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HINTERGRUND DER ERFINDUNG
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Technisches Gebiet der
Erfindung
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Die
vorliegende Erfindung betrifft im allgemeinen Ringoszillatorschaltungen
und im besonderen eine Ringoszillator- oder VCO-Schaltung, die ein verbessertes
Niveau der Störsignalunterdrückung für Rauschen
bzw. Störsignale
aus der Spannungsversorgung und aus der Masse zur Verfügung stellt.
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Beschreibung des einschlägigen Standes
der Technik
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Digitale
Hochgeschwindigkeitsschaltungen wie Mikroprozessoren und Speicher
verwenden oft eine Phasenregelkreis (PLL; phase-locked loop)-Schaltung
zum Unterdrücken
von Taktversatz zwischen dem On-Chip-Takt und dem Systemtakt. PLL-Schaltungen
weisen typischerweise eine spannungsgesteuerte Oszillator (VCO)-Schaltung zum Erzeugen
eines periodischen Digitalsignals auf. 1 zeigt
eine herkömmliche
VCO-Schaltung 100. Der VCO 100 ist eine An von
Ringoszillator und besteht aus N Stufen von Differentialinvertern 110,
wobei der Ausgang der N-ten Stufe an den Eingang der ersten Stufe
zurückverbunden
ist. Die VCO-Schaltung 100 erzeugt ein Ausgangssignal VCO_out,
bei dem es sich um ein periodisches Digitalsignal mit einer Frequenz
handelt, die durch Variieren der Spannung des Frequenzsteuersignals
Vctrl einstellbar ist.
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Die
PLL-Schaltung wird typischerweise auf der gleichen integrierten
Schaltung wie die digitale Schaltung hergestellt, weshalb die von
der digitalen Schaltung erzeugten Schaltstörsignale in die PLL einschließlich des
VCO 100 eingekoppelt werden. Die Schaltstörsignale
werden durch verschiedene Quellen einschließlich der Spannungsversorgung VDD,
der Masse GND und des Substrats in die PLL-Schaltung eingekoppelt.
Die Einkopplung von Störsignalen
in die VCO 100 führt
dazu, dass das Ausgangssignal VCO_out von Jitter (d. h. schnellen Phasenänderungen)
beeinträchtigt
wird.
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Ein
herkömmlicher
Lösungsansatz
zum Verringern des Effekts von Schaltstörsignalen ist es, den VCO 100 nicht
mit Eintaktinvertern, sondern mit Differentialinvertern 110 aufzubauen,
so dass die Schaltstörsignale
von den Invertern als Gleichtaktrauschen unterdrückt werden. Unter den Großsignalbedingungen,
unter denen die meisten VCOs arbeiten, können die Differentialinverter
des VCO jedoch als Mixer wirken und so das Gleichtaktrauschen mit
dem Differenzsignal kombinieren. Somit koppelt der VCO 100 trotz
seines Differentialbetriebs die Schaltstörsignale zumindest teilweise
in seinen Ausgang ein.
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Ein
weiterer herkömmlicher
Lösungsansatz ist
es, die Inverter durch Anordnen einer hochohmigen Stromquelle zwischen
der Störsignalquelle
und dem Inverter von der Störsignalquelle
zu isolieren, wie in 2 und 3 gezeigt
ist. 2 zeigt einen Differentialinverter 210 mit
MOSFET-Eingangstransistoren vom N-Typ 211 und 212 und
MOSFET-Lasttransistoren vom P-Typ 213 und 214,
die in einer herkömmlichen
Differentialinverterkonfiguration verbunden sind. Die Lasttransistoren 213 und 214 sind über Dioden
mit dem Gate des Transistors verbunden, der mit der Drain verbunden
ist. Der Differentialinverter 210 weist des weiteren eine
zwischen der Masse und den Eingangstransistoren 211 und 212 angeordnete Stromquelle 216 auf.
Die Stromquelle 216 verringert das Einkoppeln von Rauschen
bzw. Störsignalen
von der Masse durch ihre Impedanz, die höher als die Impedanz der Masse
ist. Auf ähnliche
Weise zeigt 3 einen Differentialinverter 310 mit
PMOS Eingangstransistoren 311 und 312 und MOSFET-Lasttransistoren 313 und 314 vom
N-Typ. Der Differentialinverter 310 weist des weiteren
eine zwischen der Spannungsversorgung VDD und den Eingangstransistoren 311 und 312 angeordnete
Stromquelle 315 auf. Die Stromquelle 315 reduziert
das Einkoppeln von Rauschen bzw. Störsignalen von der Spannungsversorgung
VDD durch ihre Impedanz, die höher
als die Impedanz der VDD ist.
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Ein
Nachteil der Differentialinverter 210 und 310 ist,
dass sie zwar in der Lage sind, Rauschen bzw. Störsignale von nur einer der
potentiellen Rauschquellen VDD und Masse, nicht aber von beiden
zu unterdrücken.
