JP2013098614A - Semiconductor device - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、半導体装置、さらにはそれに含まれる内蔵発振器(OCO;On-Chip Oscillator)における発振周波数変動の許容範囲を半導体装置のユーザ(顧客)が任意に設定可能とするための技術に関する。 The present invention relates to a technique for allowing a user (customer) of a semiconductor device to arbitrarily set an allowable range of oscillation frequency fluctuations in a semiconductor device, and further, an internal oscillator (OCO; On-Chip Oscillator) included in the semiconductor device.
特許文献1には、マイクロコンピュータのシステムクロックにばらつきが発生しても精度の高いカウント動作を実現するためのタイマ装置が記載されている。
特許文献2には、マイクロコンピュータのシステムクロック発振器周波数を高精度に保ち、且つ、切り換えることができる発振制御装置が記載されている。 Patent Document 2 describes an oscillation control device that can maintain and switch the system clock oscillator frequency of a microcomputer with high accuracy.
本願発明者は、半導体装置の一例とされるマイクロコンピュータの内蔵発振器について検討し、以下の課題を見いだした。 The inventor of the present application has studied a built-in oscillator of a microcomputer, which is an example of a semiconductor device, and has found the following problems.
内蔵発振器の周波数は温度依存性があり、広範囲の温度で高精度な周波数を保つためには、常時周波数トリミングを行うことで周波数を補正する必要がある。しかも、内蔵発振器の発振周波数やその変動の許容範囲は、マイクロコンピュータが搭載されるシステムによって異なる。特許文献1,2によれば、発振周波数の補正は可能であるが、発振周波数変動の許容範囲を任意に設定することができない。例えばマイクロコンピュータに内蔵される発振器の発振周波数を40〔MHz〕±1.0%保証をユーザが望んでいるにもかかわらず、そのような設定をユーザ自身がマイクロコンピュータに対して行うことができない。
The frequency of the built-in oscillator is temperature dependent, and in order to maintain a highly accurate frequency over a wide range of temperatures, it is necessary to always correct the frequency by performing frequency trimming. In addition, the oscillation frequency of the built-in oscillator and the allowable range of its variation vary depending on the system in which the microcomputer is mounted. According to
本発明の目的は、内蔵発振器における発振周波数変動の許容範囲を任意に設定可能な半導体装置を提供することにある。 An object of the present invention is to provide a semiconductor device capable of arbitrarily setting an allowable range of oscillation frequency fluctuations in a built-in oscillator.
本発明の前記並びにその他の目的と新規な特徴は本明細書の記述及び添付図面から明らかになるであろう。 The above and other objects and novel features of the present invention will be apparent from the description of this specification and the accompanying drawings.
本願において開示される発明のうち代表的なものの概要を簡単に説明すれば下記の通りである。 The following is a brief description of an outline of typical inventions disclosed in the present application.
すなわち、半導体装置は、トリミング値を格納可能なトリミングレジスタと、上記トリミングレジスタ内のトリミング値に応じて発振周波数が変更される発振器と、上記発振器の発振周波数を補正可能な補正回路とを含む。このとき上記補正回路は、周波数トリミングについての上限値を設定可能な上限値レジスタと、周波数トリミングについての下限値を設定可能な下限値レジスタと、上記発振器の発振周波数を分周するための分周回路と、上記分周回路の出力をカウントするカウンタとを含む。さらに上記補正回路は、上記カウンタの出力を保持可能なバッファレジスタと、上記バッファレジスタの保持値が、上記上限値レジスタの保持値と上記下限値レジスタの保持値との間に入っているか否かを判別するための比較器と、上記比較器での判別結果に基づいて上記トリミングレジスタのトリミング値を補正するトリミング値補正制御回路とを含む。 That is, the semiconductor device includes a trimming register capable of storing a trimming value, an oscillator whose oscillation frequency is changed according to the trimming value in the trimming register, and a correction circuit capable of correcting the oscillation frequency of the oscillator. At this time, the correction circuit includes an upper limit value register that can set an upper limit value for frequency trimming, a lower limit value register that can set a lower limit value for frequency trimming, and a frequency divider for dividing the oscillation frequency of the oscillator. A circuit and a counter for counting the output of the frequency dividing circuit. Further, the correction circuit includes a buffer register capable of holding the output of the counter, and whether or not the holding value of the buffer register is between the holding value of the upper limit register and the holding value of the lower limit register. And a trimming value correction control circuit for correcting the trimming value of the trimming register based on the discrimination result of the comparator.
