JP2007318760A - 自家調整機能を持つｒｃ発振器 - Google Patents

Abstract

【課題】本発明は、温度変動及び工程偏差による抵抗の抵抗値変動を最少化し、かつＣＭＯＳ工程を利用してワンチップ化が可能な自家調整機能を持つＲＣ発振器を提供する。
【解決手段】本発明は、温度が増加するにつれ抵抗値が減少する第１抵抗と、温度が増加するにつれ抵抗値が増加する第２抵抗を直列連結した構造を適用することによって、温度による抵抗値の変動によって発生されるＲＣ発振器の発振周波数変動を著しく減少させることができる。
【選択図】図２

Description

本発明は、抵抗（ｒｅｓｉｓｔｏｒ）キャパシタ（ｃａｐｃｉｔｏｒ）によって共振周波数が定められるＲＣ発振器に関し、より詳しくは外部温度変化に依存性が低く、かつ一つのチップで集積が可能な自家調整機能を持つＲＣ発振器に関する。

去る２０００年、低速無線私設網アプリケーションの標準案であるＩＥＥＥ８０２．１５．４に対する標準化がＩＥＥＥで始まった。この標準案ではバッテリーの寿命が少なくとも５乃至７年間維持されることを求めており、この要求条件を満たすためには電力消耗が最小化された回路の設計が必須である。電力消耗を最小化するための方案として、回路の作動が不要な場合回路の電源をオフさせる技術が最も知られている。

電力消耗を節減するために動作しない時電源をオフさせる技法を利用するシステムにおいて、電源をオンさせ動作し、再度電源をオフさせる一連の過程が行われる時間が短いほどシステムに消耗される電力が少なくなる。特に、このような特徴は通信のためのシステムに必須に使用される基準周波数を生成する発振器回路において極めて重要である。

一般的に従来に主として使用されたクリスタル発振器（ｃｒｙｓｔａｌ ｏｓｃｉｌｌａｔｏｒ）は、内部的に生成されたノイズを動作レベルまで増幅させる自己機動（ｓｅｌｆ−ｓｔａｒｔ）時間が必要であるため、発振をスタートする際長い動作時間と多くの電力消耗が発生する問題がある。こういった機動時間及び電力消耗のため、クリスタル発振器は電力消耗を最小化するために動作しない時電源をオフさせるシステムに適用するには不向きである。

かかる従来のクリスタル発振器の問題点を解決するためにＲＣ発振器が提案された。該ＲＣ発振器はコストが低廉で、電力消耗が少なく、早い機動時間を有し、かつ周波数を容易に調整することができる長所がある。

図１は従来のＲＣ発振器の一例を示すブロック構成図である。図１に示すように、従来のＲＣ発振器は抵抗（Ｒ）、キャパシタ（Ｃ）、バイアス回路部１１、ランプ／ホールド回路部１２、比較部１３、分周器１４、チャージポンプ１５及び発振部１６とを含んで構成される。

上記従来ＲＣ発振器の動作を簡単に説明すると、バイアス回路部１１は所定の基準電圧（Ｖ_ＲＥＦ１）及び上記基準電圧（Ｖ_ＲＥＦ１）に比例し、上記抵抗（Ｒ）の抵抗値に反比例するランプ電流（Ｉ_ＲＡＭＰ）を生成する。

ランプ／ホールド（Ｒａｍｐ ａｎｄ Ｈｏｌｄ）回路部１２は上記ランプ電流を利用してキャパシタ（Ｃ）を充填し、この際キャパシタの充填時間はＲＣ発振器から出力される発振信号の周期を所定の分周比に分周して提供する分周器１４によって定められる。上記充填時間はＲＣ発振器の発振信号周期に比例する。充填時間以降ランプ／ホールド回路部１２はキャパシタ（Ｃ）の両端電圧を維持させる。

比較部１３は上記基準電圧とキャパシタ（Ｃ）の両端電圧を比較してその結果を出力し、分周器１４はチャージポンプ１５が発振部１６の制御電圧を増加させたり減少させる動作を行うように制御する。即ち、比較部１３の比較結果、キャパシタの両端電圧がより大きい場合、比較部１３はチャージポンプ１５が発振部１６に提供する電圧（Ｖ_ＣＰ）を増加させ発振部１６から出力される発振信号の周波数を増加させる。逆に、比較部１３の比較結果、キャパシタの両端電圧がより小さい場合、比較部１３はチャージポンプ１５が発振部１６に提供する電圧（Ｖ_ＣＰ）を減少させ発振部１６から出力される発振信号の周波数を減少させる。

