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Relaxations-Oszillator mit verringerten dynamischen Fehlern und verringerter Stromaufnahme

IP.com Disclosure Number: IPCOM000028622D
Published in the IP.com Journal: Volume 4 Issue 6 (2004-06-25)
Included in the Prior Art Database: 2004-Jun-25
Document File: 4 page(s) / 787K

Publishing Venue

Siemens

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Abstract

Bei Integrated Circuits (ICs) sind Relaxationszonen weit verbreitet, weil sie sich ohne Pins und ohne externe Quarze mit integrieren lassen. Grundsaetzlich wird die Schwingungsfrequenz durch eine RC-Zeitkonstante gebildet, die von den technologischen Schwankungen der verwendeten Widerstaende und Kapazitaeten bestimmt wird. Zusaetzlich wird die gewollte Zeitkonstante durch ein Delay eines Komparators bestimmt, da ein Ueberschwingen der gewollten Dreiecksspannung ueber die Referenzpegel Vrefh und Vrefl die Folge ist. Dieses Delay ist oftmals sehr stoerend, da es in die Frequenz sogar vierfach eingeht. Ausserdem ist in Mixed-Signal-Schaltungen oftmals ein Gleichlauf der Frequenz mit anderen Schaltungen noetig. Oft wird auch ein Abgleich der Frequenz vorgenommen, der dann aber durch unterschiedliches Temperarturverhalten von Delay und gewollter Oszillatorfrequenz ungewollt temperaturabhaengig wird. Diese Temperaturabhaengigkeit kann nur unzureichend mit dem TC der Oszillatorfrequenz kompensiert werden, da beide Effekte gegeneinander technologisch streuen.

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S

Relaxations-Oszillator mit verringerten dynamischen Fehlern und verringerter Stromaufnahme

Idea: Mario Motz, AT-Villach

Bei Integrated Circuits (ICs) sind Relaxationszonen weit verbreitet, weil sie sich ohne Pins und ohne externe Quarze mit integrieren lassen. Grundsaetzlich wird die Schwingungsfrequenz durch eine RC- Zeitkonstante gebildet, die von den technologischen Schwankungen der verwendeten Widerstaende und Kapazitaeten bestimmt wird. Zusaetzlich wird die gewollte Zeitkonstante durch ein Delay eines Komparators bestimmt, da ein Ueberschwingen der gewollten Dreiecksspannung ueber die Referenzpegel Vrefh und Vrefl die Folge ist. Dieses Delay ist oftmals sehr stoerend, da es in die Frequenz sogar vierfach eingeht. Ausserdem ist in Mixed-Signal-Schaltungen oftmals ein Gleichlauf der Frequenz mit anderen Schaltungen noetig. Oft wird auch ein Abgleich der Frequenz vorgenommen, der dann aber durch unterschiedliches Temperarturverhalten von Delay und gewollter Oszillatorfrequenz ungewollt temperaturabhaengig wird. Diese Temperaturabhaengigkeit kann nur unzureichend mit dem TC der Oszillatorfrequenz kompensiert werden, da beide Effekte gegeneinander technologisch streuen.

Bislang wird versucht, dieses Problem zu loesen, indem entweder die Stromaufnahme der Komparatoren vergroessert wird, um das Delay zu verkuerzen, oder indem Vrefh und Vrefl geregelt werden, um den dynamischen Ueberschwingeffekt vorzuhalten. Ersteres hat den Nachteil, dass die Stromaufnahme mehr erhoeht werden muss, als das Delay verkuerzt werden kann. Letzteres erfordert eine groessere Flaeche bei einer komplizierteren Schaltung und einer erhoehten Stromaufnahme durch Regelschaltungen.

Ein neuartiges Verfahren ermoeglicht eine genauere Einstellung der Oszillatorfrequenz eines Relaxationsoszillators, wobei die Stromaufnahme zusaetzlich verringert, da parasitaere dynamische Effekte verringert werden koennen. Dabei wird der Integratorstrom doppelt ausgenutzt. In der Phase, in der der Integrationsstrom bisher gegen Masse oder VDD (Voltage Drain - Drain) umgeschaltet oder abgeschaltet wird, wird der Integrationsstrom in den Komparator umgeleitet, der in der naechsten Halbtaktrate entscheiden muss. Dies ist moeglich, da in der entsprechenden Halbtaktphase der Integrationsstrom zum Integrieren auf Cint nicht benoetigt wird. Damit wird kein zusaetzlicher Strom zur Delay-Verkuerzung benoetigt. Alternativ kann ein Teil des Effektes dazu genutzt werden, die Gesamtstromaufnahme zu verringern. Zudem werden schon vorhandene Schalter genutzt und keine zusaetzliche Flaeche benoetigt.

Die nachfolgenden Abbildungen zeigen das grundlegende Prinzip und Ausfuehrungsbeispiele. Der Integrationsstrom Iint laedt dabei einerseits wechselseitig in beiden Halbtaktphasen Cint auf und ab (siehe Abbildungen 1 und 4). Waehrend einer der beiden Stroeme Iint gerade nicht den Cint auflaedt, wird dieser Strom in den Komparator umgeleitet. Dort wird dieser Strom gerade in den Komparator zur Delay-Ve...