[go: up one dir, main page]
More Web Proxy on the site http://driver.im/

RU2485668C1 - Octave microconsuming high-frequency cmos generator controlled by voltage - Google Patents

Octave microconsuming high-frequency cmos generator controlled by voltage Download PDF

Info

Publication number
RU2485668C1
RU2485668C1 RU2012129707/08A RU2012129707A RU2485668C1 RU 2485668 C1 RU2485668 C1 RU 2485668C1 RU 2012129707/08 A RU2012129707/08 A RU 2012129707/08A RU 2012129707 A RU2012129707 A RU 2012129707A RU 2485668 C1 RU2485668 C1 RU 2485668C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
terminal
transistor
voltage
channel
transistors
Prior art date
Application number
RU2012129707/08A
Other languages
Russian (ru)
Inventor
Андрей Алексеевич Зайцев
Original Assignee
Андрей Алексеевич Зайцев
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Андрей Алексеевич Зайцев filed Critical Андрей Алексеевич Зайцев
Priority to RU2012129707/08A priority Critical patent/RU2485668C1/en
Application granted granted Critical
Publication of RU2485668C1 publication Critical patent/RU2485668C1/en

Links

Images

Landscapes

  • Logic Circuits (AREA)

Abstract

FIELD: radio engineering, communications.
SUBSTANCE: octave microconsuming high-frequency voltage-controlled generator comprises four P-channel transistors, four N - channel transistors. Links between transistors provide for a self-excitation mode, and non-linearity of feedback depending on control voltages provides for expansion of generated frequencies range to one octave.
EFFECT: maintenance of a permanent output signal amplitude, close to symmetrical one, increased noise immunity.
6 dwg

Description

Настоящее изобретение относится к интегральной электронной технике и может быть использовано в составе сложно-функциональных блоков (СФ-блоков) высокочастотных синтезаторов сетки частот (ССЧ) тактовой синхронизации КМОП СБИС.The present invention relates to integrated electronic equipment and can be used as part of complex functional blocks (SF blocks) of high-frequency synthesizers of the frequency network (MSC) of the clock synchronization CMOS VLSI.

Современная методика проектирования СБИС предполагает широкое использование библиотеки ранее разработанных и верифицированных СФ-блоков. Технология изготовления кристалла СБИС подразумевает технологическую и конструктивную совместимость входящих в него СФ-блоков. При этом необходимо решать следующие проблемы:The modern VLSI design methodology involves the wide use of the library of previously developed and verified SF blocks. VLSI chip manufacturing technology implies technological and structural compatibility of the SF blocks included in it. It is necessary to solve the following problems:

- Минимизация площади, занимаемой СФ-блоками на кристалле СБИС.- Minimizing the area occupied by SF blocks on a VLSI chip.

- Минимизация энергопотребления и уровня помех по цепям питания.- Minimization of power consumption and the level of interference in power circuits.

- Повышение помехоустойчивости СФ-блоков.- Improving the noise immunity of the SF blocks.

В качестве СФ-блоков ССЧ тактовой синхронизации СБИС наибольшее распространение получили решения, основанные на использовании генератора, управляемого напряжением (ГУН), частота и фаза выходного сигнала которого стабилизируются с помощью контура импульсной фазовой автоподстройки частоты. Высокочастотный ГУН является источником помех по цепям питания для соседних СФ-блоков, а также сам подвержен влиянию помех, нарушающих его работу. Кроме того, во многих СБИС для уменьшения энергопотребления используются режимы динамической подстройки тактовой частоты под запросы исполняемого приложения. При этом диапазон перестройки ГУН СФ-блока ССЧ должен составлять не менее одной октавы.As SF blocks of the VLSI clock frequency synchronization system, the most widely used are solutions based on the use of a voltage-controlled oscillator (VCO), the frequency and phase of the output signal of which is stabilized using a pulse phase-locked loop. A high-frequency VCO is a source of interference in the power supply circuits for neighboring SF units, and is also subject to the influence of interference disrupting its operation. In addition, in many VLSIs, dynamic clock adjustment modes are used to reduce power consumption according to the requests of the executable application. At the same time, the adjustment range of the VCO of the SF block of the SSH should be at least one octave.

При реализации СФ-блока ГУН должны быть выполнены следующие условия:When implementing the VF SF unit, the following conditions must be met:

- Изготовление ГУН по той же технологии, что и ядро СБИС.- Production of VCOs using the same technology as the VLSI core.

- ГУН должен иметь малую потребляемую мощность, а напряжение питания должно быть равным напряжению питания ядра СБИС.- The VCO should have low power consumption, and the supply voltage should be equal to the supply voltage of the VLSI core.

- Амплитуда сигнала колебания ГУН должна быть близкой к значению напряжения питания во всем диапазоне частот. Длительности фронта и спада сигнала колебания должны быть примерно равны.- The amplitude of the VCO oscillation signal should be close to the value of the supply voltage in the entire frequency range. The durations of the rising and falling edges of the oscillation signal should be approximately equal.