Infolgedessen können
von der weiteren Versorgung (d.h. VDD für den Differentialinverter 210 und
Masse für
den Differentialinverter 310) stammende Schaltstörsignale
den Ausgang des Differentialinverters immer noch beeinträchtigen
und dadurch Jitter im Ausgangssignal VCO out verursachen.
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Angesichts
der Schwachpunkte dieser Lösungsansätze ist
es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine VCO-Schaltung mit
einem verbesserten Niveau der Störsignalunterdrückung für Rauschen
bzw. Störsignale
von der Spannungsversorgung wie auch von der Masse, d.h. ein verbessertes Versorgungsspannungsunterdrückungsverhältnis (PSRR; "power supply rejection
ratio") zur Verfügung zu
stellen.
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ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
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Die
vorliegende Erfindung weist eine Ringoszillatorschaltung wie etwa
einen VCO auf, die ein relativ hohes Niveau der Störsignalunterdrückung für Störsignale
von der Spannungsversorgung wie auch von der Masse besitzt. Die
Ringoszillator schaltung ist aus einer Mehrzahl von Differentialverzögerungsschaltungen
zusammengesetzt, wobei jede Differentialverzögerungsschaltung ein Differenzausgangssignal
erzeugt, das eine verzögerte
(und vorzugsweise invertierte) Version eines Differenzeingangssignals ist.
Jede Differentialverzögerungsschaltung
weist einen ersten und einen zweiten Eingangstransistor zum Empfangen
des Differenzeingangssignals auf. Jede Differentialverzögerungsschaltung
weist des weiteren einen ersten und einen zweiten Lasttransistor
auf, die mit dem ersten bzw. dem zweiten Eingangstransistor parallel
verbunden sind. Jede Differentialverzögerungsschaltung weist des
weiteren eine erste Stromquelle auf, die zwischen den ersten Eingangstransistor
und den ersten Leistungsversorgungsanschluss geschaltet ist, eine
zweite Stromquelle, die zwischen den zweiten Eingangstransistor und
den ersten Leistungsversorgungsanschluss geschaltet ist, und eine
dritte Stromquelle, die zwischen den ersten und den zweiten Eingangstransistor
und einen zweiten Leistungsversorgungsanschluss geschaltet ist.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform der
Erfindung besteht der erste Leistungsversorgungsanschluss aus einem
Spannungsversorgungsanschluss, und der zweite Leistungsversorgungsanschluss
besteht aus einem Masseanschluss. Bei weiteren Ausführungsformen
können
der erste und der zweite Leistungsversorgungsanschluss jedoch vertauscht
sein.
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Die
Ringoszillatorschaltung der vorliegenden Erfindung stellt ein verbessertes
Niveau der Störsignalunterdrückung im
Vergleich mit VCO-Schaltungen des Standes der Technik zur Verfügung, indem
die erfindungsgemäße Differentialverzögerungsschaltung
Rauschen bzw. Störsignale
von der Spannungsversorgung wie auch von der Masse unterdrückt. Insbesondere
reduzieren die erste und die zweite Stromquelle das Einkoppeln von
Rauschen bzw. von Störsignalen
vom ersten Leistungsversorgungsanschluss in den Ausgang, während die
dritte Stromquelle das Einkoppeln von Rauschen bzw. Störsignalen
vom zweiten Leistungsversorgungsanschluss in den Ausgang reduziert.
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Diese
und weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich noch
deutlicher aus der nachfolgenden ausführlichen Beschreibung der Erfindung in
Verbindung mit der beigefügten
Zeichnung.
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KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNG
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1 ist
ein Schaltungsplan einer herkömmlichen
VCO-Schaltung.
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2 und 3 sind
Schaltungspläne
herkömmlicher
Differentialinverter, die in der VCO-Schaltung von 1 verwendet
sind.
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4 ist
ein Schaltungsplan einer VCO-Schaltung gemäß einer Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung.
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5 ist
ein Schaltungsplan der in der VCO-Schaltung von 4 verwendeten
Differentialverzögerungsschaltung.
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DETAILLIERTE
BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
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Die
vorliegende Erfindung weist eine Ringoszillatorschaltung wie etwa
einen VCO auf, mit einem verbesserten Niveau der Störsignalunterdrückung für Störsignale,
die von der Spannungsversorgung wie auch von der Masse stammen,
d.h. eine verbesserte PSRR. Im Ergebnis wird das von der Ringoszillatorschaltung
erzeugte Ausgangssignal bei Vorliegen solcher Störsignale von weniger Jitter
beeinträchtigt als
herkömmliche
Ringoszillator- bzw. VCO-Schaltungen. Infolgedessen ist der Ringoszillator
der vorliegenden Erfindung insbesondere gut geeignet zur Verwendung
als VCO in integrierten Schaltungen, die digitale Schaltungen wie
Mikroprozessoren oder Digitalsignalprozessoren (DSPs) beinhalten.
