JP2007134865A - 温度制御発振器 - Google Patents

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Abstract

【課題】温度上昇に従って発振周波数が連続的に高くなる温度制御発振器を提供する。
【解決手段】温度係数が異なる抵抗11,12で電源電圧VDDを分圧して周囲温度の上昇に伴って上昇する検知電圧VTを出力する温度検知部10と、温度係数が同じ抵抗21,22で電源電圧VDDを分圧して周囲温度に依存しない基準電圧VRを出力する基準電圧発生部20と、検知電圧VTと基準電圧VRの差の電圧を増幅して制御電圧CVを生成する増幅部30を設ける。そして、増幅部30で生成された制御電圧CVによって、充放電部50、比較部60及びパルス発生部70で構成される電圧制御発振回路の発振周波数を制御する。これにより、負の温度特性を有する抵抗素子を用いる必要がないので、複雑な製造工程を用いることなく、温度上昇に従って発振周波数が連続的に高くなる温度制御発振器が得られる
【選択図】図1

Description

本発明は、周囲温度に応じて発振周波数が連続的に変化する温度制御発振器に関するものである。
特開平6−162769号公報 特開平7−296582号公報 特開2005−12404号公報
DRAM(ダイナミック・ランダムアクセス・メモリ)では、メモリセルのキャパシタに蓄積される電荷が漏洩して減少するので、セルフリフレッシュ動作によってキャパシタの電荷を周期的に復元する必要がある。キャパシタの電荷は、周囲温度が高くなるほど漏洩量が大きくなる。従って、セルフリフレッシュ動作のための消費電力を削減するためには、低温時はリフレッシュ周波数を下げ、高温時にはリフレッシュ周波数を上げる機能が必要になる。
上記特許文献1には、サーミスタが検出した温度情報と、温度指定レジスタに設定された情報を比較し、現在の温度が指定温度よりも低いときには長い時間をインターバルタイマに設定し、指定温度よりも高いときには短い時間をインターバルタイマに設定することにより、周囲温度に応じてメモリ素子のリフレッシュ間隔を制御する記憶制御装置が記載されている。
特許文献2には、温度感知器の出力信号を複数の基準電圧と比較し、現在の温度がどの温度領域にあるかを検出し、各温度領域に対応して設定された分周値で基本周波数を分周することにより、メモリ素子のリフレッシュ動作周期を制御するセルフリフレッシュ制御回路が記載されている。
特許文献3には、DRAMのリフレッシュ動作制御用に、温度が高いときは高い周波数で発振し、温度が低いとき低い周波数で発振するように、温度の上昇に従って抵抗値が減少する負の温度特性を持つ抵抗を遅延素子として使用するリング発振器を設けた半導体集積回路が記載されている。
しかしながら、前記特許文献1,2では、温度変化に対する周波数変化がステップ状になるので、マージン設計が難しいという課題があった。一方、特許文献3では、負の温度特性を持つ抵抗を用いる必要があるが、この負の温度特性を持つ抵抗をDRAMと同一の基板上に形成する場合、製造工程が複雑になりコストアップにつながるという課題があった。
本発明は、複雑な製造工程を用いることなく製造でき、温度上昇に従って発振周波数が連続的に高くなる温度制御発振器を提供する目的としている。
本発明の温度制御発振器は、温度係数が異なる抵抗で電源電圧を分圧して周囲温度の上昇に伴って上昇する検知電圧を出力する温度検知部と、温度係数が同じ抵抗で電源電圧を分圧して周囲温度に依存しない基準電圧を出力する基準電圧発生部と、前記検知電圧と前記基準電圧の差の電圧を増幅して制御電圧を生成する増幅部と、前記制御電圧に応じて出力信号の発振周波数が制御され、周囲温度が上昇したときに該発振周波数が高くなり、周囲温度が下降したときには該発振周波数が低くなる電圧制御発振回路とを備えたことを特徴としている。
本発明では、温度係数が異なる抵抗で電源電圧を分圧して周囲温度の上昇に伴って上昇する検知電圧を出力する温度検知部と、温度係数が同じ抵抗で電源電圧を分圧して周囲温度に依存しない基準電圧を出力する基準電圧発生部と、前記検知電圧と前記基準電圧の差の電圧を増幅して制御電圧を生成する増幅部を有し、この増幅部で生成された制御電圧によって、電圧制御発振回路の発振周波数を制御するようにしている。これにより、負の温度特性を有する抵抗素子を用いる必要がないので、複雑な製造工程を用いずに、温度上昇に従って発振周波数が連続的に高くなる温度制御発振器が得られるという効果がある。