В качестве ГУН для СФ-блоков ССЧ тактовой синхронизации СБИС наибольшее распространение получили полностью интегральные кольцевые ГУН. Типовая структурная схема кольцевого КМОП ГУН представлена на фиг.1. В состав генератора входит блок 11 формирования управляющих напряжений Pent и Ncnt, задаваемых напряжением Vent, и генерирующее кольцо 12. Типовое генерирующее кольцо состоит из последовательно включенных инверторов с регулируемой напряжениями Pent и Ncnt длительностью распространения сигнала переключения. За счет общей отрицательной обратной связи в генерирующем кольце происходит вынужденное колебание, частота которого определяется количеством инверторов в кольце и общей задержкой их переключений. Выходной сигнал OUT с генерирующего кольца поступает на элементы, предназначенные для увеличения крутизны фронта и спада и нагрузочной способности выхода ГУН.As a VCO for the SF blocks of the MSS clock synchronization of VLSI, the most widely used are the integrated ring VCOs. A typical block diagram of the ring CMOS VCO is presented in figure 1. The generator includes a unit 11 for generating control voltages Pent and Ncnt, set by the voltage Vent, and a generating ring 12. A typical generating ring consists of series-connected inverters with adjustable voltage Pent and Ncnt for the duration of the propagation of the switching signal. Due to the general negative feedback in the generating ring, a forced oscillation occurs, the frequency of which is determined by the number of inverters in the ring and the total delay of their switching. The output signal OUT from the generating ring is fed to elements designed to increase the steepness of the front and the fall and the load capacity of the VCO output.

Для расширения диапазона частот типового генерирующего кольца требуется соответствующее изменение длительностей фронта и спада сигнала колебания в широких пределах. При этом более пологие фронт и спад колебания будут более чувствительны к помехам по цепям питания и по подложке кристалла СБИС. В результате чего моменты переключения элементов генерирующего кольца будут перемещаться от своего идеального местоположения во времени, тем самым увеличивая значение фазового шума в генерируемом сигнале.To expand the frequency range of a typical generating ring, a corresponding change in the duration of the edge and decay of the oscillation signal over a wide range is required. In this case, more gentle front and decay of the oscillations will be more sensitive to interference along the power supply circuits and on the VLSI chip substrate. As a result, the switching moments of the elements of the generating ring will move from their ideal location in time, thereby increasing the value of the phase noise in the generated signal.

Наиболее близким техническим решением к заявляемому изобретению является схема инвертора кольцевого КМОП ГУН, описанная в патенте Российской Федерации №2397603 (С1) «Широкодиапазонный кольцевой генератор, управляемый напряжением», МПК Н03В 5/08, Н03В 29/00 [1]. Эта схема выбрана в качестве прототипа заявляемого изобретения и изображена на фиг.2.The closest technical solution to the claimed invention is a circuit inverter ring CMOS VCO described in the patent of the Russian Federation No. 2397603 (C1) "Wide-range ring generator controlled by voltage", IPC Н03В 5/08, Н03В 29/00 [1]. This scheme is selected as a prototype of the claimed invention and is shown in figure 2.

Общим признаком изобретения [1] с заявляемым изобретением является то, что в дополнении к изменению длительностей фронта и спада сигнала колебания, одновременно осуществляется изменение значений входных напряжений переключений схемы. Результатом такого комбинированного взаимодействия длительностей и уровней переключений является расширение диапазона рабочих частот генерирующего кольца, причем при меньших изменениях управляющего тока и длительностей фронта и спада сигнала колебания.A common feature of the invention [1] with the claimed invention is that in addition to changing the duration of the front and the decay of the oscillation signal, at the same time, the values of the input switching voltage of the circuit are changed. The result of such a combined interaction of durations and switching levels is the extension of the operating frequency range of the generating ring, and with smaller changes in the control current and the duration of the edge and decay of the oscillation signal.

Однако, как показано в изобретении [1], для создания генерирующего кольца, имеющего диапазон частот, равный двум октавам, необходимо использовать последовательное включение трех таких схем. При этом общее количество транзисторов равно 18, что, несмотря на двухоктавный диапазон частот, является недостатком данной схемы.However, as shown in the invention [1], to create a generating ring having a frequency range of two octaves, it is necessary to use the series connection of three such circuits. In this case, the total number of transistors is 18, which, despite the two-octave frequency range, is a drawback of this circuit.

Генерирующее кольцо, реализованное с использованием одной схемы изобретения [1] представлено в статье [2]: «Развитие схемотехники высокочастотного управляемого КМОП генератора для микросхемы класса «Система на кристалле»» /Зайцев А.А. // Информационные технологии в электротехнике и электроэнергетике: материалы 7-й Всерос. научн.-техн. конф. Чебоксары: Изд-во Чуваш, ун-та, 2010. - С.178-182. Генерирующее кольцо статьи [2] представлено на на фиг.3 и образовано последовательным включением схемы 21 изобретения [1] и буферного элемента 31 с регулируемой длительностью распространения сигнала переключения. При диапазоне генерируемых частот, равном одной октаве, общее количество транзисторов равно 12, что является недостатком данной схемы.A generating ring implemented using one scheme of the invention [1] is presented in article [2]: “Development of circuitry of a high-frequency CMOS controlled oscillator for a microcircuit of the class“ System on a chip ”” / A. Zaitsev // Information technology in electrical engineering and electric power industry: materials of the 7th All-Russian. scientific and technical conf. Cheboksary: Publishing house of the Chuvash University, 2010. - S.178-182. The generating ring of article [2] is shown in FIG. 3 and is formed by sequentially switching on the circuit 21 of the invention [1] and a buffer element 31 with an adjustable switching signal propagation duration. With a range of generated frequencies equal to one octave, the total number of transistors is 12, which is a drawback of this circuit.

