RU2397603C1 - Wide-range annular voltage-controlled producer - Google Patents
Wide-range annular voltage-controlled producer Download PDFInfo
- Publication number
- RU2397603C1 RU2397603C1 RU2009120649/09A RU2009120649A RU2397603C1 RU 2397603 C1 RU2397603 C1 RU 2397603C1 RU 2009120649/09 A RU2009120649/09 A RU 2009120649/09A RU 2009120649 A RU2009120649 A RU 2009120649A RU 2397603 C1 RU2397603 C1 RU 2397603C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- channel transistor
- source
- inverter
- channel
- transistor
- Prior art date
Links
Images
Landscapes
- Inductance-Capacitance Distribution Constants And Capacitance-Resistance Oscillators (AREA)
Abstract
Description
Настоящее изобретение относится к интегральной электронной технике и может быть использовано в составе микропотребляющих высокочастотных устройств тактовой синхронизации цифровых схем. В последнее время большое внимание уделяется разработке КМОП микросхем с высокой интеграцией выполняемых функций, называемых система на кристалле (СнК). Одной из проблем, возникающих при проектировании СнК, является шумовая взаимосвязь между схемами, расположенными близко на кристалле.The present invention relates to integrated electronic technology and can be used as part of micro-consuming high-frequency devices for clock synchronization of digital circuits. Recently, much attention has been paid to the development of CMOS chips with high integration of the functions performed, called a system on a chip (SoC). One of the problems encountered in the design of SoCs is the noise relationship between circuits located close to the chip.
В качестве источника тактовой синхронизации для микросхем СнК наибольшее распространение получили устройства на базе генератора, управляемого напряжением (ГУН), частота сигнала колебания которого стабилизируются с помощью контура фазовой автоподстройки частоты (ФАПЧ). Часто требуется, чтобы диапазон рабочих частот ГУН перекрывался по меньшей мере в два раза, а скважность сигнала колебания была близка к 0,5. В связи с тем, что наклон модуляционной характеристики ГУН является коэффициентом его передачи в контуре ФАПЧ, для стабильной работы контура предпочтительно, чтобы в пределах рабочего диапазона частот изменение наклона модуляционной характеристики не превышало двух раз. Генератор должен иметь гарантированное самовозбуждение.As the source of clock synchronization for SoC microcircuits, the most widely used are devices based on a voltage controlled oscillator (VCO), the frequency of the oscillation signal of which is stabilized using a phase-locked loop (PLL). It is often required that the operating frequency range of the VCO overlap at least twice, and the duty cycle of the oscillation signal be close to 0.5. Due to the fact that the slope of the VCO modulation characteristic is the coefficient of its transmission in the PLL, for stable operation of the circuit it is preferable that within the operating frequency range the change in the slope of the modulation characteristic does not exceed two times. The generator must have guaranteed self-excitation.
Для снижения чувствительности к шуму от других схем и чтобы самому не быть источником шума, ГУН должен отвечать следующим требованиям:To reduce the sensitivity to noise from other circuits and not to be a noise source itself, the VCO must meet the following requirements:
- во всем рабочем диапазоне частот иметь одинаковую и равную напряжению питания амплитуду сигнала колебания, происходящего относительно уровня половины от напряжения питания, длительность фронта и спада колебания должны быть примерно равны;- in the entire operating frequency range, have the same and equal to the supply voltage amplitude of the oscillation signal occurring relative to the level of half of the supply voltage, the duration of the front and fall of the oscillation should be approximately equal;
- работать при низких напряжениях питания (например, 1,8 В) и потреблять малую мощность (до 250 мкВт);- work at low supply voltages (for example, 1.8 V) and consume low power (up to 250 μW);
- иметь малое импульсное потребление тока;- have a small pulsed current consumption;
- при перестройке ГУН должен обладать малой инерционностью. С целью экономии места на кристалле СнК в схеме ГУН должны использоваться только КМОП транзисторы.- during the restructuring of the VCO should have low inertia. In order to save space on the SNK chip, only CMOS transistors should be used in the VCO circuit.
Известны схемы кольцевых КМОП ГУН, описанные в патентах США №5410278 «Ring Oscillator Having A Variable Oscillating Frequency», МПК Н03В 1/00 [1], №5418499 «Ring Oscillator Having Selectable Number Of Inverter Stages», МПК Н03К 3/354 [2] и №5764110 «Voltage Controlled Ring Oscillator Stabilized Against Supply Voltage Fluctuations», МПК Н03В 5/04 [3]. Общим признаком с заявляемым изобретением является наличие нечетного числа инверторов с управляемьм током переключения, соединенных в кольцо, обеспечивающее отрицательную обратную связь по постоянному току. Частота сигнала колебания определяется количеством инверторов в кольце и задержкой переключения каждого из них. Задержка переключения определяется величиной тока переключения и величиной эквивалентной емкости нагрузки. Управление величиной тока переключения осуществляется во всех инверторах генератора одновременно.Known ring CMOS VCO circuits are described in US Pat. 2] and No. 5764110 "Voltage Controlled Ring Oscillator Stabilized Against Supply Voltage Fluctuations", IPC Н03В 5/04 [3]. A common feature with the claimed invention is the presence of an odd number of inverters with controlled switching current connected in a ring that provides negative DC feedback. The frequency of the oscillation signal is determined by the number of inverters in the ring and the switching delay of each of them. The switching delay is determined by the value of the switching current and the value of the equivalent load capacitance. Switching current is controlled in all generator inverters at the same time.
