CN109818575A - 温度补偿型石英振荡器以及电子设备 - Google Patents

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Abstract

提供温度补偿型石英振荡器以及电子设备。该温度补偿型石英振荡器具有：石英振子；第一和第二MOS型可变电容元件，它们分别具有与石英振子的第一或第二电极电连接的一端；温度补偿电路，其将与温度对应地变化的温度补偿电压施加到第一和第二MOS型可变电容元件的另一端，第一MOS型可变电容元件具有：第一背栅，其配置在半导体衬底内；以及N型的第一栅电极，其隔着绝缘膜配置在第一背栅上；第二MOS型可变电容元件具有：第二背栅，其配置在半导体衬底内，具有与第一背栅相同的导电类型；以及P型的第二栅电极，其隔着绝缘膜配置在第二背栅上。

Description

温度补偿型石英振荡器以及电子设备
技术领域
本发明涉及使用可变电容元件对振荡频率进行温度补偿的温度补偿型石英振荡器。并且，本发明还涉及使用了这种温度补偿型石英振荡器的电子设备等。
背景技术
在温度补偿型石英振荡器(TCXO)中，为了对振荡频率进行温度补偿，例如，使用了MOS型可变电容元件(MOS电容器)，作为使电容值根据所施加的电压发生变化的可变电容元件。在MOS型可变电容元件中，为了扩大电容值的可变范围，考虑减薄栅绝缘膜。但是，当使栅绝缘膜变薄时栅极泄漏会增加，因此减薄栅绝缘膜存在限度。因此，使多个MOS型可变电容元件在相互不同的偏置区域进行动作。
例如，第一MOS型可变电容元件和第二MOS型可变电容元件经由石英振子以交流方式并联连接，向第一MOS型可变电容元件的一端施加第一偏置电压，向第二MOS型可变电容元件的一端施加与第一偏置电压不同的第二偏置电压。此外，通过向第一和第二MOS型可变电容元件的另一端施加温度补偿电压，使第一和第二MOS型可变电容元件在相互不同的偏置区域中进行动作，因此能够扩大温度补偿型石英振荡器的振荡频率的可变范围。
但是，在该情况下，为了生成相互不同的两种偏置电压，需要使偏置电压移位的偏置电路，因此会使电路规模增大而导致温度补偿型石英振荡器的成本上升。并且，由于偏置电路成为噪声产生源，所以难以提高温度补偿型石英振荡器的振荡特性。
作为相关的技术，在日本特开平11-88052号公报中公开了如下的温度补偿型石英振荡器：其在使用电压范围内的频率调整范围较大，能够简化用于温度补偿的控制信号的产生电路，即使在控制信号的窄电压范围内，温度补偿范围也很宽。该温度补偿型石英振荡器具有：石英振荡电路，其具有AT切割石英振子和作为振荡频率调整用的可变电容的MOS型电容器；温度补偿用的第一控制信号产生电路，其与MOS型电容器的一个端子连接；以及温度补偿用的第二控制信号产生电路，其与MOS型电容器的另一个端子连接。
在日本特开平11-88052号公报的温度补偿型石英振荡器中，只使用1个MOS型电容器，但需要第一控制信号产生电路和第二控制信号产生电路来用于温度补偿，因此会使电路规模增大而导致温度补偿型石英振荡器的成本上升。并且，由于控制信号产生电路成为噪声产生源，因此难以提高温度补偿型石英振荡器的振荡特性。
发明内容
因此，鉴于上述情况，本发明的第一目的在于，提供不用为了生成施加到MOS型可变电容元件的电压而使电路规模增大，并且能够扩大振荡频率的可变范围的温度补偿型石英振荡器。并且，本发明的第二目的在于，提供使用了这种温度补偿型石英振荡器的电子设备等。
