KR920001920B1 - Ring oscillator for temperature compensation - Google Patents
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Abstract
Description
제1도는 종래의 링 오실레이터회로도.1 is a conventional ring oscillator circuit diagram.
제2도는 본 발명의 링 오실레이터회로도.2 is a ring oscillator circuit diagram of the present invention.
제3도는 온도변화에 따른 링오실레이터의 싸이클타임을 비교한 특성도.3 is a characteristic diagram comparing the cycle time of the ring oscillator with temperature changes.
제4도는 온도변화에 따른 링 오실레이터의 파워전원의 소모상태를 비교한 특성도이다.4 is a characteristic diagram comparing the power consumption of the ring power supply of the ring oscillator according to the temperature change.
* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명* Explanation of symbols for main parts of the drawings
1 : 발진회로 2 : 전원공급통로1: oscillation circuit 2: power supply passage
3 : 전원패스통로 4 : 바이어스부3: Power path passage 4: Bias part
I1~I5 : 인버터I1 ~ I5: Inverter
MP1, MP2,…, MN1, MN2,…, MD1, MD2, … : MOS 트랜지스터MP1, MP2,... , MN1, MN2,... , MD1, MD2,... MOS transistor
본 발명은 논리회로에 있어서 논리의 지연을 갖는 링 오실레이터에 관한 것으로, 특히, MOS트랜지스터를 사용하여 온도의 변화에 따라 전파시간이 변하는 것을 방지할 수 있게한 온도보상용 링 오실레이터에 관한 것이다. 논리 신호의 지연을 가지는(전파시간) 회로는 대개 홀수개의 로직게이트들로 폐회로를 형성하고 있는 것으로 그 대표적인 회로가 제1도에 도시되어 있다.BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a ring oscillator having a logic delay in a logic circuit, and more particularly, to a temperature compensating ring oscillator capable of preventing the propagation time from changing with temperature by using a MOS transistor. A circuit having a delay of the logic signal (propagation time) is usually formed in a closed circuit with an odd number of logic gates, a representative circuit of which is shown in FIG.
종래의 링 오실레이터는 기본적으로 다수개의 인버터(I1-I5)를 로직게이트로 하여 직렬로 연결되는 폐회로를 구성하여 인가되는 신호를 발진시키고 있는 것으로 홀수개의 인버터를 사용하고 있다. 여기서, 각 인버터들의 시정수로서 지연시간을 조절하여 발진주파수를 얻도록 하였으나 온도가 변할 경우에 전자의 이동이 감소하게 되어 인버터회로를 구성하는 P.NMOS트랜지스터의 콘덕턴스(conductance)가 줄어들에 되므로 오실레이터의 발진 주파수가 적어지게 되는 원인이 되는 것이었다. 따라서, 상기와 같은 온도에 영향을 받은 링 오실레이터의 발진주파수를 기준으로 하여 다른 회로를 구동하는 시스템에서는 오동작을 일으키게 하는 것이었다.Conventional ring oscillators use an odd number of inverters by oscillating signals applied by forming a closed circuit connected in series using a plurality of inverters I1-I5 as logic gates. Here, the oscillation frequency is obtained by adjusting the delay time as the time constant of each inverter, but when the temperature changes, the electron movement is reduced, so the conductance of the P.NMOS transistor constituting the inverter circuit is reduced. This caused the oscillator's oscillation frequency to decrease. Therefore, the system is to cause a malfunction in a system that drives other circuits based on the oscillation frequency of the ring oscillator affected by the above temperature.
본 발명은 이와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로 본 발명의 목적은 온도변화에 따라 주파수의 변동을 크게 감소시킬 수 있는 온도보상용 링 오실레이터를 제공하고자 하는 것이다. 다른 목적은, 온도변화에 따라 파워전원의 소모를 적게할 수 있는 온도보상용 링 오실레이터를 제공하고자 하는 것이다.The present invention has been made to solve the above problems, and an object of the present invention is to provide a temperature compensation ring oscillator that can greatly reduce the fluctuation of the frequency according to the temperature change. Another object is to provide a temperature compensating ring oscillator which can reduce power consumption according to temperature change.