Техническим результатом заявляемого изобретения является создание микропотребляющего высокочастотного ГУН, состоящего из восьми транзисторов, изготавливаемых в стандартном цифровом КМОП техпроцессе, что определяет его компактность и конструктивную совместимость с другими блоками КМОП СБИС. Генератор обеспечивает диапазон частот, равный одной октаве, в котором поддерживает постоянную, близкую к симметричной, амплитуду сигнала, равную напряжению питания, что повышает его помехоустойчивость. При этом генератор имеет малое постоянное значение и малые пульсации потребляемого тока и сам не создает помех для других блоков СБИС.The technical result of the claimed invention is the creation of a micro-consuming high-frequency VCO, consisting of eight transistors manufactured in a standard digital CMOS manufacturing process, which determines its compactness and structural compatibility with other CMOS VLSI units. The generator provides a frequency range of one octave, in which it maintains a constant, close to symmetrical, signal amplitude equal to the supply voltage, which increases its noise immunity. Moreover, the generator has a small constant value and small ripples of the current consumption and does not interfere with other VLSI blocks.

Указанный результат достигается за счет того, что в схеме изобретения [1] с управляемыми током уровнями и длительностями фронта и спада сигнала переключения, содержащей: первый, второй, третий, четвертый и пятый выводы; первый, второй и третий Р-канальные транзисторы; первый, второй и третий N-канальные транзисторы; первый вывод первого Р-канального транзистора и первый вывод первого N-канального транзистора соединены между собой; второй вывод первого, третий вывод второго и второй вывод третьего Р-канальных транзисторов соединены между собой; второй вывод первого, третий вывод второго и второй вывод третьего N-канальных транзисторов соединены между собой; первый вывод второго Р-канального транзистора подключен к первому выводу устройства; первый вывод второго N-канального транзистора подключен к второму выводу устройства; второй вывод второго Р-канального транзистора и третий вывод третьего N-канального транзистора подключены к третьему выводу устройства; второй вывод второго N-канального транзистора и третий вывод третьего Р-канального транзистора подключены к четвертому выводу устройства; третий вывод первого и первый вывод третьего Р-канальных транзисторов, третий вывод первого и первый вывод третьего N-канальных транзисторов подключены к пятому выводу устройства, предложено ввести четвертый Р-канальный транзистор и четвертый N-канальный транзистор; первый вывод четвертого и первый вывод второго Р-канальных транзисторов соединить между собой; второй вывод четвертого и второй вывод первого Р-канальных транзисторов соединить между собой; третий вывод четвертого и первый вывод первого Р-канальных транзисторов соединить между собой; первый вывод четвертого и первый вывод второго N-канальных транзисторов соединить между собой; второй вывод четвертого и второй вывод первого N-канальных транзисторов соединить между собой; третий вывод четвертого и первый вывод первого N-канальных транзисторов соединить между собой.The specified result is achieved due to the fact that in the scheme of the invention [1] with current-controlled levels and durations of the front and the fall of the switching signal, comprising: first, second, third, fourth and fifth conclusions; first, second and third P-channel transistors; first, second and third N-channel transistors; the first terminal of the first P-channel transistor and the first terminal of the first N-channel transistor are interconnected; the second terminal of the first, the third terminal of the second and second terminal of the third P-channel transistors are interconnected; the second terminal of the first, the third terminal of the second and second terminal of the third N-channel transistors are interconnected; the first terminal of the second P-channel transistor is connected to the first terminal of the device; the first terminal of the second N-channel transistor is connected to the second terminal of the device; the second terminal of the second P-channel transistor and the third terminal of the third N-channel transistor are connected to the third terminal of the device; the second terminal of the second N-channel transistor and the third terminal of the third P-channel transistor are connected to the fourth terminal of the device; the third terminal of the first and first terminal of the third P-channel transistor, the third terminal of the first and first terminal of the third N-channel transistor connected to the fifth terminal of the device, it is proposed to introduce a fourth P-channel transistor and a fourth N-channel transistor; to connect the first output of the fourth and the first output of the second P-channel transistors; to connect the second terminal of the fourth and second terminal of the first P-channel transistors; to connect the third terminal of the fourth and the first terminal of the first P-channel transistors; connect the first terminal of the fourth and the first terminal of the second N-channel transistor; to connect the second output of the fourth and second output of the first N-channel transistors; connect the third output of the fourth and the first output of the first N-channel transistors.

В заявляемом изобретении, также как и в изобретении [1], при уменьшении управляющего напряжения на первом и втором выводах устройства и соответственном уменьшении значения тока переключения, происходит не только увеличение фронта и спада сигнала колебания, но и одновременно расхождение значений потенциалов напряжений переключений схемы, что приводит к увеличению задержки распространения сигнала колебания. И наоборот, при увеличении управляющего напряжения и соответственном увеличении значения тока переключения происходит не только обострение фронта и спада сигнала колебания, но и сближение потенциалов напряжений переключения схемы, что приводит к уменьшению задержки распространения сигнала колебания.In the claimed invention, as well as in the invention [1], with a decrease in the control voltage at the first and second terminals of the device and a corresponding decrease in the value of the switching current, there is not only an increase in the front and fall of the oscillation signal, but also at the same time the voltage potentials of the switching circuit diverge, leading to an increase in the propagation delay of the oscillation signal. And vice versa, with an increase in the control voltage and a corresponding increase in the value of the switching current, not only the edge and decay of the oscillation signal become sharper, but also the potentials of the switching voltage of the circuit approach closer, which leads to a decrease in the propagation delay of the oscillation signal.

