JP2003524305A - 温度補償発振器 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 本発明は、所定周波数（ｆ）の周期的な電圧（Ｖ₀）を供給するための発振器（２０）に関する。発振器は、基準電圧（Ｖｒｅｆ）を提供でき、前記基準電圧の電源に接続される抵抗（Ｒ）を含む基準電源（２３）と、前記基準電圧を受けることができ、前記所定周波数の前記周期的な電圧を供給し、前記所定の周波数を温度の影響に基づいて変更できるよう第１の温度係数（α₂₄）を有している供給手段（２４）とを備えている。この発振器は、温度が前記基準電圧と前記供給手段に同じ影響を与えて温度に無関係に周期的な電圧を供給できるように、前記抵抗（Ｒ）が、前記第１の温度特性（α₂₄）に等しい第２の温度特性（α₂₃）の基準電圧を与えるよう構成されていることを特徴とする。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】 本発明は集積回路に関し、さらに詳細には温度補償発振器に関する。 本明細書において、発信器は実質的に一定の所定周波数を有する周期信号を出
力することができる回路として形成されている。 このような周波数を提供する際に遭遇する一つの問題点は、周波数が固有の温
度係数（発振器の）によって温度の関数として変化してしまうことであり、発振
器を時間基準として使用しようとする場合には有害である。

【０００２】 このような問題を解決するために多数の温度補償発振器が、特に米国特許第５
，６０４，４６７号と米国特許第５，１８０，９９５号のような従来技術に見ら
れる。 本明細書の図１ａと１ｂには、各々米国特許第５，６０４，４６７号と米国特
許第５，１８０，９９５号に説明された発振器１と１０が示されている。 図１ａに示すように、発振器１は基準電源３と供給手段５とを含む。基準電源
３は供給手段５に電流Ｉを供給するよう配置されており、温度に無関係に電流Ｉ
が一定になるように温度補償されている。供給手段５は、電流Ｉの流入によって
充電されるコンデンサ６を含み、コンデンサ６の両端の電圧を基準電圧と比較し
、これに応じて周期信号ＣＬＫを供給するようになっている。

【０００３】 このような発振器の一つの欠点は、発振器が供給手段５の温度の影響を補償し
ていないことであり、後者は固有の温度係数を有している。その結果として、信
号ＣＬＫの周波数は、供給手段５の温度係数によって温度の影響を受けて変化す
ることがある。

【０００４】 図１ｂに示すように、発振器１０は、インバータ１５ａから１５ｇを備える供
給手段１４と、定電圧発生器１３と２個の抵抗Ｒ１およびＲ２を備える基準電源
１２とを含んでおり、後者は各々正の温度係数と負の温度係数とを有するよう作
られている。つまり、温度の上昇に応じて、信号周波数φ０は発振器自体と抵抗
Ｒ１の温度特性に基づいて低くなり、抵抗Ｒ２の温度特性に基づいて高くなる。 発振器１０の一つの欠点は、寄生周波数に固定されることがないよう、素数の
インバータ（この例では７個の）を含む必要があることであり、これは相当な表
面積を占有してしまう。

【０００５】 抵抗Ｒ２の一つの欠点は、負の温度係数をもつ必要があるにもかかわらず、集
積回路で製造される抵抗が一般的に正の温度係数をもっていることである。 抵抗Ｒ２の他の欠点は、低い抵抗率の材料である多結晶シリコン領域に形成さ
れることである。つまり、高い基準電圧をもつためには、相当な表面積を必要と
する大きな抵抗値の抵抗を形成するか、または高レベルの損失を引き起こす基準
電源１２のための大きな電流（典型的にμＡのオーダー）を用意するかのいずれ
かである。

【０００６】 本発明の目的は、温度に無関係に所定の周波数で周期的な電圧を供給できるよ
うに、全ての発振器の構成要素に亘って温度の影響を補償できる発振器を提供す
ることである。 本発明の別の目的は、集積回路の業界では普通であるスペース要求と電力消費
に関する制約に適する発振器を提供することである。 本発明の別の目的は、通常の集積回路製造プロセスによって製造できる発振器
を提供することである。