Схема инвертора [1] и [2] представлена на фиг.1А, схема инвертора [3] представлена на фиг.1Б. В состав инвертора входит первый и второй Р-канальные транзисторы и первый и второй N-канальные транзисторы, затворы первого Р-канального транзистора и первого N-канального транзистора соединены и образуют вход In инвертора, стоки первого Р-канального транзистора и первого N-канального транзистора соединены и образуют выход Out инвертора. Исток первого Р-канального транзистора соединен со стоком второго Р-канального транзистора, исток которого подключен к линии VDD напряжения питания. Исток первого N-канального транзистора соединен со стоком второго N-канального транзистора, исток которого подключен к линии земли GND. Величина тока переключения инвертора, и, следовательно, частота сигнала колебания, ограничивается сигналами управления Pcon и Ncon. В изобретении [3] исток первого Р-канального транзистора дополнительно подключен к элементам схемы 1, поддерживающей на нем постоянное напряжение.The inverter circuit [1] and [2] is shown in FIG. 1A, the inverter circuit [3] is shown in FIG. 1B. The inverter includes the first and second P-channel transistors and the first and second N-channel transistors, the gates of the first P-channel transistor and the first N-channel transistor are connected and form the inverter input In, the drains of the first P-channel transistor and the first N-channel transistors are connected and form the output of the inverter. The source of the first P-channel transistor is connected to the drain of the second P-channel transistor, the source of which is connected to the supply voltage line VDD. The source of the first N-channel transistor is connected to the drain of the second N-channel transistor, the source of which is connected to the GND ground line. The inverter switching current, and therefore the frequency of the oscillation signal, is limited by the control signals Pcon and Ncon. In the invention [3], the source of the first P-channel transistor is additionally connected to the elements of
Однако данные схемы генераторов имеют недостатки. В [1] при работе генерирующего кольца в нижней части диапазона частот необходимая задержка переключения каждого инвертора достигается за счет растягивания фронта и спада сигнала колебания, что приводит к уменьшению его амплитуды. Чтобы это избежать и расширить диапазон частот в изобретении [2] используется дополнительный сигнал управления, изменяющий количество инверторов в генерирующем кольце, что усложняет схему управления ГУН. В изобретениях [1] и [2] каждый инвертор, образующий генерирующую цепь, имеет импульсное потребление тока, а в изобретении [3] для сглаживания импульсного потребления и снижения чувствительности к изменению напряжения питания амплитуда колебания поддерживается меньше напряжения питания, что является недостатком этой схемы.However, these generator circuits have disadvantages. In [1], when the generating ring is operating in the lower part of the frequency range, the necessary switching delay of each inverter is achieved by stretching the front and decay of the oscillation signal, which leads to a decrease in its amplitude. To avoid this and expand the frequency range in the invention [2], an additional control signal is used that changes the number of inverters in the generating ring, which complicates the VCO control circuit. In the inventions [1] and [2], each inverter forming a generating circuit has a pulsed current consumption, and in the invention [3] to smooth the pulsed consumption and reduce sensitivity to changes in the supply voltage, the oscillation amplitude is maintained less than the supply voltage, which is a disadvantage of this circuit .