Новшеством в схеме КМОП ГУН заявляемого изобретения является то, что введенные четвертый Р-канальный транзистор и четвертый N-канальный транзистор создают внутреннюю нелинейную отрицательную обратную связь, зависящую от величин управляющих напряжений на первом и втором выводах устройства. Через данную связь соединенные вместе первые выводы первых Р- и N-канальных транзисторов попеременно подключаются к выходным потенциалам управляемых источников тока, образованных вторыми Р- и N-канальными транзисторами. В зависимости от состояния выхода генератора, подключение происходит или через четвертый Р- или четвертый N-канальные транзисторы, вызывая самовозбуждение ГУН. Нелинейность обратной связи обеспечивает расширение диапазона генерируемых частот до одной октавы, при этом амплитуда сигнала колебания на выходе генератора приближается к значению напряжения питания.An innovation in the CMOS VCO circuit of the claimed invention is that the introduced fourth P-channel transistor and the fourth N-channel transistor create an internal non-linear negative feedback, depending on the magnitude of the control voltages on the first and second terminals of the device. Through this connection, the first terminals of the first P- and N-channel transistors connected together are alternately connected to the output potentials of the controlled current sources formed by the second P- and N-channel transistors. Depending on the state of the output of the generator, the connection occurs either through the fourth P- or fourth N-channel transistors, causing self-excitation of the VCO. The non-linearity of the feedback provides an extension of the range of generated frequencies to one octave, while the amplitude of the oscillation signal at the generator output approaches the value of the supply voltage.

Заявляемое изобретение иллюстрируется следующими чертежами:The invention is illustrated by the following drawings:

Фиг.1. Типовая структурная схема кольцевого КМОП ГУН.Figure 1. Typical block diagram of the ring CMOS VCO.

Фиг.2. Схема инвертора кольцевого КМОП ГУН, представленная в изобретении [1] и выбранная в качестве прототипа заявляемого изобретения.Figure 2. The circuit of the inverter ring CMOS VCO presented in the invention [1] and selected as a prototype of the claimed invention.

Фиг.3. Схема генерирующего кольца, представленного в статье [2].Figure 3. The scheme of the generating ring presented in the article [2].

Фиг.4. Схема КМОП ГУН, заявляемая в данном изобретении.Figure 4. The CMOS VCO diagram of the invention.

Фиг.5. Диаграммы сигналов заявляемой схемы КМОП ГУН при генерации выходного сигнала частотой 0,5 ГГц.Figure 5. The signal diagrams of the inventive CMOS VCO scheme when generating an output signal with a frequency of 0.5 GHz.

Фиг.6. Диаграммы сигналов заявляемой схемы КМОП ГУН при генерации выходного сигнала частотой 1,0 ГГц.6. The signal diagrams of the inventive CMOS VCO scheme when generating an output signal with a frequency of 1.0 GHz.

Заявляемая в данном изобретении схема КМОП ГУН представлена на фиг.4. Генератор имеет: первый (Pent) и второй (Ncnt) выводы для подключения управляющих сигналов, третий (VDD) и четвертый (GND) выводы для подключения напряжения и общего питания, пятый вывод (OUT) выходного генерируемого сигнала. В состав генератора входят: первый (Р1), второй (Р2), третий (Р3) и четвертый (Р4) Р-канальные транзисторы и первый (N1), второй (N2), третий (N3) и четвертый (N4) N-канальные транзисторы. Первый вывод транзистора Р1, третий вывод транзистора Р4, первый вывод транзистора N1 и третий вывод транзистора N4 соединены между собой. Второй вывод транзистора Р1, третий вывод транзистора Р2, второй вывод транзистора РЗ и второй вывод транзистора Р4 соединены между собой. Второй вывод транзистора N1, третий вывод транзистора N2, второй вывод транзистора N3 и второй вывод транзистора N4 соединены между собой. Первый вывод транзистора Р2 и первый вывод транзистора Р4 подключены к первому выводу Pent устройства. Первый вывод транзистора N2 и первый вывод транзистора N4 подключены к второму выводу Ncnt устройства. Второй вывод транзистора Р2 и третий вывод транзистора N3 подключены к третьему выводу VDD устройства. Второй вывод транзистора N2 и третий вывод транзистора Р3 подключены к четвертому выводу GND устройства. Третий вывод транзистора Р1, первый вывод транзистора РЗ, третий вывод транзистора N1 и первый вывод транзистора N3 подключены к пятому выводу OUT устройства.The inventive CMOS VCO scheme is shown in FIG. 4. The generator has: the first (Pent) and second (Ncnt) terminals for connecting control signals, the third (VDD) and fourth (GND) terminals for connecting voltage and power supply, and the fifth (OUT) terminal of the output signal. The composition of the generator includes: the first (P1), second (P2), third (P3) and fourth (P4) P-channel transistors and the first (N1), second (N2), third (N3) and fourth (N4) N- channel transistors. The first terminal of transistor P1, the third terminal of transistor P4, the first terminal of transistor N1 and the third terminal of transistor N4 are interconnected. The second terminal of transistor P1, the third terminal of transistor P2, the second terminal of transistor PZ and the second terminal of transistor P4 are interconnected. The second terminal of transistor N1, the third terminal of transistor N2, the second terminal of transistor N3 and the second terminal of transistor N4 are interconnected. The first terminal of transistor P2 and the first terminal of transistor P4 are connected to the first terminal Pent of the device. The first terminal of transistor N2 and the first terminal of transistor N4 are connected to the second terminal Ncnt of the device. The second terminal of the transistor P2 and the third terminal of the transistor N3 are connected to the third terminal of the VDD device. The second terminal of the transistor N2 and the third terminal of the transistor P3 are connected to the fourth terminal of the GND device. The third terminal of transistor P1, the first terminal of transistor RZ, the third terminal of transistor N1 and the first terminal of transistor N3 are connected to the fifth terminal OUT of the device.

