Integrované obvody CMOS - Ročníková práce Elektrotechnologie

Možnou alternativu oproti VCO s laděnými LC obvody představují relaxační oscilátory. Jejich činnost spočívá v opakovaném nabíjení a vybíjení akumulačního prvku (obvykle kondenzátoru) mezi dvěma předem nastavenými napěťovými úrovněmi. Základní zapojení relaxačního oscilátoru řízeného napětím představujte multivibrátor. Multivibrátor se skládá ze dvou spínacích prvků - tranzistorů a akumulačního prvku - kondenzátoru. Kondenzátory s malými kapacitami mohou být realizovány přímo na čipu, avšak zabírají poměrně velkou plochu čipu, a proto je multivibrátorové zapojení nevhodné pro technologii CMOS. Tyto obvody se obvykle používají v technologii BiCMOS pro kmitočty nad 2GHz.

Požadavky na integraci VCO na čip a současně eliminaci jakýchkoli pasivních součástek, jak externích tak interních, vede k použití kruhových oscilátorů (ring oscillator). Tyto obvody patří také do skupiny relaxačních oscilátorů, kde však akumulační prvek je tvořen parazitními kondenzátory v aktivních uzlech v obvodu.

8.3 Kruhový oscilátor

Nejjednodušší zapojení kruhového oscilátoru představuje lichý počet invertorů zapojených do kruhu (obr.13). Kmitočet kruhového oscilátoru je nepřímo úměrný zpoždění každého z invertorů. Zpoždění invertorů závisí na parazitních kapacitách (na obr.13 označených Cp), které jsou přítomny na každém aktivním uzlu obvodu. Tyto kapacity jsou úměrné rozměrům jednotlivých tranzistorů v invertoru, tedy šířce a délce jejich kanálu. Za předpokladu, že všechny invertory v kruhu mají shodné rozměry je kmitočet kruhového oscilátoru roven :

kde N je počet invertorů v kruhu.

Současné technologie CMOS se submikronovou šířkou kanálu umožňují dosahovat kmitočty v oblasti GHz. Pro svoji jednoduchost se toto zapojení často používá jako testovací struktura na čipu při určení nejmenšího zpoždění základního prvku, invertoru, v nové technologii. Na čip se umístí kruhový oscilátor s velkým počtem invertorů s nejmenšími rozměry tranzistorů. Z výsledného změřeného kmitočtu se potom vypočte minimální zpoždění invertoru pro danou technologii s pomocí předcházejícího vztahu.

Obr. 13. Kruhový oscilátor s parazitními kapacitami

Toto jednoduché schéma lze snadno modifikovat na oscilátor řízený napětím omezením proudu v dolní i horní větvi invertoru s pomocí dvou přídavných tranzistorů Mcp, Mcn v každém invertoru, jak je vidět z obr.14. Tyto tranzistory slouží jako řízené proudové zdroje určující maximální proud, který slouží k nabíjení parazitních kapacit na výstupu invertoru. Pokud se takto modifikují všechny invertory v kruhu lze plynule měnit kmitočet celého oscilátoru ve velkém rozsahu. Tato metoda řízení kruhového oscilátoru však umožňuje pouze omezování napájecího proudu, což vede ke snižování maximálního kmitočtu dosažitelného bez řídicích tranzistorů. Jelikož je proud tranzistory invertoru Mp a Mn omezen, často se v odborné literatuře tento typ VCO označuje jako "hladovějící" kruhový oscilátor (current starving ring oscillator).