Наиболее близким техническим решением к заявляемому изобретению является схема кольцевого КМОП ГУН описанная в патенте США №6271730 «Voltage-Controlled Oscillator Including Current Control Element», МПК Н03В 1/00 [4]. Эта схема выбрана в качестве прототипа заявляемого изобретения и изображена на фиг.2. Каждый инвертор содержит первый, второй и третий Р-канальные транзисторы и первый, второй и третий N-канальные транзисторы, затворы первого Р-канального транзистора и первого N-канального транзистора соединены и образуют вход In инвертора, стоки первого Р-канального транзистора и первого N-канального транзистора соединены и образуют выход Out инвертора, исток первого Р-канального транзистора соединен со стоком второго Р-канального транзистора, исток которого подключен к линии VDD напряжения питания, исток первого N-канального транзистора соединен со стоком второго N-канального транзистора, исток которого подключен к линии земли GND, исток третьего Р-канального транзистора подключен к линии напряжения питания, а его сток через первый резистор подключен к выходу инвертора, затворы второго и третьего Р-канальных транзисторов соединены и на них подается напряжение управления Р-канальными транзисторами Pcon, исток третьего N-канального транзистора подключен к линии земли, а его сток через второй резистор подключен к выходу инвертора, затворы второго и третьего N-канальных транзисторов соединены и на них подается напряжение управления N-канальными транзисторами Ncon. Изобретение [4] направлено на снижение уровня импульсного потребления тока, колебания осуществляются относительно половины напряжения питания, однако амплитуда сигнала колебания не является постоянной и по принципу работы ниже напряжения питания.The closest technical solution to the claimed invention is a ring CMOS VCO circuit described in US patent No. 6271730 "Voltage-Controlled Oscillator Including Current Control Element", IPC
Техническим результатом настоящего изобретения является создание компактного кольцевого КМОП ГУН с низким постоянным значением и низким уровнем пульсаций потребляемого тока, имеющего черырехкратное перекрытие рабочего диапазона частот, в котором изменение наклона модуляционной характеристики не превышает значения два. Генератор поддерживает постоянную, близкую к симметричной амплитуду сигнала колебания, равную напряжению питания, и способен быстро перестраиваться в пределах рабочего диапазона.The technical result of the present invention is the creation of a compact ring CMOS VCO with a low constant value and low ripple current consumption, having fourfold overlap of the operating frequency range, in which the change in the slope of the modulation characteristic does not exceed two. The generator maintains a constant, close to the symmetrical amplitude of the oscillation signal, equal to the supply voltage, and is able to quickly rebuild within the operating range.
Указанный результат достигается за счет того, что в ГУН, состоящем из инверторов, описанных в изобретении [4], соединенных в кольцо, обеспечивающее отрицательную обратную связь по постоянному току, где каждый инвертор содержит: первый, второй и третий Р-канальные транзисторы и первый, второй и третий N-канальные транзисторы, затворы первого Р-канального транзистора и первого N-канального транзистора соединены между собой и образуют вход инвертора, стоки первого Р-канального транзистора и первого N-канального транзистора соединены между собой и образуют выход инвертора, исток первого Р-канального транзистора соединен со стоком второго Р-канального транзистора, исток которого подключен к линии напряжения питания, исток первого N-канального транзистора соединен со стоком второго N-канального транзистора, исток которого подключен к линии земли, на затвор второго Р-канального транзистора подается напряжение управления Р-канальным транзистором, на затвор второго N-канального транзистора подается напряжение управления N-канальным транзистором, предложено затвор третьего Р-канального транзистора и затвор третьего N-канального транзистора подсоединить к выходу инвертора, исток третьего Р-канального транзистора соединить со стоком второго Р-канального транзистора, сток третьего Р-канального транзистора подключить к линии земли, исток третьего N-канального транзистора подсоединить к стоку второго N-канального транзистора, сток третьего N-канального транзистора подключить к линии напряжения питания.This result is achieved due to the fact that in the VCO, consisting of the inverters described in the invention [4], connected in a ring that provides negative DC feedback, where each inverter contains: the first, second and third P-channel transistors and the first , the second and third N-channel transistors, the gates of the first P-channel transistor and the first N-channel transistor are connected to each other and form the inverter input, the drains of the first P-channel transistor and the first N-channel transistor are connected th and form the inverter output, the source of the first P-channel transistor is connected to the drain of the second P-channel transistor, the source of which is connected to the supply voltage line, the source of the first N-channel transistor is connected to the drain of the second N-channel transistor, the source of which is connected to the ground line , the control voltage of the P-channel transistor is supplied to the gate of the second P-channel transistor, the control voltage of the N-channel transistor is supplied to the gate of the second N-channel transistor, the gate of the third R-channel is proposed connect the transistor and the gate of the third N-channel transistor to the inverter output, connect the source of the third P-channel transistor to the drain of the second P-channel transistor, connect the drain of the third P-channel transistor to the ground line, connect the source of the third N-channel transistor to the drain of the second N-channel transistor, the drain of the third N-channel transistor is connected to the supply voltage line.