Заявляемое изобретение работает следующим образом. Пусть на вывод VDD относительно вывода GND подано напряжение питания, на выводы Pent и Ncnt поданы соответствующие напряжения управления. Пусть потенциал напряжения на выводе OUT устройства находится в состоянии напряжения низкого уровня при котором каналы транзисторов Р1 и N3 закрыты, а каналы транзисторов Р3 и N1 открыты. Тогда, через транзисторы Р2 и РЗ от вывода VDD к выводу GND протекает ток, ограниченный напряжением управления на выводе Pent. При этом уровень напряжения на выводе 3 транзистора Р2 зависит от величины протекающего через него тока и значения сопротивления открытого канала транзистора Р3. Чем меньше значение протекающего тока, тем выше уровень падения напряжения между выводами 2 и 3 транзистора Р2 и, соответственно, ниже потенциал напряжения между выводами 1 и 2 транзистора Р4, в результате чего транзистор Р4 переходит в закрытое состояние. Одновременно, через открытый канал транзистора N2 потенциал напряжения на его выводе 3 стремится к уровню вывода GND, увеличивая потенциал напряжения между выводами 1 и 2 транзистора N4. В результате, канал транзистора N4 открывается и потенциал напряжения на первых выводах транзисторов Р1 и N1 стремится к уровню GND. Причем величина тока, перезаряжающего паразитную емкость этого узла, зависит от значения управляющего напряжения Ncnt. Когда потенциал напряжения на первых выводах транзисторов Р1 и N1 достигнет соответствующего уровня от напряжения между вторыми выводами транзисторов Р1 и N1, канал транзистора Р1 откроется, а канал транзистора N1 закроется и вывод OUT устройства переключится в состояние напряжения высокого уровня. При этом ток переключения зависит от значения управляющего напряжения Pent.The claimed invention works as follows. Let the supply voltage be applied to the VDD pin relative to the GND pin, and the corresponding control voltages to the Pent and Ncnt pins. Let the voltage potential at the OUT terminal of the device be in a low voltage state at which the channels of transistors P1 and N3 are closed, and the channels of transistors P3 and N1 are open. Then, through the transistors Р2 and РЗ from the VDD pin to the GND pin, a current flows, limited by the control voltage at the Pent pin. In this case, the voltage level at terminal 3 of transistor P2 depends on the magnitude of the current flowing through it and the resistance value of the open channel of transistor P3. The lower the value of the flowing current, the higher the voltage drop between the terminals 2 and 3 of the transistor P2 and, accordingly, the lower the voltage potential between the terminals 1 and 2 of the transistor P4, as a result of which the transistor P4 goes into a closed state. At the same time, through the open channel of transistor N2, the voltage potential at its terminal 3 tends to the output level GND, increasing the voltage potential between terminals 1 and 2 of transistor N4. As a result, the channel of transistor N4 opens and the voltage potential at the first terminals of transistors P1 and N1 tends to the GND level. Moreover, the magnitude of the current recharging the parasitic capacitance of this node depends on the value of the control voltage Ncnt. When the voltage potential at the first terminals of transistors P1 and N1 reaches the corresponding voltage level between the second terminals of transistors P1 and N1, the channel of transistor P1 opens, and the channel of transistor N1 closes and the OUT terminal of the device switches to a high-level voltage state. In this case, the switching current depends on the value of the control voltage Pent.

Наличие потенциала напряжения высокого уровня на выводе OUT закрывает канал транзистора РЗ и открывает канал транзистора N3. Через транзисторы N3 и N2 от вывода VDD к выводу GND протекает ток, ограниченный напряжением сигнала управления на выводе Ncnt. При этом уровень напряжения на выводе 3 транзистора N2 зависит от величины протекающего через него тока и значения сопротивления открытого канала транзистора N3. Чем меньше значение протекающего тока, тем выше уровень падения напряжения между выводами 2 и 3 транзистора N2 и, соответственно, ниже потенциал напряжения между выводами 1 и 2 транзистора N4, в результате чего транзистор N4 переходит в закрытое состояние. Одновременно, через открытый канал транзистора Р2 потенциал напряжения на его выводе 3 стремится к уровню вывода VDD, увеличивая потенциал напряжения между выводами 1 и 2 транзистора Р4. В результате канал транзистора Р4 открывается и потенциал напряжения на первых выводах транзисторов Р1 и N1 стремится к уровню VDD. Причем величина тока, перезаряжающего паразитную емкость этого узла, зависит от значения управляющего напряжения Pent. Когда потенциал напряжения на первых выводах транзисторов Р1 и N1 достигнет соответствующего уровня от напряжения между вторыми выводами транзисторов Р1 и N1, канал транзистора Р1 закроется, а канал транзистора N1 откроется и вывод OUT устройства переключится в состояние напряжения низкого уровня. При этом ток переключения зависит от значения управляющего напряжения Ncnt.The presence of a high level voltage potential at the OUT terminal closes the channel of the transistor RE and opens the channel of the transistor N3. Through the transistors N3 and N2 from the VDD terminal to the GND terminal, current flows limited by the voltage of the control signal at the Ncnt terminal. In this case, the voltage level at terminal 3 of transistor N2 depends on the current flowing through it and the resistance value of the open channel of transistor N3. The lower the value of the flowing current, the higher the voltage drop between the terminals 2 and 3 of the transistor N2 and, accordingly, the lower the voltage potential between the terminals 1 and 2 of the transistor N4, as a result of which the transistor N4 goes into a closed state. At the same time, through the open channel of transistor P2, the voltage potential at its terminal 3 tends to the output level VDD, increasing the voltage potential between terminals 1 and 2 of transistor P4. As a result, the channel of transistor P4 opens and the voltage potential at the first terminals of transistors P1 and N1 approaches the level of VDD. Moreover, the magnitude of the current recharging the stray capacitance of this node depends on the value of the control voltage Pent. When the voltage potential at the first terminals of transistors P1 and N1 reaches the corresponding voltage level between the second terminals of transistors P1 and N1, the channel of transistor P1 closes, and the channel of transistor N1 opens and the output OUT of the device switches to a low voltage state. In this case, the switching current depends on the value of the control voltage Ncnt.