増幅部から出力される制御電圧が基準電圧よりも低くならないように制限して電圧制御発振回路に与える電圧制限部を設ける。更に、電圧制御発振回路を、パルス信号に従ってキャパシタを充放電して鋸歯状のランプ電圧を発生する充放電部と、ランプ電圧と制御電圧を比較して比較結果信号を出力する比較部と、比較結果信号が出力されたときに、一定のパルス幅を有するパルス信号を発生するパルス発生部と、このパルス信号に基づいて出力信号を生成する出力部とで構成する。これにより、周波数可変範囲を広くすることが可能になり、かつ、低温時に極端に低い発振周波数が出力されることを防止できる。
図1は、本発明の実施例1を示す温度制御発振器の構成図である。
この温度制御発振器は、DRAMのセルフリフレッシュ動作の周期を制御するために、低温時は低い周波数で発振し高温時には高い周波数で発振するように、周囲温度に応じて発振周波数が連続的に変化するものである。
この温度制御発振器は、周囲温度を検出してその温度に応じた制御電圧CVを生成する温度検出回路と、この制御電圧CVに対応した周波数の出力信号OUTを生成する電圧制御発振回路とを備えている。
温度検出回路は、温度検知部10、基準電圧発生部20、増幅部30及び電圧制限部40で構成され、電圧制御発振回路は、充放電部50、比較部60、パルス発生部70及び分周部80で構成されている。
温度検知部10は、電源電位VDDとノードN1の間に接続された抵抗11と、このノードN1と接地電位GNDの間に接続された抵抗12を有している。ノードN1には、ボルテージ・フォロワ接続された演算増幅器(OP)13が接続され、この演算増幅器13の出力側から、検知電圧VTが出力されるようになっている。演算増幅器13は、消費電流を抑制するために高抵抗で形成された抵抗11,12による分圧器の出力インピーダンスを下げると共に、ノードN1に生ずる雑音の影響を抑制するためのものである。
抵抗11は、例えば、温度係数が比較的小さいポリシリコンを抵抗体として用いたものである。一方、抵抗12は、シリコンに一定濃度の不純物を注入したもので、温度係数は比較的大きくなる。これらの抵抗11,12は、温度係数は異なるが、いずれも温度の上昇に従って抵抗値が増加する正の温度特性を有している。これにより、周囲温度が上昇すると、抵抗12で分圧される電圧が抵抗11の電圧よりも大きくなり、ノードN1の電位、即ち検知電圧VTが上昇するようになっている。
基準電圧発生部20は、温度検知部10と同様に、電源電位VDDとノードN2の間に接続された抵抗21と、このノードN2と接地電位GNDの間に接続された抵抗22を有している。ノードN2には、ボルテージ・フォロワ接続された演算増幅器23が接続され、この演算増幅器23の出力側から、基準電圧VRが出力されるようになっている。この演算増幅器23も、演算増幅器13と同じ目的で設けられたものである。
この基準電圧発生部20の抵抗21,22は、例えばポリシリコンを抵抗体として用い、同じ温度係数となるように構成されている。更に、この基準電圧発生部20から出力される基準電圧VRは、電圧制御発振回路の発振周波数の下限値に対応する周囲温度の時に、温度検知部10から出力される検知電圧VTと同電圧となるように設定されている。
増幅部30は、検知電圧VTから基準電圧VRを差し引いてその差分を一定の増幅率で増幅し、電圧制御発振回路に対する制御電圧CVを出力するものである。この増幅部30は、演算増幅器31を有し、この演算増幅器31の−入力端子に基準電圧VRが与えられるようになっている。演算増幅器31の+入力端子には、抵抗32を介して検知電圧VTが与えられ、出力端子はPチャネルMOSトランジスタ(以下、「PMOS」という)33のゲートに接続されている。PMOS33のソースは電源電位VDDに接続され、ドレインはノードN3に接続されている。更に、ノードN3は抵抗34を介して演算増幅器31の+入力端子に接続されている。そして、ノードN3から、検知電圧VTと基準電圧VRの差が、抵抗32,34の抵抗値で設定される増幅率で増幅され、制御電圧CVとして出力されるようになっている。
電圧制限部40は、増幅部30から出力される制御電圧CVが、基準電圧VRよりも低い電圧にならないように制限するもので、比較器(CMP)41とPMOS42で構成されている。比較器41の−入力端子には基準電圧VRが与えられ、+入力端子には制御電圧CVが与えられるようになっている。比較器41の出力端子はPMOS42のゲートに接続され、このPMOS42のソースは電源電位VDDに接続され、ドレインは制御電圧CVが出力されるノードN3に接続されている。この電圧制限部40では、制御電圧CVが基準電圧VRよりも低いとき、比較器41の出力信号が“L”となり、PMOS42がオン状態となってノードN3の電位を上昇させ、結果として制御電圧CVが基準電圧VRに等しくなるように動作する。一方、制御電圧CVが基準電圧VRよりも高い場合には、比較器41の出力信号は“H”となり、PMOS42がオフ状態となる。
