DE69416554T2 - Ringoszillatorschaltung für spannungsgesteuerten Oszillator mit frequenzunabhängigem Tastverhältnis - Google Patents

Description

• Die Erfindung bezieht sich allgemein auf einen Ringoszillator vom spannungsgesteuerten Typ (VCO). Sie betrifft insbesondere einen VCO-Ringoszillator, der die Phase eines Oszillatorausgangssignals auf der Basis einer Steuerspannung steuern kann, ohne das Tastverhältnis des Signals zu ändern.
• Als spannungsgesteuerter Oszillator (im folgenden als "VCO" abgekürzt) ist ein VCO-Ringoszillator bekannt, der mit Inverterblöcken arbeitet, wie dies in Fig. 1A und 1B dargestellt ist. In einem solchen VCO-Ringoszillator sind die Inverterschaltungen der ungeradzahligen Stufen in Kaskade geschaltet und bilden dadurch die positive Rückkopplungsschleife, wobei die Steuerspannung Vc an die Inverterschaltungen in den betreffenden Stufen angelegt wird. Der dargestellte Kondensator repräsentiert eine kapazitive Last.
• Die offengelegte japanische Patentanmeldung Nr. 2-53304, offengelegt im Jahr 1990, beschreibt einen solchen bekannten VCO-Ringoszillator, der aus bipolaren integrierten Schaltungen (IC) aufgebaut ist. Im Gegensatz hierzu verwendet ein anderer bekannter VCO-Ringoszillator, der aus MOS-ICs aufgebaut ist, Inverterblöcke, wie sie in Fig. 1B allgemein dargestellt sind. Diese sind so angeordnet, daß jede Stufe der Inverterschaltung aus einem einzigen Inverter aufgebaut ist, der aus dem Lasttransistor QL und dem Treibertransistor QD besteht, und daß die Steuerspannung Vc an den Lasttransistor QL angelegt wird. Ein Oszillator dieser Art ist aus IBM Technical Disclosure Bulletin, Band 31, Nr. 2, Juli 1988, Seiten 154 bis 156, bekannt.
• Fig. 2 zeigt ein Wellenformdiagramm, in dem das Eingangssignal "Vin" und das Ausgangssignal "Vout" eines Inverters dargestellt ist.
• Wenn bei dem oben beschriebenen bekannten VCO-Ringoszillator mit Inverterblöcken, wie sie in Fig. 1 A und 1 B dargestellt sind, das Eingangssignal Vin von "hohem" Pegel auf "niedrigen" Pegel abfällt, beginnt der Lasttransistor QL mit dem Laden der Lastkapazität der nächsten Stufe. Bei diesem Ladevorgang wächst der Pegel der Ausgangsspannung Vout mit einer der Steuerspannung Vc entsprechenden Steigung (d. h. mit wachsender Geschwindigkeit) und erreicht allmählich den Pegel der Versorgungsspannung. Das Ausgangssignal Vout behält diesen Versorgungsspannungspegel für einen Augenblick bei. Anschließend steigt das Eingangssignal Vin von "niedrigem" Pegel auf "hohen" Pegel. Deshalb wird der Versorgungs spannungspegel (d. h. der hohe Pegel) des Ausgangssignals Vout in den niedrigen Pegel invertiert. Obwohl zwischen dem Ansteigen des Eingangssignals Vin (von NIEDRIG auf HOCH) und dem Fallen des Ausgangssignals Vout (von HOCH auf NIEDRIG) in Wirklichkeit eine gewisse Verzögerung auftritt, ist hier zur Vereinfachung angenommen, daß die Größe dieser Verzögerung gleich Null ist. Während der Pegel des Eingangssignals Vin hoch ist, wird dann der Pegel des Ausgangssignals Vout auf 0V gehalten. Wenn das Eingangssignal Vin von dem hohen Pegel auf niedrigen Pegel abgefallen ist, wird die Lastkapazität von dem Lasttransistor QL aufgeladen, so daß das Ausgangssignal Vout mit einer bestimmten Anstiegsgeschwindigkeit wächst.