本願において開示される発明のうち代表的なものによって得られる効果を簡単に説明すれば下記のとおりである。 The effects obtained by the representative ones of the inventions disclosed in the present application will be briefly described as follows.
すなわち、内蔵発振器における発振周波数変動の許容範囲を任意に設定可能な半導体装置を提供することができる。 That is, it is possible to provide a semiconductor device capable of arbitrarily setting an allowable range of oscillation frequency fluctuations in the built-in oscillator.
1.実施の形態の概要
先ず、本願において開示される発明の代表的な実施の形態について概要を説明する。代表的な実施の形態についての概要説明で括弧を付して参照する図面中の参照符号はそれが付された構成要素の概念に含まれるものを例示するに過ぎない。
1. First, an outline of a typical embodiment of the invention disclosed in the present application will be described. Reference numerals in the drawings referred to in parentheses in the outline description of the representative embodiments merely exemplify what are included in the concept of the components to which the reference numerals are attached.
〔1〕本発明の代表的な実施の形態に係る半導体装置(21)は、トリミング値を格納可能なトリミングレジスタ(11)と、上記トリミングレジスタ内のトリミング値に応じて発振周波数が変更される発振器(12)と、上記発振器の発振周波数を補正可能な補正回路(20)とを含む。上記補正回路は、周波数トリミングについての上限値を設定可能な上限値レジスタ(6)と、周波数トリミングについての下限値を設定可能な下限値レジスタ(7)と、上記発振器の発振周波数を分周するための分周回路(13)と、上記分周回路の出力をカウントするカウンタ(3)とを含む。さらに上記補正回路は、上記カウンタの出力を保持可能なバッファレジスタ(4)と、上記バッファレジスタの保持値が、上記上限値レジスタの保持値と上記下限値レジスタの保持値との間に入っているか否かを判別するための比較器(5)と、上記比較器での判別結果に基づいて上記トリミングレジスタのトリミング値を補正するトリミング値補正制御回路(8)とを含む。 [1] In a semiconductor device (21) according to a typical embodiment of the present invention, a trimming register (11) capable of storing a trimming value and an oscillation frequency are changed according to the trimming value in the trimming register. An oscillator (12) and a correction circuit (20) capable of correcting the oscillation frequency of the oscillator are included. The correction circuit divides the oscillation frequency of the oscillator, and an upper limit value register (6) capable of setting an upper limit value for frequency trimming, a lower limit value register (7) capable of setting a lower limit value for frequency trimming. And a counter (3) that counts the output of the frequency divider circuit. Further, the correction circuit includes a buffer register (4) capable of holding the output of the counter, and a holding value of the buffer register between the holding value of the upper limit register and the holding value of the lower limit register. A comparator (5) for determining whether or not there is a trimming value, and a trimming value correction control circuit (8) for correcting the trimming value of the trimming register based on the determination result of the comparator.
上記の構成によれば、上限値及び下限値の設定後は、トリミング値補正制御回路8によってトリミング値が補正されるため、発信周波数の安定化を図ることができる。半導体装置のユーザは、用途に応じて、発振器における発振周波数変動の許容範囲を任意に設定することができる。また、この設定は、上限値と下限値とをそれぞれ上限値レジスタ及び下限値レジスタに設定するだけで良いので容易である。
According to the above configuration, since the trimming value is corrected by the trimming value
〔2〕上記〔1〕における半導体装置は、上記発振器の発振周波数のトリミング値を保持する不揮発性メモリ(18,19)を含み、パワーオンリセット処理において、上記不揮発性メモリの保持値が上記トリミングレジスタに書き込まれるように構成することができる。 [2] The semiconductor device according to [1] includes a non-volatile memory (18, 19) that holds a trimming value of the oscillation frequency of the oscillator, and in the power-on reset process, the holding value of the non-volatile memory is the trimming value. It can be configured to be written to a register.