かかる従来のＲＣ発振器における発振信号の周波数は抵抗（Ｒ）の抵抗値とキャパシタ（Ｃ）のキャパシタンス値により定められる。従って、望む周波数の発振信号を得るためには抵抗値とキャパシタンス値を回路設計の際定められる値に維持されるようにＲＣ発振器を製作することが極めて重要である。

しかし、抵抗（Ｒ）キャパシタ（Ｃ）をＣＭＯＳ工程を利用してワンチップ型に製作する場合、温度変化及び工程偏差によってその抵抗ンス及びキャパシタ値がかなり大幅で変動される問題点がある。例えば、ＲＣ時定数において約±５０％の変動をもたらしたりもする。従って、従来では抵抗とキャパシタを他の回路とワンチップ化して実現できず、ワンチップで実現された回路（'Ａ'）の外部に適切に選択された値を有するラップ抵抗とキャパシタを連結して使用している状況である。

本発明は、上述した従来技術の問題点を解決するために案出されたもので、その目的は温度変動及び工程偏差による抵抗の抵抗値変動を最少化し、キャパシタのキャパシタンス値を必要に応じて適宜に選択することができ、かつＣＭＯＳ工程を利用してワンチップ化が可能な自家調整機能を持つＲＣ発振器を提供することにその目的がある。

上記目的を達成するための技術的構成として本発明は、所定周期の発振信号を生成するＲＣ発振器において、温度によって抵抗値が減少する第１抵抗及び上記第１抵抗に直列連結され温度によって抵抗値が増加する第２抵抗とを含み、上記直列連結された第１、２抵抗によって形成された抵抗値を有する抵抗部と、所定の第１基準電圧、及び上記第１基準電圧に比例し上記抵抗部の抵抗値に反比例するランプ電流を生成するバイアス回路部と、所定のキャパシタンス値を有するキャパシタ部と、上記発振信号の周期によって定められる充填時間の間上記ランプ電流を上記キャパシタ部に提供して上記キャパシタ部を充填させ、上記充填後キャパシタ部の両端電圧を維持させるランプ／ホールド回路部と、上記第１基準電圧と上記キャパシタ部の両端電圧の大きさを比較する第１比較部と、上記第１比較部の比較結果による制御信号を出力し、上記発振信号をフィードバックして上記ランプ／ホールド回路部で上記ランプ電流をキャパシタ部に提供する充填時間を定める制御ロジックと、上記制御ロジックの制御信号によって増減される制御電圧を出力する第１チャージポンプと、上記第１チャージポンプの制御電圧によって周波数が調整される上記発振信号を出力する発振部とを含む、自家調整機能を持つＲＣ発振器を提供する。

本発明の好ましい実施形態において、上記キャパシタ部は、上記ランプ電流が入力される端子に並列連結された複数のスイッチと、上記複数のスイッチに一端がそれぞれ連結され他端が接地された複数のキャパシタを含み、上記制御ロジックは上記スイッチのオンオプを制御することができる。

また、本発明の好ましい実施形態は、クリスタル共振器より生成された共振信号から基準周波数を生成するクリスタル共振部と、上記発振信号の周波数と上記基準周波数を比較する位相周波数検出部と、上記位相周波数検出部の比較結果によって大きさが調整される比較電圧を出力する第２チャージポンプと、上記第２チャージポンプから出力される比較電圧と所定の第２基準電圧の大きさを比較して上記制御ロジックに提供する第２比較部をさらに含むことができる。この実施形態において、上記制御ロジックは上記第２比較部の比較結果によって上記複数のスイッチのオン／オフを制御し上記キャパシタ部のキャパシタンス値を定める。この実施形態は上記第２比較部の比較結果による上記複数のスイッチのオン／オフ状態を保存する保存部をさらに含むことができる。

本発明によれば、温度が増加するにつれ抵抗値が減少する第１抵抗と、温度が増加するにつれ抵抗値が増加する第２抵抗を直列連結した構造を適用することによって、温度による抵抗値の変動によって発生されるＲＣ発振器の発振周波数変動を著しく減少させることができる効果を奏する。