【０００７】 これらの目的と、他の目的とはクレーム１による発振器によって達成される。 このような発振器の抵抗の一つの利点は、基準電源に供給手段と温度係数に等
しい温度係数を与え、温度が基準電源と供給手段とに同じように影響するように
したことである。その結果、所望の周波数での周期的な電圧供給が温度に無関係
になる。すなわち、これにより作られる抵抗が、供給手段の温度の影響を受けて
周波数変動の補償を行うことができる。

【０００８】 本発明による発振器の別の利点は、公知の構成要素で形成できることであり、
スペース要求と複雑性に関する心配に答えることができるモノリシック法で作る
ことができる。 本発明のこれらの目的、特徴および利点等は、本発明の例示的な好適な実施形
態の詳細な説明を添付図面と関連させて読むことで明らかになるであろう。

【０００９】 本発明による発振器の好適な実施形態を所定の周波数ｆで周期的な電圧Ｖ₀を
提供できる発振器２０を示す図２を参照して説明する。 この目的のために、発振器２０は、基準電圧Ｖｒｅｆを提供できる基準電源２
３と、基準電圧Ｖｒｅｆを受けて周波数ｆで周期的な電圧Ｖ₀を供給することが
できる供給手段２４とを含んでいる。 供給手段２４が、周波数ｆが温度の影響を受けて変化できるように温度係数α ₂₄ を有していることに注目されたい。この意味で、固有の変動が、供給手段２４
の温度の影響のもとで周波数ｆの変動として決められる。

【００１０】 基準電源２３は供給手段２４に接続される出力端子２３ａを含んでおり、基準
電圧Ｖｒｅｆを供給する。 この目的のために、図２に示されるように、基準電源２３は４個の電界効果ト
ランジスタＴ１〜Ｔ４と抵抗Ｒとを含んでいる。これらの構成要素は基準電源を
形成するよう配置されており、基準電源は、特に、Ｅ．ＶｉｔｔｏｚとＪ．Ｆｅ
ｌｌｒａｔｈによる論文「ウイーク・インバージョン・オペレーションに基づく
ＣＭＯＳアナログ集積回路」（半導体回路、Ｖｏｌ．ＳＣ−１２、Ｎｏ．３、１
９７７年６月、２２４頁から２３１頁、ＩＥＥＥジャーナル）で知られている。

【００１１】 トランジスタＴ３とＴ４との間の接続点に現れる電圧は、基準電圧に一致して
いるとに注目されたい。さらに、基準電圧Ｖｒｅｆの供給が抵抗Ｒに関連づけら
れることに注目されたい。 供給手段２４は、基準電源２３の端子２３ａに接続される入力端子２４ａを含
んでおり、基準電圧Ｖｒｅｆを受けるようになっている。更に、供給手段２４は
周期的な電圧Ｖ₀を受ける出力端子２４ｂを含んでいる。

【００１２】 この目的のために、供給手段２４は２つの比較手段２６および２８と、各手段
のループに接続されるフリップフロップ２９とを含んでいる。 フリップフロップ２９は、それぞれ比較手段２６および２８に接続された２つ
の入力端子２９ａおよび２９ｂを含んでおり、それぞれ２つの比較電圧Ｕ１およ
びＵ２を受けるようになっている。更に、フリップフロップ２９は２つの出力端
子２９ｃおよび２９ｄを含んでおり、それぞれ２つの出力電圧ＱおよびＱ（バー
）を与えるようになっている。

【００１３】 この目的のために、フリップフロップ２９は公知のＲＳフリップフロップで構
成されることが好ましい。この例においては、供給手段２４の端子２４ｂが、フ
リップフロップ２９の端子２９Ｃに接続されており、発振器２０によって供給さ
れる電圧Ｖ₀が電圧Ｑに一致していることに注目されたい。無論、供給手段２４
の端子２４ｂは、フリップフロップ２９の端子２９ｃの代わりに端子２９ｄに接
続されてもよい。