본 발명의 특징은 홀수개의 로직게이트들로 순차적으로 연결되는 발진회로와; 상기 발진회로에 전원을 공급하기 위하여 제1타입의 MOS트랜지스터들로 구성된 전원공급통로와; 상기 발진회로에 인가되는 전원이 흐르 수 있도록 하기 위하여 제2타입의 MOS트랜지스터들로 구성된 전원패스통로와; 상기 전원통로 및 전원 패스통로에 일정한 바이어스전원을 공급하기 위한 바이어스부와; 로 구성된 링 오실레이터를 제공하고자 하는 것이다.Features of the present invention include an oscillation circuit sequentially connected to an odd number of logic gates; A power supply passage consisting of MOS transistors of a first type to supply power to the oscillation circuit; A power path passage consisting of MOS transistors of a second type to allow power applied to the oscillation circuit to flow; A bias unit for supplying a constant bias power to the power passage and the power passage; It is to provide a ring oscillator consisting of.
이와 같은 특징은 일정한 정전원을 공급하는 바이어스부에서 전원공급통로 및 전원패스통로에 공급하는 전류가 커런트-미러가 구성되는 온도변화에 무관하게 일정한 바이어스가 유지되게 함으로써 달성될 수 있다.This feature can be achieved by maintaining a constant bias regardless of the temperature change in which the current-mirror constitutes the current supplied to the power supply passage and the power path passage in the bias portion that supplies a constant electrostatic source.
이하, 본 발명의 실시예를 첨부된 도면에 의하여 상세히 설명하면 다음과 같다.Hereinafter, an embodiment of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.
제2도는 본 발명의 링 오실레이터 회로도를 나타낸다. 다수개의 인버터(I1~I5)를 직렬연결시켜 발진회로(1)르 구성하고 있는 것으로 홀수개의 인버터 사용한다. 여기서, 인버터소자 대신에 다른 로직게이트들을 사용할 수도 있다. 인버터(I1~I5)는 순차적으로 연결되고, 마지막단 인버터(I5)의 출력은 출력단자(out)로 발진신호를 출력시키는 동시에 처음단 인버터(I1)의 입력으로 궤환되게 구성되어 있다. 상기 인버터(I1~I5)로 구성된 발진회로(1)에 전원(VCC)을 공급하기 위한 전원공급통로(2)는 제1타입의 MOS트랜지스터(MP1~MP5)로 구성하여 전원(VCC)에 연결되는 노우드측이 MOS트랜지스터(MP1~MP5)의 소오스측과 연결되어 구성하고 각각의 드레인측은 각각의 인버터(I1~I5)에 연결되어 전원이 공급되게 구성한다. 여기서 제1타입의 MOS트랜지스터(MP1~MP5)는 PMOS트랜지스터들로 구성한다.2 shows a ring oscillator circuit diagram of the present invention. An oscillation circuit 1 is formed by connecting a plurality of inverters I1 to I5 in series to use an odd number of inverters. Here, other logic gates may be used instead of the inverter device. The inverters I1 to I5 are sequentially connected, and the output of the last stage inverter I5 is configured to output an oscillation signal to the output terminal out and to be fed back to the input of the first stage inverter I1. The
상기 발진회로(1)에 연결되어 전원(VCC)이 흐르는 통로를 만들어주는 전원패스통로(3)는 제2타입의 MOS트랜지스터(MH1~MH5)로 구성하여 각각의 드레인측은 인버터(I1~I5)에 연결되게 구성하고 각각의 소오스측은 접지(VCC)와 연결되게 하여 전원이 흐를수 있도록 구성한다.The power path passage 3 connected to the oscillation circuit 1 to create a passage through which the power supply VCC flows is composed of MOS transistors MH1 to MH5 of the second type, and each drain side of the inverter I1 to I5. Each source side is connected to the ground (VCC) so that power can flow.
여기서, 제2타입의 MOS트랜지스터(MN~MN5)는 NMOS트랜지스터들로 구성한다. 그리고 전원(VCC)측과 접지측(VSS)측 사이에 구성되는 바이어스부(4)는 PMOS트랜지스터(MD1) 및 NMOS트랜지스터(MD2)가 저항(R)을 통하여 연결되게 구성하고 각각의 P.NMOS트랜지스터(MD1)(MD2)의 게이트측을 소오스 또는 드레인측에 접속하여 다이오드로써 동작되게 구성한다.Here, the second type of MOS transistors MN to MN5 are composed of NMOS transistors. The bias unit 4 configured between the power supply VCC side and the ground side VSS side is configured such that the PMOS transistor MD1 and the NMOS transistor MD2 are connected through a resistor R, and each P.NMOS The gate side of the transistors MD1 and MD2 is connected to the source or drain side to operate as a diode.