Die nachfolgende Beschreibung wird gegeben, um dem Fachmann die
Nacharbeitung und Verwendung der Erfindung zu ermöglichen,
und wird im Zusammenhang mit einer bestimmten Anwendung sowie deren
Erfordernissen gegeben. Verschiedene Modifikationen der bevorzugten
Ausführungsform
sind für
den Fachmann ersichtlich, und die vorliegend definierten Grundprinzipien
können
auf weitere Ausführungsformen
und Anwendungen angewendet werden, ohne vom Grundgedanken und Schutzumfang
der Erfindung abzuweichen. Außerdem
sind in der nachfolgenden Beschreibung zahlreiche Details zu Erläuterungszwecken
angegeben. Für
den Durchschnittsfachmann ist jedoch erkennbar, dass die Erfindung ohne
die Verwendung dieser konkreten Details ausgeführt werden kann. In weiteren
Fällen
sind allgemein bekannte Aufbauten und Vorrichtungen als Blockdiagramme
gezeigt, um die Beschreibung der Erfindung übersichtlich zu halten. Die
vorliegende Erfindung soll daher nicht auf die gezeigte Ausführungsform
beschränkt
sein, sondern nach Maßgabe der
offengelegten Grundgedanken und Merkmale den breitestmöglichen
Schutzumfang erhalten.
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4 zeigt
einen Ringoszillator, oder konkreter einen VCO 400 gemäß einer
bevorzugten Ausführungsform
der Erfindung. Der Gesamtaufbau und die Funktion des VCO 400 sind ähnlich wie
bei dem im Hintergrundabschnitt beschriebenen herkömmlichen
VCO 100, mit Ausnahme derjenigen Merkmale, die Spannungsversorgungs-
und Masserauschen betreffen. Der VCO 400 weist N Stufen
von Differentialverzögerungsschaltungen
oder Zellen 410 auf, wobei N eine ungerade Zahl ist. Bei der
in der Figur gezeigten besonderen Ausführungsform ist N = 3. Jede
Differentialverzögerungsschaltung 410 erzeugt
ein Ausgangssignal, das eine invertierte und verzögerte Version
des Eingangssignals ist. Das Ausgangssignal ist gegenüber dem
Eingangssignal um eine Phasenverzögerung Δ verzögert. Der Ausgang von jeder
Differentialverzögerungsschaltung 410 ist
mit dem Eingang der darauffolgenden Differential verzögerungsschaltungsstufe
verbunden, mit Ausnahme der N-ten Stufe. Bei der N-ten Stufe ist
der Ausgang an den Eingang der ersten Differentialverzögerungsschaltungsstufe
zurückverbunden.
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Der
VCO 400 erzeugt ein periodisches digitales Ausgangssignal
VCO_out. Die Frequenz f des Ausgangssignals VCO_out ist eine Funktion
der Phasenverzögerung Δ der Differentialverzögerungsschaltung 410.
Insbesondere ist f = 1 /(2 * N *Δ).
Der VCO 400 empfängt
ein Frequenzsteuersignal Vctrl zum Einstellen der Frequenz f des
Ausgangssignals VCO_out. Der VCO 400 stellt ein relativ
hohes Niveau zur Unterdrückung
von Störsignalen
von der Spannungsversorgung VDD und Masse zur Verfügung. Im
Ergebnis wird das Ausgangssignal VCO_out selbst bei Vorliegen wesentlicher
Mengen von Spannungsversorgungs- oder Massestörsignalen nicht signifikant
von Jitter beeinträchtigt.
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Jede
Differentialverzögerungsschaltung 410 empfängt und überträgt in einer
bevorzugten Ausführungsform
die folgenden Signale:
- (1) Differenzeingangssignal
Vin. Das Differenzeingangssignal Vin wird vom Ausgang der vorausgehenden
Differentialverzögerungsschaltung 410 empfangen.
Das Differenzeingangssignal Vin ist ein Differenzsignal mit einer
ersten Differenzeingangssignalkomponente Vin+ und einer zweiten
Differenzeingangssignalkomponente Vin-. Die erste und die zweite
Differenzeingangssignalkomponente Vin+ und Vin- werden an den ersten
bzw. an den zweiten Eingangsanschluss der Differentialverzögerungsschaltung 410 eingegeben.
- (2) Differenzausgangssignal Vout. Die Differentialverzögerungsschaltung 410 erzeugt
das Differenzausgangssignal Vout, das eine invertierte und verzögerte Version
des Differenzeingangssignals Vin ist. Das Differenzausgangssignal
Vout verzögert
die Phase des Differenzeingangssignals Vin um Δ. Das Differenzausgangssignal
Vout wird als das Differenzeingangssignal Vin für die darauffolgende Differentialverzögerungsschaltung 410 verwendet.
Das Differenzausgangssignal Vout ist ein Differenzsignal mit einer
ersten Differenzausgangssignalkomponente Vout- und einer zweiten Differenzausgangssignalkomponente
Vout+. Die erste und die zweite Differenzausgangssignalkomponente
Vout- und Vout+ werden an den ersten bzw. an den zweiten Ausgangsanschluss
der Differentialverzögerungsschal tung 410 ausgegeben.
