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Die Erfindung betrifft im allgemeinen spannungsgesteuerte
Oszillatoren, und sie betrifft insbesondere einen
spannungsgesteuerten Ringoszillator, der bei hohen Frequenzen arbeiten
kann und der mit einer geringen Anzahl von Elementen
implementiert werden kann, welche auf einem einzigen Chip ausgebildet
sind. Spannungsgesteuerte Oszillatoren werden in
Kommunikationssystemen in großem Umfang eingesetzt. Fig. 1 zeigt einen
herkömmlichen Ringoszillator. Dieser Oszillator besteht aus
einer ungeraden Anzahl N von Invertern, die jeweils eine
Torverzögerung von Td haben. Wenn eine ansteigende logische Flanke
sich längs des Rings fortpflanzt, wird sie nach einer
Umrundung zu einer fallenden Flanke. Nach zwei solchen Durchläufen
wird sie wieder eine steigende Flanke sein. Da die Laufzeit
durch die Schleife N·Td ist, ist die Periode dieses Signales
2N·Td. Entsprechend schwingt diese Schaltung mit einer Frequenz
von ½N·Td.
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Drei Bedingungen sind erforderlich, um sicherzustellen, daß
diese Schaltung als ein Oszillator arbeitet. Zunächst muß die
Kleinsignalverstärkung jedes Inverters so sein, daß die
Nettoverstärkung für einen Schleifendurchlauf größer als 1 ist.
Wenn die Nettoverstärkung größer als 1 ist, wächst das Signal
in der Schleife mit jedem Durchgang durch die Schleife, bis zu
einem Punkt, bei dem die Inverter gesättigt sind, so daß die
Gesamtverstärkung der Schleife auf 1 fällt. Zweitens muß die
Schleife eine ungerade Anzahl von Inversionen umfassen. Wenn
es eine gerade Anzahl gäbe, könnte der Schaltungsbetrieb bei
dem bei Sättigung aller Inverter maximal erreichbaren
positiven oder negativen Signal steckenbleiben, und die Schaltung
würde nicht schwingen. Indem für einen Ringumlauf netto eine
Inversion gefordert wird, wird also sichergestellt, daß eine
solche Sättigung bei einem konstanten Schaltkreiswert nicht
auftritt. Ein alternatives Mittel, eine solche Verriegelung
des Schaltkreises zu verhindern, ist eine Wechselstrom-
Kopplung in dem Ring vorzusehen. Dieses Verfahren wird bei
monolithischen IC-Implementierungen wegen der Schwierigkeiten
beim Herstellen der erforderlichen Kopplungs-Kondensatoren
normalerweise vermieden. Drittens wird N so gewählt, daß es
größer als zwei ist. Gemäß dem Stabilitätskriterium von
Nyquist gewährleistet die Existenz von mehr als zwei
dominanten Polstellen in der Übertragungsfunktion der Schaltung, daß
die Schaltung unstabil ist. Daher wird N größer als zwei
gewählt.
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Bei herkömmlichen spannungsgesteuerten Ringoszillatoren wird
die Frequenz verändert, indem die Torverzögerung Td jeder Stufe
verändert wird. Bei einem solchen Oszillator wird ein FET vor
jedem Inverter eingesetzt. Die Steuerspannung wird an das Gate
jedes FETs angelegt, um die Verzögerung jedes FETs zu
variieren, wodurch die Frequenz des Oszillators verändert wird.
Bei einem anderen spannungsgesteuerten Ringoszillator werden
spannungsgesteuerte Vormagnetisierungsströme für jeden
Inverter eingesetzt, um die Anstiegs- und Abfallzeiten der Inverter
zu verändern. Unglücklicherweise führen diese beiden Verfahren
Elemente ein, welche die maximale Frequenz begrenzen, die von
dem Oszillator erzeugt werden kann.
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Aus Kostengründen ist es immer wünschenswert, sowohl die
Chipanzahl als auch die Anzahl externer Teile, die zum Aufbauen
eines gegebenen Systems notwendig sind, zu minimieren. Es wäre
also vorteilhaft, einen Oszillatoraufbau zu haben, der eine
kleine Anzahl von Elementen verwendet, welche kompatibel sind,
so daß sie in einem einzigen Chip zusammen mit anderen
Schaltungen integriert werden können, mit welchen der Oszillator in
Wechselwirkung steht, ohne daß externe Elemente zum Bestimmen
der Frequenz notwendig sind.
