 제공된다. 전송게이트는 교대로 스위치되며, MOS 콘덴서(68)(70)는 비교기(16)에 가해진 기준전압의 크기를 신속히 변경 시킴을 용이하게 하도록 제공된다.High and low reference voltages (3 volts and 2 volts in the embodiment of the present invention) are provided by a voltage divider comprising five interconnected
제 1 도의 전압에 의해 조절되는 발진기의 동작은 제 2 도의 타이밍도를 참고하여 설명될 것이다. 최초로 전송게이트(64)는 폐쇄되며, 전송게이트(66)는 개방되고, 따라서 비교기(16)의 역 입력으로 가해진 기준전압은 제 2a 도에 도시된 것과 같이 3볼트이다. 트랜지스터(40)는 커지며, 트랜지스터를 통한 전류는 양 값으로, 그 크기는 입력제어 전압의 크기에 의해 결정된다. 따라서 콘덴서(10)는 제 2d 도에 도시된 바와같이 트랜지스터(40)를 통과하여 흐르는 전류의 크기에 의해 결정된 일정한 속도로 충전될 것이다.The operation of the oscillator controlled by the voltage of FIG. 1 will be described with reference to the timing diagram of FIG. Initially, the transfer gate 64 is closed and the transfer gate 66 is open, so the reference voltage applied to the reverse input of the comparator 16 is 3 volts as shown in FIG. 2A. The transistor 40 is large, the current through the transistor is positive and its magnitude is determined by the magnitude of the input control voltage. Therefore, the capacitor 10 will be charged at a constant rate determined by the magnitude of the current flowing through the transistor 40 as shown in FIG. 2D.
콘덴서(10)에서의 전압이 3볼트에 도달한 때, 비교기(16)의 출력이 상태를 바꿀것이며 (제 2e 도), 이같은 출력은 VCO 출력을 제공하기 위해 제1인버터(inverter)(72)로 가해진다. 이같은 출력(72)의 보수는 인버터(74)에 의해 제공된다. 이들 출력은 전송게이트(42)(44)(46)(52)(64) 및 (66)로 제공되며, 출력의 스위칭이 전송게이트(44)는 개방 되도록 하고 전송게이트(46)는 폐쇄되도록 하므로써 트랜지스터(40) 동작을 멈추게한다. 동시에 전송 게이트(42)는 폐쇄되고, 전송게이트(52)는 개방되어 트랜지스터(38)를 전도성이도록 만든다. 따라서 콘덴서(10)는 트랜지스터(38)를 통하여 방전하기 시작한다. 추가하여, 제 2a 도에 도시된 것과 같이 3볼트 수준을 2볼트 수준으로 비교기에 가해질 기준전압을 변경시키기 위해 전송게이트(66)는 폐쇄되며, 전송게이트(64)는 개방된다. 제 2c 도에 도시된 바와같이 트랜지스터(38)를 통하여 흐르는 전류의 계단변경(step change)은 제 2d 도에 도시된 바와같이 일정한 속도로 콘덴서가 방전되도록 한다. 이같은 방전은 2볼트 수준이 도달되어 비교기(16)의 출력이 제 2e 도에 도시된 바와같이 변하기 시작하며 따라서 제 2f 도 및 제 2g 도에 도시된 바와같이 출력신호(VCO와의 상태를 변경시키는 때까지 계속된다.When the voltage at the capacitor 10 reaches 3 volts, the output of the comparator 16 will change state (Figure 2e), which outputs a first inverter 72 to provide a VCO output. Is applied. Repair of this output 72 is provided by inverter 74. These outputs are provided to the transfer gates 42, 44, 46, 52, 64 and 66, by switching the outputs so that the transfer gate 44 is open and the transfer gate 46 is closed. The transistor 40 is stopped. At the same time, the transfer gate 42 is closed and the transfer gate 52 is open to make the transistor 38 conductive. Therefore, the capacitor 10 starts to discharge through the transistor 38. In addition, the transfer gate 66 is closed and the transfer gate 64 is opened to change the reference voltage applied to the comparator from the 3-volt level to the 2-volt level as shown in FIG. 2A. As shown in FIG. 2C, a step change in the current flowing through the transistor 38 causes the capacitor to discharge at a constant rate as shown in FIG. 2D. This discharge reaches the 2 volt level so that the output of the comparator 16 begins to change as shown in Figure 2e and thus the output signal VCO and the output as shown in Figures 2f and 2g. It continues until you change its state.
콘덴서(48)(50)를 준비하므로써 제 2b 도 및 제 2c 도에 도시된 바와같은 계단변경 및 트랜지스터(40)(38)를 통하여 흐르는 전류가 성취 되어짐을 가능하게 한다. 추가로, 콘덴서(68)(70)는 3볼트와 2볼트 수준 사이 기준 전압에서의 계단변경이 성취되어짐을 가능하게 한다. 결과로 충전 및 방전속도는 매우 정확히 조절될 수가 있으며, 디스크 드라이브(disk drives)의 위상고정 루우프 자료분리기에서 사용되는 바와같은 여러 적용에 필요한 극히 높은 주파수로 정확한 발진동작이 달성될 수 있다. 기준 콘덴서는 두 기준전압 사이에서 충전 및 방전될 것이며, 트랜지스터(38)(40)의 급속한 스위칭 덕분에 충전의 속도가 정확히 조절될 수 있다.The provision of the capacitors 48 and 50 enables the step change as shown in FIGS. 2B and 2C and the current flowing through the transistors 40 and 38 to be achieved. In addition, capacitors 68 and 70 allow for step changes in the reference voltage between the 3-volt and 2-volt levels to be achieved. As a result, the charge and discharge rates can be controlled very precisely, and accurate oscillation behavior can be achieved at the extremely high frequencies required for many applications, such as those used in the phase-locked loop data separator of disk drives. The reference capacitor will be charged and discharged between the two reference voltages, and the rate of charge can be accurately controlled thanks to the rapid switching of the transistors 38 and 40.
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KR870009557A (en) | 1987-10-27 |
CA1286736C (en) | 1991-07-23 |
JPS62242408A (en) | 1987-10-23 |
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