• Die Anstiegsgeschwindigkeit des Ausgangssignals Vout von dem Pegel 0V auf den Spannungspegel der Versorgungsquelle kann durch Kontrollieren der Steuerspannung Vc variiert werden. Dadurch lassen sich Phase und Schwingungsfrequenz verändern, indem die Zeitlagen, in denen die Ausgangsspannung Vout aus der Inverterschaltung von 0V ansteigt und die Schwellwertspannung der Inverterschaltung der nachfolgenden Stufe übersteigt, nach Maßgabe der Steuerspannung Vc vorverlegt oder verzögert werden.
• Auf der anderen Seite kann bei dem bekannten VCO-Ringoszillator mit Inverterblöcken, wie sie in Fig. 1B dargestellt sind, nur der Wert der Verzögerung der Anstiegsflanke des Ausgangssignals in einer einzelnen Stufe der Inverterschaltung auf der Basis der Steuerschaltung Vc gesteuert werden, während der Wert der Verzögerung der abfallenden Flanke nicht gesteuert werden kann.
• In dem bekannten VCO-Ringoszillator mit Inverterblöcken, wie sie in Fig. 1B dargestellt sind, wird der p-Kanal-MOS-Transistor von der Steuerspannung Vc als Lasttransistor (variable Stromquelle) gesteuert. Alternativ kann der n-Kanal-MOS-Transistor als Lasttransistor auf der Basis der Steuerspannung Vc gesteuert werden. In diesem alternativen Beispiel läßt sich der Wert der Verzögerung der abfallenden Flanke des Ausgangssignals steuern.
• Dann kann dann jedoch umgekehrt der Wert der Verzögerung der Anstiegsflanke nicht gesteuert werden.
• In allen bekannten Inverterschaltungen läßt sich also der Verzögerungswert nur entweder der ansteigenden Flanke oder der abfallenden Flanke des Ausgangssignals steuern.
• Dies hat zur Folge, daß die Steuerung der Flankenverzögerung für das Ausgangssignal nur jeder zweiten Stufe möglich ist, so daß das Tastverhältnis des Oszillatorausgangssignals durch die Steuerspannung Vc verändert wird.
• Es ist nachteilig, daß sich die Verzögerungswerte sowohl der ansteigenden Flanke als auch der abfallenden Flanke jeder Stufe der Inverterschaltung direkt auf die Auflösung des Phasenkomparators auswirken, wenn der bekannte VCO-Ringoszillator als digitaler Phasenkomparator in einer PLL-Schaltung eingesetzt wird. Dies hat nämlich zur Folge, daß eine hochpräzise PLL-Steuerung nicht möglich ist. Ein anderes Problem besteht darin, daß der bekannte VCO- Ringoszillator sich nicht für Anwendungsfälle eignet, die eine sekundäre Verzerrungs- (Tastverhältnis)-Charakteristik des Oszillatorausgangssignals erfordern.
• Die Erfindung soll diese Probleme lösen. Zu diesem Zweck schafft die Erfindung eine Ringoszillatorschaltung mit einer Mehrzahl von in Kaskadenschaltung miteinander verbundenen Inverterschaltungen, wobei jede Inverterschaltung aufweist. Eine gerade Anzahl von ersten Invertern mit jeweils einem ersten Transistor und einem zweiten Transistor, der mit dem ersten Transistor in Reihe geschaltet ist, wobei an den Eingang eines der ersten und zweiten Transistoren ein Eingangssignal angelegt wird, dem Eingang des anderen der ersten und zweiten Transistoren ein Steuersignal zugeführt wird und die Ausgänge des ersten und zweiten Transistors miteinander verbunden sind, um den Ausgang des ersten Inverters zu bilden, und einen zweiten Inverter mit einem dritten Transistor und einem vierten Transistor, der mit dem dritten Transistor in Reihe geschaltet ist, wobei die Eingänge des dritten und vierten Transistors, denen das Ausgangssignal von einem der ersten Inverter zugeführt wird, miteinander verbunden sind, und die Ausgänge des dritten und vierten Transistors miteinander verbunden sind, um den Ausgang des zweiten Inverters zu bilden. Der VCO-Ringoszillator mit einer solchen Ringoszillatorschaltung besitzt mehrere Stufen von Inverterschaltungen, die in Kaskadenschaltung