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Die JP-A-56 47125 zeigt ein digital steuerbares
Verzögerungselement, das auf eine beliebige von mehreren diskreten
Verzögerungszeiten schaltbar ist.
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Electronic Design, Band 20, 26. September 1968, Seite 71,
zeigt einen Ringoszillator.
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Electronics Letters, Band 22, 5. Juni 1986, Seiten 677 bis 679
zeigt mehrere Verzögerungselemente, welche in einer Schleife
angeordnet sind, und zwei Feldeffekttransistoren, die ein
Steuersignal von einem Potentiometer empfangen (das
Potentiometer wird in der beigefügten Beschreibung erläutert, ist in
der Zeichnung jedoch nicht gezeigt). Die FETs legen
veränderliche Größen von Rückführungssignalen von zwei verschiedenen
Punkten in der Schleife an, um die Schwingungsfrequenz zu
steuern.
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Die US-B-3 996 481 offenbart (in Fig. 3) mehrere
Verzögerungselemente, die in Reihe angeordnet sind, und schlägt vor, daß
die Reihe der Verzögerungselemente auf sich selbst
"zurückgeschleift" wird, um einen Ringoszillator zu bilden.
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Die US-A-4 434 438 offenbart eine variable
Verzögerungsschaltung mit Verzögerungselementen zum Vorsehen eines verzögerten
Signales, Einstellverstärker, deren Verstärkung von einer
Steuerschaltung gesteuert wird, und einen Summierverstärker
zum Addieren der Ausgangssignale der Einstellverstärker
miteinander,
um einer verzögertes Ausgangssignal vorzusehen. Die
Offenbarung bezieht sich im wesentlichen auf das Verzögern
analoger Signale, insbesondere von Videosignalen.
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Die US-A-3 293 552 offenbart ebenfalls eine: variable
Verzögerungsschaltung, bei welcher verzögerte Signale von
Verzögerungselementen vorgesehen werden. Die verzögerten Signale
werden für eine Vielzahl verschiedener Frequenzbereiche
vorgesehen. Die Schaltung umfaßt eine Einstellvorrichtung für
jeden der mehreren Frequenzbereiche, wobei die Verstärkung der
Einstellvorrichtungen von einer Steuerschaltung gesteuert
wird, und einen Summierverstärker zum Addieren der
Ausgangssignale der Einstellvorrichtungen miteinander, um ein
verzögertes Ausgangssignal vorzusehen.
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Das IBM Technical Disclosure Bulletin, Band 25, Nr. 69,
Februar 1983, Seiten 4493 bis 4495, offenbart einen
spannungsgesteuerten Ringoszillator mit mehreren Invertern und
Verzögerungselementen und einem Kombinationselement, welches einen
linearen Kombinator zum Kombinieren von zwei Ausgangssignalen
aufweist, wobei die Kombinationselemente und eine erste
Vielzahl von Invertern und Verzögerungselementen in einer ersten
Rückführungsschleife mit einer ungeraden Anzahl von
Signalinversionen und einer ersten Schleifen-Schwingungsfrequenz
konfiguriert sind, und wobei die Kombinationselemente und eine
zweite Vielzahl von Invertern und Verzögerungselementen in
einer zweiten Rückführungsschleife mit ebenfalls einer
ungeraden Anzahl von Signalinversionen und einer zweiten Schleifen-
Schwingungsfrequenz konfiguriert sind, und wobei der lineare
Kombinator auf ein Steuersignal anspricht.
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Der Schaltvorgang ist digital und daher diskret.