〔3〕上記〔2〕において、上記トリミング値補正回路によって上記トリミングレジスタのトリミング値が補正された場合に、当該補正後のトリミング値によって、不揮発性メモリ(19)内のトリミング値が更新されるように構成することができる。これにより、パワーオンリセット処理後の上記トリミングレジスタの初期値は、前回の電源遮断直前のトリミング値となるので、半導体装置に電源が投入されてから発振周波数が安定するまでの時間短縮を図ることができる。 [3] In the above [2], when the trimming value of the trimming register is corrected by the trimming value correction circuit, the trimming value in the nonvolatile memory (19) is updated with the corrected trimming value. It can be constituted as follows. As a result, the initial value of the trimming register after the power-on reset process is the trimming value immediately before the previous power-off, so the time until the oscillation frequency stabilizes after the power is turned on to the semiconductor device is reduced. Can do.
2.実施の形態の詳細
実施の形態について更に詳述する。
2. Details of Embodiments Embodiments will be further described in detail.
《実施の形態1》
図1には、本発明にかかる半導体装置の一例とされるマイクロコンピュータの構成例が示される。
FIG. 1 shows a configuration example of a microcomputer as an example of a semiconductor device according to the present invention.
図1に示されるマイクロコンピュータ21は、特に制限されないが、公知の半導体集積回路製造技術により、単結晶シリコンなどの一つの半導体基板に形成される。
The
図1に示されるマイクロコンピュータ21は、OCO周波数トリミングレジスタ11、OCO(On-Chip Oscillator;内蔵発振器)12、SUBクロック発振器14、CPU(Central Processing Unit)16、RAM(Random Access Memory)17、ROM(Read Only Memory)18、OCO周波数自動補正回路20を含む。OCO周波数トリミングレジスタ11、CPU16、RAM17、ROM18、OCO周波数自動補正回路20は、内部データバス15を介して、互いに信号のやり取りが可能に結合されている。
1 includes an OCO frequency trimming register 11, an OCO (On-Chip Oscillator) 12, a
OCO周波数トリミングレジスタ11は、OCO周波数のトリミング値を保持する。OCO12は、OCO周波数トリミングレジスタ11内のトリミング値に応じて発振周波数が変更される発振器とされる。SUBクロック発振器14は、32〔kHz〕のSUBクロック(基準クロック)を生成する。この32〔kHz〕のSUBクロックは、マイクロコンピュータ21に外付けされた水晶振動子によって形成されるため、周波数が安定している。このSUBクロック発振器14で発生されたSUBクロック信号は、OCO周波数自動補正回路20に供給される。CPU16は予め設定されたプログラムを実行することにより所定の演算処理を実行する。RAM17は、CPU16での演算処理の作業領域などに利用される。ROM18は不揮発性メモリであり、このROM18には、CPU16で実行されるプログラムや、OCOトリミングレジスタ値が格納されている。ROM18内のOCOトリミングレジスタ値は、マイクロコンピュータ21の工場出荷前に書き込まれたものである。ROM18内のOCOトリミングレジスタ値は、CPU16で実行されるパワーオンリセット処理によってOCO周波数トリミングレジスタ11にその初期値として設定される。
The OCO frequency trimming register 11 holds a trimming value of the OCO frequency. The