miteinander verbunden sind und dadurch eine positive Rückkopplungsschleife bilden, wobei diese mehreren Stufen von Inverterschaltungen in Form von drei Inverterstufen angeordnet sind, die aus Lasttransistoren und Treibertransistoren aufgebaut sind. Die genannte Steuerspannung wird den Lasttransistoren zweier benachbarter Inverter der drei Inverterstufen zugeführt. Dadurch lassen sich die Verzögerungen sowohl der ansteigenden Flanke des aus einer Inverterschaltung abgeleiteten Ausgangssignals als auch der abfallenden Flanke dieses Ausgangssignals so steuern, daß sie gleiche Wert haben, und der Wert der Verzögerung dieser ansteigenden Flanke und der abfallenden Flanke kann so gesteuert werden, daß das Tastverhältnis des Oszillatorausgangssignals nicht verändert wird.
• Da die dreistufigen Inverter bei dem VCO-Ringoszillator gemäß der Erfindung eine einzige Inverterschaltung bilden und die Lasttransistoren zweier benachbarter Inverter der dreistufigen Inverter von der Steuerspannung gesteuert werden, kann der Wert der Verzögerungen der dreistufigen Inverter folgendermaßen gesteuert werden: Es läßt sich der gleiche Verzögerungswert in der Weise erreichen, daß durch einen dieser beiden benachbarten Inverter die ansteigende Flanke des Ausgangssignals oder seine abfallende Flanke und die jeweils andere dieser Flanken, d. h. die abfallende Flanke bzw. die ansteigende Flanke durch den jeweils anderen der beiden benachbarten Inverter gesteuert wird. Das heißt, es kann sowohl die ansteigende Flanke als auch die abfallende Flanke des Ausgangssignals gesteuert werden, ohne daß das Tastverhältnis verändert wird.
• Die oben beschriebenen Aspekte und weitere Merkmale der Erfindung werden in der folgenden Beschreibung in Verbindung mit den anliegenden Zeichnungen erläutert.
• Fig. 1 A und 1 B zeigen Schaltungsdiagramme zur Darstellung des in dem bekannten Ringoszillator verwendeten Inverterblocks,
• Fig. 2 zeigt ein Wellenformdiagramm zur Darstellung der Funktionen des bekannten Ringoszillators von Fig. 1,
• Fig. 3 zeigt ein schematisches Schaltungsdiagramm eines Inverterblocks nach einem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung,
• Fig. 4 zeigt ein Beispiel einer Schaltungsanordnung zur Realisierung des Inverters von Fig. 3,
• Fig. 5 zeigt ein Wellenformdiagramm zur Erläuterung der Funktionen der Inverterschaltung von Fig. 4,
• Fig. 6 zeigt ein schematisches Blockdiagramm eines VCO-Ringoszillators gemäß der Erfindung, in dem Inverterblöcke gemäß Fig. 3 und 4 benutzt werden.
• Im folgenden wird an verschiedenen in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispielen ein VCO-Ringoszillator (spannungsgesteuerter Ringoszillator) gemäß der Erfindung im Detail beschrieben.
• Fig. 3, 4 und 5 zeigen eine einzelne (Dreistufen)-Inverterschaltung 10 eines VCO-Ringoszillators, der ein erstes Ausführungsbeispiel darstellt, sowie die Signalwellenformen dieses Inverters. Im einzelnen zeigen Fig. 3 eine schematische Schaltungsanordnung der dreistufigen Inverterschaltung, Fig. 4 ein konkretes Schaltungsdiagramm dieser Inverterschaltung und Fig. 5 ein Wellenformdiagramm der Inverterschaltung.