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Die Erfindung sieht dementsprechend einen spannungsgesteuerten
Ringoszillator vor, mit mehreren Invertern und
Verzögerungselementen
und einem Kombinationselement, welches einen
linearen Kombinator zum Kombinieren von zwei Eingangssignalen
aufweist, wobei das Kombinationselement und eine erste
Mehrzahl der Inverter und Verzögerungselemente in einer ersten
Rückführungsschleife mit einer ungeraden Anzahl von
Signalinversionen und einer ersten Schleifen-Schwingungsfrequenz
funktionsmäßig zusammengestellt sind, das Kombinationselement und
eine zweite Mehrzahl der Inverter und Verzögerungselemente in
einer zweiten Rückführungsschleife mit ebenfalls einer
ungeraden Anzahl von Signal-Inversionen und einer zweiten Schleifen-
Schwingungsfrequenz funktionsmäßig zusammengestellt sind und
wobei der lineare Kombinator auf ein Steuersignal anspricht,
dadurch gekennzeichnet, daß das Steuersignal die
Verstärkungsfaktoren der Rückführungsschleifen kontinuierlich verändert,
so daß jede Zunahme des Verstärkungsfaktors der einen Schleife
von einer entsprechenden Abnahme des Verstärkungsfaktors der
anderen Schleife begleitet wird, um den Oszillator
kontinuierlich auf eine gewünschte Frequenz zwischen der ersten und der
zweiten Schleifenfrequenz abzustimmen.
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Die Verzögerungsschaltung ist mittels einer analogen
Steuerspannung kontinuierlich veränderbar.
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In den Figuren bezeichnen die erste Ziffer einer ein-, zwei-
oder drei-stelligen Bezugszahl und die ersten beiden Ziffern
einer vier-stelligen Bezugszahl die erste Figur, in welcher
das entsprechende Element auftaucht.
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Gemäß der gezeigten bevorzugten Ausführungsform der Erfindung
wird ein Ringoszillator angegeben, der eine
Inverter/Kombinations-Schaltung verwendet, um eine mit Hilfe einer Spannung
steuerbare Verzögerung in den Ring einzuführen. Diese
Inverter/Kombinations-Schaltung erzeugt aus einem Eingangssignal
ein zweites Signal, das um einen festen Verzögerungswert
verzögert ist. Eine lineare Kombination dieses verzögerten
Signales
und des Eingangssignals wird erzeugt, die Größe jedes
der beiden Signalen wird durch eine angelegte Steuerspannung
bestimmt. Für eine Sinuswelle am Eingang wird das sich
ergebende Ausgangssignal von dieser
Inverter/Kombinations-Schaltung um 180º phasenverschoben und um einen Wert verzögert, der
durch die angelegte Steuerspannung bestimmt wird. Diese
veränderliche steuerbare Verzögerung plus eine feste Verzögerung
von anderen Elementen in der Schleife bestimmen die
Schwingungsperiode des Oszillators. Dies erlaubt, daß die
Schwingungsfrequenz des Oszillators durch eine angelegte
Steuerspannung variiert wird.
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Wenn diese Schaltung in einen Ring eingefügt wird, ergibt sich
ein Aufbau, oder eine Konfiguration, welche aus zwei Schleifen
besteht. In einem Grenzbereich des Betriebes geht das Signal
in dem Ring nur durch eine erste dieser Schleifen, welche als
Niederfrequenz-Schleife bezeichnet wird, und die sich
ergebende Oszillatorfrequenz ist die minimale von diesem Oszillator
erzeugbare Frequenz. Im anderen Grenzbereich des Betriebes
geht das Signal in dem Ring nur durch die andere der beiden
Schleifen, welche als Hochfrequenz-Schleife bezeichnet wird,
und die sich ergebende Oszillatorfrequenz ist die maximale von
diesem Oszillator erzeugbare Frequenz. Die Oszillatorfrequenz
ändert sich monoton zwischen diesen beiden
Frequenz-Extremwerten als eine Funktion der angelegten Steuerspannung.
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Um einen stabilen Betrieb dieser
Inverter/Kombinations-Schaltung zu erhalten, wird die maximal erlaubte von der
Inverter/Kombinations-Schaltung erzeugte Verzögerung auf ½·f
begrenzt. Um einen größeren Bereich für die
Frequenz-Abstimmbarkeit zu erhalten, werden mehrere solcher Verzögerungselemente
in dem Oszillator verwendet. Bei einer Ausführungsform sind
mehrere solche Inverter/Kombinations-Elemente in einem Ring in
Reihe geschaltet. Bei einer anderen Ausführungsform mit einer
großen maximalen Oszillatorfrequenz werden diese
Inverter/Kombinations-Schaltung
in einer kaskadenartigen Anordnung
kombiniert.
