CN114008915A - 半导体装置以及振荡电路 - Google Patents

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Abstract

本发明提供半导体装置，包括：第一逆变器电路(11)，与晶体振子(X1)并联连接；第二逆变器电路(12)，以共用输入的方式与第一逆变器电路(11)连接，并且输出振荡信号；以及滤波器(14)，与第二逆变器电路(12)连接，并且具有包括振荡信号的振荡频率的预先决定的通带。

Description

半导体装置以及振荡电路
技术领域
本公开涉及半导体装置以及振荡电路，特别是涉及包括成为时钟信号的发生源的振荡电路的半导体装置以及振荡电路。
背景技术
作为振荡电路的一个例子，已知有包括晶体振子以及逆变器电路的振荡电路(以下有时称为“晶体振荡电路”的情况)。这样的振荡电路例如通过CMOS(ComplementaryMetal Oxide Semiconductor：互补金属氧化物半导体)型的半导体集成电路来实现，该情况下，逆变器电路也使用CMOS型的逆变器。特别是，在无线通信领域中，对于由晶体振荡电路生成的基准频率，要求高精度且高稳定度。
作为具有上述的结构的振荡电路的一个例子，在日本特开2005-354131号公报中公开了时钟发生电路，上述时钟发生电路由振荡电路、与该振荡电路的输出侧连接的波形整形电路、与该波形整形电路的输出侧连接的输出驱动电路构成，其特征在于，在波形整形电路的初级配置有施密特型逆变器。
图5表示取出日本特开2005-354131号公报所公开的时钟发生电路的主要部分进行示出的、比较例所涉及的晶体振荡电路50的电路图。如图5所示，晶体振荡电路50构成为包括：晶体振子X1、逆变器电路11、施密特触发电路26、电容器C1、C2以及电阻R1。即，在晶体振子X1的两端与GND(接地、接地电位)之间连接电容器C1、C2，电阻R1和逆变器电路11与晶体振子X1并联连接。
施密特触发电路26与作为逆变器电路11的输出侧节点的节点100连接，对从逆变器电路11输出的振荡信号的波形进行整形，并作为时钟信号输出。即，施密特触发电路26的输入输出特性具有滞后，在输入的阈值中存在相对较高的阈值VtH和相对较低的阈值VtL。而且，逆变器电路11的输出的动作点(自偏置电位、节点100的电位)被设定为阈值VtH与VtL的中间的电位。通过该结构，在节点100的电位上升的情况下，节点102的电位成为低(L)输出，直到超过阈值VtH为止，在电压下降的情况下，节点102的电位成为高(H)输出，直到低于阈值VtL为止。通过利用施密特触发电路26的这样的特性(所谓的滞后特性)，从而除去晶体振荡电路50的启动时的初始状态的小振幅噪声，从节点102输出所希望的振荡频率的时钟。
在晶体振荡电路50的结构中，为了减小从作为晶体振子X1输出侧的节点的节点100可见的负载，需要将施密特触发电路26的输入级的晶体管的尺寸设定得较小。然而，若减小输入级的晶体管的尺寸，则由于对时钟信号的波形变动敏感等理由，从节点102输出的时钟信号的相位噪声有时变大。在该点上，专利文献1所公开的时钟发生电路也没有处理了这样的问题。
发明内容
本发明的实施方式的目的在于根据上述的情况，提供减少相位噪声的半导体装置以及振荡电路。
本公开所涉及的半导体装置包括：第一逆变器电路，与晶体振子并联连接；第二逆变器电路，以共用输入的方式与上述第一逆变器电路连接，并且输出振荡信号；以及滤波器，与上述第二逆变器电路连接，并且具有包括上述振荡信号的振荡频率的预先决定的通带。
本公开所涉及的振荡电路是包括上述的半导体装置和与上述第一逆变器电路并联连接的晶体振子的振荡电路。
根据本发明的实施方式，起到能够提供减少相位噪声的半导体装置以及振荡电路这样的效果。
附图说明
图1是表示实施方式所涉及的振荡电路的结构的一个例子的电路图。