充放電部50は、パルス発生部70から与えられる制御パルスCPによってキャパシタの充電及び放電を行い、このキャパシタから鋸歯状に変化する電圧を出力するものである。この充放電部50は、電源電位VDDとノードN5の間に接続されたPMOS51と、このノードN5と接地電位GNDの間に直列接続されたNチャネルMOSトランジスタ(以下、「NMOS」という)52,53を有している。PMOS51とNMOS52のゲートには、制御パルスCPが与えられるようになっている。NMOS53のゲートは、抵抗54を介して電源電位VDDに接続されると共に、順方向にダイオード接続されたNMOS55を介して接地電位GNDに接続されている。また、ノードN5と接地電位GNDの間にはキャパシタ56が接続され、このノードN5から鋸歯状に変化するランプ電圧RVが出力されるようになっている。
比較部60は、ランプ電圧RVと制御電圧CVを比較するもので、+入力端子にランプ電圧RVが与えられ、−入力端子には制御電圧CVが与えられる比較器で構成されている。この比較部60は、ランプ電圧RVが制御電圧CVよりも高いときには“H”の比較結果信号CRを出力し、低いときには“L”の比較結果信号CRを出力するようになっている。
パルス発生部70は、比較結果信号CRの立ち下がりのタイミングで、一定の時間だけ“L”になる制御パルスCPを発生するものである。このパルス発生部70は、2入力の否定的論理積ゲート(以下、「NAND」という)71,72を有し、このNAND71の一方の入力側に比較結果信号CRが与えられるようになっている。NAND71の出力側は、NAND72の一方の入力側に接続されると共に、直列接続された遅延素子73とインバータ74を介して、このNAND72の他方の入力側に接続されている。NAND72の出力側は、NAND71の他方の入力側に接続されている。また、NAND71の出力信号はインバータ75で反転され、制御パルスCPとして充放電部50と分周部80に与えられるようになっている。
分周部80は、D型フリップフロップで構成され、制御パルスCPの周波数を1/2に分周してデューティ比が50%の出力信号OUTを生成するものである。
図2は、図1の動作を示す信号波形図である。以下、この図2を参照しつつ、図1の動作を説明する。
温度検知部10において、ノードN1には電源電圧VDDが抵抗11,12で分圧された電圧が生成されるが、これらの抵抗11,12の温度係数が異なるため、ノードN1の電圧は周囲温度に応じて変化する。このノードN1の電圧は、演算増幅器13から検知電圧VTとして出力される。一方、基準電圧発生部20の抵抗21,22は、同じ温度係数に形成されているので、ノードN2の電圧は周囲温度の影響を受けずに一定である。このノードN2の電圧は、演算増幅器23から基準電圧VRとして出力される。
検知電圧VTと基準電圧VRは増幅部30に与えられ、この検知電圧VTから基準電圧VRが差し引かれ、その差の電圧が所定の増幅率で増幅されて、ノードN3に制御電圧CVが出力される。
制御電圧CVは電圧制限部40に与えられ、基準電圧VRと比較される。もしも、制御電圧CVが基準電圧VRよりも低いときには、制御電圧CVは基準電圧VRまで引き上げられる。制御電圧CVが基準電圧VRよりも高いときには、制御電圧CVはそのまま出力される。従って、制御電圧CVが基準電圧VRより低くなることはない。即ち、基準電圧VRは、電圧制御発振回路における発振周波数範囲の下限(最低周波数)に対応する制御電圧CVとなる。
制御電圧CVは比較部60に与えられ、充放電部50から出力されるランプ電圧RVと比較される。ここでは、周囲温度が45℃であるとして、制御電圧CV45とする。
図2の時刻t1に示すように、ランプ電圧RVが制御電圧CV45よりも高く、かつ、制御パルスCPが“H”のときは、充放電部50のPMOS51はオフとなり、NMOS52はオンである。これにより、キャパシタ56の電荷は、NMOS52,53を介して接地電位GNDに放電される。このときの時定数は、NMOS53のゲートに与えられる制御電圧と、キャパシタ56の容量によって決定される。キャパシタ56の放電によってノードN5のランプ電圧RVは次第に低下する。