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In den Figuren zeigen:
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Fig. 1 einen herkömmlichen Ringoszillator,
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Fig. 2 die allgemeine Form der
Inverter/Kombinations-Schaltung in einem spannungsgesteuerten Ringoszillator,
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Fig. 3 die Größe der im Ausgangssignal der
Inverter/Kombinations-Schaltung erzeugten variablen Verzögerung
als eine Funktion eines Steuerparameters C, der
durch eine angelegte Spannung bestimmt wird,
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Fig. 4 ein vereinfachtes Blockdiagramm der Schaltung von
Fig. 2, wobei die Elemente innerhalb der
gestrichelten Linie 25 in Fig. 2 in Fig. 4 als invertierendes
variables Verzögerungselement 25 gezeigt sind,
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Fig. 5 ein Blockdiagramm eines Ringoszillators mit drei
Invertern in seiner Hochfrequenz-Schleife und fünf
Invertern in seiner Niederfreqenz-Schleife,
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Fig. 6 einen Ringoszillator, bei dem die Hochfrequenz-
Schleife eine gerade Anzahl von differenziellen
Invertern verwendet,
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Fig. 7 die Verminderung der Amplitude des Ausgangssignales
Vz der Inverter/Kombinations-Schaltung, die sich
ergeben kann, wenn man erlaubt, daß sich die relative
Phase zwischen Vx und Vy an pi annähert,
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Fig. 8 die Ansprechempfindlichkeit der
Inverter/Kombinations-Schaltung auf Änderungen des Steuerparameters
C, wenn die Phase zwischen Vx und Vy Pi ist,
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Fig. 9 ein Blockdiagramm eines Ringoszillators, welcher
mehrere Inverter/Kombinations-Schaltungen verwendet,
die in einer Schleife in Reihe geschaltet sind, um
einen stabilen Oszillator mit einem vergrößerten
Frequenz-Abstimmbereich zu erhalten,
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Fig. 10 ein Blockdiagramm eines Ringoszillators, welcher
mehrere Inverter/Kombinations-Schaltungen verwendet,
die in einer Kaskaden-Anordnung verbunden sind,
welche nicht nur eine stabile Schwingung über einen
vergrößerten Frequenzbereich erreicht, sondern auch
eine hohe maximale Betriebsfrequenz aufrechterhält,
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Fig. 11 eine spezielle Ausführungsform der Schaltung von
Fig. 10, um zu zeigen, wie die
Inverter/Kombinations-Schaltung bei Werten von C = 0, ½ und 1
arbeitet, um die Oszillatorfrequenz zu bestimmen,
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Fig. 12 eine Ausführungsform der Inverter/Kombinations-Zelle
und der Inverter in einem bipolaren Schaltkreis und
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Fig. 13 eine Ausführungsform eines Ringoszillators, welcher
FETs verwendet.
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In Fig. 2 ist ein Blockdiagramm gezeigt, welches den Betrieb
dieses neuen Oszillators illustriert. Die Schaltung enthält
eine Inverter/Kombinations-Schaltung 21 und drei
Verzögerungselemente 22, 23 und 24, welche Verzögerungen von d&sub1;, d&sub2; bzw. d&sub3;
einführen. Das Verzögerungselement 23 erzeugt ein Signal Vy an
einem ersten Eingang der Inverter/Kombinations-Schaltung 21,
und das Verzögerungselement 24 erzeugt ein Signal Vx am zweiten
Eingang der Inverter/Kombinations-Schaltung 21. Das
Ausgangssignal Vz der Inverter/Kombinations-Schaltung 21 ist gleich der
linearen Kombination -[C(VC)·Vx + D(VC)·Vy], wobei C und D
Funktionen einer angelegten Steuerspannung VC sind. Für eine
monotone Abstimmung dieses Oszillators mit der angelegten
Steuerspannung VC sollten die Funktionen C und D in VC monoton sein.
Damit die Amplitude von Vz im wesentlichen konstant wird, ist
es vorteilhaft, daß C + D relativ konstant ist. Für die in
Fig. 13 und 14 gezeigten Ausführungsformen sind C + D im
wesentlichen konstant und haben einen Wert von 1. D kann daher
ersetzt werden durch (1-C), so daß diese lineare Kombination
zu -[C·Vx + (1-C)·Vy) wird, wobei C im Bereich 0≤C≤1 liegt. Der
Wert von C wird durch eine Steuerspannung VC bestimmt, welche
an einen Steuereingang der Inverter/Kombinations-Schaltung 21
angelegt wird, und er wird zum Verändern der
Schwingungsfrequenz dieses Oszillators verwendet.