Таким образом, в кольцевом ГУН, построенном на базе предлагаемого инвертора, одновременно действуют два принципа регулирования частоты сигнала колебания: известный из прототипа [4], когда значение частоты зависит от длительности фронта и спада сигнала колебания и новый, когда частота генерации зависит от значения входных уровней переключения инвертора. Принцип зависимости частоты от входных уровней переключения инвертора заключается в следующем: при генерации частот из верхней части рабочего диапазона значения входных уровней при переключении инвертора вверх и вниз приближаются друг к другу, а при генерации частот из нижней части диапазона расходятся. Это, при меньшем изменении длительностей фронта и спада сигнала колебания, дает эффект расширения диапазона рабочих частот генератора, причем во всем диапазоне поддерживается постоянная и равная напряжению питания амплитуда сигнала колебания. Наличие разных входных уровней переключения инвертора гарантирует самовозбуждение генератора. В связи с тем, что, ограниченный сигналами управления, ток через инвертор течет постоянно, во время работы генератора уменьшаются пульсации потребляемого тока. Высокая скорость перестройки частоты колебания определяется малой инерционностью элементов схемы.Thus, in a circular VCO, built on the basis of the proposed inverter, two principles of regulation of the frequency of the oscillation signal operate simultaneously: the well-known from the prototype [4], when the frequency value depends on the duration of the rise and fall of the oscillation signal and the new one when the generation frequency depends on the input inverter switching levels. The principle of the dependence of the frequency on the inverter switching input levels is as follows: when generating frequencies from the upper part of the operating range, the values of the input levels approach each other when the inverter is switched up and down, and diverge when generating frequencies from the lower part of the range. This, with a smaller change in the durations of the front and decay of the oscillation signal, gives the effect of expanding the operating frequency range of the generator, and the amplitude of the oscillation signal is constant and equal to the supply voltage. The presence of different input switching levels of the inverter guarantees self-excitation of the generator. Due to the fact that, limited by control signals, the current through the inverter flows continuously, during the operation of the generator the ripple of the current consumption decreases. High speed tuning of the oscillation frequency is determined by the low inertia of the circuit elements.
Заявляемое изобретение иллюстрируется следующими графическими материалами: Фиг.1А. Схема инвертора с управляемым током переключения, представленного в изобретениях [1, 2].The invention is illustrated by the following graphic materials: Figa. The circuit of the inverter with a controlled switching current, presented in the inventions [1, 2].
Фиг.1Б. Схема инвертора с управляемым током переключения, представленного в изобретении [3].Figb. The inverter circuit with a controlled switching current, presented in the invention [3].
Фиг.2. Схема инвертора с управляемым током переключения, представленного в изобретении [4], выбранного в качестве прототипа заявляемого изобретения.Figure 2. The inverter circuit with a controlled switching current, presented in the invention [4], selected as a prototype of the claimed invention.
Фиг.3. Схема инвертора с управляемым током переключения, заявляемая в данном изобретении.Figure 3. The inverter circuit with a controlled switching current, as claimed in this invention.
Фиг.4А. Диаграммы, показывающие изменение уровня напряжения Vnls на истоке транзистора N1 от изменения нормированного управляющего напряжения Ncon и значения протекающего при этом через инвертор тока Ivdd. На входе In инвертора действует напряжение низкого уровня.Figa. Diagrams showing the change in the voltage level Vnls at the source of the transistor N1 from a change in the normalized control voltage Ncon and the value of the current flowing through the inverter Ivdd. Low voltage is applied to the In input of the inverter.
Фиг.4Б. Диаграммы, показывающие изменение уровня напряжения Vpls на истоке транзистора Р1 от изменения нормированного управляющего напряжения Pcon и значения протекающего при этом через инвертор тока Ivdd. На входе In инвертора действует напряжение высокого уровня.Figb. Diagrams showing the change in the voltage level Vpls at the source of the transistor P1 from a change in the normalized control voltage Pcon and the value of the current flowing through the inverter Ivdd. High voltage is applied to the In input of the inverter.
Фиг.5. Вариант подключения заявляемого в данном изобретении инвертора для образования кольца широкодиапазонного ГУН.Figure 5. The connection option of the inverter claimed in this invention for the formation of a wide-range VCO ring.
Фиг.6А, 6Б, 6В. Диаграммы сигналов генерируемого колебания Fout и потребляемого генератором тока Ivdd при значениях нормированных управляющих напряжений Pcon и Ncon, равных 250 мВ, 370 мВ и 615 мВ.Figa, 6B, 6B. Diagrams of the signals of the generated oscillation Fout and the current Ivdd consumed by the generator at normalized control voltages Pcon and Ncon equal to 250 mV, 370 mV and 615 mV.
Фиг.7. Ток, потребляемый генератором во всем диапазоне рабочих частот, а также вид модуляционной характеристики в логарифмическом (сверху) и линейном масштабах.7. The current consumed by the generator in the entire range of operating frequencies, as well as the type of modulation characteristic in a logarithmic (top) and linear scale.
Фиг.8. Диаграммы, иллюстрирующие скорость изменения частоты сигнала колебания Fout при скачкообразном изменении управляющих напряжений Pcon и Ncon.Fig. 8. Diagrams illustrating the rate of change of the frequency of the signal of the oscillation Fout with a jump-like change in the control voltages Pcon and Ncon.