Das Differenzausgangssignal Vout besitzt auch eine Gleichtaktspannung
("common-mode voltage") Vcm. Wie auf diesem
technischen Gebiet bekannt ist, ist die Gleichtaktspannung Vcm diejenige
Spannung, die bezogen auf eine Bezugsspannung (z.B. Masse) gemeinsam
am ersten und am zweiten Ausgangsanschluss vorliegt.
- (3) Bezugsspannungssignal Vref. Das Bezugsspannungssignal Vref
wird zum Einstellen der Gleichtaktspannung Vcm des Differenzausgangssignals
Vout verwendet. Das Bezugsspannungssignal Vref wird von einer im
nachfolgenden erläuterten
Bezugsspannungsschaltung 460 erhalten.
- (4) Frequenzsteuersignal Vctrl. Das Frequenzsteuersignal Vctrl
wird zum Einstellen der Phasenverzögerung Δ der Differentialverzögerungsschaltung 410 und
somit der Frequenz f des Ausgangssignals VCO_out verwendet. Das
Frequenzsteuersignal Vctrl wird von einer Quelle außerhalb
des VCO 400 erzeugt, wie etwa von einer Phasenerfassungsschaltung
(nicht gezeigt), bei der es sich um eine auf diesem Fachgebiet allgemein
bekannte und in der gleichen PLL-Schaltung wie der VCO 400 enthaltene
Schaltung handelt.
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Der
VCO 400 weist auch einen Ausgangspuffer 450 auf.
Der Ausgangspuffer 450 konvertiert das von der N-ten Differentialverzögerungsschaltung 410 erzeugte
Differenzausgangssignal Vout in das digitale Ausgangssignal VCO
out.
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Der
VCO 400 weist des weiteren eine Bezugsspannungsschaltung 460 auf.
Die Bezugsspannungsschaltung 460 erzeugt das Bezugsspannungssignal
Vref, das an jede der Differentialverzögerungsschaltungen 410 der
VCO 400 geliefert wird. Das Bezugsspannungssignal Vref
wird zum Einstellen der Gleichtaktspannung Vcm des Differenzausgangssignals
Vout auf den gewünschten
Pegel verwendet. Bei der vorliegenden Ausführungsform ist das Bezugsspannungssignal
Vref gleich der gewünschten Gleichtaktspannung
Vcm des Differenzausgangssignals Vout. Die Bezugsspannungsschaltung 460 ist ein
Schaltungstyp, der auf diesem Fachgebiet allgemein bekannt ist und
daher nicht weiter erläutert
wird.
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Die
Differentialverzögerungsschaltungen 410 und
die Bezugsspannungsschaltung 460 des VCO 400 sind
an separate Spannungsversorgungen und Massen angeschlossen. Die
Differentialverzögerungsschaltungen 410 sind
mit einem Spannungsversorgungsanschluss VDD und einem Masseanschluss
GND verbunden. Der Spannungsversorgungsanschluss VDD und der Masseanschluss
sind typischerweise mit vielen weiteren Schaltungen verbunden und
können
beträchtliche
Mengen an Schaltstörsignalen
enthalten, insbesondere wenn sie mit digitalen Schaltungen, die
Störsignale
erzeugen, verbunden oder in deren Nähe geführt sind. Die Bezugsspan nungsschaltung 460 ist
mit einem Bezugsspannungs-Spannungsversorgungsanschluss VDD_ref und
einem Bezugsspannungs-Masseanschluss GND ref verbunden. VDD_ref
und GND ref sind üblicherweise
relativ störsignalfrei,
weil sie typischerweise mit relativ wenigen anderen Schaltungen
verbunden und entfernt von digitalen Schaltungen und anderen Störsignalquellen
geführt
sind.
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5 zeigt
die Details einer Differentialverzögerungsschaltung 410 der
VCO-Schaltung 400 gemäß einer
bevorzugten Ausführungsform
der Erfindung. Die Differentialverzögerungsschaltung 410 stellt
ein relativ hohes Niveau an Isolierung von den Störsignalen
zur Verfügung,
die von der Spannungsversorgung wie auch von der Masse stammen.
Folglich weist das VCO Ausgangssignal VCO_out bei Vorliegen solcher
Störsignale
eine verringerte Menge Jitter auf. Bei dieser Ausführungsform
ist die Differentialverzögerungsschaltung 410 unter
Verwendung von CMOS-Technologie ausgeführt. Bei alternativen Ausführungsformen
der Erfindung kann die Differentialverzögerungsschaltung 410 jedoch
unter Verwendung anderer Technologien wie etwa Silicium-bipolar und
GaAs HBT ausgeführt
sein.