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Die relative Verzögerung d&sub3;-d&sub2; erzeugt eine relative
Phasenverschiebung P = 2·pi·f·D = w·(d&sub3;-d&sub2;) des Signales Vx relativ
zum Signal Vy, wobei f die Frequenz des Oszillators ist und w
die Winkelfrequenz des Oszillators ist. Die Beziehung zwischen
dem Ausgangssignal Vz der Inverter/Kombinations-Schaltung 21
und deren Eingangssignalen Vx und Vy kann dem Zeigerdiagramm
von Fig. 3 entnommen werden. Die Phasenverschiebung P zeigt
sich in diesem Zeigerdiagramm als der Winkel P zwischen Vx und
Vy, und der Winkel Q zeigt sich als der Winkel Q zwischen Vz
und Vy. Da sich C von 0 bis 1 verändert, verändert sich die
Phasenverschiebung Q von 0 bis P.
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Diese Phasenverschiebung Q ist gleich einer wirksamen
Verzögerung von Q/2·pi·f von Vz relativ zu Vy. Die Schaltung innerhalb
der gestrichelten Linie 25 ist daher ein invertierendes
variables Verzögerungselement (IVD), welches eine
Phasenverschiebung von pi und eine Verzögerung D einführt, die sich von
d&sub2; für C = 0 bis d&sub3; für C = 1 verändert. Die Schaltung von Fig.
3 ist daher äquivalent der in Fig. 4 gezeigten Schaltung. Die
Frequenz dieses Oszillators ist daher ½(d&sub1; + D), und sie ist
über den Bereich von 1/(d&sub1; + d&sub2;) bis 1/(d&sub1; + d&sub3;) abstimmbar. Bei
bestimmten Ausführungsformen kann eines der
Verzögerungselemente eliminiert werden. Ähnlich kann die
Inverter/Kombinations-Schaltung 21 durch eine Kombinationsschaltung ersetzt
werden, die eine lineare Kombination von Vz = C·Vx + (1-C)·Vy
erzeugt, plus entweder einen Inverter irgendwo im Pfad ABC
oder einen Inverter in jedem der Pfade CDE und CFG.
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In Fig. 5 ist eine Ausführungsform des Oszillators gezeigt,
die eine Kombinationsschaltung 51 und fünf Inverter 52-56
verwendet. Die Schleife ABCGA enthält 5 Inverter, und die
Schleife ABCEA enthält 3 Inverter. Beide Schleifen enthalten
also die erforderliche ungerade Anzahl von Inversionen, um als
ein Ringoszillator zu dienen. Inverter 52, 53 und 54 erzeugen
die Verzögerung d&sub1;. Inverter 54 und 55 erzeugen die Verzögerung
d&sub3;. Die Verzögerung d&sub2; ist bei dieser Ausführungsform im
wesentlichen Null.
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Wenn die Steuerspannung den Kombinationsparameter C auf 0
setzt, zirkulieren alle Signale in der Schleife ABCEA. Diese
Schleife wird als die Hochfrequenz-Schleife bezeichnet, weil
sie nur 3 Inverter enthält und daher für C = 1 die Periode des
Signales gleich der dreifachen Torverzögerung jeder dieser
Inverter ist. Für C = 0 ist die Frequenz daher 1/6Td.
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Wenn die Steuerspannung den Kombinationsparameter C auf 1
setzt, zirkulieren alle Signale in der Schleife ABCGA. Diese
Schleife wird als die Niederfrequenz-Schleife bezeichnet, weil
sie 5 Inverter enthält und weil daher für C = 0 die Frequenz
gleich 1/10Td ist. Da die Phasenverzögerung zwischen den
Punkten C und A sich monoton von 0 bis 2Td ändert, wenn sich C von
0 bis 1 ändert, ändert sich die Frequenz monoton von 1/6Td bis
wenn sich C von 0 bis 1 ändert. Diese Ausführungsform
hat also ein Verhältnis von 5 : 3 zwischen der maximalen und der
minimalen von diesem Oszillator erzeugten Frequenz. Dieser
Oszillator wird daher als ein 3/5-Oszillator bezeichnet.