为了解决以上课题的至少一部分，本发明的第一观点的温度补偿型石英振荡器具有：石英振子，其具有第一电极和第二电极；第一MOS型可变电容元件，其具有与石英振子的第一电极或第二电极电连接的一端；第二MOS型可变电容元件，其具有与石英振子的第一电极或第二电极电连接的一端；以及温度补偿电路，其将与温度对应地变化的温度补偿电压施加到第一MOS型可变电容元件和第二MOS型可变电容元件的另一端，第一MOS型可变电容元件具有：第一背栅，其配置在半导体衬底内；以及N型的第一栅电极，其隔着绝缘膜配置在第一背栅上，第二MOS型可变电容元件具有：第二背栅，其配置在半导体衬底内，具有与第一背栅相同的导电类型；以及P型的第二栅电极，其隔着绝缘膜配置在第二背栅上。
根据本发明的第一观点，由于具有N型的第一栅电极的第一MOS型可变电容元件和具有P型的第二栅电极的第二MOS型可变电容元件具有相互不同的平带电压，所以通过将第一和第二MOS型可变电容元件以交流方式并联连接，不用为了生成施加到MOS型可变电容元件的电压而使电路规模增大，并且能够扩大振荡频率的可变范围。
并且，本发明的第二观点的温度补偿型石英振荡器具有：石英振子，其具有第一电极和第二电极；第一MOS型可变电容元件，其具有与石英振子的第一电极或第二电极电连接的一端；第二MOS型可变电容元件，其具有与石英振子的第一电极或第二电极电连接的一端；以及温度补偿电路，其将与温度对应地变化的温度补偿电压施加到第一MOS型可变电容元件和第二MOS型可变电容元件的另一端，第一MOS型可变电容元件具有：第一背栅，其配置在半导体衬底内；以及第一栅电极，其隔着绝缘膜配置在第一背栅上，包含N型部分和P型部分，第二MOS型可变电容元件具有：第二背栅，其配置在半导体衬底内，具有与第一背栅相同的导电类型；以及第二栅电极，其隔着绝缘膜配置在第二背栅上，包含N型部分和P型部分。
根据本发明的第二观点，由于第一和第二MOS型可变电容元件在第一和第二栅电极的N型部分和P型部分中具有相互不同的平带电压，所以通过将第一和第二MOS型可变电容元件以交流方式并联连接，不用为了生成施加到MOS型可变电容元件的电压而使电路规模增大，并且能够扩大振荡频率的可变范围。
本发明的第一或第二观点的温度补偿型石英振荡器还可以具有放大电路，该放大电路连接在石英振子的第一电极与第二电极之间并进行反相放大动作。由此，石英振子被插入到放大电路的反馈环中，因此放大电路能够利用石英振子的谐振特性来进行振荡动作。
并且，第一MOS型可变电容元件的第一栅电极和第二MOS型可变电容元件的第二栅电极也可以分别与石英振子的第一电极和第二电极电连接，温度补偿电路向第一MOS型可变电容元件的第一背栅和第二MOS型可变电容元件的第二背栅供给温度补偿电压。在该情况下，由于向第一和第二背栅供给相同的温度补偿电压，因此还能够使第一和第二背栅一体化。
此外，本发明的第3的观点的电子设备具有上述任意的温度补偿型石英振荡器。根据本发明的第3观点，能够低成本地提供如下的电子设备：能够使用不用为了生成施加到MOS型可变电容元件的电压而使电路规模增大、并且扩大了振荡频率的可变范围的温度补偿型石英振荡器，在较宽的温度范围内进行准确的动作。
附图说明
图1是示出本发明第一实施方式的温度补偿型石英振荡器的结构例的电路图。
图2是示出图1所示的第一MOS型可变电容元件的结构例的剖视图。
图3是示出图1所示的第二MOS型可变电容元件的结构例的剖视图。
图4是示出以往的温度补偿型石英振荡器的电容变化例的图。
图5是示出第一实施方式的温度补偿型石英振荡器的电容变化例的图。
图6是示出第二实施方式的MOS型可变电容元件的结构例的剖视图。
图7是示出第二实施方式的温度补偿型石英振荡器的电容变化例的图。
图8是示出本发明一个实施方式的电子设备的结构例的框图。
具体实施方式
以下，参照附图对本发明的实施方式进行详细说明。另外，对相同的构成要素赋予相同的参照标号，并省略重复的说明。
<第一实施方式>
图1是示出本发明第一实施方式的温度补偿型石英振荡器的结构例的电路图。该温度补偿型石英振荡器(TCXO)被供给高电位侧的电源电位VDD、和比电源电位VDD低的低电位侧的电源电位VSS(在图1所示的例子中为接地电位0V)而进行振荡动作，从而生成振荡信号OSC。