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Die
Differentialverzögerungsschaltung 410 weist
einen Differentialinverter 520 und eine Gleichtaktrückkopplungs
(CMFB)-Schaltung 540 auf. Der Differentialinverter 520 erzeugt
das Differenzausgangssignal Vout, das eine invertierte und verzögerte Version
des Differenzeingangssignals Vin ist. Die CMFB-Schaltung 540 ist
in einer Rückkopplungsschleife
mit dem Differentialinverter 520 verbunden, um die von
der Differentialverzögerungsschaltung
erzeugte Gleichtaktspannung Vcm des Differenzausgangssignals Vout
einzustellen, wie im nachfolgenden erläutert ist.
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Der
Differentialinverter 520 ist im wesentlichen eine Modifikation
eines herkömmlichen
Differentialinverters wie etwa des Inverters 210 von 2.
Unter Verwendung des Differentialinverters 210 als Beispiel
sind der erste und der zweite gefaltete Lasttransistor 523 und 524 gebildet,
indem man die Lasttransistoren 213 und 214 von
P-Typ-MOSFETs zu N-Typ-MOSFETs ändert
und sie "zurückfaltet", so dass sie nicht
mehr an den Spannungsversorgungsanschluss VDD, sondern parallel
mit den jeweiligen Eingangstransistoren 521 und 522 verbunden
sind. Zwei Stromquellen 525 bzw. 526 werden dann
zwischen die gefalteten Lasttransistoren 523 und 524 und
den Spannungsversorgungsanschluss VDD geschaltet. Das Differenzausgangssignal
Vout des Differentialinverters 520 ist somit durch die Stromquellen 525, 526 und 527 von
Störsignalen
isoliert, die von der Spannungsversorgung VDD wie auch von der Masse
stammen.
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Bei
einer bevorzugten Ausführungsform
der Erfindung weist der Differentialinverter 520 einen
ersten und einen zweiten Eingangstransistor 521 bzw. 522, einen
ersten und einen zweiten gefalteten Lasttransistor 523 bzw. 524,
sowie eine erste, eine zweite und eine dritte Stromquelle 525, 526 bzw. 527 auf. Bei
dieser Ausführungsform
weisen der erste und der zweite Eingangstransistor 521 bzw. 522 und
der erste und der zweite gefaltete Lasttransistor 523 bzw. 524 jeweils
einen MOSFET vom N-Typ auf. Die erste und die zweite Stromquelle 525 bzw. 526 bestehen
jeweils aus einem MOSFET vom P-Typ, und die dritte Stromquelle 527 besteht
aus einem MOSFET vom N-Typ.
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Bei
alternativen Ausführungsformen
der Erfindung kann der Differentialinverter 520 unter Verwendung
anderer, logisch äquivalenter
Vorrichtungskonfigurationen ausgeführt sein. Beispielsweise können der
erste und der zweite Eingangstransistor 521 bzw. 522 und
der erste und der zweite gefaltete Lasttransistor 523 bzw. 524 jeweils
einen MOSFET vom N-Typ anstelle eines MOSFET vom P-Typ aufweisen. Bei
dieser Ausführungsform
würde der
Differentialinverter 520 eine Stromquelle, die aus einem
MOSFET vom P-Typ besteht und mit dem Spannungsversorgungsanschluss
VDD verbunden ist, und zwei Stromquellen, die jeweils aus einem
MOSFET vom N-Typ bestehen und mit dem Masseanschluss verbunden sind,
aufweisen.
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Der
erste und der zweite Eingangstransistor 521 und 522 empfangen
die jeweilige erste und zweite Differenzeingangssignalkomponente
Vin+ bzw. Vin-, um das Differenzausgangssignal Vout zu steuern.
Die Gates des ersten und des zweiten Eingangstransistors 521 bzw. 522 sind
mit dem ersten bzw. mit dem zweiten Eingangsanschluss (durch Vin+ bzw.
Vin- bezeichnet) verbunden.
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Der
erste und der zweite gefaltete Lasttransistor 523 bzw. 524 sind über Dioden
verbunden und fungieren somit als ohmsche Last für den Differentialinverter 520.
Anders als herkömmliche
ohmsche Lasten sind der erste und der zweite gefaltete Lasttransistor 523 bzw. 524 jedoch
auf den jeweiligen ersten und zweiten Eingangstransistor 521 bzw. 522 "zurückgefaltet", um die jeweilige
erste und zweite Stromquelle 525 bzw. 526 zu akkommodieren.
Die Gates des ersten und des zweiten gefalteten Lasttransistors 523 und 524 sind
jeweils mit dem Drain des jeweiligen Transistors verbunden, um ohmsche Lasten
zu bilden. Der erste gefaltete Lasttransistor 523 ist parallel
zu dem ersten Eingangstransistor 521 geschaltet. Konkret
kann die Drain/Gate des ersten gefalteten Lasttransistors 523 mit
der Drain des ersten Eingangstransistors 521 verbunden
sein, und die Source des ersten gefalteten Lasttransistors kann
mit der Source des ersten Eingangstransistors verbunden sein. Auf ähnliche
Weise ist der zweite gefaltete Lasttransistor 524 parallel
zu dem zweiten Eingangstransistor 522 geschaltet. Konkret
kann die Drain/Gate des zweiten gefalteten Lasttransistors 524 mit
der Drain des zweiten Eingangstransistors 522 verbunden
sein, und die Source des zweiten gefalteten Lasttransistors kann
mit der Source des zweiten Eingangstransistors verbunden sein.