以下、添付された図面を参照して本発明の多様な実施形態に対する構成及び作用をより詳しく説明する。しかし、本発明の実施形態は様々な他の形態に変形でき、本発明の範囲が以下に説明される実施形態に限定されることではない。本発明の実施形態は、本発明が属する技術分野において通常の知識を有する者に本発明をより完全に説明するために提供されるものである。従って、図面に示される構成要素の形状及び大きさなどはより明確な説明のために誇張され得、図面上において実質的に同じ構成及び機能を有する構成要素は同一な参照符号を付す。

図２は本発明の一実施形態によるＲＣ発振器を示すブロック構成図である。図 ２を参照すると、本発明の一実施形態によるＲＣ発振器は、抵抗部（Ｒ）、キャパシタ部（Ｃ）、バイアス回路部２１、ランプ／ホールド回路部２２、第１比較部２３、制御ロジック２４、第１チャージポンプ２５及び発振部２６とを含んで構成される。

このような構成に加えて、本発明の一実施形態によるＲＣ発振器は、クリスタル共振部３１、位相周波数検出部３２、第２チャージポンプ３３、第２比較部３４及び保存部３５とをさらに含むことができる。

上記抵抗部（Ｒ）は、温度によって抵抗値が減少する第１抵抗（Ｒ１）及び上記第１抵抗（Ｒ１）に直列連結され温度によって抵抗値が増加する第２抵抗（Ｒ２）とを含む。このような特性を有するＣＭＯＳ半導体工程によって製造された第１抵抗（Ｒ１）ではｎｗｅｌｌ抵抗で知られたＮ−ｗｅｌｌ ｒｅｓｉｓｔｏｒ ｕｎｄｅｒ ＳＴＩ（Ｓｈａｌｌｏｗ Ｔｒｅｎｃｈ Ｉｓｏｌａｔｉｏｎ）がある。また、上記特性を有するＣＭＯＳ半導体工程によって製造された第２抵抗（Ｒ２）ではｐｈｒｉｐｏｌｙ抵抗で知られたＰ−ｐｏｌｙ ＨＲＩ（Ｈｉｇｈ Ｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ Ｉｓｏｌａｔｉｏｎ）ｒｅｓｉｓｔｏｒ ｗｉｔｈｏｕｔ ｓａｌｉｃｉｄｅがある。

上記抵抗部（Ｒ）に含まれた第１抵抗Ｒ１（Ｒｎｗｅｌｌ）及び第２抵抗Ｒ２（Ｒｐｈｉｒｉｐｏｌｙ）の温度による抵抗値を示すグラフを図３に示す。図３（ａ）に示されたように、第１抵抗（Ｒ１）は−４０℃乃至８０ ℃の範囲で約７６ｋΩ乃至約６６ｋΩと抵抗値が減少変動される。また、図３（ｂ）に示されたように、第２抵抗（Ｒ２）は−４０℃乃至８０℃の範囲で約６０ｋΩ乃至約８５ｋΩで抵抗値が増加変動される。本発明は、図３（ａ）及び図３（ｂ）に示されたような二つの温度依存性を持つ抵抗を互いに直列連結し二つの特性を互いに相殺させて温度変動の範囲で変動の少ない抵抗値を実現する。

図３（ｃ）は上記第１抵抗（Ｒ１）と第２抵抗（Ｒ２）を直列連結した場合、この直列連結された構造が持つ抵抗値の温度依存性を示したグラフである。図３（ｃ）に示すように、二つの抵抗を直列連結した構造の抵抗値は、−４０℃乃至８０℃の範囲で、約７０ｋΩ乃至約７１．５ｋΩの間の変動幅を持つ。即ち、温度が大きく変動されても約１．５ｋΩ程度の抵抗値の変化を示す。従って、上述した第１抵抗（Ｒ１）と第２抵抗（Ｒ２）を直列連結した構造を適用することによって、本発明は、温度による抵抗値の変動によって発生されるＲＣ発振器の発振周波数変動を著しく減少させることが可能である。

また図２を参照すれば、上記バイアス回路部２１は所定の第１基準の電圧（Ｖ_ＲＥＦ１）及び上記第１基準電圧（Ｖ_ＲＥＦ１）に比例し、上記抵抗（Ｒ）の抵抗値に反比例するランプ電流（Ｉ_ＲＡＭＰ）を生成する。

上記キャパシタ部（Ｃ）は工程上のキャパシタンス値の変動を補償するために選択的にキャパシタンス値を採用して使用することができるキャパシタアレイで実現することができる。本実施形態で上記キャパシタ部（Ｃ）は上記ランプ電流（Ｉ_ＲＡＭＰ）が入力される端子に並列連結された複数のスイッチ（Ｓ１乃至Ｓ４）と上記複数のスイッチ（Ｓ１乃至Ｓ４）に一端がそれぞれ連結され、他端が接地された複数のキャパシタ（Ｃ１乃至Ｃ５）を含む構造を持つことが好ましい。