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Wie oben erläutert, müssen sowohl die Niederfrequenz-Schleife
als auch die Hochfrequenz-Schleife netto eine Inversion
bilden, um zu vermeiden, daß der Oszillator nicht mehr schwingt,
weil sein Signal bei dem positiven oder negativen Extremwert
des Verstärkerbetriebs hängenbleibt. Eine solche Inversion
erfordert jedoch nicht unbedingt eine ungerade Anzahl von
Invertern in beiden Schleifen. In Fig. 6 ist eine
Ausführungsform gezeigt, welche differentielle Inverter verwendet, wobei
in jeder Schleife eine gerade Anzahl von Invertern eingesetzt
ist. Um netto die Inversion zu erhalten, wird die Verdrahtung,
wie gezeigt, zwischen den Invertern 62 und 63 gekreuzt,
zwischen den anderen Elementen jedoch nicht gekreuzt. Bei anderen
Ausführungsformen könnte eine sich überkreuzende Verdrahtung
jedoch zwischen der Kombinationsschaltung 61 und dem Inverter
62 oder zwischen dem Inverter 63 und dem Knoten C auftreten.
Es ist auch nicht notwendig, daß ein Inverterpaar im Pfad CG
verwendet wird. Dieses Inverterpaar kann durch einen
Verstärker ersetzt werden, der die Verstärkung und die Verzögerung
vorsieht. Die sonst von den Invertern 64 und 65 oder, in Fig.
5, von den Invertern 55 und 56 erzeugt würde.
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Das Ausgangssignal kann von dieser Schaltung bei einem
beliebigen Punkt der Verbindung zwischen den Elementen 21-24
abgegriffen werden. Bei der in Fig. 2 gezeigten Ausführungsform
wird das Signal Vz als das Ausgangssignal ausgewählt. Die Wahl
des Ausgangspunktes kann jedoch dazu beitragen, die maximal
von diesem Oszillator erhältliche Frequenz zu erhöhen. Um
diese maximale Frequenz für eine gegebene Anordnung von
Invertern so groß wie möglich zu machen, sollte die Größe der
Belastung der Hochgeschwindigkeits-Schleife ABCEA minimiert
werden. Bei der Ausführungsform von Fig. 5 wird daher die
Ausgangsspannung vom Ausgang des Inverters 56 abgegriffen. Daraus
ergibt sich, daß das Signal am Punkt C verstärkt wird, indem
es durch die Inverter 55 und 56 hindurch geht, bevor es beim
Punkt G abgegriffen wird. Dies resultiert in einer geringeren
Belastung der Hochgeschwindigkeits-Schleife ABCEA als in dem
Fall, daß das Ausgangssignal beim Punkt A abgegriffen wird,
wie in Fig. 2. Ein Verstärker 57 wird in den Ausgangspfad
eingefügt, um die Amplitude des Ausgangssignales Vout
vorzuverstärken. Diese Wahl belastet auch die Niederfrequenz-Schleife
stärker, so daß das Niederfrequenzende abgeschwächt wird,
wodurch der Abstimmbereich etwas vergrößert wird.
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Es sei bemerkt, daß in Fig. 3 der Winkel P sich mit C zwischen
Vy und Vx ändert. Diese Veränderung entsteht. Weil P gleich
2·pi·f (d&sub3;-d&sub2;) ist und weil sich f mit C verändert. Wie in Fig.
6 gezeigt, nimmt die Frequenz in Richtung auf die maximale
Frequenz des Oszillators zu, wenn C gegen Null abnimmt. In
Fig. 7 ist die Situation gezeigt, welche sich ergibt, wenn P
für einen Wert von C in der Nähe von ½ sich an pi annähert.
In diesem Fall wird die Amplitude von Vz klein genug, so daß es
möglich wird, daß die anderen Elemente im Ringoszillator keine
ausreichend große Verstärkung haben, um eine Nettoverstärkung
von mindestens 1 zu erreichen, wie es erforderlich wäre, um
eine Schwingung zu erreichen und aufrechtzuerhalten. In dieser
Situation, d. h. wenn die Amplitude von Vz zu klein wird, wird
der Schaltkreis aufhören zu schwingen.