時刻t2において、ランプ電圧RVが制御電圧CV45まで低下すると、比較部60の比較結果信号CRが“L”になる。これにより、パルス発生部70のNAND71から出力される信号S71が“H”となり、制御パルスCPは“L”に変化する。
NAND72の一方の入力側に与えられる信号S71は“H”となるが、このNAND72の他方の入力側にインバータ74から与えられる信号S74は、遅延素子73を介して伝搬されるので、この時点では“H”である。従って、NAND72から出力される信号S72は“L”となる。
一方、制御パルスCPが“L”になったことにより、充放電部50のPMOS51はオンとなり、NMOS52はオフとなる。これにより、キャパシタ56は、NMOS51を介して電源電位VDDに接続され、急速に充電される。これに従い、比較結果信号CRは直ちに“H”に戻るが、パルス発生部70では遅延素子73による遅延時間のため、NAND72の信号S72は“L”のまま変化しない。従って、制御パルスCPも“L”のままである。この期間に充放電部50のキャパシタ56は電源電位VDDまで十分に充電される。
時刻t3において、遅延素子73とインバータ74を介しNAND72に与えられる信号S74が“L”になると、このNAND72の信号S72が“H”になり、NAND71の信号S71が“L”になる。これにより、制御パルスCPは“H”になり、充放電部50のキャパシタ56は、NMOS52,53を通して放電を開始する。
時刻t4において、NAND72に与えられる信号S74が“H”になる。但し、この時点ではNAND72の一方の入力側の信号S71は“L”であるので、このNAND72の信号S72は変化しない。
以上の繰り返しにより、ランプ電圧RVは、電源電位VDDと制御電圧CV45の間で鋸歯状に変化する。制御パルスCPは分周部80に与えられ、この分周部80によって周波数が1/2に分周され、デューティ比50%の出力信号OUTが得られる。
ここで、周囲温度が上昇して85℃になると、制御電圧CVも上昇してCV85となる。これにより、ランプ電圧RVが制御電圧CV85まで低下した時点で比較結果信号CRが“L”となるので、この比較結果信号CRが出力される間隔が短くなる。従って、出力信号OUTの周波数は、周囲温度の上昇に従って連続的に高くなる。
一方、周囲温度が低下すると制御電圧CVも低下するので、出力信号OUTの周波数は、周囲温度の低下に従って連続的に低くなる。しかし、電圧制限部40によって、制御電圧CVの下限が制限されるので、この制御電圧CVは基準電圧VRよりも低くなることはない。従って、周囲温度が低下して検知電圧VTが基準電圧VR以下なった場合には、出力信号OUTの周波数は、基準電圧VRに対応する周波数となり、それ以下の周波数に低下することはない。
以上のように、この実施例1の温度制御発振器は、次のような利点を有する。
(1) 温度検知部10は、正の温度特性を有し温度係数が異なる2つの抵抗11,12で電源電圧VDDを分圧して検知電圧VTを出力するように構成しているので、負の温度特性を有する抵抗素子を形成する必要がない。これにより、製造工程を複雑にする必要がなく、通常のDRAMの製造工程で、温度制御発振器を同一基板上に形成することができる。
(2) 温度係数が等しい2つの抵抗21,22で電源電圧VDDを分圧して基準電圧VRを出力する基準電圧発生部20を設け、この基準電圧VRと温度検知部10の検知電圧VTの差に基づいて制御電圧CVを生成するようにしているので、電源電圧VDDの変動による制御電圧CVの変動を抑制することができる。
(3) 温度検知部10と基準電圧発生部20は、抵抗分圧器から出力される電圧をボルテージ・フォロワ接続された演算増幅器を介して出力するように構成しているので、抵抗分圧器の抵抗値を大きくすることができ、消費電流を低減するとともに雑音による影響を抑制することができる。
(4) 増幅部30によって検知電圧VTと基準電圧VRの電位差を増幅して、制御電圧CVを生成するようにしているので、この制御電圧CVの変化範囲が広がる。これにより、電圧制御発振回路の出力信号OUTの周波数制御範囲を広くすることができる。
(5) 制御電圧CVが基準電圧VRよりも低下することを制限する電圧制限部40を設けているので、低温時に出力信号OUTの周波数が極端に低下してDRAMの記憶内容が消滅するおそれがない。
図3は、本発明の実施例2を示す電圧制御発振回路の構成図である。
この電圧制御発振回路90は、図1中の充放電部50、比較部60、パルス発生部70及び分周部80に代えて設けられるもので、演算増幅器81,82と、バッファアンプ83,84と、インバータ85をループ状に接続したループ発振器となっている。
