ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЙ ИНТЕГРАЛЬНЫЙ КОЛЬЦЕВОЙ ГЕНЕРАТОР Российский патент 1998 года по МПК H03B5/18 H03L1/02 

Изобретение относится к полупроводниковому интегральному кольцевому генератору.

Во многих интегральных схемах техники дальней связи необходимы генераторы, работающие в диапазоне частот от нескольких сотен мегагерц до нескольких гигагерц. Такие схемы могут изготавливаться с помощью современных биполярных кремниевых или также МОП-полупроводниковых технологий в виде кольцевых генераторов без внешних элементов на одном кристалле интегральной схемы (WO 95/06356). При этом частота колебаний, однако, сильно зависит от рабочей температуры кристалла интегральной схемы и от рассеяний параметров полупроводника. Применение генераторов с небольшой собственной точностью поэтому требует, например, таких сложных вспомогательных схем восстановления тактовой последовательности, как опорные контуры фазовой подстройки (IEEE J. of Solid-State Circuits, 28(1993)12, 1310... 1313) или соответственно внешних компонентов, как кварцевые кристаллы (IEEE 1991 Bipolar Circuits and Technology Meeting 12.4, 293... 296), которые делают всю схему более сложной и удорожают конструкцию. Далее необходимым является большой диапазон перестройки генератора, чтобы иметь возможность отрегулирования начальных отклонений частоты, что приводит к повышенному фазовому шуму (Jitter) и при очень высоких частотах (выше 5 ГГц) является также сложно реализуемым.

Также и при применении термокомпрессионных контактных проводов в качестве определяющих частоту элементов генератора (ELECTRONICS LETTERS, 30(1994)3, 244. . . 245) вследствие технологических допусков при термокомпрессии нельзя ожидать собственной точности, которая была бы достаточной для схемы восстановления тактовой последовательности без опорного контура фазовой подстройки или соответственно внешней компенсации.

Изобретение показывает по сравнению с этим другой путь к менее сложному схемному решению генератора высокой точности.

Изобретение относится к полупроводниковому интегральному кольцевому генератору с возбудителем линии (драйвером) и двойной линией обратной связи; этот генератор отличается согласно изобретению тем, что двойная линия с как можно большим временем прохождения и возбудитель линии с как можно малым временем задержки объединены на одном и том же кристалле интегральной схемы, причем в дальнейшем развитии изобретения время прохождения двойной линии является больше, чем (и как можно большой по отношению) время задержки возбудителя линии. Чем меньше время задержки возбудителя линии и чем больше по сравнению с ним время прохождения двойной линии, тем большей является независимость частоты генератора от обусловленных параметрами и температурой изменений времени задержки возбудителя линии.

Изобретение имеет то преимущество, что при применении в схемах восстановления тактовой последовательности в случае обычных, выполненных только из инверторов (в качестве определяющих частоту элементов) кольцевых генераторов затраты, необходимые на предварительную настройку, например, с помощью опорного контура фазовой подстройки, становятся излишними.

Здесь следует заметить, что (radio fernsehen elektronik 29 (1980)9, 596-597) является известным, что генератор может быть выполнен в качестве инвертирующего усилителя с накопителем времени прохождения в обратной связи, время задержки которого должно быть по меньшей мере таким большим, чтобы реакция инверторного выхода на входной фронт через обратную связь наступала только после окончания входного фронта, причем частота колебаний при несоблюдении времени переключения инвертора соответствует обратному значению двойного времени задержки накопителя времени прохождения и уменьшается в соответствии с долей за счет всех временных процессов инвертора. Какого-либо указания на объединение двойной линии обратной связи с как можно большим временем прохождения и возбудителя линии с как можно малым временем задержки на одном и том же кристалле интегральной схемы при этом не дано.

На фиг. 1 показана принципиальная схема кольцевого генератора линии согласно изобретению; на фиг. 2 - блок-схема генератора согласно изобретению; на фиг. 3 - схемно-технические особенности возбудителя линии (драйвера).

Фиг. 1 показывает схематически в объеме, необходимом для понимания изобретения, выполненный на одном кристалле интегральной схемы С кольцевой генератор линии с возбудителем линии В и проходящей на кристалле двойной линией L, которая осуществляет обратную связь с инвертированием выходов Q', Q'' возбудителя линии B с его входами I', I''. Такой кольцевой генератор линии может быть реализован, например, в Сименс-B6HF-биполярной технологии. Длительность периода полученных колебаний получается как двойная величина суммы из времени задержки T_B возбудителя линии B и времени прохождения T_L двойной линии L. Время прохождения T_L линии L зависит в первую очередь от очень хорошо воспроизводимой длины линии и едва ли имеющей рассеяние диэлектрической проницаемости двуокиси кремния; частота колебаний таким образом выполненного кольцевого генератора поэтому мало зависит от колебаний температуры и параметров. Чтобы быть как можно больше независимым от зависящего от температуры и параметров времени задержки T_В возбудителя линии B, T_B должно быть как можно малым, а T_L как можно большим.