Заявляемая в данном изобретении схема инвертора с управляемым током переключения представлена на фиг.3. В состав инвертора входит: первый Р-канальный транзистор Р1 и первый N-канальный транзистор N1, затворы которых соединены и образуют вход In инвертора, сток первого Р-канального транзистора Р1 и сток первого N-канального транзистора N1 соединены и образуют выход Out инвертора, сток первого Р-канального транзистора Р1, сток второго Р-канального транзистора Р2 и исток третьего Р-канального транзистора Р3 соединены между собой, исток первого N-канального транзистора N1, сток второго N-канального транзистора N2 и исток третьего N-канального транзистора N3 соединены между собой, исток второго Р-канального транзистора Р2 и сток третьего N-канального транзистора N3 соединены с выводом VDD напряжения питания, исток второго N-канального транзистора N2 и сток третьего Р-канального транзистора Р3 и соединены с выводом GND земли, затвор второго Р-канального транзистора Р2 соединен с выводом Pcon управления током Р-канального транзистора, затвор второго N-канального транзистора N2 соединен с выводом Ncon управления током N-канального транзистора, затвор третьего Р-канального транзистора Р3 и затвор третьего N-канального транзистора N3 подсоединены к выводу Out инвертора.The inventive circuit of the inverter with a controlled switching current is shown in Fig.3. The inverter includes: the first P-channel transistor P1 and the first N-channel transistor N1, the gates of which are connected and form the input In of the inverter, the drain of the first P-channel transistor P1 and the drain of the first N-channel transistor N1 are connected and form the output Out of the inverter, the drain of the first P-channel transistor P1, the drain of the second P-channel transistor P2 and the source of the third P-channel transistor P3 are interconnected, the source of the first N-channel transistor N1, the drain of the second N-channel transistor N2 and the source of the third N-channel transistor N3 are interconnected, the source of the second P-channel transistor P2 and the drain of the third N-channel transistor N3 are connected to the output voltage terminal VDD, the source of the second N-channel transistor N2 and the drain of the third P-channel transistor P3 are connected to the GND terminal of the earth, the gate of the second The P-channel transistor P2 is connected to the current control terminal Pcon of the P-channel transistor, the gate of the second N-channel transistor N2 is connected to the current control terminal Ncon of the N-channel transistor, the gate of the third P-channel transistor P3 and the gate of the third N-to the anal transistor N3 is connected to the Out terminal of the inverter.
Заявляемое изобретение работает следующим образом. Пусть на вывод VDD относительно вывода GND подано положительное напряжение, на вывод Pcon подано напряжение управления током Р-канального транзистора, на вывод Ncon подано напряжение управления током N-канального транзистора. При наличии на входе In инвертора напряжения низкого уровня, канал транзистора N1 закрыт, а канал транзистора Р1 открыт и через него и транзистор Р2 вывод Out инвертора подтягивается к высокому уровню напряжения питания VDD. Потенциал высокого уровня на выводе Out инвертора закрывает канал транзистора Р3 и открывает канал транзистора N3. Через транзисторы N2 и N3 от вывода VDD к выводу GND протекает ток, ограниченный напряжением сигнала управления на выводе Ncon. При этом уровень напряжения на истоке транзистора N1 зависит от значения сопротивления открытого канала транзистора N3 и величины протекающего тока. Чем меньше значение протекающего тока, тем выше уровень напряжения на истоке транзистора N1 и тем выше уровень переключения инвертора при последующем повышении напряжения на входе In инвертора.The claimed invention works as follows. Suppose that a positive voltage is applied to the VDD terminal relative to the GND terminal, a current control voltage of the P-channel transistor is supplied to the terminal Pcon, and a current control voltage of the N-channel transistor is supplied to the terminal Ncon. If there is a low level of voltage at the inverter input In, the channel of transistor N1 is closed, and the channel of transistor P1 is open, and through it and transistor P2, the inverter output Out is pulled to a high level of supply voltage VDD. The high level potential at the inverter output Out closes the channel of transistor P3 and opens the channel of transistor N3. Through the transistors N2 and N3, a current flows from the VDD pin to the GND pin, limited by the voltage of the control signal at the Ncon pin. In this case, the voltage level at the source of transistor N1 depends on the resistance value of the open channel of transistor N3 and the magnitude of the flowing current. The lower the value of the flowing current, the higher the voltage level at the source of the transistor N1 and the higher the level of switching of the inverter with a subsequent increase in voltage at the input of the inverter.