OCO周波数自動補正回路20は、特に制限されないが、SUBクロック分周回路1、エッジ選択回路2、カウンタ3、バッファレジスタ4、比較器5、上限値レジスタ6、下限値レジスタ7、トリミング値補正制御回路8、フラグステータスレジスタ9、トリミング値補正コントロールレジスタ10、OCO分周回路13を含む。SUBクロック分周回路1は、SUBクロック発振器14から出力されたSUBクロック信号を分周する。SUBクロック信号の周期をφとするとき、SUBクロック分周回路1の分周出力は、例えばφ,φ/32,φ/128,φ/1024,φ/8192とされる。エッジ選択回路2は、SUBクロック分周回路1の出力に基づいて、カウンタ3でのカウント動作を制御するための測定用クロック信号SCKを形成する。測定用クロック信号SCKは、SUBクロック分周回路1の出力波形の立ち上がりエッジ、波形立ち下がりエッジ、波形立ち上がり立ち下がり両エッジの何れかに基づいて形成される。OCO分周回路13は、OCO12から出力されたOCOクロック信号を分周する。OCOクロック信号の周期をφとするとき、OCO分周回路13の分周出力は、例えばφ,φ/2,φ/4,φ/8,φ/40とされる。OCO分周回路13の分周出力は、マイクロコンピュータ21内の内部回路に供給される。カウンタ3は、クロック監視イネーブル信号CKNがイネーブル状態のとき、エッジ選択回路2によって形成された測定用クロック信号SCKに基づいて、OCO分周回路13の出力をカウントする。クロック監視イネーブル信号CKNは、CPU16で形成することができる。バッファレジスタ4は、カウンタ3のカウント値を保持する。カウント値がバッファレジスタ4に保持された時点でカウンタ3がクリアされ、次の測定が開始される。上限値レジスタ6は、周波数トリミングについての上限値を保持する。下限値レジスタ7は、周波数トリミングについての下限値を保持する。周波数トリミングについての上限値や下限値は、CPU16によって設定することができる。比較器5は、バッファレジスタ4の保持値が、上限値レジスタ6の保持値と下限値レジスタ7の保持値との間に入っているか否かを判別する。トリミング値補正制御回路8は、比較器5での判別結果に基づいて、OCO周波数トリミングレジスタ11内のトリミング値の補正を制御する。トリミング値補正制御回路8は、バッファレジスタ4の保持値が、上限値レジスタ6の保持値と下限値レジスタ7の保持値との間に入っている場合にはトリミング値の補正を行わない。トリミング値補正制御回路8は、バッファレジスタ4の保持値が、上限値レジスタ6の保持値より大きい場合、OCO周波数を下げるようにOCO周波数トリミングレジスタ11内のトリミング値を補正する。トリミング値補正制御回路8は、バッファレジスタ4の保持値が、下限値レジスタの保持値より小さい場合には、OCO周波数を上げるようにOCO周波数トリミングレジスタ11内のトリミング値を補正する。フラグステータスレジスタ9は、周波数正常フラグ、上限オーバーフラグの状態及び下限未達フラグの状態を保持する。バッファレジスタ4の保持値が、上限値レジスタ6の保持値より大きい場合、トリミング値補正制御回路8によって、フラグステータスレジスタ9内の上限オーバーフラグが立てられる。バッファレジスタ4の保持値が、下限値レジスタ7の保持値より小さい場合、トリミング値補正制御回路8によって、フラグステータスレジスタ9内の下限未達フラグが立てられる。CPU16は、内部データバス15を介して、上限オーバーフラグの状態や下限未達フラグの状態をモニタすることができる。トリミング値補正コントロールレジスタ10には、トリミング値補正コントロール信号(命令)が設定される。このトリミング値補正コントロール信号は、内部データバス15を介してCPU16によって設定される。トリミング値補正制御回路8の動作は、トリミング値補正コントロールレジスタ10に設定されたトリミング値補正コントロール信号によって制御される。
The OCO frequency
次に、上記構成の動作について説明する。 Next, the operation of the above configuration will be described.
図2には、図1に示されるマイクロコンピュータ21における主要動作の流れが示される。また、図3及び図4には、図1に示されるマイクロコンピュータ21における主要部の動作タイミングが示される。
FIG. 2 shows a flow of main operations in the
本例では、40〔MHz〕について、±1.0〔%〕保証を行う場合について説明する。 In this example, a case where ± 1.0 [%] is guaranteed for 40 [MHz] will be described.