如图1所示，温度补偿型石英振荡器包含振荡电路10和温度补偿电路20。振荡电路10包含石英振子11、恒流源12、NPN双极晶体管QB1、电阻R1和R2、第一MOS型可变电容元件CV1、第二MOS型可变电容元件CV2以及电容器C1。这里，温度补偿型石英振荡器的除石英振子11以外的构成要素的至少一部分也可以内置在半导体装置(IC)中。
石英振子11具有第一电极11a和第二电极11b。晶体管QB1和电阻R1连接在石英振子11的第一电极11a与第二电极11b之间而构成了进行反相放大动作的放大电路。由此，石英振子11被插入到放大电路的反馈环中，因此放大电路能够利用石英振子11的谐振特性来进行振荡动作。另外，作为放大电路，也可以使用反相器等其他电路。
晶体管QB1具有：集电极，其与石英振子11的第一电极11a连接；发射极，其与电源电位VSS的布线连接；以及基极，其与石英振子11的第二电极11b连接。恒流源12例如包含电流镜电路，构成电流镜电路的一个晶体管向晶体管QB1的集电极供给恒定电流。电阻R1连接在晶体管QB1的集电极与基极之间，向晶体管QB1供给基极电流。
第一MOS型可变电容元件CV1具有与石英振子11的第一电极11a或第二电极11b电连接的一端。并且，第二MOS型可变电容元件CV2具有与石英振子11的第一电极11a或第二电极11b电连接的一端。在图1所示的例子中，第一MOS型可变电容元件CV1的一端与石英振子11的第一电极11a电连接，第二MOS型可变电容元件CV2的一端与石英振子11的第二电极11b电连接。
或者，也可以设置一端与石英振子11的第一电极11a电连接的1组第一MOS型可变电容元件CV1和第二MOS型可变电容元件CV2、以及一端与石英振子11的第二电极11b电连接的另1组第一MOS型可变电容元件CV1和第二MOS型可变电容元件CV2。电容器C1连接在第一MOS型可变电容元件CV1和第二MOS型可变电容元件CV2的另一端与电源电位VSS的布线之间。
当晶体管QB1进行反相放大动作时，在集电极处生成的振荡信号OSC经由并联连接的石英振子11和电阻R1被反馈到基极。此时，石英振子11根据晶体管QB1所施加的交流电压来进行振动。该振动在固有的谐振频率下被较大程度地激励，石英振子11作为负电阻来进行动作。
其结果是，振荡电路10主要按照由石英振子11的谐振频率确定的振荡频率来进行振荡。不过，通过变更第一MOS型可变电容元件CV1和第二MOS型可变电容元件CV2的电容值，能够对振荡电路10的振荡频率进行微调。第一MOS型可变电容元件CV1和第二MOS型可变电容元件CV2的电容值根据施加在它们的两端之间的电压而变化。
温度补偿电路20包含温度传感器，将与温度对应地变化的温度补偿电压VC经由电阻R2施加到第一MOS型可变电容元件CV1和第二MOS型可变电容元件CV2的另一端。温度传感器例如包含PN结二极管、晶体管或热敏电阻、以及放大电路，该温度传感器检测周围的温度并输出检测信号。温度补偿电路20例如将表示为温度传感器所检测的温度的一次函数的电压和表示为该温度的3次函数的电压相加，从而生成将石英振子11的谐振频率的温度特性抵消的温度补偿电压VC。
图2是示出图1所示的第一MOS型可变电容元件的结构例的剖视图。如图2所示，例如，在由包含P型杂质的硅(Si)构成的P型的半导体衬底40内配置有N阱41、P阱42和43。并且，在N阱41内配置有用于向N阱41供给温度补偿电压VC的N型接触区域(N+)，在P阱42和43内配置有用于经由P阱42和43向半导体衬底40供给电源电位VSS的P型接触区域(P+)。
第一MOS型可变电容元件CV1具有：第一背栅，其由配置在半导体衬底40内的N阱41构成；以及N型第一栅电极61，其隔着绝缘膜(栅绝缘膜)51配置在第一背栅上。第一栅电极61例如由包含N型杂质的多晶硅构成。这里，绝缘膜51与第一栅电极61之间的边界处的有效固定电荷密度是通过将第一栅电极61的平带电压偏移与绝缘膜51的电容相乘而求出的。