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Die
erste und die zweite Stromquelle 525 bzw. 526 sind
Stromquellen, die zwischen den Spannungsversorgungsanschluss VDD
und den jeweiligen Eingangs- und
gefalteten Lasttransistor geschaltet sind. Konkret ist die erste
Stromquelle 525 zwischen den Spannungsversorgungsanschluss
VDD und die Drains des ersten Eingangstransistors 521 und
des ersten gefalteten Lasttransistors 523 geschaltet. Die
erste Differenzausgangssignalkomponente Vout- wird an der Stelle
erzeugt, an der die erste Stromquelle 525 an die Drains
des ersten Eingangstransistors 521 und des ersten gefalteten
Lasttransistors 523 angeschlossen ist.
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Auf ähnliche
Weise ist die zweite Stromquelle 526 zwischen den Spannungsversorgungsanschluss
VDD und die Drains des zweiten Eingangstransistors 522 und
des zweiten gefalteten Lasttransistors 524 geschaltet.
Die zweite Differenzausgangssignalkomponente Vout+ wird an der Stelle
erzeugt, an der die zweite Stromquelle 526 an die Drains
des zweiten Eingangstransistors 522 und des zweiten gefalteten
Lasttransistors 524 angeschlossen ist.
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Die
erste und die zweite Stromquelle 525 bzw. 526 versorgen
die Transistoren 521 und 522 mit Strom und spannen
sie auf den vorgesehenen Arbeitsbereich hin vor. Die erste und die
zweite Stromquelle 525 bzw. 526 reduzieren des
weiteren die Einkopplung von Störsignalen
vom Spannungsversorgungsanschluss VDD in den Ausgang, da die Impedanz
der Stromquellen höher
als die Impedanz am Spannungsversorgungsanschluss VDD ist.
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Die
erste und die zweite Stromquelle 525 bzw. 526 empfangen
jeweils das Frequenzsteuersignal Vctrl, um die Strommenge zu steuern,
die von den Stromquellen erzeugt wird, wodurch sie die Phasenverzögerung Δ der Differentialverzögerungsschaltung 410 variieren.
Bei der Ausführungsform,
in der die erste und die zweite Stromquelle 525 bzw. 526 MOSFETs
vom P-Typ aufweisen, wird das Frequenzsteuersignal Vctrl an die
Gates der Transistoren eingegeben.
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Die
dritte Stromquelle 527 ist eine Stromquelle, die zwischen
den Eingang und die gefalteten Lasttransistoren und den Masseanschluss
geschaltet ist. Konkret ist die dritte Stromquelle 527 zwischen die
Sources der Eingangstransistoren 521 und 522 und
die gefalteten Lasttransistoren 523 und 524 und den
Masseanschluss geschaltet.
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Die
dritte Stromquelle 527 zieht Strom von den Transistoren 521 und 522 ab
und spannt sie auf den vorgesehenen Arbeitsbereich hin vor. Bei
einer bevorzugten Ausführungsform
der Erfindung ist der durchschnittliche Strom, der von der dritten
Stromquelle 527 erzeugt wird, etwa zweimal so viel wie
der von jeder der ersten und zweiten Stromquelle 525 bzw. 526 erzeugte.
Die dritte Stromquelle 527 reduziert ebenfalls die Einkopplung
von Störsignalen
vom Masseanschluss in den Ausgang, da die Impedanz der dritten Stromquelle
höher als
die Impedanz am Masseanschluss ist.
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Die
dritte Stromquelle 527 empfängt das Frequenzsteuersignal
Vctrl zum Steuern des Betrags an Strom, der von der Stromquelle
erzeugt wird, wodurch sie die Phasenverzögerung Δ der Differentialverzögerungsschaltung 410 steuert.
Zusätzlich
empfängt
die dritte Stromquelle 527 das Rückkopplungssignal Vcmfb von
der CMFB-Schaltung 540 zum weiteren Einstellen des Pegels
des erzeugten Stroms. Das Rückkopplungssignal
Vcmfb stellt den Strom ein, um die Gleichtaktspannung Vcm des Differenzausgangssignals
Vout auf einen geeigneten Pegel zu setzen, der für den ordnungsgemäßen Betrieb
des Differentialinverters 520 geeignet ist. Bei der Ausführungsform,
in der die dritte Stromquelle 527 einen MOSFET vom N-Typ
aufweist, werden das Frequenzsteuersignal Vctrl und das Rückkopplungssignal
auf eine Weise kombiniert, die für
den ordnungsgemäßen Betrieb
des Differentialinverters 520 geeignet ist, wozu der Fachmann
in der Lage ist.