Таким образом, в заявляемой схеме КМОП ГУН возникает самовозбуждение с частотой, зависящей от величины токов переключения схемы, управляемых значениями потенциалов напряжений на выводах Pent и Ncnt. При генерации сигнала низкой частоты при уменьшении значения тока переключения происходит не только завал фронта и спада сигнала колебания, но и одновременно расхождение уровней потенциалов напряжений на первых выводах транзисторов Р1 и N1, требуемых для переключений третьих выводов транзисторов Р1 и N1 в направлении VDD и в направлении GND. Это приводит к увеличению задержки переключения сигнала, а значит, к уменьшению частоты колебания. При генерации сигнала высокой частоты при увеличении значения тока переключения одновременно происходит не только обострение фронта и спада сигнала колебания, но и сближение требуемых уровней потенциалов напряжений для переключений транзисторов Р1 и N1, что приводит к уменьшению задержки переключения сигнала, а значит, к увеличению частоты колебания. Результатом взаимодействия этих факторов является расширение диапазона генерируемых частот, в котором амплитуда генерируемого сигнала поддерживается постоянной и близкой к значению напряжения питания.Thus, in the inventive CMOS VCO circuit, self-excitation occurs with a frequency depending on the magnitude of the switching currents of the circuit, controlled by the voltage potentials at the Pent and Ncnt pins. When a low-frequency signal is generated with a decrease in the switching current, not only the edge and decay of the oscillation signal are obstructed, but also the voltage potential levels diverge at the first terminals of transistors P1 and N1, which are required for switching the third terminals of transistors P1 and N1 in the direction of VDD and in the direction GND This leads to an increase in the switching delay of the signal, and hence to a decrease in the oscillation frequency. When a high-frequency signal is generated with an increase in the switching current, not only the edge and decay of the oscillation signal become sharper, but also the required voltage potential levels come closer to switch the transistors P1 and N1, which leads to a decrease in the signal switching delay, and therefore to an increase in the oscillation frequency . The result of the interaction of these factors is the expansion of the range of generated frequencies, in which the amplitude of the generated signal is kept constant and close to the value of the supply voltage.

Для защиты ГУН СФ-блока ССЧ от помех по цепям питания, по подложке и посредством электромагнитных волн, в его конструкции применяются охранные кольца и электростатическое экранирование. Электростатическое экранирование осуществляется слоями металлизации, имеющими контакты с подложкой по всему периметру СФ-блока. Дополнительные экраны, располагаемые над Р-канальными транзисторами, соединяются с потенциалом VDD, а располагаемые над N-канальными транзисторами, - с потенциалом GND.To protect the VCO of the VHF SF-block from interference on power circuits, on the substrate and by means of electromagnetic waves, guard rings and electrostatic shielding are used in its design. Electrostatic shielding is carried out by metallization layers having contacts with the substrate along the entire perimeter of the SF block. Additional screens located above the P-channel transistors are connected to the potential of VDD, and located above the N-channel transistors are connected to the potential of GND.

На фиг.5 и фиг.6. представлены диаграммы сигналов заявляемой схемы ГУН, реализованного по технологическому процессу КМОП 180 нм. Диаграммы на фиг.5 соответствуют частоте выходного сигнала, равной 0,5 ГГц. На фиг.6 частота выходного сигнала равна 1,0 ГГц. В верхней части чертежей представлены диаграммы токов, в нижней части чертежей - диаграммы напряжений.In Fig.5 and Fig.6. The signal diagrams of the claimed VCO scheme implemented by the CMOS 180 nm process are presented. The diagrams in FIG. 5 correspond to an output signal frequency of 0.5 GHz. 6, the output frequency is 1.0 GHz. Current diagrams are shown in the upper part of the drawings, and voltage diagrams in the lower part of the drawings.

Условные обозначения на диаграммах соответствуют:The legend on the diagrams corresponds to:

IVDD - ток, потребляемый схемой по линии напряжения питания VDD;IVDD - current consumed by the circuit along the line of the supply voltage VDD;

IР2 - ток, протекающий через транзистор Р2;IP2 - current flowing through the transistor P2;

IN2 - ток, протекающий через транзистор N2;IN2 - current flowing through the transistor N2;

IР4 - ток, протекающий через транзистор Р4;IP4 - current flowing through the transistor P4;

IN4 - ток, протекающий через транзистор N4;IN4 - current flowing through the transistor N4;

VPN1 - напряжение нелинейной обратной связи на первых выводах транзисторов Р1 и N1;VPN1 — voltage of nonlinear feedback at the first terminals of transistors P1 and N1;

VP2 - напряжение на выводе 3 транзистора Р2;VP2 - voltage at terminal 3 of transistor P2;

VN2 - напряжение на выводе 3 транзистора N2;VN2 - voltage at terminal 3 of transistor N2;

VOUT - напряжение на выводе OUT.VOUT - voltage at the OUT terminal.