通常，将半导体衬底的表面电势为零并且半导体衬底的带已经变平的状态称为“平带”。在理想的情况(在绝缘膜的界面和绝缘膜中不存在电荷的情况)下，由于半导体衬底的费米能级与栅电极的功函数之差，即使栅电压为0V也不会成为平带。通过向栅电极施加相当于它们之差的电压来成为平带，该栅电压是理想的平带电压。并且，将与理想情况之间的电压差称为“平带电压偏移”。
图3是示出图1所示的第二MOS型可变电容元件的结构例的剖视图。如图3所示，在P型的半导体衬底40内配置有N阱44、P阱45和46。此外，在N阱44内配置有用于向N阱44供给温度补偿电压VC的N型接触区域(N+)，在P阱45和46内配置有用于经由P阱45和46向半导体衬底40供给电源电位VSS的P型接触区域(P+)。
第二MOS型可变电容元件CV2具有：第二背栅，其由配置在半导体衬底40内的N阱44构成；P型第二栅电极62，其隔着绝缘膜(栅绝缘膜)52配置在第二背栅上。第二栅电极62例如由包含P型杂质的多晶硅构成。这里，绝缘膜52与第二栅电极62之间的界面处的有效固定电荷密度是通过将第二栅电极62的平带电压偏移与绝缘膜52的电容相乘而求出的。
参照图1～图3，第一MOS型可变电容元件CV1的第一栅电极61和第二MOS型可变电容元件CV2的第二栅电极62分别与石英振子11的第一电极11a和第二电极11b电连接。并且，温度补偿电路20向第一MOS型可变电容元件CV1的第一背栅和第二MOS型可变电容元件CV2的第二背栅供给温度补偿电压VC。在该情况下，由于向第一和第二背栅供给相同的温度补偿电压VC，所以还能够使第一和第二背栅一体化。
即，在图2和图3中，N阱41和N阱44可以一体化。此外，P阱42和P阱45可以一体化，P阱43和P阱46可以一体化。或者，第一和第二背栅也可以由配置在N型的半导体衬底或N阱内的至少1个P阱构成。在该情况下，温度补偿电压VC的极性被反转。无论如何，第二MOS型可变电容元件CV2的第二背栅需要具有与第一MOS型可变电容元件CV1的第一背栅相同的导电类型。
图4是示出以往的温度补偿型石英振荡器的电容变化例的图，图5是示出本发明第一实施方式的温度补偿型石英振荡器的电容变化例的图。在图4和图5中，横轴表示温度补偿电压，纵轴是将第一和第二MOS型可变电容元件的电容以及它们的合成电容标准化后示出的。
当使MOS型可变电容元件的栅电压逐步上升时，形成于阱(例如，图2或图3所示的N阱41或44)的耗尽层逐渐扩大，MOS型可变电容元件的电容值逐渐减小。并且，当MOS型可变电容元件的栅电压上升到某种程度时，耗尽层的扩大便饱和，MOS型可变电容元件的电容值接近恒定值。
在以往的温度补偿型石英振荡器中使用的第一MOS型可变电容元件CP1和第二MOS型可变电容元件CP2具有相同的构造。向第一MOS型可变电容元件CP1的一端施加第一偏置电压，向第二MOS型可变电容元件CP2的一端施加第二偏置电压。并且，向第一MOS型可变电容元件CP1的另一端和第二MOS型可变电容元件CP2的另一端施加温度补偿电压。
例如，通过使第二偏置电压比第一偏置电压高1V，第二MOS型可变电容元件CP2的电容变化曲线相对于第一MOS型可变电容元件CP1的电容变化曲线向图4中的右方偏移1V。图4所示的合成电容是通过将以交流方式并联连接的第一MOS型可变电容元件CP1的电容和第二MOS型可变电容元件CP2的电容相加而得到的。