상기 전원공급통로(2)의 제1타입 MOS트랜지스터(MP1~MP5)들의 게이트측은 바이어스부(4)의 동일타입의 MOS트랜지스터(MD1)의 드레인측과 연결되게 구성하고, 전원패스통로(3)의 제2타입 MOS트랜지스터(MN~MN5)들의 게이트측은 바이어스부(4)의 동일 타입의 MOS트랜지스터(MD2)의 드레인측과 연결되게 구성한다.The gate side of the first type MOS transistors MP1 to MP5 of the
여기서, 인버터로 구성되는 로직게이트들과 전원(VCC)측 사이에 구성되는 제1타입의 MOS트랜지스터의 게이트측에 인가되는 전압은 바이어스부와 공일 타임의 MOS트랜지스터(MD1)의 문턱전압(VT1)을 뺀 값으로 VCC-VT1으로 유지되고, 인버터로 구성되는 로직게이트들과 접지전압(VSS) 사이에 연결되는 제2타입의 MOS트랜지스터의 게이트전압은 바이어스부와 동일 타입의 MOS트랜지스터(MD2)의 문턴전압(VT2)에서 접지전압(VSS)를 더한 값인 VSS+VT2로 유지하게 된다.Here, the voltage applied to the gate side of the MOS transistor of the first type configured between the logic gates constituted by the inverter and the power supply VCC side is a threshold voltage VT1 of the MOS transistor MD1 of the bias portion and the empty time. The gate voltage of the MOS transistor of the second type connected between the logic gates composed of the inverter and the ground voltage VSS, which is maintained as VCC-VT1 by subtracting the value, is the same as that of the bias part of the MOS transistor MD2 of the same type. The gate voltage VT2 is maintained at VSS + VT2, which is the sum of the ground voltage VSS.
이와 같이 구성된 본 발명에서 전원(VCC)이 공급되면 바이어스부(4)를 통한 바이어스 전압이 전원공급통로(2) 및 전원패스통로의 트랜지스터들의 게이트(3)에 인가되어 전원(VCC) 전압이 발진회로(1)에 공급되게 된다.In the present invention configured as described above, when the power supply VCC is supplied, a bias voltage through the bias unit 4 is applied to the
바이어스부(4)에 인가되는 전원(VCC)은 다이오드 역할을 하는 제1타입의 MOS트랜지스터(MD1)를 통하여 전원통로(2)의 제1타입트랜지스터(MP1~MP5)의 게이트측에 인가되는 동시에 저항(R)에 의하여 강하된 전원은 전원통로(2)의 제2타입 트랜지스터(MP1~MP5)의 게이트측에 인가하게 된다.The power supply VCC applied to the bias unit 4 is applied to the gate side of the first type transistors MP1 to MP5 of the
따라서, 전원공급통로(2)의 MOS트랜지스터들을 통하여 각각의 인버터(I1~I5)에 공급되는 전류는 제1타입의 MOS트랜지스터들이 바이어스부의 제1타입의 MOS트랜지스터(MD1)과 동일한 공정으로 형성된 경우 동일한 특성을 갖게되어 각각의 인버터(I1~I5)에는 바이어스부에 제1타입 MOS트랜지스터(MD1)에 흐르는 전류와 동일한 양의 전류가 공급되게 된다.Therefore, when the current supplied to each of the inverters I1 to I5 through the MOS transistors of the
여기서, PMOS트랜지스터(MP1~MP5)은 풀업트랜지스터이다. 또한 각각의 인버터(I1~I5)에 연결되어 전원통로(3)를 형성하는 NMOS트랜지스터(MN~MN5)의 게이트에는 바이어스부(4)의 저항(R)에서 강하된 전압이 공급되는 것으로, NMOS트랜지스터(MN~MN5)가 바이어스부의 제2타입 MOS트랜지스터(MD2)와 동일공정을 통하여 같은 특성을 갖는 경우 NMOS트랜지스터(MN~MN5)에 흐르는 전류는 바이어스부의 제2타입 MOS트랜지스터(MD2)에 흐르는 전류와 동일하게 된다.Here, the PMOS transistors MP1 to MP5 are pull-up transistors. In addition, a voltage dropped from the resistor R of the bias unit 4 is supplied to the gates of the NMOS transistors MN to MN5 connected to the respective inverters I1 to I5 to form the power passage 3. When the transistors MN to MN5 have the same characteristics through the same process as the second type MOS transistor MD2 of the bias part, the current flowing through the NMOS transistors MN to MN5 flows to the second type MOS transistor MD2 of the bias part. It is equal to the current.