上記スイッチのオン／オフは制御ロジック２４によって制御することができる。本実施形態ではスイッチ（Ｓ１乃至Ｓ４）のオン／オフを制御することによって、互いに並列連結関係を持つ複数のキャパシタ（Ｃ１乃至Ｃ５）のキャパシタンス値を選択的に使用することができる。特に、基準となるキャパシタンス値を有するキャパシタ（Ｃ１）はスイッチを適用してない状態で、工程上の偏差によるキャパシタンス値を補償するために少ないキャパシタンス値を有するキャパシタ（Ｃ２乃至Ｃ５）にスイッチを適用して選択的にキャパシタンス値を選択して適用することが好ましい。

上記ランプ／ホールド（Ｒａｍｐ ａｎｄ Ｈｏｌｄ）回路部２２はＲＣ発振器から生成される発振信号の周期によって定められる充填時間の間上記ランプ電流（Ｉ_ＲＡＭＰ）を上記キャパシタ部（Ｃ）に提供し上記キャパシタ部（Ｃ）を充填させ、上記充填後キャパシタ部（Ｃ）の両端電圧を維持させる。上記充填時間はＲＣ発振器から出力される発振信号の周期を所定の分周比で分周して提供する制御ロジック２４によって定められ、ＲＣ発振器の発振信号周期に比例する。

上記第１比較部２３は、上記第１基準電圧（Ｖ_ＲＥＦ１）と上記キャパシタ部（Ｃ）の両端電圧の大きさを比較する。上記第１比較部２３は、二つのトランジスタから成る簡単なインバータータイプで実現することができる。上記比較器は上記キャパシタ部（Ｃ）の両端電圧が上記第１基準電圧（Ｖ_ＲＥＦ１）より大きい時、高（ｈｉｇｈ）から低（ｌｏｗ）へと出力を変換する動作を行うことができる。上記第１比較部２３の出力によって制御ロジック２４は第１チャージポンプ２５が発振部２６の制御電圧を増加させたり減少させる動作を行うように制御する。

上記制御ロジック２４は、上記第１比較部２３の比較結果による制御信号を出力し、ＲＣ発振器の出力である発振信号をフィードバックして上記ランプ／ホールド回路部２２で上記ランプ電流（Ｉ_ＲＡＭＰ）をキャパシタ部（Ｃ）に提供する充填時間を定める。上述したように、上記充填時間はＲＣ発振器の出力である発振信号周期に比例する。

上記第１チャージポンプ２５は上記制御ロジック２４の制御信号によって増減される制御電圧を出力し、上記発振部２６は上記第１チャージポンプ２５の制御電圧によって周波数が調整される上記発振信号を出力する。

上記第１比較部２３、制御ロジック２４、第１チャージポンプ２５及び発振部２６の動作を見れば、上記第１比較部２３の比較結果、キャパシタ部（Ｃ）の両端電圧が上記第１基準電圧（Ｖ_ＲＥＦ１）よりさらに大きい場合、上記制御ロジック２４は上記第１チャージポンプ２５から出力される発振部２６の制御電圧（Ｖ_ＣＰ）を増加させる制御信号を第１チャージポンプ２５に提供し、これによって第１チャージポンプ２５は発振部２６に提供する制御電圧（Ｖ_ＣＰ）を増加させ発振部２６から出力される発振信号の周波数を増加させる。逆に、上記第１比較部２３の比較結果、キャパシタ部（Ｃ）の両端電圧が上記第１基準電圧（Ｖ_ＲＥＦ１）よりさらに小さい場合、上記制御ロジック２４は上記第１チャージポンプ２５から出力される発振部２６の制御電圧（Ｖ_ＣＰ）を減少させる制御信号を第１チャージポンプ２５に提供し、これにより上記第１チャージポンプ２５は上記発振部２６に提供する電圧（Ｖ_ＣＰ）を減少させ発振部２６から出力される発振信号の周波数を減少させる。

本発明は、クリスタル共振器より生成された共振信号から基準周波数を生成するクリスタル共振部３１と、上記発振信号の周波数と上記基準周波数を比較する位相周波数検出部３２と、上記位相周波数検出部３２の比較結果によって大きさが調整される比較電圧を出力する第２チャージポンプ３３及び上記第２チャージポンプから出力される比較電圧と所定の第２基準電圧の大きさを比較して上記制御ロジック２４に提供する第２比較部３４とをさらに含むことができる。