图2是对实施方式所涉及的半导体装置的带通滤波器的特性进行说明的图。
图3A是实施方式所涉及的逆变器电路的电路图。
图3B是实施方式所涉及的MOSFET的立体图。
图4是表示实施方式所涉及的半导体装置中的逆变器电路的布局的图。
图5是表示比较例所涉及的晶体振荡电路的结构的电路图。
具体实施方式
以下，参照图1～图4对本发明的实施方式进行详细说明。在以下的实施方式中，对在半导体装置中，成为时钟信号的发生源的晶体振荡电路所使用的方式进行例示并说明。
图1示出作为本实施方式所涉及的晶体振荡电路的振荡电路1。如图1所示，振荡电路1构成为包括半导体装置10以及晶体振子X1。另外，半导体装置10构成为包括：逆变器电路11、电容器C1、C2、电阻R1、逆变器电路12、带通滤波器(band-pass filter)14以及缓冲器15。
在图1中，包括晶体振子X1、逆变器电路11、电容器C1、C2以及电阻R1的结构是从图5所示的晶体振荡电路50中除去施密特触发电路26后的电路，构成振荡电路1的振荡部。晶体振子X1在两端的电极被施加电压时通过压电效应而以特定的频率振动。由于在晶体振子X1的两个电极之间相位反转，所以与逆变器电路11中的反转匹配地，在逆变器电路11的输入、输出间相位相差360。据此，在振荡电路1中，构成正反馈电路，并振荡。以下，存在将从节点103输出的振荡信号称为“时钟信号”的情况。
在半导体装置10中，不使用施密特触发电路，逆变器电路12与节点101、即逆变器电路11的输入连接。在晶体振荡电路50中，施密特触发电路26与节点100、即逆变器电路11的输出连接，这一点是比较例所涉及的晶体振荡电路50与半导体装置10较大不同点之一。此外，在本实施方式中，逆变器电路11和逆变器电路12的栅极宽度比被设为大致相同，对于这一点后述。
带通滤波器14构成为包括：逆变器电路13、电容器C3以及电阻R2。电容器C3与逆变器电路12的输出串联连接，在电容器C3连接有逆变器电路13与电阻R2的并联电路。
所谓带通滤波器，一般是以某个特定的频率为中心使预先决定的频率的范围通过的滤波器，也被称为带通滤波器。图2示出带通滤波器14的特性的一个例子。如图2所示，在带通滤波器14中存在中心频率fc、低频侧的截止频率fL、高频侧的截止频率fH，截止频率fH与fL的差分成为通带Δf。其中，中心频率fc由晶体振子X1的振动频率决定，通常使中心频率fc与所希望的时钟信号的频率一致。
此外，在本实施方式中，对电容器C3的电容值以及电阻R2的电阻值被固定、具有固定的特性的带通滤波器14进行例示并说明，但并不限于此，也可以设为使电容器C3的电容值以及电阻R2的电阻值中的至少一方可变，并具有可变特性的带通滤波器14。若使电容器C3的电容值或者电阻R2的电阻值变化，则截止频率fH、fL发生变化，能够改变通带Δf。通过使电容器C3的电容值或者电阻R2的电阻值可变，也能够与多个频率的晶体振子X1对应。
缓冲器15是从带通滤波器14输出的信号的输出缓冲器，也可以具备根据需要将带通滤波器14的输出转换(限制)为矩形波的功能。另外，缓冲器15不是必需的结构，考虑到带通滤波器14的波形、输出振幅等，也可以省略。
接下来，对振荡电路1的动作进行说明。若振荡电路1接通电源，则通过逆变器电路11和作为反馈电阻的电阻R1，噪声电平的(微弱的)信号被逐渐放大。在该启动时的初始状态下，节点101的信号振幅比节点100的信号振幅小。然而，在本实施方式所涉及的振荡电路1中，如上所述，逆变器电路11的栅极宽度比与逆变器电路12的栅极宽度比被设为大致相同，因此即使节点101中的振荡信号是比较小振幅的信号，也能高效地传播到带通滤波器14。