• Ein VCO-Ringoszillator kann so aufgebaut sein, daß mehrere Stufen der Inverterschaltung 10 zur Bildung einer positiven Rückkopplungsschleife verwendet werden und dann die Steuerspannungen "Vc", die an die jeweiligen Stufen dieser Inverterschaltung angelegt werden, gesteuert werden. Was diese Schaltungsanordnung betrifft, so ist ihre Grundanordnung die gleiche wie bei der in Fig. 1A und 1B dargestellten bekannten Inverterschaltung. Jedoch sind bei der Inverterschaltung 10 des VCO-Ringoszillators nach dem ersten Ausführungsbeispiel drei Inverterstufen in Kaskadenschaltung miteinander verbunden, wie dies in Fig. 3 dargestellt ist. Die Schaltungsanordnung des ersten Ausführungsbeispiels, die dieses Merkmal aufweist, unterscheidet sich völlig von der Inverterschaltung des bekannten VCO-Ringoszillators.
• Jeder der Inverter, die zusammen die Inverterschaltung 10 bilden, besteht aus einer Serienschaltung aus einem p-Kanal-MOS-Transistor und einem n-Kanal-MOS-Transistor, die zwischen einem Stromversorgungsanschluß und Masse geschaltet sind. Der in Fig. 3 dargestellte Kondensator stellt eine kapazitive Last dar.
• Die p-Kanal-MOS-Transistoren des Inverters der ersten Stufe und des Inverters der zweiten Stufe werden gemeinsam von einer Steuerspannung Vc als Lasttransistoren QL und QL gesteuert. Die n-Kanal-MOS-Transistoren der Inverter der ersten und zweiten Stufe arbeiten gemeinsam als Treibertransistoren QD und QD. Der Inverter der dritten Stufe ist dann der normale CMOS-Transistor, bei dem keine Verzögerungssteuerung durchgeführt wird.
• In einer solchen Inverterschaltung ändert sich die Anstiegsgeschwindigkeit in Abhängigkeit von der Größe des durch den Lasttransistor des Inverters der ersten Stufe fließenden Stroms, wenn ein Signal "Va" an einem Knoten "a" vergrößert wird oder von 0V auf den Pegel von Vcc ansteigt. Je größer dieser Stromfluß ist, um so höher wird die Anstiegsgeschwindigkeit. Dadurch wird die Zeitlage der Anstiegsflanke des Ausgangssignals Vout zeitlich vorverlegt.
• Auch wenn ein Signal "Vb" an dem Knoten "b" von 0V auf den Pegel von Vcc erhöht wird, ändert sich die Anstiegsgeschwindigkeit in Abhängigkeit von der Größe des Stroms, der durch den Lasttransistor QL des Inverters der zweiten Stufe fließt. Je größer dieser Stromfluß ist, desto größer wird die Anstiegsgeschwindigkeit. Deshalb wird die Zeitlage der abfallenden Flanke des Ausgangssignals Vout zeitlich vorverlegt.
• Infolgedessen werden bei dem ersten Ausführungsbeispiel sowohl die ansteigende Flanke des Ausgangssignals Vout als auch seine abfallende Flanke ähnlich verzögert, so daß die Phase des Ausgangssignals Vout gesteuert werden kann. Da sowohl die ansteigende Flanke des Ausgangssignals Vout als auch seine abfallende Flanke um den gleichen Verzögerungswert verzögert werden können, kann das Tastverhältnis des Ausgangssignals Vout unabhängig von Änderungen in der Steuerspannung Vc um beispielsweise 50%, kontinuierlich auf einem konstanten Wert gehalten werden.
• Dies hat zur Folge, daß die Inverterschaltung 10 dieses ersten Ausführungsbeispiels völlig problemlos in Fällen verwendet werden kann, in denen die Verzögerungswerte sowohl an der ansteigenden Flanke des Ausgangssignals Vout als auch an seiner abfallenden Flanke wie bei der herkömmlichen Inverterschaltung direkt die resultierende Auflösung des Phasen komparators beeinflussen. Darüber hinaus kann die sekundäre Verzerrungs-(Tastverhältnis)- Charakteristik des Oszillatorausgangssignals in dem geforderten Anwendungsfall benutzt werden.