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Wenn sich P an pi annähert, während C näher bei 0 oder 1 als
bei ½ ist, wird diese signifikante Abnahme der Amplitude von
Vz nicht auftreten. Selbst in diesem Fall werden jedoch
Stabilitätsprobleme des Oszillators entstehen. Wie in Fig. 8
gezeigt, werden dann, wenn zwischen Vx und Vy eine
Phasendifferenz von pi besteht, diese beiden Vektoren kolinear, so daß
sie nicht länger eine Basis für die komplexe Zeigerebene
bilden. Wenn dieser Punkt einmal erreicht ist, während C weiter
verändert wird, bleibt Vz tendenziell kolinear mit dem Vektor
Vy. Während C weiter verändert wird, ändert sich daher die
Amplitude von Vz, die Phasendifferenz Q zwischen Vz und Vy wird
sich jedoch nicht ändern. Wenn C bis zu C = ½ verändert
wird, wird die Amplitude von Vz jedoch auf Null gebracht, so
daß der Oszillator aufhört zu schwingen. Die
Inverter/Kombinations-Schaltung sollte daher im allgemeinen so gewählt werden,
daß P über dem gesamten Betriebsbereich des Oszillators
kleiner ist als pi. Dafür ist notwendig, daß die Anzahl der
Inverter in der Niederfrequenz-Schleife kleiner als zweimal
die Anzahl der Inverter in der Hochfrequenz-Schleife ist. Dies
begrenzt unglücklicherweise den Abstimmbereich auf weniger als
eine Oktave.
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Ein Ringoszillator, der über mehr als eine Oktave abstimmbar
ist, ohne instabil zu werden, kann unter Verwendung mehrerer
Inverter/Kombinations-Schaltungen erzeugt werden. In Fig. 9
ist eine Ausführungsform gezeigt, bei der drei invertierende
variable Verzögerungselemente (IVD) von Fig. 2 in einem Ring
in Reihe geschaltet sind, um einen Ringoszillator mit einem
Frequenzbereich zu bilden, der größer ist als eine Oktave,
ohne instabil zu sein. Für den speziellen Fall, daß das
Element 23 bei dem invertierenden variablen Verzögerungselement
25 weggelassen wird, daß das Verzögerungselement 24 ein
Inverterpaar ist und daß das Inverter/Kombinations-Element aus
einem Kombinationselement in Reihe mit einem Inverter besteht,
führt dieses invertierende variable Verzögerungselement eine
Verzögerung ein, welche von Td bis 3Td veränderbar ist. Wenn
C = 0, geht das Signal durch drei Inverter, so daß die
Hochfrequenz-Schleife eine Verzögerung von 3Td hat. Wenn C = 1,
geht das Signal durch neun Inverter, so daß die
Niederfrequenz-Schleife eine Verzögerung von 9Td hat. Diese Schaltung
zeigt also einen Abstimmbereich von 3 : 1, im Vergleich zum
Abstimmbereich von 5 : 3 des Oszillators von Fig. 5.
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In Fig. 10 ist ein Oszillator gezeigt, bei dem zwei
Inverter/Kombinations-Elemente kaskadenförmig in Verbindung mit
einigen Invertern verschaltet sind, um einen vergrößerten
Abstimmbereich zu erhalten. Diesen Oszillator erhält man, indem
die von den Elementen 55 und 56 in Fig. 5 erzeugte konstante
Verzögerung durch einen nicht invertierenden variablen
Verzögerungsblock aus Elementen ersetzt wird, welche identisch mit
den Elementen 52, 54, 55, 56 und 51 von Fig. 5 sind. Diese
Schaltung besteht aus einem Paar von Kombinationsschaltungen
1001 und 1002 plus einem Satz von sieben Invertern 1003 bis
1009.