【００１４】 比較手段２６は、供給手段２４の端子２４ａに接続される入力端子２６ａを含
んおり、基準電圧Ｖｒｅｆを受けるようになっている。更に、比較手段２６はフ
リップフロップ２９の端子２９ｃに接続される入力端子２６ｂを含んおり、出力
電圧Ｑを受けるようになっている。更に、比較手段２６はフリップフロップ２９
の端子２９ａに接続される出力端子２６ｃを含んおり、比較電圧Ｕ１を供給する
ようになっている。比較手段２６は、基準電圧Ｖｒｅｆを電圧Ｑに関連づけられ
た電圧と比較するようになっている。

【００１５】 つまり、図３を参照すると、比較手段２６はアキュムレータＣ１、比較器３５
および２個のスイッチＴ６およびＴ７を含んでいる。 アキュムレータＣ１の一端はシステムのアースに接続されており、他端はスイ
ッチＴ６を介してシステムの供給端子に接続されるとともに、スイッチＴ７を介
してシステムのアースに接続される。アキュムレータＣ１は公知のコンデンサと
して構成される。以下の説明において、表示ＶＣ１はアキュムレータＣ１の両端
の電圧を表わしており、表示Ｖｓｓは発振器２０のアース電圧を表していること
に注目されたい。

【００１６】 スイッチＴ６およびＴ７は、それぞれ出力電圧Ｑと基準電圧Ｖｒｅｆによって
制御されるように接続されている。各々のスイッチＴ６およびＴ７は、公知の電
界効果トランジスタによって構成されることが好ましい。これらの２つのトラン
ジスタは正反対の形式（例えば、トランジスタＴ６はＰＭＯＳ形式、トランジス
タＴ７はＮＭＯＳ形式）であることに注目されたい。

【００１７】 比較器３５は、電圧ＶＣ１と、閾値供給手段（図３には図示せず）から供給さ
れる閾値Ｖｔｈ１とを受けることができるようになっている。また、比較器３５
は、電圧ＶＣ１と閾値Ｖｔｈ１とを比較し、比較に応じて電圧Ｕ１を供給するよ
うになっている。比較器３５は公知の演算増幅器により構成できる。 比較手段２８は、比較手段２６と同様に構成される。つまり、比較手段２８は
、特にアキュムレータつまりコンデンサＣ２と、閾値Ｖｔｈ２とコンデンサＣ２
両端の電圧ＶＣ２とを比較できる比較器３６とを含んでいる。 当業者であれば、供給手段２４のそれぞれの構成要素が供給手段に結果として
の温度係数（つまりα₂₄）を与えることが分かる。つまり、基準電源２３から供
給される電圧Ｖｒｅｆが一定であると仮定すると、当然、電圧Ｖ₀は温度の影響
を受けて温度係数α₁で変化する傾向にある。

【００１８】 この影響をなくすために、基準電源２３は、温度が基準電圧Ｖｒｅｆと供給手
段２４とに同じように影響し、これにより周期的な供給電圧Ｖ₀が温度と無関係
になるように、温度係数α₂₄に等しい温度係数α₂₃をもつように構成される。

【００１９】 基本的に、抵抗Ｒは温度係数α₂₃が温度係数α₂₄と等しいように構成される。
つまり、抵抗Ｒは供給手段２４の温度の影響のもとで周波数ｆにおける固有の変
動の補償ができる温度係数をもつよう構成される。 抵抗Ｒは、温度係数α₂₃が温度係数α₂₄と等しい温度係数を有するように、各
々それ自身の温度係数を有する一つまたはそれ以上の材料から作られることが好
ましい。

【００２０】 例示のために以下の説明において、抵抗Ｒは２つの抵抗Ｒ１とＲ２とを含んで
おり、互いに異なるそれぞれ温度係数α₁およびα₂を有する２つの材料Ｍ１およ
びＭ２で構成されている。 この抵抗の断面を詳細に示す図４を参照して、抵抗Ｒの好適な実施形態を以下
に説明する。