CPU16によって、上限値レジスタ6及び下限値レジスタ7の設定が行われる(201)。上限値及び下限値として、40〔MHz〕±0.75〔%〕相当の値が格納される。±0.75〔%〕としているのは、±1.0〔%〕に対してマージンを持たせているためである。CPU16によって、クロック監視イネーブル信号CKNハイレベルに設定されると、カウンタ3でのカウント動作が開始される(202)。エッジ選択回路2によって測定用クロック信号SCKが形成される毎に、カウンタ3でのカウント値がバッファレジスタ4に保持され、それが比較器5において上限値及び下限値と比較される(203〜205)。本例の場合、32〔kHz〕の基準クロックに基づいて40〔MHz〕クロックを測定することから、カウンタ3でのカウント数は、理想的には、1/32k÷(1/40M)≒1250とされる。また本例において、上限値は1260(≒40.3〔MHz〕)とされ、下限値は1240(≒39.7〔MHz〕)とされる。
The CPU 16 sets the upper limit register 6 and the lower limit register 7 (201). Values corresponding to 40 [MHz] ± 0.75 [%] are stored as the upper limit value and the lower limit value. The reason of ± 0.75 [%] is that a margin is provided for ± 1.0 [%]. When the CPU 16 sets the clock monitor enable signal CKN to the high level, the count operation in the
バッファレジスタ4の保持値が、上限値より大きくて、下限値よりも小さい場合(206)、不正状態とされ(207)、CPU16によるリセット又は所定の割り込み処理が行われる(208)。 When the held value of the buffer register 4 is larger than the upper limit value and smaller than the lower limit value (206), it is set in an illegal state (207), and reset or predetermined interrupt processing by the CPU 16 is performed (208).
図4に示されるように、OCO12の発振周波数が下限値(39.7〔MHz〕)以下の場合、すなわち、バッファレジスタ4の保持値が、上限値より小さくて、下限値よりも小さい場合には(209)、トリミング値補正制御回路8によって下限未達フラグが立てられる(210)。それによりOCO12での発振周波数を上げるようにOCO周波数トリミングレジスタ11のトリミング値が補正され、それによってOCO周波数トリミングレジスタ11のトリミング用タップ切り換えが行われることで発振周波数が上げられる(211)。
As shown in FIG. 4, when the oscillation frequency of the
図3に示されるように、OCO12の発振周波数が上限値(40.3〔MHz〕)以上の場合、すなわち、バッファレジスタ4の保持値が、上限値より大きくて、下限値よりも大きい場合には(212)、トリミング値補正制御回路8によって、フラグステータスレジスタ9内の上限オーバーフラグが立てられる(213)。それによりOCO12での発振周波数を下げるようにOCO周波数トリミングレジスタ11のトリミング値が補正され、それによってOCO12におけるトリミング用タップ切り換えが行われることで発振周波数が低下される(214)。
As shown in FIG. 3, when the oscillation frequency of the
バッファレジスタ4の保持値が、上限値より小さくて、下限値よりも大きい場合(215)、トリミング値補正制御回路8によって周波数正常フラグが立てられる(216)。この場合、トリミング値補正は行われない。 When the holding value of the buffer register 4 is smaller than the upper limit value and larger than the lower limit value (215), the frequency normality flag is set by the trimming value correction control circuit 8 (216). In this case, trimming value correction is not performed.