演算増幅器81,82の定電流回路であるNMOSのゲートには、制御電圧CVが与えられるようになっている。バッファアンプ83,84は、演算増幅器82から出力される小振幅の信号を論理レベルの振幅を有する信号に増幅するためのもので、例えば、それぞれインバータを2段縦続接続して構成される。また、インバータ85は、発振動作を行わせるために、演算増幅器82の出力信号を反転して演算増幅器81の入力側に帰還させるものである。
この電圧制御発振回路90では、制御電圧CVが上昇すると演算増幅器81,82に流れる電流が増加して応答速度が速くなり、出力信号OUTの周波数が高くなる。一方、制御電圧CVが低下すると演算増幅器81,82に流れる電流が減少して応答速度が遅くなり、出力信号OUTの周波数が低くなる。
この電圧制御発振回路90は、一般的な演算増幅器やインバータで構成されているので、図1中の充放電部50、比較部60、パルス発生部70及び分周部80で構成された電圧制御発振回路に比べて、構成が簡素化できるという利点がある。但し、演算増幅器の応答速度を制御するため、出力信号OUTの周波数制御範囲が図1中の電圧制御発振回路に比べて狭くなるという制約がある。
なお、本発明は、上記実施例に限定されず、種々の変形が可能である。この変形例としては、例えば、次のようなものがある。
(a) 増幅部30では、検知電圧VTと基準電圧VRの差に従って直線的に増加する制御電圧CVを出力するように構成しているが、例えば関数発生器を用いて、検知電圧VTと基準電圧VRの差の電圧を変数とする指数関数、対数関数、2次関数等に従って増幅して制御電圧CVを生成するようにしても良い。
(b) 使用する周囲温度の範囲が限定されている場合には、電圧制限部40を省略することができる。
(c) 充放電部50やパルス発生部70の回路構成は一例であり、同様の機能を有する回路で置き換えることができる。
(d) DRAMに適用する場合について説明したが、適用範囲はDRAMに限定されない。
本発明の実施例1を示す温度制御発振器の構成図である。 図1の動作を示す信号波形図である。 本発明の実施例2を示す電圧制御発振回路の構成図である。
符号の説明
10 温度検知部
20 基準電圧発生部
30 増幅部
40 電圧制限部
50 充放電部
60 比較部
70 パルス発生部
80 分周部
90 電圧制御発振回路

Claims (5)

  1. 温度係数が異なる抵抗で電源電圧を分圧して周囲温度の上昇に伴って上昇する検知電圧を出力する温度検知部と、
    温度係数が同じ抵抗で電源電圧を分圧して周囲温度に依存しない基準電圧を出力する基準電圧発生部と、
    前記検知電圧と前記基準電圧の差の電圧を増幅して制御電圧を生成する増幅部と、
    前記制御電圧に応じて出力信号の発振周波数が制御され、周囲温度が上昇したときに該発振周波数が高くなり、周囲温度が下降したときには該発振周波数が低くなる電圧制御発振回路とを、
    備えたことを特徴とする温度制御発振器。
  2. 前記増幅部から出力される制御電圧が前記基準電圧よりも低くならないように制限して前記電圧制御発振回路に与える電圧制限部を設けたことを特徴とする請求項1記載の温度制御発振器。
  3. 前記増幅部は、前記検知電圧と前記基準電圧の差の電圧を変数とする指数関数に従って増幅して前記制御電圧を生成することを特徴とする請求項1または2記載の温度制御発振器。
  4. 前記電圧制御発振回路は、
    パルス信号に従ってキャパシタを充放電して鋸歯状のランプ電圧を発生する充放電部と、
    前記ランプ電圧と前記制御電圧を比較して比較結果信号を出力する比較部と、
    前記比較結果信号が出力されたときに、一定のパルス幅を有する前記パルス信号を発生するパルス発生部と、
    前記パルス信号に基づいて前記出力信号を生成する出力部とを、
    有することを特徴とする請求項1、2または3記載の温度制御発振器。
  5. 前記電圧制御発振回路は、
    前記制御電圧で応答速度が制御される演算増幅器と、
    前記演算増幅器の出力信号の波形を整形するバッファアンプと、
    前記バッファアンプの出力信号を反転して前記演算増幅器の入力側に帰還させることによってリング発振回路を構成するインバータとを、
    有することを特徴とする請求項1、2または3記載の温度制御発振器。
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