ШИРОКОДИАПАЗОННЫЙ КОЛЬЦЕВОЙ ГЕНЕРАТОР, УПРАВЛЯЕМЫЙ НАПРЯЖЕНИЕМ
WIDE-RANGE ANNULAR VOLTAGE-CONTROLLED PRODUCER

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.
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.
Для снижения чувствительности к шуму от других схем и чтобы самому не быть источником шума, ГУН должен отвечать следующим требованиям:
- 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;
- работать при низких напряжениях питания (например, 1,8 В) и потреблять малую мощность (до 250 мкВт);
- иметь малое импульсное потребление тока;
- при перестройке ГУН должен обладать малой инерционностью. С целью экономии места на кристалле СнК в схеме ГУН должны использоваться только КМОП транзисторы.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
Заявляемое изобретение иллюстрируется следующими графическими материалами: Фиг.1А. Схема инвертора с управляемым током переключения, представленного в изобретениях [1, 2].
Фиг.1Б. Схема инвертора с управляемым током переключения, представленного в изобретении [3].
Фиг.2. Схема инвертора с управляемым током переключения, представленного в изобретении [4], выбранного в качестве прототипа заявляемого изобретения.
Фиг.3. Схема инвертора с управляемым током переключения, заявляемая в данном изобретении.
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.
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.
Фиг.5. Вариант подключения заявляемого в данном изобретении инвертора для образования кольца широкодиапазонного ГУН.
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.
Фиг.7. Ток, потребляемый генератором во всем диапазоне рабочих частот, а также вид модуляционной характеристики в логарифмическом (сверху) и линейном масштабах.
Фиг.8. Диаграммы, иллюстрирующие скорость изменения частоты сигнала колебания Fout при скачкообразном изменении управляющих напряжений Pcon и 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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
На фиг.8 представлены диаграммы, иллюстрирующие высокую динамическую скорость изменения частоты сигнала колебания при скачкообразном изменении управляющих напряжений.
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.
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.