参照图3A以及图3B，更详细地对上述方面进行说明。图3A示出逆变器电路40的电路图，图3B示出MOSFET(Field Effect Transistor：场效晶体管)43的立体图。如图3A所示，逆变器电路40构成为包括P沟道(型)MOSFET41和N沟道(型)MOSFET42。P型MOSFET41的源极与电源连接，N型MOSFET42的源极与GND(接地)连接。另外，输入信号输入到共用的栅极(G)，输出信号从共用的漏极(D)输出。
如图3B所示，MOSFET43通过在形成于半导体基板44上的杂质区域45、46之间配置形成于氧化膜上的栅极电极47而构成。在P型MOSFET41中，将杂质区域45、46的导电型设为P型，在N型MOSFET42中，将杂质区域45、46的导电型设为N型。在图3B所示的MOSFET43中，将栅极电极47的X轴方向的长度称为“栅极长度L”，将Y轴方向的长度称为“栅极宽度W”。
在本实施方式中，将CMOS的逆变器电路40中的P型MOSFET41的栅极宽度Wp与N型MOSFET42的栅极宽度Wn之比Wp/Wn定义为“栅极宽度比”(参照图4)。而且，在本实施方式中，将逆变器电路11的栅极宽度比和逆变器电路12的栅极宽度比设为大致相同。由此，逆变器电路11的输入的阈值和逆变器电路12的输入的阈值大致相同，并且双方的输入的阈值相对于温度、电源等外部环境的变化同样地动作(追随)，因此逆变器电路11的输出振幅与逆变器电路12的输出振幅大致相同。也就是说，即使节点101中的振荡信号是比较小振幅的信号，也能高效地传播至带通滤波器14。此外，在本实施方式中，所谓“大致相同”不仅包括完全一致的情况，还包括两者的差异处于实际上不引起问题的程度的允许范围内的情况。
在具备以上的结构的振荡电路1(半导体装置10)中，通过带通滤波器14切断(截断)启动时的高频成分的噪声，经由缓冲器15从节点103输出噪声被切断后的信号。也就是说，根据本实施方式，通过设置带通滤波器14来代替比较例所涉及的晶体振荡电路50中的施密特触发电路26，作为时钟信号的输出级，从而能够根据该带通特性，防止振荡电路1(半导体装置10)中的启动时的噪声引起的想不到的时钟信号的输出。即，能够除去从启动时的中心频率fc偏离的信号。由此，与晶体振荡电路50相比，能够减少相位噪声。
另外，一般而言，与输出级连接的逆变器电路的输入级的晶体管尺寸较大的话，能够减少相位噪声，但由于振荡电路1(半导体装置10)的逆变器电路12与逆变器电路11的输入连接，因此能够增大输入级的晶体管尺寸。并且，逆变器电路13的输入级的MOSFET的晶体管尺寸也能够较大地设定。根据这样的观点，本实施方式所涉及的振荡电路1(半导体装置10)成为能够有效地减少相位噪声的结构。
并且，如上所述，根据本实施方式所涉及的振荡电路1(半导体装置10)，通过将逆变器电路11的栅极宽度比和逆变器电路12的栅极宽度比设为大致相同，从而逆变器电路11的输入阈值和逆变器电路12的输入阈值分别跟踪动作(相互追随)。由此，与比较例所涉及的晶体振荡电路50相比，能够抵抗元件的制造偏差，即使在低电压下也稳定动作。
另外，在比较例所涉及的晶体振荡电路50中，存在以下那样的问题。即，决定滞后特性的施密特触发电路26的输入阈值给从逆变器电路11输出的时钟信号占空比带来影响的问题，进而由于元件偏差、电压变动，输出时钟容易受到影响的问题。在本实施方式所涉及的振荡电路1(半导体装置10)中，通过避免使用施密特触发电路，也解决了这样的问题。
接下来，参照图4，对通过研究逆变器电路11、12的布局而进一步提高上述跟踪动作的精度的结构进行说明。在图4中示出使用逆变器电路11-1、11-2、11-3、11-4这四个逆变器电路作为逆变器电路11的例子。当然，逆变器电路12也可以使用多个逆变器电路而构成。在本实施方式中，由多个逆变器电路构成逆变器电路是因为，将规定的尺寸的逆变器电路作为单位逆变器电路，能够根据流过的电流的大小(驱动能力)等调整使用的逆变器电路的个数。