• In der Inverterschaltung 10 nach dem oben erläuterten ersten Ausführungsbeispiel werden die p-Kanal-MOS-Transistoren des Inverters der ersten Stufe und des Inverters der zweiten Stufe als Lasttransistoren (variable Stromquellen) und die n-Kanal-MOS-Transistoren als Treibertransistoren verwendet. Das Konzept der Erfindung kann jedoch auch mit einer Schaltungsanordnung realisiert werden, in der die n-Kanal-MOS-Transistoren der Inverter der ersten und zweiten Stufe als Lasttransistoren (variable Stromquellen) und die p-Kanal-MOS- Transistoren dieser Stufen als Treibertransistoren arbeiten.
• In der Inverterschaltung 10 nach dem oben beschriebenen ersten Ausführungsbeispiel werden die Werte der Verzögerung der ansteigenden Flanke und der abfallenden Flanke durch die Inverter der ersten und der zweiten Stufe gesteuert. Es ist jedoch auch möglich, die Verzögerungen der ansteigenden Flanke und der abfallenden Flanke durch die Inverter der zweiten und dritten Stufe zu steuern.
• Wie oben beschrieben wurde, läßt sich die Erfindung auf verschiedene Art realisieren.
• Fig. 6 zeigt ein schematisches Schaltungsdiagramm eines weiteren Ausführungsbeispiels des VCO-Ringoszillators gemäß der Erfindung.
• In diesem VCO-Ringoszillator werden die in Fig. 3 und 4 dargestellten Inverter, die mit den durch die Steuerspannung Vc gesteuerten variablen Stromquellen ausgestattet sind (d. h. durch die Transistor QL gesteuert werden), als eine einzelne Invertereinheit 10 benutzt. Solche Invertereinheiten 10 sind in Kaskadenschaltung miteinander verbunden, und an den betreffenden Verbindungspunkten der in Kaskade angeordneten Invertereinheiten werden Lastkapazitäten angeordnet. Außerdem wird ein Teil des Ausgangssignals der Invertereinheit der letzten Stufe mit positiver Rückkopplung zu dem Eingang der Invertereinheit der ersten Stufe zurückgeführt. Die Invertereinheit der letzten Stufe und die Invertereinheit der ersten Stufe sind in Kaskadenschaltung miteinander verbunden.
• In der Schaltungsanordnung von Fig. 6 werden die Steuerspannungen Vc an die jeweiligen Invertereinheiten 10 angelegt, so daß sie die durch die Inverter der jeweiligen Invertereinheiten 10 fließenden Ströme variieren und außerdem die Zeit variieren, die für das Aufladen/Entladen der Kondensatoren benötigt wird, so daß die Verzögerungszeiten gesteuert werden können. Dadurch kann die Frequenz des Oszillators variiert werden. Mit anderen Worten, diese Schaltung kann als die VCO-Schaltung (spannungsgesteuerter Oszillator) betrieben werden, mit der der Ringoszillator arbeitet.
• Es ist ein besonderes Merkmal des VCO-Ringoszillators gemäß der Erfindung, daß die Inverterschaltung von dreistufigen Invertern gebildet wird, die aus den Lasttransistoren und den Treibertransistoren aufgebaut sind, und daß die Steuerungspannungen an die Lasttransistoren zweier benachbarter Inverter innerhalb der dreistufigen Inverter angelegt werden.
• Da eine einzelne Inverterschaltung 10 als dreistufiger Inverter ausgebildet ist und die Lasttransistoren der beiden benachbarten Inverter in dem dreistufigen Inverter von den Steuerspannungen gesteuert werden, können die Verzögerungswerte der dreistufigen Inverter bei dem VCO-Ringoszillator gemäß der Erfindung folgendermaßen gesteuert werden: Der gleiche Verzögerungswert kann erreicht werden, indem von der ansteigenden Flanke des Ausgangssignals und seiner abfallenden Flanke mit Hilfe der beiden benachbarten Inverter eine gesteuert wird, während die andere der ansteigenden und abfallenden Flanke von dem anderen der zwei benachbarten Inverter gesteuert wird. Dadurch ist es möglich, die Verzögerungswerte sowohl der ansteigenden Flanke als auch der abfallenden Flanke des Ausgangssignals zu steuern, ohne daß Änderungen im Tastverhältnis auftreten.