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Bei
der soeben beschriebenen bevorzugten Ausführungsform wird das Frequenzsteuersignal
Vctrl an alle drei Stromquellen 525, 526 und 527 gelegt, und
das Rückkopplungssignal
Vcmtb wird nur an die dritte Stromquelle 527 gelegt. Bei
alternativen Ausführungsformen
der Erfindung können
das Frequenzsteuersignal Vctrl und das Rückkopplungssignal Vcmfb auf
andere Weise an die Stromquellen gelegt werden.
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Bei
einer ersten alternativen Ausführungsform
wird das Frequenzsteuersignal Vctrl an die erste, die zweite und
die dritte Stromquelle 525, 526 bzw. 527 gelegt,
und das Rückkopplungssignal Vcmfb
wird an die erste und an die zweite Stromquelle 525 bzw. 526 gelegt.
Bei einer zweiten alternativen Ausführungsform wird das Frequenzsteuersignal
Vctrl an die erste und die zweite Stromquelle 525 bzw. 526 gelegt,
und das Rückkopplungssignal
Vcmfb wird an die dritte Stromquelle 527 gelegt. Bei einer dritten
alternativen Ausführungsform
wird das Frequenzsteuersignal Vctrl an die dritte Stromquelle 527 gelegt,
und das Rückkopplungssignal
Vcmfb wird an die erste und die zweite Stromquelle 525 bzw. 526 gelegt.
Allgemeiner gesagt hängen
die besonderen Verbindungen und Spannungspegel, die für das Frequenzsteuersignal
Vctrl und das Rückkopplungssignal
Vcmfb geeignet sind, von der Ausführung des Differentialinverters 520 ab
und können
von einem Fachmann bestimmt werden.
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Gemäß der Darstellung
in 5 ist ein virtueller Masseknoten VG an der Stelle
gebildet, wo die Sources der Eingangstransistoren 521 und 522,
die Sources der gefalteten Lasttransistoren 523 und 524, und
die dritte Stromquelle 527 verbunden sind. Virtuelle Masseknoten
sind auf dem Fachgebiet des Differentialschaltungsentwurfs allgemein
bekannt und werden daher nicht näher
erläutert.
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Die
Gleichtaktrückkopplungs
(CMFB)-Schaltung 540 der Differentialverzögerungsschaltung 410 wird
verwendet, um einen ordnungsgemäßen Betrieb des
Differentialinverters 520 zu gewährleisten. Die CMFB-Schaltung 540 vergleicht
die Gleichtaktspannung Vcm des Differenzausgangssignals Vout mit dem
Bezugsspannungssignal Vref und erzeugt auf der Grundlage dieses
Vergleichs ein Rückkopplungssignal
Vcmfb. Somit ist Vcmfb = Vcm – Vref.
Das Rückkopplungssignal
Vcmfb wird dazu verwendet, die Gleichtaktspannung Vcm des vom Differentialinverter 520 erzeugten
Differenzausgangssignals Vout so zu steuern, dass Vcm auf einem
für den
ordnungsgemäßen Betrieb
des Differentialinverters 520 geeigneten Pegel bleibt.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform
der Erfindung steuert das Rückkopplungssignal
Vcmfb den Ausgangstrom der dritten Stromquelle 527, der
wiederum die Gleichtaktspannung Vcm des Differenzausgangssignals
Vout steuert. Die CMFB-Schaltung 540 ist ein Typ einer
Rückkopplungsschaltung,
der auf diesem Fachgebiet allgemein bekannt ist und daher nicht
im Detail erläutert zu
werden braucht.
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Es
folgt nun eine Beschreibung des Betriebs der Differentialverzögerungsschaltung 410.
Wie vorausgehend erläutert
wurde, invertiert und verzögert die
Differentialverzögerungsschaltung 410 das
Differenzeingangssignal Vin zum Erzeugen des Differenzausgangssignals
Vout. Wenn das Differenzeingangssignal Vin auf einen logischen Wert
von "1" gesetzt ist, nimmt
der erste Eingangsanschluss (angegeben durch Vin+) eine differentiell
hohe Spannung an, und der zweite Eingangsanschluss (angegeben durch
Vin-) nimmt eine differentiell niedrige Spannung an. Die differentiell
hohe Spannung am ersten Eingangsanschluss schaltet den ersten Eingangstransistor 521 "ein" (d.h. in den leitenden
Zustand), wodurch ein Vorstrom vom ersten Lasttransistor 523 weggelenkt
wird. Im Ergebnis wird der erste Ausgangsanschluss (angegeben durch
Vout-) durch die dritte Stromquelle 527 auf eine differentiell
niedrige Spannung heruntergezogen. Die differentiell niedrige Spannung
am zweiten Eingangsanschluss schaltet den zweiten Eingangstransistor 522 "aus" (d.h. in den nicht-leitenden
Zustand), wodurch der Vorstrom durch den zweiten Lasttransistor 524 gelenkt
wird. Im Ergebnis wird der zweite Ausgangsanschluss (angegeben durch
Vout+) durch die zweite Stromquelle 526 auf eine differentiell
hohe Spannung hoch gezogen. Infolgedessen schaltet das Differenzausgangssignal
Vout nach der Phasenverzögerung Δ auf den logischen
Wert "0", wenn das Differenzeingangssignal
Vin den logischen Wert "1" annimmt.