另一方面，在图1所示的温度补偿型石英振荡器中使用的第一MOS型可变电容元件CV1和第二MOS型可变电容元件CV2根据栅电极的导电类型的不同而具有相互不同的平带电压。因此，即使在向第一MOS型可变电容元件CV1的一端和第二MOS型可变电容元件CV2的一端施加了相同的直流电压，且向第一MOS型可变电容元件CV1的另一端和第二MOS型可变电容元件CV2的另一端施加了温度补偿电压的情况下，第一MOS型可变电容元件CV1的电容变化曲线和第二MOS型可变电容元件CV2的电容变化曲线也在图5中的横轴方向上偏移。图5所示的合成电容是通过将以交流方式并联连接的第一MOS型可变电容元件CV1的电容和第二MOS型可变电容元件CV2的电容相加而得到的。
这样，根据本实施方式，由于具有N型的第一栅电极61(图2)的第一MOS型可变电容元件CV1和具有P型的第二栅电极62(图3)的第二MOS型可变电容元件CV2具有相互不同的平带电压，所以通过将第一MOS型可变电容元件CV1和第二MOS型可变电容元件CV2以交流方式并联连接，不用为了生成施加到MOS型可变电容元件的电压而使电路规模增大，并且能够扩大振荡频率的可变范围。
<第二实施方式>
在本发明的第二实施方式中，在图1所示的温度补偿型石英振荡器中使用的第一MOS型可变电容元件CV1和第二MOS型可变电容元件CV2的结构与第一实施方式不同。对于其他方面，第二实施方式可以与第一实施方式相同。
图6是示出在第二实施方式中使用的MOS型可变电容元件的结构例的剖视图。如图6所示，在P型的半导体衬底40内配置有N阱47以及P阱48和49。此外，在N阱47内配置有用于向N阱47供给温度补偿电压VC的N型接触区域(N+)，在P阱48和49内配置有用于经由P阱48和49向半导体衬底40供给电源电位VSS的P型接触区域(P+)。
例如，第一MOS型可变电容元件CV1具有：第一背栅，其由配置在半导体衬底40内的N阱47构成；以及第一栅电极63，其隔着绝缘膜(栅绝缘膜)53配置在第一背栅上。第一栅电极63包含N型部分63a和P型部分63b，例如，由在规定的部分中包含P型杂质且在其以外的部分中包含N型杂质的多晶硅构成。
同样，第二MOS型可变电容元件CV2也包含：第二背栅，其由配置在半导体衬底40内的N阱构成；以及第二栅电极，其隔着绝缘膜配置在第二背栅上。第二栅电极包含N型部分和P型部分。不过，第二栅电极的N型部分与P型部分的俯视观察时的面积比也可以与第一MOS型可变电容元件CV1中的不同。
图7是示出本发明第二实施方式的温度补偿型石英振荡器的电容变化例的图。在图7中，横轴表示温度补偿电压，纵轴是对第一和第二MOS型可变电容元件的合成电容进行标准化后示出的。在第一和第二MOS型可变电容元件的第一和第二栅电极中，N型部分与P型部分的俯视观察时的面积比为4：1。
由于在栅电极的N型部分和P型部分中平带电压是不同的，所以图6所示的MOS型可变电容元件的电容变化曲线处于具有N型栅电极的MOS型可变电容元件的电容变化曲线和具有P型栅电极的MOS型可变电容元件的电容变化曲线的中间状态。图7所示的合成电容是将以交流方式并联连接的第一MOS型可变电容元件CV1的电容和第二MOS型可变电容元件CV2的电容相加而得到的。
这样，根据本实施方式，由于第一MOS型可变电容元件CV1和第二MOS型可变电容元件CV2在第一和第二栅电极的N型部分和P型部分中具有相互不同的平带电压，所以通过将第一MOS型可变电容元件CV1和第二MOS型可变电容元件CV2以交流方式并联连接，不用为了生成施加到MOS型可变电容元件的电压而使电路规模增大，并且能够扩大振荡频率的可变范围。
<电子设备>
接着，对使用了本发明的任意实施方式的温度补偿型石英振荡器的电子设备进行说明。
图8是示出本发明一个实施方式的电子设备的结构例的框图。以下，作为电子设备的一例，对钟表和计时器进行说明。本发明一个实施方式的钟表包含本发明的任意实施方式的温度补偿型石英振荡器110、分频器120、操作部130、计时部140、显示部150以及声音输出部160。并且，本发明一个实施方式的计时器代替声音输出部160而包含控制部170。另外，可以省略或变更图8所示的构成要素的一部分，或者，也可以在图8所示的构成要素中附加其他构成要素。