В обоих случаях наблюдаются практически симметричные сигналы колебаний, происходящих относительно уровня половины напряжения питания с коэффициентом заполнения, равным 0,5±5%. При этом амплитуда сигнала нелинейной обратной связи VPN1 превышает половину значения напряжения питания, а амплитуда сигнала OUT поддерживается близкой к напряжению питания схемы, равному 1,8 В. При генерации сигнала частотой 0,5 ГГц среднее значение потребляемого тока составляет 16 мкА (30 мкВт), величина пульсаций тока составляет +7/-6 мкА. При генерации сигнала частотой 1,0 ГГц среднее значение потребляемого тока составляет 27 мкА (50 мкВт), величина пульсаций +6/-7 мкА.In both cases, almost symmetric oscillation signals are observed that occur relative to the level of half the supply voltage with a fill factor of 0.5 ± 5%. At the same time, the amplitude of the VPN1 non-linear feedback signal exceeds half the value of the supply voltage, and the amplitude of the OUT signal is maintained close to the circuit voltage of 1.8 V. When generating a signal with a frequency of 0.5 GHz, the average current consumption is 16 μA (30 μW) , the magnitude of the ripple current is + 7 / -6 μA. When generating a signal with a frequency of 1.0 GHz, the average current consumption is 27 μA (50 μW), the ripple value is + 6 / -7 μA.

Диапазон генерируемых частот в заявляемой схеме КМОП ГУН может быть изменен подключением конденсатора соответствующей емкости: между выводом OUT и выводами VDD или GND; между первыми выводами транзисторов Р1 и N1 и выводами VDD или GND; между первыми выводами транзисторов Р1 и N1 и выводом OUT; комбинацией данных подключений. Требуемый конденсатор может быть образован слоями металлизации, транзисторными структурами или иным способом, удобным при интегральной реализации.The range of generated frequencies in the inventive CMOS VCO circuit can be changed by connecting a capacitor of the corresponding capacity: between the OUT terminal and the VDD or GND terminals; between the first terminals of transistors P1 and N1 and the terminals of VDD or GND; between the first terminals of the transistors P1 and N1 and the terminal OUT; combination of data connections. The required capacitor can be formed by metallization layers, transistor structures, or in another way convenient for integral implementation.

Заявляемая схема КМОП ГУН состоит из восьми транзисторов, изготавливаемых в стандартном цифровом КМОП техпроцессе, что определяет его компактность и конструктивную совместимость с другими блоками КМОП СБИС. Благодаря образованной внутренней нелинейной отрицательной обратной связи генератор вырабатывает сигнал с диапазоном частот, равным одной октаве, в котором поддерживает постоянную, близкую к симметричной амплитуду выходного сигнала колебания, равную напряжению питания, что повышает его помехоустойчивость. При этом генератор имеет малое постоянное значение и малые пульсации потребляемого тока и не создает помех для других блоков СБИС.The inventive CMOS VCO circuit consists of eight transistors manufactured in a standard digital CMOS manufacturing process, which determines its compactness and structural compatibility with other CMOS VLSI units. Due to the generated internal nonlinear negative feedback, the generator generates a signal with a frequency range equal to one octave, in which it maintains a constant, close to the symmetrical amplitude of the output oscillation signal, equal to the supply voltage, which increases its noise immunity. Moreover, the generator has a small constant value and small ripple of the current consumption and does not interfere with other VLSI units.

Совокупность этих качеств позволяет использовать заявляемую схему КМОП ГУН при разработке микропотребляющих СФ-блоков ССЧ тактовой синхронизации, предназначенных для применения в составе СБИС самого широкого назначения от АЦП до микропроцессоров.The combination of these qualities makes it possible to use the claimed CMOS VCO scheme when developing micropowerful SF-blocks of MSS clock synchronization intended for use as a part of VLSI of the broadest purpose from ADC to microprocessors.

Claims (1)

Октавный микропотребляющий высокочастотный генератор, управляемый напряжением, содержащий: первый, второй, третий, четвертый и пятый выводы; первый, второй и третий Р-канальные транзисторы; первый, второй и третий N-канальные транзисторы; первый вывод первого Р-канального транзистора и первый вывод первого N-канального транзистора соединены между собой; второй вывод первого, третий вывод второго и второй вывод третьего Р-канальных транзисторов соединены между собой; второй вывод первого, третий вывод второго и второй вывод третьего N-канальных транзисторов соединены между собой; первый вывод второго Р-канального транзистора подключен к первому выводу устройства; первый вывод второго N-канального транзистора подключен к второму выводу устройства; второй вывод второго Р-канального транзистора и третий вывод третьего N-канального транзистора подключены к третьему выводу устройства; второй вывод второго N-канального транзистора и третий вывод третьего Р-канального транзистора подключены к четвертому выводу устройства; третий вывод первого и первый вывод третьего Р-канальных транзисторов, третий вывод первого и первый вывод третьего N-канальных транзисторов подключены к пятому выводу устройства, отличающийся тем, что введены четвертый Р-канальный транзистор и четвертый N-канальный транзистор; первый вывод четвертого и первый вывод второго Р-канальных транзисторов соединены между собой; второй вывод четвертого и второй вывод первого Р-канальных транзисторов соединены между собой; третий вывод четвертого и первый вывод первого Р-канальных транзисторов соединены между собой; первый вывод четвертого и первый вывод второго N-канальных транзисторов соединены между собой; второй вывод четвертого и второй вывод первого N-канальных транзисторов соединены между собой; третий вывод четвертого и первый вывод первого N-канальных транзисторов соединены между собой. An octave micropower consuming high frequency controlled voltage generator, comprising: first, second, third, fourth and fifth pins; first, second and third P-channel transistors; first, second and third N-channel transistors; the first terminal of the first P-channel transistor and the first terminal of the first N-channel transistor are interconnected; the second terminal of the first, the third terminal of the second and second terminal of the third P-channel transistors are interconnected; the second terminal of the first, the third terminal of the second and second terminal of the third N-channel transistors are interconnected; the first terminal of the second P-channel transistor is connected to the first terminal of the device; the first terminal of the second N-channel transistor is connected to the second terminal of the device; the second terminal of the second P-channel transistor and the third terminal of the third N-channel transistor are connected to the third terminal of the device; the second terminal of the second N-channel transistor and the third terminal of the third P-channel transistor are connected to the fourth terminal of the device; the third terminal of the first and first terminal of the third P-channel transistors, the third terminal of the first and first terminal of the third N-channel transistors are connected to the fifth terminal of the device, characterized in that the fourth P-channel transistor and the fourth N-channel transistor are introduced; the first terminal of the fourth and the first terminal of the second P-channel transistors are interconnected; the second terminal of the fourth and second terminal of the first P-channel transistors are interconnected; the third terminal of the fourth and the first terminal of the first P-channel transistors are interconnected; the first terminal of the fourth and the first terminal of the second N-channel transistors are interconnected; the second terminal of the fourth and second terminal of the first N-channel transistors are interconnected; the third terminal of the fourth and the first terminal of the first N-channel transistors are interconnected.
RU2012129707/08A 2012-07-16 2012-07-16 Octave microconsuming high-frequency cmos generator controlled by voltage RU2485668C1 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2012129707/08A RU2485668C1 (en) 2012-07-16 2012-07-16 Octave microconsuming high-frequency cmos generator controlled by voltage