如图4所示，多个逆变器电路11-1～11-4沿着规定的方向排列配置，在其之间配置有逆变器电路12。逆变器电路11-1～11-4、12的各个具备P型MOSFET41以及N型MOSFET42，在P型MOSFET41中，在源极20与漏极27之间配置有栅极电极25，在N型MOSFET42中，在源极21与漏极28之间配置有栅极电极25。另外，逆变器电路11-1～11-4、12的各个由上述单位逆变器构成，被设为相同的尺寸。此外，图4所示的坐标轴与图3B所示的坐标轴对应。另一方面，逆变器电路11-1～11-4的漏极27以及漏极28经由触点24与漏极布线22连接，逆变器电路12的漏极27以及漏极28经由触点24与漏极布线23连接。
在图4中，源极20(漏极27)的Y轴方向的长度是P型MOSFET41的栅极宽度Wp，源极21(漏极28)的Y轴方向的长度是N型MOSFET42的栅极宽度Wn。如上所述，在本实施方式中，以逆变器电路11的栅极宽度比Wp/Wn和逆变器电路12的栅极宽度比Wp/Wn大致相同的方式进行布局。此外，在图4中，栅极电极25的X轴方向的长度是栅极长度。
此时，通过将逆变器电路12配置在多个逆变器电路11-1～11-4之间，从而在制造工艺中的蚀刻工序时，逆变器电路12不易受到周边的图案的影响(保护其不因周边的图案而过度的蚀刻)，因此能够抑制逆变器电路12的元件偏差。由此，能够更精密地使逆变器电路11的栅极宽度比与逆变器电路12的栅极宽度比一致。此外，在图4中，对在四个逆变器电路11-1～11-4的中央配置逆变器电路12的方式进行了例示并说明，但并不限于此，只要是逆变器电路12被夹在两个逆变器电路11之间的结构，则也可以是其它逆变器电路11之间。
此外，在上述实施方式中，对使用一级结构的带通滤波器14的方式进行了例示并说明，但并不限于此，也可以设为将带通滤波器14多级串联连接的方式。根据本方式，能够进一步提高频率选择性。
另外，在上述实施方式中，对使用带通滤波器14作为与逆变器电路12的后级连接的电路的方式进行了例示并说明，但并不限于此，只要是陷波滤波器等使所希望的频率以外衰减的滤波电路，则能够无限制地使用。通过这样的滤波器电路，也能够起到与本实施方式所涉及的半导体装置10同样的效果。
在2019年6月17日申请的日本专利申请2019-111929号的公开其整体通过参照而并入本说明书中。
本说明书所记载的所有文献、专利申请以及技术标准以与具体且分别记载通过参照而并入各个文献、专利申请以及技术标准的情况相同程度地在本说明书中通过参照而并入。

Claims (8)

1.一种半导体装置，包括：
第一逆变器电路，与晶体振子并联连接；
第二逆变器电路，以共用输入的方式与上述第一逆变器电路连接，并且输出振荡信号；以及
滤波器，与上述第二逆变器电路连接，并且具有包括上述振荡信号的振荡频率的预先决定的通带。
2.根据权利要求1所述的半导体装置，其中，
上述第一逆变器电路中的P型场效应晶体管的栅极宽度与N型场效应晶体管的栅极宽度之比亦即栅极宽度比和上述第二逆变器电路的栅极宽度比大致相同。
3.根据权利要求1或2所述的半导体装置，其中，
上述滤波器是带通滤波器或者陷波滤波器。
4.根据权利要求1～3中任意一项所述的半导体装置，其中，
上述滤波器包括串联连接的多个滤波器。
5.根据权利要求4所述的半导体装置，其中，
上述滤波器是具备：第三逆变器电路、与上述第三逆变器电路的输入串联连接的电容以及连接在上述第三逆变器电路的输入与输出之间的电阻的带通滤波器。
6.根据权利要求5所述的半导体装置，其中，
将上述电容的电容值以及上述电阻的电阻值中的至少一方设为可变。
7.根据权利要求1～6中任意一项所述的半导体装置，其中，
在俯视时，上述第二逆变器电路配置在多个上述第一逆变器电路之间。
8.一种振荡电路，包括：
权利要求1～7中任意一项所述的半导体装置；以及
与上述第一逆变器电路并联连接的晶体振子。
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