分频器120例如由多个触发器等构成，对从温度补偿型石英振荡器110供给的时钟信号进行分频来生成计时用的分频时钟信号。计时部140例如由计数器等构成，根据从分频器120供给的分频时钟信号来进行计时动作，并且生成表示当前时刻或警报时刻的显示信号、用于产生警报声的警报信号。
操作部130用于对计时部140设定当前时刻或警报时刻。显示部150根据从计时部140供给的显示信号来显示当前时刻或警报时刻。声音输出部160根据从计时部140供给的警报信号来产生警报声。
在计时器的情况下，代替警报功能而设置计时器功能。即，计时部140生成表示当前时刻与设定时刻一致的计时器信号。控制部170根据从计时部140供给的计时器信号，将与计时器连接的设备打开或关闭。
根据本实施方式，能够低成本地提供如下的电子设备：能够使用不用为了生成施加到MOS型可变电容元件的电压而使电路规模增大、并且扩大了振荡频率的可变范围的温度补偿型石英振荡器110，在较宽的温度范围内进行准确的动作。
本发明并不限定于以上说明的实施方式，在该技术领域中具有普通知识的技术人员可在本发明的技术思想内进行多种变形。例如，也可以对从以上说明的实施方式中选择出的多个实施方式进行组合而实施。

Claims (5)

1.一种温度补偿型石英振荡器，其中，该温度补偿型石英振荡器具有：
石英振子，其具有第一电极和第二电极；
第一MOS型可变电容元件，其具有与所述石英振子的所述第一电极或所述第二电极电连接的一端；
第二MOS型可变电容元件，其具有与所述石英振子的所述第一电极或所述第二电极电连接的一端；以及
温度补偿电路，其将与温度对应地变化的温度补偿电压施加到所述第一MOS型可变电容元件和所述第二MOS型可变电容元件的另一端，
所述第一MOS型可变电容元件具有：第一背栅，其配置在半导体衬底内；以及N型的第一栅电极，其隔着绝缘膜配置在所述第一背栅上，
所述第二MOS型可变电容元件具有：第二背栅，其配置在所述半导体衬底内，具有与所述第一背栅相同的导电类型；以及P型的第二栅电极，其隔着绝缘膜配置在所述第二背栅上。
2.一种温度补偿型石英振荡器，其中，该温度补偿型石英振荡器具有：
石英振子，其具有第一电极和第二电极；
第一MOS型可变电容元件，其具有与所述石英振子的所述第一电极或所述第二电极电连接的一端；
第二MOS型可变电容元件，其具有与所述石英振子的所述第一电极或所述第二电极电连接的一端；以及
温度补偿电路，其将与温度对应地变化的温度补偿电压施加到所述第一MOS型可变电容元件和所述第二MOS型可变电容元件的另一端，
所述第一MOS型可变电容元件具有：第一背栅，其配置在半导体衬底内；以及第一栅电极，其隔着绝缘膜配置在所述第一背栅上，包含N型部分和P型部分，
所述第二MOS型可变电容元件具有：第二背栅，其配置在所述半导体衬底内，具有与所述第一背栅相同的导电类型；以及第二栅电极，其隔着绝缘膜配置在所述第二背栅上，包含N型部分和P型部分。
3.根据权利要求1或2所述的温度补偿型石英振荡器，其中，
该温度补偿型石英振荡器还具有放大电路，该放大电路连接在所述石英振子的所述第一电极与所述第二电极之间并进行反相放大动作。
4.根据权利要求1～3中的任意一项所述的温度补偿型石英振荡器，其中，
所述第一MOS型可变电容元件的所述第一栅电极和所述第二MOS型可变电容元件的所述第二栅电极分别与所述石英振子的所述第一电极和所述第二电极电连接，
所述温度补偿电路向所述第一MOS型可变电容元件的所述第一背栅和所述第二MOS型可变电容元件的所述第二背栅供给所述温度补偿电压。
5.一种电子设备，其中，该电子设备具有权利要求1～4中的任意一项所述的温度补偿型石英振荡器。
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