Claims (4)

1. Ringoszillatorschaltung mit einer Mehrzahl von in Kaskadenschaltung miteinander verbundenen Inverterschaltungen (10), wobei jede Inverterschaltung aufweist:

eine gerade Anzahl von ersten Invertern mit jeweils einem ersten Transistor (QL) und einem zweiten Transistor (QD), der mit dem ersten Transistor (QL) in Reihe geschaltet ist, wobei an den Eingang eines der ersten und zweiten Transistoren ein Eingangssignal (Vin) angelegt wird, dem Eingang des anderen der ersten und zweiten Transistoren ein Steuersignal (Vc) zugeführt wird und die Ausgänge des ersten und zweiten Transistors miteinander verbunden sind, um den Ausgang des betreffenden ersten Inverters zu bilden,

und einen zweiten Inverter mit einem dritten Transistor (QP) und einem vierten Transistor (Qn), der mit dem dritten Transistor (OP) in Reihe geschaltet ist, wobei die Eingänge des dritten und vierten Transistors, denen das Ausgangssignal von einem der ersten Inverter zugeführt wird, miteinander verbunden sind und die Ausgänge des dritten und vierten Transistors miteinander verbunden sind, um den Ausgang des betreffenden zweiten Inverters zu bilden.

2. VCO-Ringoszillator oder spannungsgesteuerter Oszillator mit einer Ringoszillatorschaltung nach Anspruch 1, in der die Mehrzahl von Inverterschaltungsstufen in Kaskadenschaltung miteinander verbunden sind und dadurch eine Rückkopplungsschleife bilden,

wobei die Mehrzahl von Inverterschaltungsstufen in Form von drei Inverterstufen angeordnet sind, die aus Lasttransistoren (QL) und Treibertransistoren (QD) aufgebaut sind,

und wobei das genannte Steuersignal (Vc) an die Lasttransistoren von zwei einander benachbarten Invertern der drei Inverterstufen angelegt wird.

3. VCO-Ringoszillator nach Anspruch 2, bei dem

jeder der einander benachbarten Inverter einen p-Kanal-MOS-Transistor und einen n-Kanal-MOS-Transistor aufweist und

der p-Kanal-MOS-Transistor den Lasttransistor (QL) bildet, der ein Gate besitzt, an das das Steuersignal (Vc) angelegt wird.

4. VCO-Ringoszillator nach Anspruch 2, bei dem

jeder der einander benachbarten Inverter einen p-Kanal-MOS-Transistor und einen n-Kanal-MOS-Transistor aufweist und

der n-Kanal-MOS-Transistor den Lasttransistor (QL) bildet, der ein Gate besitzt, an das das Steuersignal (Vc) angelegt wird.