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Wenn
hingegen das Differenzeingangssignal Vin auf den logischen Wert "0" gesetzt ist, nimmt der erste Eingangsanschluss
eine differentiell niedrige Spannung an, und der zweite Eingangsanschluss nimmt
eine differentiell hohe Spannung an. Die differentiell niedrige
Spannung am ersten Eingangsanschluss schaltet den ersten Eingangstransistor 521 aus,
wodurch ein Vorstrom durch den ersten Lasttransistor 523 gelenkt
wird. Im Ergebnis wird der erste Ausgangsanschluss von der ersten
Stromquelle 525 auf eine differentiell hohe Spannung hochgezogen.
Die differentiell hohe Spannung am zweiten Eingangsanschluss schaltet
den zweiten Eingangstransistor 522 ein, wodurch der Vorstrom
vom zweiten Lasttransistor 524 weggelenkt wird. Im Ergebnis
wird der zweite Ausgangsanschluss durch die dritte Stromquelle 527 auf
eine differentiell niedrige Spannung herabgezogen. Infolgedessen
schaltet das Differenzausgangssignal Vout nach der Phasenverzögerung Δ auf den
logischen Wert "1", wenn das Differenzeingangssignal
Vin den logischen Wert "0" annimmt.
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Die
Phasenverzögerung Δ zwischen
dem Differenzeingangssignal Vin und dem Differenzausgangssignal
Vout kann durch Variieren der Spannung des Frequenzsteuersignals
Vctrl eingestellt werden. Das Frequenzsteuersignal Vctrl variiert
den von der ersten, der zweiten und der dritten Stromquelle 525, 526 und 527 erzeugten
Strom und variiert dadurch die Phasenverzögerung Δ der Differentialverzögerungsschaltung 410.
Die besonderen Spannungspegel, die für das Frequenzsteuersignal
Vctrl geeignet sind, hängen
von der Ausführung
des Differentialinverters 520 ab und können vom Fachmann bestimmt werden.
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Bei
einer bevorzugten Ausführungsform
der Erfindung ist die Differentialverzögerungsschaltung 410 auf
einer integrierten Schaltung ausgeführt, die mit dem Masseanschluss
verbundene Schutzringe oder Substrat-Taps (nicht gezeigt) aufweist.
Die Schutzringe oder Substrat-Taps, physische Strukturen, die aus
hochdotierten Bereichen des Substrates bestehen, wie auf diesem
Fachgebiet bekannt ist, sind benachbart zu den Transistoren 521, 522, 523 und 524 der
Differentialverzögerungsschaltung
und diese umgebend angeordnet. Die Schutzringe oder Substrat-Taps
sind mit dem Masseanschluss verbunden, so dass jegliche durch das
Substrat eingekoppelten Störsignale,
wie etwa von angrenzenden digitalen Schaltungen, an Masse geshuntet
werden, anstatt in die Transistoren 521, 522, 523 und 524 und möglicherweise
in das Differenzausgangssignal Vout eingekoppelt zu werden. Die
vom Masseanschluss stammenden Störsignale
sind durch die dritte Stromquelle 527 am Eintritt in die
Differentialverzögerungsschaltung 410 gehindert,
wie vorausgehend beschrieben wurde. Infolgedessen unterdrückt die
Differentialverzögerungsschaltung 410 in
der vorliegenden Ausführungsform
zusätzlich
zu Spannungsversorgungs- und Masserauschen auch. Substratrauschen.
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Computersimulationen
sowohl des herkömmlichen
VCO 100 als auch des VCO 400 der vorliegenden
Erfindung wurden unter Verwendung von SPICE durchgeführt, um
den Betrieb der Differentialverzögerungsschaltung 410 zu überprüfen. Der
herkömmliche
VCO 100 weist den in 2 gezeigten Differentialinverter 210 auf.
Der VCO 400 weist die in 5 gezeigte
Differentialverzögerungsschaltung 410 auf.
Die Simulationsergebnisse zeigen, dass das vom VCO 400 zur
Verfügung
gestellte Niveau der Unterdrückung
von Störsignalen
von der Spannungsversorgung VDD wie auch von der Masse um etwa 8 dB
höher ist
als die des herkömmlichen
VCO 100.
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Obgleich
konkrete Ausführungsformen
der Erfindung beschrieben und veranschaulicht wurden, ist verständlich,
dass Modifikationen an diesen Ausführungsformen vorgenommen werden
können, ohne
vom Schutzumfang der Erfindung abzuweichen, wie sie in den nachfolgenden
Ansprüchen
definiert ist.