上記追加的な構成は、ＲＣ発振器の初期動作の際、比較的に正確な周波数を生成する上記クリスタル共振部３１によって出力される周波数が上記発振部２６から出力されるようにし、このクリスタル共振部３１によって制御された発振信号を出力できるキャパシタンス値を定めるように、上記制御ロジック２４上記キャパシタ部（Ｃ）のスイッチ（Ｓ１乃至Ｓ４）のオン／オフ状態を制御することができるようにする。このような構成はＲＣ発振器の電源がオフされた後再度動作をスタートする時キャパシタ部（Ｃ）のキャパシタンス値を定めるのに有用に適用でき、上記キャパシタ部（Ｃ）のキャパシタンス値が定められた後では、クリスタル共振部３１、位相周波数検出部３２、第２チャージポンプ３３、及び第２比較部３４の電源を全てオフし不要な電力消耗を減らすことが好ましい。

従来のＲＣ発振器の一例を示すブロック構成図である。 本発明の一実施形態によるＲＣ発振器を示すブロック構成図である。 本発明に適用された抵抗の温度特性を示すグラフである。

符号の説明

２１ バイアス回路部
２２ ランプ／ホールド回路部
２３ 第１比較部
２４ 制御ロジック
２５ 第１チャージポンプ
２６ 発振部
３１ クリスタル発振部
３２ 位相周波数検出部
３３ 第２チャージポンプ
３４ 第２比較部
３５ 保存部
Ｒ１ 第１レジシタ
Ｒ２ 第２抵抗
Ｃ１〜Ｃ５ キャパシタ
Ｓ１〜Ｓ４ スイッチ

Claims (4)

1. 所定周期の発振信号を生成するＲＣ発振器において、
   温度によって抵抗値が減少する第１抵抗及び前記第１抵抗に直列連結され温度によって抵抗値が増加する第２抵抗とを含み、前記直列連結された第１、２抵抗によって形成された抵抗値を有する抵抗部と、
   所定の第１基準電圧、及び前記第１基準電圧に比例し前記抵抗部の抵抗値に反比例するランプ電流を生成するバイアス回路部と、
   所定のキャパシタンス値を有するキャパシタ部と、
   前記発振信号の周期によって定められる充填時間の間前記ランプ電流を前記キャパシタ部に提供して前記キャパシタ部を充填させ、充電後の前記キャパシタ部の両端電圧を維持させるランプ／ホールド回路部と、
   前記第１基準電圧と前記キャパシタ部の両端電圧の大きさを比較する第１比較部と、
   前記第１比較部の比較結果による制御信号を出力し、前記発振信号をフィードバックして前記ランプ／ホールド回路部で前記ランプ電流をキャパシタ部に提供する充填時間を定める制御ロジックと、
   前記制御ロジックの制御信号によって増減される制御電圧を出力する第１チャージポンプと、
   前記第１チャージポンプの制御電圧によって周波数が調整される前記発振信号を出力する発振部とを含む、自家調整機能を持つＲＣ発振器。
2. 前記キャパシタ部は、前記ランプ電流が入力される端子に並列連結された複数のスイッチと、
   前記複数のスイッチに一端がそれぞれ連結され他端が接地された複数のキャパシタを含み、前記制御ロジックは前記スイッチのオンオプを制御することを特徴とする、請求項１記載の自家調整機能を持つＲＣ発振器。
3. クリスタル共振器より生成された共振信号から基準周波数を生成するクリスタル共振部と、
   前記発振信号の周波数と前記基準周波数を比較する位相周波数検出部と、
   前記位相周波数検出部の比較結果によって大きさが調整される比較電圧を出力する第２チャージポンプと、
   前記第２チャージポンプから出力される比較電圧と所定の第２基準電圧の大きさを比較して前記制御ロジックに提供する第２比較部をさらに含み、
   前記制御ロジックは前記第２比較部の比較結果によって前記複数のスイッチのオン／オフを制御して前記キャパシタ部のキャパシタンス値を定めることを特徴とする、請求項２記載の自家調整機能を持つＲＣ発振器。
4. 前記第２比較部の比較結果による前記複数のスイッチのオン／オフ状態を保存する保存部をさらに含むことを特徴とする、請求項３記載の自家調整機能を持つＲＣ発振器。

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