Например, возбудитель линии B для получения колебания 5 ГГц должен быть охвачен обратной связью двойной линией L порядка 7 мм длиной, которая образована имеющими ширину 2 мкм алюминиевыми полосками с расстоянием между ними 2 мкм (в частности, в третьем слое алюминия), проходит на имеющей потенциал корпуса металлической поверхности (в частности, первый слой алюминия) и имеет волновое сопротивление порядка 50 Ом; время прохождения составляет порядка 70 пс. Линия ведет после пересечения к входу возбудителя линии В, который в рассмотренном примере имеет время задержки порядка 30 пс.

Полученный в генераторе B, L сигнал целесообразно направляется через выходной усилитель A к выходу OUT', OUT'' схемы генератора (фиг. 2). Возбудитель линии B и выходной усилитель A при этом могут быть реализованы подобным образом со схемой возбуждения, которая, например, схематично показана на фиг. 3.

В представленной на фиг. 3 схеме возбуждения линии уровни сигналов обратной связи на двойной линии L (фиг.1, 2) сдвигают с помощью питаемых от источника тока транзисторов Q1, Q3, Q5 или соответственно Q2, Q4, Q6 и затем подводят к дифференциальному усилителю с двумя эмиттерно-связанными транзисторами Q17, Q18, выходы которого образуют выходы возбудителя. Транзисторами Q15, Q16 и Q7 и сопротивлениями R5, R6 и R7 создается устанавливаемое на выводе R напряжение смещения для транзисторов источника тока Q8 - Q14.

Для примера выполнения на фиг. 3 указаны значения сопротивления в омах, причем сопротивления R17, R18 в возбудителе линии в целесообразно имеют значение сопротивления 100 Ом, а в выходном усилителе А значение сопротивления 50 Ом; указанные на фиг.3 значения тока справедливы для полного управления схемы на входе R.

В случае образованного такой схемой возбуждения линии кольцевого генератора линии частота генератора в температурном диапазоне от 25 до 125^oC и указываемом изготовителями полупроводников диапазоне рассеяния технологических параметров может колебаться вокруг 2, 5%. Такая высокая точность является решающе важной для применения в схемах восстановления тактовой последовательности.

Чувствительность частоты генератора по сравнению с относительными изменениями тока возбудителя линии составляет около 0,1, т.е. при изменении тока в 10% частота колебаний изменяется на 1%. При использовании в контуре фазовой подстройки (например, для восстановления тактовой последовательности) генератор, таким образом, за счет соответствующего управления возбудителя линии В со своего управляющего входа R (фиг. 2, 3) может настраиваться на определенную частоту приема.

На частоту колебаний можно оказывать воздействие также тем, что линия L (фиг. 1, 2) нагружается управляемыми емкостями. Это может, например, происходить с зависящими от напряжения барьерными емкостями, как это также показано на фиг. 3. Согласно фиг. 3 транзисторы QL1 и QL2 нагружают своей коллекторной барьерной емкостью выходы Q' и Q'' и вызывают тем самым дополнительную задержку сигнала. Если текущий через эти транзисторы постоянный ток увеличивается с управляющего входа q, то за счет дополнительного падения напряжения на выходных сопротивлениях дифференциального усилителя R18 и R17 уменьшается среднее напряжение на выходах возбудителя Q' и Q''. В результате, таким образом, меньшего напряжения коллектор-база увеличивается коллекторная барьерная емкость как нагрузочных транзисторов QL1 и QL2, так и транзисторов переключателя тока Q18 и Q17, и замедление становится больше. Входы возбудителя I' и I'' при этом целесообразно охвачены емкостной связью на линии L (фиг. 1, 2), чтобы избежать, чтобы потенциал базы транзисторов переключателя тока Q18 и Q17 стал слишком малым. Без необходимости здесь детального представления этого, в частности, также на всем протяжении линии L могут быть распределены другие барьерные емкости.

Полупроводниковый интегральный кольцевой генератор выполнен с возбудителем линии и проходящей на том же самом кристалле интегральной схемы двойной линией, причем время прохождения двойной линии выбрано как можно большим, а время задержки возбудителя линии как можно малым, двойная линия может быть нагружена управляемыми емкостями. 7 з.п.ф-лы, 3 ил.

1. Полупроводниковый интегральный кольцевой генератор с возбудителем линии и двойной линией обратной связи, отличающийся тем, что двойная линия с возможно большим временем прохождения и возбудитель линии с возможно малым временем задержки объединены на одном и том же кристалле интегральной схемы. 2. Генератор по п.1, отличающийся тем, что длительность периода полученного колебания генератора соответствует двойной величине суммы из времени задержки возбудителя линии и времени прохождения двойной линии. 3. Генератор по п.1 или 2, отличающийся тем, что время прохождения двойной линии больше, чем время задержки возбудителя линии. 4. Генератор по одному из пп.1 - 3, отличающийся тем, что перед выходом генератора включен выходной усилитель сигнала генератора, который на стороне входа соединен с двойной линией. 5. Генератор по п.4, отличающийся тем, что возбудитель линии и выходной усилитель реализованы на подобных между собой схемах возбуждения. 6. Генератор по одному из пп.1 - 5, отличающийся тем, что двойная линия выполнена в виде двух проводящих дорожек, проходящих рядом одна с другой на включенной на потенциал корпуса металлической поверхности. 7. Генератор по одному из пп.1 - 6, отличающийся тем, что двойная линия имеет емкостную нагрузку. 8. Генератор по п.7, отличающийся тем, что к двойной линии подключены схемные элементы, имеющие характеристику управляемых емкостей.