При наличии на входе In инвертора напряжения высокого уровня канал транзистора Р1 закрыт, а канал транзистора N1 открыт и через него и транзистор N2 вывод Out инвертора подтягивается к низкому уровню земли GND. Потенциал низкого уровня на выводе Out инвертора закрывает канал транзистора N3 и открывает канал транзистора Р3. Через транзисторы Р2 и Р3 от вывода VDD к выводу GND протекает ток, ограниченный напряжением сигнала управления на выводе Pcon. При этом уровень напряжения на истоке транзистора Р1 зависит от значения сопротивления открытого канала транзистора Р3 и величины протекающего тока. Чем меньше значение протекающего тока, тем ниже уровень напряжения на истоке транзистора Р1 и тем ниже уровень переключения инвертора при последующем понижении напряжения на входе In инвертора.If there is a high level voltage at the input In of the inverter, the channel of the transistor P1 is closed, and the channel of the transistor N1 is open and through it and the transistor N2, the output terminal of the inverter is pulled to a low ground GND. The low level potential at the inverter output Out closes the channel of transistor N3 and opens the channel of transistor P3. Through the transistors P2 and P3, a current flows from the VDD terminal to the GND terminal, limited by the voltage of the control signal at the Pcon terminal. The voltage level at the source of the transistor P1 depends on the resistance value of the open channel of the transistor P3 and the magnitude of the flowing current. The lower the value of the flowing current, the lower the voltage level at the source of the transistor P1 and the lower the level of switching of the inverter with a subsequent decrease in voltage at the input In of the inverter.
Таким образом, при изменении значения напряжения сигналов управления на выводах Pcon и Ncon изменяется не только величина тока переключения инвертора, задающая длительности фронта и спада, но также изменяются уровни напряжения на входе In инвертора, необходимые для его переключения, при этом ток от вывода VDD к выводу GND течет постоянно.Thus, when the voltage value of the control signals at the Pcon and Ncon terminals changes, not only does the inverter switching current, which determines the duration of the rise and fall, change, but also the voltage levels at the In input of the inverter necessary to switch it change, and the current from VDD to GND output flows continuously.
Диаграммы, показывающие изменение уровней Vnls и Vpls на истоках транзисторов N1 и P1 от изменения управляющих напряжений Ncon и Pcon и значения протекающего при этом через инвертор тока Ivdd, представлены на фиг.4А и фиг.4В. На фиг.4А отображена ситуация, когда к выводу In приложено напряжение низкого уровня, а на фиг.4 В, когда к выводу In приложено напряжение высокого уровня. Для удобства из значений напряжений Pcon и Ncon вычтены соответствующие значения пороговых напряжений Р и N-канальных транзисторов, далее эти величины будем называть нормированными. Представленные результаты получены с использованием Spectre моделирования.Diagrams showing the change in the levels of Vnls and Vpls at the sources of the transistors N1 and P1 from the change in the control voltages Ncon and Pcon and the values of the current Ivdd flowing through the inverter are presented in Figs. 4A and 4B. Fig. 4A shows a situation where a low level voltage is applied to terminal In, and Fig. 4V, when a high level voltage is applied to terminal In. For convenience, the corresponding values of the threshold voltages P and N-channel transistors are subtracted from the voltage values Pcon and Ncon, and we will call these quantities normalized below. The presented results were obtained using Specter modeling.
Для образования генерирующего кольца нечетное количество представленных на фиг.3 инверторов подключается, как показано на фиг.5. Сигнал генерируемого колебания может сниматься с вывода Out любого инвертора.To form a generating ring, an odd number of inverters shown in FIG. 3 are connected, as shown in FIG. 5. The generated oscillation signal can be removed from the Out terminal of any inverter.
Широкий диапазон генерируемых частот обеспечивается следующим образом. За счет отрицательной обратной связи по постоянному току в кольце происходят вынужденные колебания. Частота сигнала колебаний зависит от величины тока переключения, величины эквивалентной емкости нагрузки и значений порогов переключения инверторов. При генерации сигнала низкой частоты из-за малого значения тока переключения происходит не только завал фронта и спада сигнала колебания, но и одновременно расхождение порогов переключения инверторов, что приводит к еще большему увеличению задержки распространения сигнала, а значит, к уменьшению частоты колебания. При генерации сигнала высокой частоты при большом значении тока переключения одновременно происходит не только обострение фронта и спада сигнала колебания, но и сближение порогов переключения инверторов, что приводит к уменьшению задержки распространения сигнала, а значит, к увеличению частоты колебания. Результатом взаимодействия этих факторов является расширение частотного диапазона генерации, амплитуда генерируемого сигнала поддерживается постоянной и близкой к значению напряжения питания.A wide range of generated frequencies is provided as follows. Due to the negative DC feedback, forced oscillations occur in the ring. The frequency of the oscillation signal depends on the value of the switching current, the value of the equivalent load capacitance and the switching thresholds of the inverters. When a low-frequency signal is generated, due to the small value of the switching current, not only the edge and decay of the oscillation signal are obstructed, but also the inverters of the switching thresholds diverge, which leads to an even greater increase in the propagation delay of the signal, and therefore, to a decrease in the oscillation frequency. When a high-frequency signal is generated with a large value of the switching current, not only the edge and decay of the oscillation signal sharpen at the same time, but also the switching thresholds of the inverters come closer, which leads to a decrease in the propagation delay of the signal and, therefore, to an increase in the oscillation frequency. The result of the interaction of these factors is the expansion of the generation frequency range, the amplitude of the generated signal is kept constant and close to the value of the supply voltage.