【００２１】 図２との関係で説明されたものには図４でも同じ符号が付与されていることに
注目されたい。 図４に示すように、ウエル領域４２が、軽くドープされた第１導電型（例えば
Ｐ−）の半導体基板４０に、第２のタイプの軽くドープされた第２導電型（つま
り、前記の例を用いてＮ−）の不純物を注入することによって形成されている。
次に、温度係数α₁の抵抗Ｒがその間に存在する、２つの接続ターミナル４２ａ
と４２ｂがウエル領域４２に形成される。同様に、他のウエル領域４４が、軽く
ドープされた第２導電型（つまり、前記の例を用いてＮ−）の不純物を注入する
ことによって形成される。さらに、拡散領域４６が、深くドープされた第１導電
型（つまり、前記の例を用いてＰ＋）の不純物を注入することでウエル領域に形
成される。その後、温度係数α₂の抵抗Ｒ２がその間に存在する２つの接続端子
４６ａと４６ｂが拡散領域４６に形成される。

【００２２】 その後、接続線４８によって端子４２ａと４６ａとを接続することで、抵抗Ｒ
１とＲ２が直列接続される。図２に示す構造と同様に、端子４２ｂが発振器２０
のアースに接続され、端子４６ａが端子３０ａに接続され、基準電源２３におけ
る抵抗Ｒ１とＲ２が抵抗Ｒとして実現される。

【００２３】 前記の例において、材料Ｍ１およびＭ２はそれぞれ、拡散層を形成するＰ＋タ
イプのシリコンと、ウエル領域を形成するＮ−タイプのシリコンであることに注
目されたい。 当業者であれば、基準電源２３と供給手段２４とは、半導体回路を製造するた
めの通常のプロセスによってモノリシック法により単一の半導体基板上に形成で
きることが分かるであろう。 それぞれ電圧Ｑ、ＶＣ１およびＶＣ２を例示する３つのタイミング線図を示す
図５を参照して、発振器２０の動作を以下に説明する。

【００２４】 最初の時刻ｔ０で電圧Ｑの値は「ゼロ」である。従って、トランジスタＴ７は
ブロックされコンデンサＣ１はトランジスタＴ６を介して充電される。つまり、
波形６２で示されるように電圧ＶＣ１が時間ｔとともに直線的に大きくなる。時
間ｔ０の後の時間ｔ１で、電圧ＶＣ１が閾値電圧Ｖｔｈ１に達し、その結果電圧
Ｕ１の状態が変わる。これに応じて電圧Ｑも状態が変わり「１」になる。

【００２５】 Ｑが「１」になると、トランジスタＴ７が導電して電圧ＶＣ１が電圧Ｖｓｓに
されて保持される。つまり、コンデンサＣ１は放電される。時間ｔ１で、電圧Ｑ
（バー）は「０」になり、電圧の状態が時刻ｔ０のものと同じになる。つまり、
波形６３で示されるように時間ｔ１からコンデンサＣ２は、時間ｔ０で機能した
Ｃ１と同じように機能する。波形６１で示されるように、時間ｔ２で電圧ＶＣ２
は閾値電圧Ｖｔｈ２に達し、その結果電圧Ｕ２の状態が変わる。これに応じて再
度電圧Ｑの状態が変わり再度「０」になる。従って、この状態は時間ｔ０のもの
と同じであり、これが繰り返される。

【００２６】 つまり、供給電圧Ｑは矩形波を有しており、時間ｔ０とｔ２の間の時間間隔は
この電圧の周期Ｔを定めることに注目されたい。 例示的に、本発明の出願人は、電圧Ｑの周波数ｆ（周期Ｔに関連する）におけ
る変動を実験的に測定した。周波数ｆが１．２Ｍｈｚに等しい場合に、０．００
１５％／℃のオーダーの変動が測定された。

【００２７】 もちろん、当業者であれば前述の詳細な説明は、本発明の範囲を逸脱すること
なく種々の変更が行えることが理解できる。例えば、基準電源の抵抗は、それぞ
れ３つの異なる温度係数をもつ３つの材料から構成できる。