上記マイクロコンピュータ21は、自動車の制御装置や、家電製品の制御装置などに適用することができ、ユーザは、用途に応じて、内蔵発振器12における発振周波数変動の許容範囲を任意に設定することができる。また、この設定は、CPU16を介して上限値と下限値とをそれぞれ上限値レジスタ6及び下限値レジスタ7に設定するだけで良いので容易である。上限値及び下限値の設定後は、トリミング値補正制御回路8によってOCO周波数のトリミング値が補正されるため、OCO周波数の安定化を図ることができる。
The
《実施の形態2》
図5には、本発明にかかる半導体装置の一例とされるマイクロコンピュータの別の構成例が示される。図5に示されるマイクロコンピュータ21が、図1に示されるのと大きく相違するのは、ROM18に代えて、フラッシュメモリが設けられている点である。フラッシュメモリは、EEPROM(Electrically Erasable Programmable Read-Only Memory)の一種であり、記憶情報の書換えが可能な不揮発性メモリとされる。このフラッシュメモリ19には、CPU16で実行されるプログラムや、OCOトリミングレジスタ値が格納されている。また本例では、OCO周波数トリミングレジスタ11のトリミング値がトリミング値補正制御回路8によって補正された場合に、OCO周波数トリミングレジスタ11内の補正後のトリミング値によって、フラッシュメモリ19内のトリミング値が更新される。この更新は、CPU16の制御によって行われる。そして、マイクロコンピュータ21の電源が遮断されても、フラッシュメモリ19には、電源遮断直前のOCO周波数トリミングレジスタ11内のトリミング値が保持されている。そして、次にマイクロコンピュータ21に電源が投入された場合には、CPU16で実行されるパワーオンリセット処理において、フラッシュメモリ19内のトリミング値がOCO周波数トリミングレジスタ11に書き込まれる。これにより、パワーオンリセット処理後のOCO周波数トリミングレジスタ11の初期値は、前回の電源遮断直前のトリミング値となる。このため、図1に示されるマイクロコンピュータ21のように、工場出荷前に設定されたトリミング値を初期値とする場合に比べて、電源が投入されてから発振周波数が安定するまでの時間短縮を図ることができる。
<< Embodiment 2 >>
FIG. 5 shows another configuration example of a microcomputer as an example of a semiconductor device according to the present invention. The
以上、本発明者によってなされた発明を実施形態に基づいて具体的に説明したが、本発明はそれに限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において種々変更可能であることは言うまでもない。 As mentioned above, although the invention made by this inventor was concretely demonstrated based on embodiment, it cannot be overemphasized that this invention is not limited to it and can be variously changed in the range which does not deviate from the summary.
1 SUBクロック分周回路
2 エッジ選択回路
3 カウンタ
4 バッファレジスタ
5 比較器
6 上限値レジスタ
7 下限値レジスタ
8 トリミング値補正制御回路
9 フラグステータスレジスタ
10 トリミング値補正コントロールレジスタ
11 OCO周波数トリミングレジスタ
12 OCO
13 OCO分周回路
14 SUBクロック発振器
15 内蔵データバス
16 CPU
17 RAM
18 ROM
19 フラッシュメモリ
DESCRIPTION OF
13
17 RAM
18 ROM
19 Flash memory
Claims (3)
上記トリミングレジスタ内のトリミング値に応じて発振周波数が変更される発振器と、
上記発振器の発振周波数を補正可能な補正回路と、を含み、
上記補正回路は、
周波数トリミングについての上限値を設定可能な上限値レジスタと、
周波数トリミングについての下限値を設定可能な下限値レジスタと、
上記発振器の発振周波数を分周するための分周回路と、
上記分周回路の出力をカウントするカウンタと、
上記カウンタの出力を保持可能なバッファレジスタと、
上記バッファレジスタの保持値が、上記上限値レジスタの保持値と上記下限値レジスタの保持値との間に入っているか否かを判別するための比較器と、
上記比較器での判別結果に基づいて上記トリミングレジスタのトリミング値を補正するトリミング値補正制御回路と、を含んで成る半導体装置。 A trimming register capable of storing trimming values;
An oscillator whose oscillation frequency is changed according to the trimming value in the trimming register;
A correction circuit capable of correcting the oscillation frequency of the oscillator,
The correction circuit is
An upper limit register that can set an upper limit for frequency trimming;
A lower limit register that can set a lower limit for frequency trimming;
A frequency dividing circuit for dividing the oscillation frequency of the oscillator;
A counter that counts the output of the divider circuit;
A buffer register capable of holding the output of the counter;
A comparator for determining whether the holding value of the buffer register is between the holding value of the upper limit register and the holding value of the lower limit register;
A semiconductor device comprising: a trimming value correction control circuit that corrects a trimming value of the trimming register based on a result of determination by the comparator.
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US10116353B2 (en) | 2015-10-28 | 2018-10-30 | Samsung Electronics Co., Ltd. | Contactless communication device and electronic system having the same |
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