На фиг.6А, 6Б, 6В представлены диаграммы сигналов колебания Fout и потребляемого тока Ivdd схемой генератора, изображенного на фиг.5. Диаграммы представлены при значениях нормированных управляющих напряжений 250 мВ, 370 мВ и 615 мВ. При нормированном управляющем напряжении, равном 250 мВ, частота сигнала колебания составляет 400 МГц при среднем токе потребления 51,2 мкА и величине пульсаций тока менее ±7%. При напряжении 370 мВ частота составляет 800 МГц, средний ток 76,5 мкА, пульсации не превышают ±4%. При напряжении 615 мВ частота составляет 1600 МГц, средний ток 109,5 мкА, пульсации не превышают ±6%. Во всех трех случаях амплитуда сигнала колебания близка к напряжению питания VDD, равному 1,8 В. Скважность сигнала колебания по уровню половины напряжения питания лежит в пределах 0,49…0,51.On figa, 6B, 6B presents a diagram of the waveforms of the oscillation Fout and the current consumption Ivdd circuit generator shown in Fig.5. The diagrams are presented for normalized control voltages of 250 mV, 370 mV and 615 mV. With a normalized control voltage of 250 mV, the oscillation signal frequency is 400 MHz with an average consumption current of 51.2 μA and a current ripple of less than ± 7%. At a voltage of 370 mV, the frequency is 800 MHz, the average current is 76.5 μA, the ripple does not exceed ± 4%. At a voltage of 615 mV, the frequency is 1600 MHz, the average current is 109.5 μA, the ripple does not exceed ± 6%. In all three cases, the amplitude of the oscillation signal is close to the supply voltage VDD equal to 1.8 V. The duty cycle of the oscillation signal at the level of half the supply voltage lies in the range 0.49 ... 0.51.
Величина потребляемого генератором тока во всем диапазоне рабочих частот, а также модуляционная характеристика генератора представлены на фиг.7. За рабочий диапазон частот принят интервал от 400 МГц до 1600 МГц. В верхней части чертежа частота сигнала колебания представлена в логарифмическом масштабе. Изменение наклона модуляционной характеристики в два раза является вполне приемлемым для построения стабильного контура ФАПЧ.The magnitude of the current consumed by the generator in the entire range of operating frequencies, as well as the modulation characteristic of the generator are presented in Fig.7. For the operating frequency range, an interval from 400 MHz to 1600 MHz is adopted. In the upper part of the drawing, the frequency of the oscillation signal is presented on a logarithmic scale. Twice changing the slope of the modulation characteristic is quite acceptable for building a stable PLL circuit.
На фиг.8 представлены диаграммы, иллюстрирующие высокую динамическую скорость изменения частоты сигнала колебания при скачкообразном изменении управляющих напряжений.On Fig presents diagrams illustrating the high dynamic rate of change of the frequency of the oscillation signal during a jump change in control voltage.
Предложенная схемотехника инвертора кольцевого ГУН, за счет дополнительного использования изменения входных уровней переключения, позволяет получить четырехкратное перекрытие рабочего диапазона частот генератора. Амплитуда сигнала колебания поддерживается постоянной и равной напряжению питания. Близкое к симметричному колебание осуществляется относительно уровня половины напряжения питания со скважностью 0,49…0,51. Генератор имеет малое постоянное значение и малые пульсации потребляемого тока. Совокупность этих качеств позволяет на базе данного КМОП ГУН создавать устройства источников тактовой синхронизации на одном кристалле с другими цифровыми и аналоговыми блоками СнК.The proposed circuit design of the inverter ring VCO, due to the additional use of changing the input switching levels, allows you to get four-fold overlap of the operating frequency range of the generator. The amplitude of the oscillation signal is maintained constant and equal to the supply voltage. Close to symmetrical oscillation is carried out relative to the level of half the supply voltage with a duty cycle of 0.49 ... 0.51. The generator has a small constant value and small ripple current consumption. The combination of these qualities allows us to create devices of clock synchronization sources on the same chip with other digital and analog SoC blocks on the basis of this CMOS VCO.
Однако этим область применения данного изобретения не ограничивается. Описанный инвертор также может использоваться в телекоммуникационных и радиочастотных системах, синтезаторах сетки частот и иных устройствах, где требуется инвертор с управляемой задержкой переключения.However, the scope of the present invention is not limited to this. The described inverter can also be used in telecommunication and radio frequency systems, frequency synthesizers and other devices where an inverter with a controlled switching delay is required.