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2012129707/08A RU2485668C1 (en) 2012-07-16 2012-07-16 Octave microconsuming high-frequency cmos generator controlled by voltage

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU2485668C1 true RU2485668C1 (en) 2013-06-20

Family

ID=48786534

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2012129707/08A RU2485668C1 (en) 2012-07-16 2012-07-16 Octave microconsuming high-frequency cmos generator controlled by voltage

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2485668C1 (en)

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20080174364A1 (en) * 2007-01-10 2008-07-24 Doo-Young Kim Internal supply-voltage generator of semiconductor memory device
RU2330377C1 (en) * 2007-02-07 2008-07-27 Общество с ограниченной ответственностью "Юник Ай Сиз" (ООО "Юник Ай Сиз") Voltage controlled broadband generator
RU2397603C1 (en) * 2009-06-02 2010-08-20 Общество с ограниченной ответственностью Научно-Производственная компания "СенсорИС" Wide-range annular voltage-controlled producer
RU2455755C1 (en) * 2011-03-01 2012-07-10 Открытое акционерное общество "Конструкторско-технологический центр "ЭЛЕКТРОНИКА" Ring cmos voltage controlled oscillator

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20080174364A1 (en) * 2007-01-10 2008-07-24 Doo-Young Kim Internal supply-voltage generator of semiconductor memory device
RU2330377C1 (en) * 2007-02-07 2008-07-27 Общество с ограниченной ответственностью "Юник Ай Сиз" (ООО "Юник Ай Сиз") Voltage controlled broadband generator
RU2397603C1 (en) * 2009-06-02 2010-08-20 Общество с ограниченной ответственностью Научно-Производственная компания "СенсорИС" Wide-range annular voltage-controlled producer
RU2455755C1 (en) * 2011-03-01 2012-07-10 Открытое акционерное общество "Конструкторско-технологический центр "ЭЛЕКТРОНИКА" Ring cmos voltage controlled oscillator

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Bae et al. A 7.6 mW, 414 fs RMS-jitter 10 GHz phase-locked loop for a 40 Gb/s serial link transmitter based on a two-stage ring oscillator in 65 nm CMOS
Hwang et al. A CMOS self-regulating VCO with low supply sensitivity
KR101252048B1 (en) A Frequency-Phase-Locked Loop with a Self-Noise Suppressing Voltage Controlled Oscillator
US20070030041A1 (en) DLL-based programmable clock generator using a threshold-trigger delay element circuit and a circular edge combiner
US7489174B2 (en) Dynamic flip-flop circuit
JP3770224B2 (en) Variable delay device, voltage controlled oscillator, PLL circuit
JP6161633B2 (en) Duty cycle adjustment circuit and method
RU2397603C1 (en) Wide-range annular voltage-controlled producer
US20060232346A1 (en) Integrated circuit including a ring oscillator circuit
US7411464B1 (en) Systems and methods for mitigating phase jitter in a periodic signal
RU2455755C1 (en) Ring cmos voltage controlled oscillator
CN103368500A (en) Oscillator circuit used for generating clock signal
US9391600B2 (en) Voltage level shift with charge pump assist
KR20120012386A (en) Lock detection circuit and phase-locked loop circuit including the same
WO2019036177A1 (en) Low-power low-duty-cycle switched-capacitor voltage divider
US6861911B2 (en) Self-regulating voltage controlled oscillator
RU2485668C1 (en) Octave microconsuming high-frequency cmos generator controlled by voltage
US6900684B2 (en) Pulse processing circuit and frequency multiplier circuit
US7321270B2 (en) Current-controlled CMOS ring oscillator circuit
US20080224782A1 (en) Frequency jittering control circuit and method for using the same
US10367494B2 (en) Fast-response references-less frequency detector
Tiwari et al. 11GHz CMOS ring oscillator
KR20000026573A (en) Circuit for multiplying clock frequency
KR102695245B1 (en) Delay cell for voltage-controlled oscillator
US11664787B2 (en) CMOS laddered inverter ring oscillator

Legal Events

Date Code Title Description
MM4A The patent is invalid due to non-payment of fees

Effective date: 20200717