여기서, NMOS트랜지스터(MN~MN5)는 풀다운용이다. 따라서, 각각의 인버터(I1~I5)에는 상, 하에 연결된 제1타입의 MOS트랜지스터와 제2타입의 MOS트랜지스터를 통하여 전류가 흐르게 되고 각각의 인버터(I1~I5)에는 모두 바이어스부와 동일한 전류가 흐르게 된다.Here, the NMOS transistors MN to MN5 are for pulldown. Accordingly, current flows through each of the inverters I1 to I5 through the MOS transistors of the first type and the second type of MOS transistors connected to each other. Will flow.
특히, 각각의 인버터(I1~I5)에 흐르는 전류를 제어하는 바이어스부(5)는 제1타입 및 제2타입의 MOS트랜지스터에 커런트미러형으로 전류를 공급하므로 온도변화에 따른 주파수의 변동을 크게 감소시킬 수가 있다.In particular, the bias unit 5 that controls the current flowing through each of the inverters I1 to I5 supplies current in a current mirror type to the MOS transistors of the first and second types, thereby greatly changing the frequency variation due to temperature change. Can be reduced.
이 경우 온도변화에 의한 인버터단의 전류변화가 각 인버터(I1~I5)자체에 의하여 결정되는 것이 아니고 링 오실레이터의 바이어스부(4)의 컨런트 소오스에 의하여 제한되므로 온도변화에 의하여 주파수의 변화가 둔감학 된다. 또한, 바이어스부(4)는 P.NMOS트랜지스터 사이에 저항값이 큰 저항(R)소자를 연결하여 전원을 공급하고 직류통로를 형성하므로 파워소모도 크게 감소시킬 수가 있다.In this case, the current change of the inverter stage due to the temperature change is not determined by the inverters I1 to I5 itself, but is limited by the current source of the bias unit 4 of the ring oscillator. Become insensitive. In addition, the bias unit 4 connects a resistor (R) element having a large resistance value between the P.NMOS transistors to supply power and form a direct current path, thereby greatly reducing power consumption.
제3도는 온도변화에 따른 링 오실레이터의 싸이클 타임을 비교한 특성도로서, 제1도의 종래의 링 오실레이터와 제2도의 링 오실레이터를 비교하고 있는 것이다.FIG. 3 is a characteristic diagram comparing the cycle time of the ring oscillator according to the temperature change, comparing the conventional ring oscillator of FIG. 1 with the ring oscillator of FIG.
이 특성도에서 알 수 있듯이, 본 발명의 링 오실레이터의 경우 점선과 같은 특성을 갖게 되어 기준의 링 오실레이터보다 온도에 대하여 안정된 특성을 가지고 있는 것을 알 수 었다.As can be seen from this characteristic diagram, it can be seen that the ring oscillator of the present invention has characteristics similar to a dotted line, and thus has a more stable characteristic with respect to temperature than a reference ring oscillator.
제4도는 온도변화에 따른 파워소모를 나타내고 있는 특성도로서 종래의 링 오실레이터와, 본 발명의 링 오실레이터를 비교하고 있는 것으로, 본 발명에서는 점선에 나타난 특성도와 같이 온도변화에 따른 파워소모도 종래의 링 오실레이터보다 개선됨을 알 수가 있다.4 is a characteristic diagram showing the power consumption according to the temperature change, comparing the conventional ring oscillator and the ring oscillator of the present invention. In the present invention, the power consumption according to the temperature change is also conventional. It can be seen that it is improved over ring oscillator.
이상에서와 같이 본 발명은 링 오실레이터회로를 구성하는 각 인버터의 전류소모를 커런트 미러(mirror)특성을 이용하여 바이어스부에서 일정하게 공급되는 전원으로 구동하게 하여 온도변화에 따라 생기는 주파수의 변화를 크게 감소시킬 수가 있는 것으로, 링 오실레이터가 반도체 시스템에서 사용될 경우 원하는 주파수 신호가 발생되지 못하여 시스템의 오동작을 일으키는 원인을 해소할 수가 있다. 따라서, MOS기술을 사용하여 링 오실레이터의 발진주파수에 의하여 시스템이 구동하는 반도체 집적소자에서 온도변화에 대하여 안정된 동작특성을 얻을 수가 있는 것이다.As described above, according to the present invention, the current consumption of each inverter constituting the ring oscillator circuit is driven by a constant power supplied from the bias unit using the current mirror characteristic, thereby greatly changing the frequency caused by the temperature change. In this case, when the ring oscillator is used in a semiconductor system, a desired frequency signal may not be generated, thereby eliminating the cause of the system malfunction. Therefore, by using the MOS technology, stable operating characteristics against temperature changes can be obtained in semiconductor integrated devices driven by the oscillation frequency of the ring oscillator.
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