Claims (1)
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2009120649/09A RU2397603C1 (en) | 2009-06-02 | 2009-06-02 | Wide-range annular voltage-controlled producer |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2009120649/09A RU2397603C1 (en) | 2009-06-02 | 2009-06-02 | Wide-range annular voltage-controlled producer |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU2397603C1 true RU2397603C1 (en) | 2010-08-20 |
Family
ID=46305644
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
RU2009120649/09A RU2397603C1 (en) | 2009-06-02 | 2009-06-02 | Wide-range annular voltage-controlled producer |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
RU (1) | RU2397603C1 (en) |
Cited By (6)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2455755C1 (en) * | 2011-03-01 | 2012-07-10 | Открытое акционерное общество "Конструкторско-технологический центр "ЭЛЕКТРОНИКА" | Ring cmos voltage controlled oscillator |
RU2485668C1 (en) * | 2012-07-16 | 2013-06-20 | Андрей Алексеевич Зайцев | Octave microconsuming high-frequency cmos generator controlled by voltage |
RU2538312C1 (en) * | 2013-11-22 | 2015-01-10 | Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт проблем управления им. В.А. Трапезникова Российской академии наук | Ring oscillator based on transistors with metal-insulator-semiconductor (mis) structure |
RU2546073C1 (en) * | 2014-03-28 | 2015-04-10 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Пензенский государственный технологический университет" | Controlled circular pulse generator |
RU2582879C1 (en) * | 2015-05-20 | 2016-04-27 | Акционерное общество "Научно-производственное предприятие "Исток" имени А.И. Шокина" (АО "НПП "Исток" им. Шокина") | Microwave generator |
RU2642405C1 (en) * | 2017-01-31 | 2018-01-24 | Андрей Алексеевич Зайцев | Device for generating control voltages for a voltage-controlled oscillator |
-
2009
- 2009-06-02 RU RU2009120649/09A patent/RU2397603C1/en not_active IP Right Cessation
Cited By (6)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2455755C1 (en) * | 2011-03-01 | 2012-07-10 | Открытое акционерное общество "Конструкторско-технологический центр "ЭЛЕКТРОНИКА" | Ring cmos voltage controlled oscillator |
RU2485668C1 (en) * | 2012-07-16 | 2013-06-20 | Андрей Алексеевич Зайцев | Octave microconsuming high-frequency cmos generator controlled by voltage |
RU2538312C1 (en) * | 2013-11-22 | 2015-01-10 | Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт проблем управления им. В.А. Трапезникова Российской академии наук | Ring oscillator based on transistors with metal-insulator-semiconductor (mis) structure |
RU2546073C1 (en) * | 2014-03-28 | 2015-04-10 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Пензенский государственный технологический университет" | Controlled circular pulse generator |
RU2582879C1 (en) * | 2015-05-20 | 2016-04-27 | Акционерное общество "Научно-производственное предприятие "Исток" имени А.И. Шокина" (АО "НПП "Исток" им. Шокина") | Microwave generator |
RU2642405C1 (en) * | 2017-01-31 | 2018-01-24 | Андрей Алексеевич Зайцев | Device for generating control voltages for a voltage-controlled oscillator |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
US6960949B2 (en) | Charge pump circuit and PLL circuit using same | |
RU2397603C1 (en) | Wide-range annular voltage-controlled producer | |
Chen et al. | A power-efficient wide-range phase-locked loop | |
US7292079B2 (en) | DLL-based programmable clock generator using a threshold-trigger delay element circuit and a circular edge combiner | |
KR100985008B1 (en) | Capacitive charge pump | |
KR100319607B1 (en) | Analog dll circuit | |
US10727822B2 (en) | Comparator and relaxation oscillator | |
US6127898A (en) | Ring oscillator using CMOS technology | |
US6094105A (en) | Oscillator with digital frequency control | |
JP3770224B2 (en) | Variable delay device, voltage controlled oscillator, PLL circuit | |
US7113048B2 (en) | Ultra high frequency ring oscillator with voltage controlled frequency capabilities | |
JP2011078054A (en) | Current source, electronic apparatus, and integrated circuit | |
JP3586172B2 (en) | Semiconductor integrated circuit and phase locked loop circuit | |
US9450588B2 (en) | Phase lock loop, voltage controlled oscillator of the phase lock loop, and method of operating the voltage controlled oscillator | |
CN111697965A (en) | High speed phase frequency detector | |
US6194973B1 (en) | Oscillator with automatic gain control | |
US20060232346A1 (en) | Integrated circuit including a ring oscillator circuit | |
JP2008113434A (en) | Phase locked loop without charge pump and integrated circuit having the same | |
RU2455755C1 (en) | Ring cmos voltage controlled oscillator | |
JP2011130518A (en) | Charge pump circuit | |
JP2002330067A (en) | Charge pump circuit and phase synchronizing loop circuit | |
US20030218510A1 (en) | Self-regulating voltage controlled oscillator | |
CN110943713A (en) | Pulse width frequency adjustable CMOS ring oscillator | |
Sharma | An Improved Dynamic Range Charge Pump with Reduced Current Mismatch for PLL Applications | |
CN112737508B (en) | Clock circuit and chip circuit |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20110603 |