【図面の簡単な説明】

【図１ａ】 、

【図１ｂ】 従来技術による２つの温度補償発振器を示す。

【図２】 本発明による発振器を示す。

【図３】 図２の発振器の比較手段を示す。

【図４】 図２の発振器の構成要素を詳細に示す。

【図５】 図２の発振器に現れる電圧の３つのタイミング線図を示す。

Claims (7)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 所定周波数（ｆ）の周期的な電圧（Ｖ₀）を供給するための
   発振器（２０）であって、 基準電圧（Ｖｒｅｆ）を提供でき、前記基準電圧の電源に接続される抵抗（Ｒ
   ）を含む基準電源（２３）と； 前記基準電圧を受け取ることができ、前記所定周波数の前記周期的な電圧を供
   給し、前記所定の周波数を温度の影響に基づいて変更できるよう第１の温度係数
   （α₂₄）を有している供給手段（２４）と； を備え、 温度が前記基準電圧と前記供給手段に同じ影響を与えて温度に無関係に周期的
   な電圧を供給できるように、前記抵抗（Ｒ）が、前記第１の温度特性（α₂₄）に
   等しい第２の温度特性（α₂₃）の基準電圧を与えるよう構成されていることを特
   徴とする発振器。
2. 【請求項２】 前記抵抗（Ｒ）が、前記第２の温度特性（α₂₃）が前記第１
   の温度特性（α₂₄）に等しい、各々適切な温度係数を有する１つまたはそれ以上
   の材料で構成されていることを特徴とする請求項１に記載の発振器（２０）。
3. 【請求項３】 前記抵抗（Ｒ）が、 深くドープされた第１導電型（Ｐ）のシリコンから形成された第１の抵抗（Ｒ
   １）と； 軽くドープされた第２導電型（Ｎ）のシリコンから形成された第２の抵抗（Ｒ
   ２）と； を備えることを特徴とする請求項２に記載の発振器（２０）。
4. 【請求項４】 前記供給手段（２４）は、第１および第２の比較手段（２６
   ，２８）と、各々の前記手段のループに接続されたフリップフロップ（２９）を
   含み、前記第１および第２の比較手段は、第１および第２のそれぞれの出力電圧
   （Ｑ，Ｑ（バー））と同じく前記基準電圧（Ｖｒｅｆ）を受けることができ、さ
   らに前記フリップフロップは、前記第１および第２の比較電圧を受け、これに応
   じて前記第１および第２の出力電圧を提供でき、その一方の電圧が前記周期的な
   電圧（Ｖ₀）に一致していることを特徴とする請求項１に記載の発振器（２０）
   。
5. 【請求項５】 前記第１の比較手段（２６）が、 一端がシステムのアースに接続されており、他端が前記第１の出力電圧（Ｑ）
   により制御される第１のスイッチ（Ｔ６）を介してシステムの供給端子に接続さ
   れると同時に、前記基準電圧（Ｖｒｅｆ）により制御される第２のスイッチ（Ｔ
   ７）を介してシステムのアースに接続されているアキュムレータ（Ｃ１）と； 前記アキュムレータの両端の電圧（ＶＣ１）と、閾値供給手段から供給される
   閾値（Ｖｔｈ１）とを比較して、前記第１の比較に応じて電圧（Ｕ１）を供給で
   きる、第１の比較器５と； を備えることを特徴とする請求項４に記載の発振器（２０）。
6. 【請求項６】前記第２の比較手段（２８）が、 一端がシステムのアースに接続されており、他端は前記第２の出力電圧（Ｑ（
   バー））により制御される第３のスイッチを介してシステムの供給端子に接続さ
   れると同時に、前記基準電圧（Ｖｒｅｆ）により制御される第４のスイッチを介
   してシステムのアースに接続されているアキュムレータ（Ｃ２）と； 前記アキュムレータの両端の電圧（ＶＣ２）と、閾値供給手段から供給される
   閾値（Ｖｔｈ２）とを比較して、前記第１の比較に応じて電圧（Ｕ１）を供給で
   きる、第１の比較器と； を備えることを特徴とする請求項４に記載の発振器（２０）。
7. 【請求項７】 前記基準電源（２３）と前記供給手段（２４）とがモノリシ
   ック法により単一の半導体基板上に形成されていることを特徴とする請求項１に
   記載の発振器（２０）。