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Daß diese Schaltung einen vergrößerten Frequenzabstimmbereich
vorsieht, ergibt sich aus folgendem. Wenn C = 1, sprechen die
Kombinationsschaltungen 1001 und 1002 nicht auf ihre
x-Eingänge an. Das Oszillatorsignal geht daher nur durch die
Schleife, die aus den Elementen 1001 und 1003 bis 1005
besteht. Dies ist die Hochfrequenz-Schleife, und sie enthält
drei Inverter, so daß die maximale Frequenz 1/6Td ist. Wenn
C = 0, sprechen die Schaltungen 1001 und 1002 nicht auf ihre
y-Eingänge an, so daß das Oszillatorsignal nur durch die
Niederfrequenz-Schleife geht, welche aus den Elementen 1001, 1003
bis 1008, 1002 und 1009 in Reihe besteht. Diese
Niederfrequenz-Schleife enthält alle sieben Inverter, so daß die
minimale Frequenz dieses Oszillators 1/14Td ist. Der Abstimmbereich
dieses Oszillators ist daher 7 : 3. Um zu verdeutlichen, daß für
Zwischenwerte von C Zwischenfrequenzen erzeugt werden, kann
die folgende einfache Analyse zeigen, daß für C = ½ die
Schleifenverzögerung 4,5 ist, so daß die Frequenz, welche in
der Mitte des Abstimmbereiches liegt, 1/9Td ist. Wenn C = ½,
erzeugen beide Inverter eine gleiche Mischung ihrer
Eingangssignale, so daß jeder ein Ausgangssignal mit einer Phase
in der Mitte zwischen den Phasen seiner Eingangssignale hat.
Beginnend an der oberen rechten Ecke dieser Schaltung als
Bezugsphase Null bis zum Ausgang jedes der Inverter 1004 bis
1008 muß das Signal durch jeden der vorhergehenden Inverter in
diesem Pfad gehen. Die Phasenverzögerung am Ausgang jedes der
fünf Inverter ist daher einmal, zweimal, dreimal, viermal bzw.
fünfmal Td. Da die Kombinationsschaltungen 1001 und 1002
jeweils an ihren Ausgängen eine gleiche Mischung ihrer beiden
Eingangssignale erzeugen, ist die Ausgangsphase der Mittelwert
der Phasen ihrer beiden Eingangssignale. Die Verzögerung am
Ausgang des Kombinationselementes 1002 ist daher 4, was
bedeutet, daß die Verzögerung am x-Eingang der
Kombinationsschaltung 1001 5 ist. Diese Verzögerung an ihrem x-Eingang und
die Verzögerung von 2Td an ihrem y-Eingang bedeuten, daß die
Verzögerung am Ausgang der Kombinationsschaltung 1001 gleich
3,5 ist. Die Gesamtverzögerung ist daher 4,5 Td.
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Der allgemeine Aufbau dieses Oszillators mit vergrößertem
Abstimmbereich ist in Fig. 11 gezeigt. Diese Schaltung hat N
Kaskadenstufen. Die erste Stufe enthält eine
Kombinationsschaltung 1111, einen Inverter 1112 und ein
Verstärkungs-Verzögerungs-Element 1113, welches sowohl eine Verstärkung als
auch eine Verzögerung des durch dieses hindurchgehende Signal
vorsieht. In den k-ten Stufe, für k = 2, . . . ., N, wobei N eine
natürliche Zahl ist, gibt es eine Kombinationsschaltung 11k1
und ein Paar von Verstärkungs/Verzögerungs-Elementen 11k2 und
11k3. Ferner gibt es ein zusätzliches
Verstärkungs/Verzögerungs-Element 11N4. Bei der in Fig. 10 gezeigten
Ausführungsform ist jedes der Verstärkungs/Verzögerungs-Elemente ein
Inverter. Im allgemeinen müssen für k = 2 bis N-1 die Elemente
11k2 und 11k3 entweder beide invertierend oder beide nicht
invertierend sein. Das Element 11N4 ist immer nicht
invertierend. Die Verzögerung für jedes der Elemente 11k3 kann frei
von dem Designer gewählt werden, im allgemeinen ist es jedoch
vorteilhaft, mit einer Zunahme von k eine zunehmende
Verzögerung zu haben. Die Verstärkung und die Verzögerung der
Elemente 11k2, für k = 2, . . . , N-1, ergibt sich im allgemeinen
aus der Verstärkung und der Verzögerung, die bei realen, nicht
idealisierten Kombinationsschaltungen 11k1 entstehen.
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Tatsächliche Ausführungsformen von Ringoszillatoren gemäß
dieser Erfindung sind in Fig. 12 und 13 gezeigt. In Fig. 12
sind die Inverter/Kombinations-Zelle und der Inverter mit
bipolaren Elementen realisiert. In Fig. 13 ist der Oszillator
unter Verwendung von Feldeffekttransistoren realisiert.