JP2013214915A - Oscillating device, semiconductor device, and method of operating oscillating device - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、半導体装置に関し、例えばクロック信号を用いる半導体装置に好適に利用できるものである。 The present invention relates to a semiconductor device and can be suitably used for a semiconductor device using a clock signal, for example.
マイクロコンピュータのような半導体装置を搭載した電子機器や家電機器が知られている。それら電子機器や家電機器に対する小型化やコスト低減などの要求に対応して、半導体装置に必要な外付け部品の低減が進められている。半導体装置のクロック信号を生成するクロック発生回路おける外付け部品低減技術として、オンチップオシレータが知られている。オンチップオシレータは、チップ内蔵のクロック発生回路である。オンチップオシレータでは、外付け部品が不要である。 2. Description of the Related Art Electronic devices and home appliances equipped with a semiconductor device such as a microcomputer are known. In response to demands for downsizing and cost reduction of these electronic devices and household electrical appliances, the reduction of external components necessary for semiconductor devices is being promoted. An on-chip oscillator is known as a technique for reducing external components in a clock generation circuit that generates a clock signal of a semiconductor device. The on-chip oscillator is a clock generation circuit built in the chip. On-chip oscillators do not require external components.
オンチップオシレータとしては、例えば、国際公開WO2011/101981号に開示されている。図1は、その国際公開WO2011/101981号に開示されたオンチップオシレータの構成を示す回路図である。オンチップオシレータ(オシレータ部102)は、基準電圧発生回路110と、定電流発生回路111と、制御回路112と、周波数電圧変換回路113と、積分回路114と、電圧制御発振回路115とを備えている。電圧制御発振回路115は、制御電圧VCNTに基づいて、クロック信号CKOUTを生成する。制御回路112は、クロック信号CKOUTに基づくチャージ信号ZCHRを生成する。基準電圧発生回路110は、温度依存性を有した基準電圧VREFIと電源、温度依存性をほとんど有しない基準電圧VREFCとをそれぞれを生成する。定電流発生回路111は、基準電圧VREFIを用いて、電源、温度依存性をほとんどもたない基準電流Iref(=Iconst)を生成する。周波数電圧変換回路113は、基準電流Iconst(=Iref)を用いて、チャージ信号ZCHRの発振周波数を電圧に変換する。積分回路114は、前記周波数電圧変換回路113から出力された電圧を積分し、制御電圧VCNTを生成する。
An on-chip oscillator is disclosed in, for example, International Publication No. WO2011 / 101981. FIG. 1 is a circuit diagram showing a configuration of an on-chip oscillator disclosed in International Publication No. WO2011 / 101981. The on-chip oscillator (oscillator unit 102) includes a reference voltage generation circuit 110, a constant current generation circuit 111, a
オンチップオシレータは、これらの回路でフィードバックループを構成するクロック発生回路である。オンチップオシレータの生成するクロック信号の発振周期Tは下記の式(1)で表される。
定電流発生回路111は、差動アンプAMP1、PMOSトランジスタT1、T2、抵抗ROSCを備えている。差動アンプAMP1とMOSトランジスタT1とで構成されるフィードバックループにより、抵抗ROSCのMOSトランジスタT1側のノードは基準電圧VREFIと同じ電圧値となる。従って、定電流発生回路111は、下記の式(2)で表されるように、基準電圧VREFIを抵抗Rで割った基準電流Irefを生成することができる(既述のように、Rは抵抗ROSCの抵抗値である)。
PMOSトランジスタT1、T2は、カレントミラー回路を構成している。カレントミラー回路は、PMOSトランジスタT1を流れる基準電流Irefと等しい基準電流Iconst(=Iref)をPMOSトランジスタT2に流す。その基準電流Iconst(=Iref)は、周波数電圧変換回路113へ供給される。定電流発生回路111で生成される基準電流Irefは、温度依存性を有さない電流になっている。抵抗ROSCの抵抗値Rの温度依存性と基準電圧VREFIの温度依存性とが逆特性を有しているため、温度特性が相殺されるからである。基準電圧発生回路110は、温度トリミングにより、抵抗ROSCの抵抗値の温度依存性と逆特性の基準電圧VREFIの温度依存性を作り出している。2点温度トリミングを実施した場合、1次温度依存性をもたない基準電流Irefを生成することができる。3点以上の温度でトリミングを実施した場合、1次に加え、2次の温度依存性もキャンセルが可能である。クロック信号の発振周波数の絶対値は抵抗ROSCの抵抗値Rを切り替えることで可変とする。 The PMOS transistors T1 and T2 constitute a current mirror circuit. The current mirror circuit passes a reference current Iconst (= Iref) equal to the reference current Iref flowing through the PMOS transistor T1 to the PMOS transistor T2. The reference current Iconst (= Iref) is supplied to the frequency voltage conversion circuit 113. The reference current Iref generated by the constant current generation circuit 111 is a current having no temperature dependence. This is because the temperature characteristic is offset because the temperature dependence of the resistance value R of the resistor R OSC and the temperature dependence of the reference voltage VREFI have opposite characteristics. The reference voltage generation circuit 110 creates temperature dependency of the resistance value of the resistor R OSC and temperature dependency of the reference voltage VREFI having a reverse characteristic by temperature trimming. When the two-point temperature trimming is performed, the reference current Iref having no primary temperature dependency can be generated. When trimming is performed at three or more temperatures, the secondary temperature dependency can be canceled in addition to the primary. The absolute value of the oscillation frequency of the clock signal is made variable by switching the resistance value R of the resistor R OSC .
次に、このオンチップオシレータの動作について説明する。
基準電圧発生回路110は基準電圧VREFC、VREFIを生成して定電流発生回路111と積分回路114へそれぞれ出力する。定電流発生回路111は前述したように電源、温度依存性をもたない基準電流Iref(=Iconst)を生成する。周波数電圧変換回路113は、基準電流Iconst(=Iref)を用いて、チャージ信号ZCHRでスイッチSW1がオンしている間、容量C1を充電する。それにより、チャージ信号ZCHRの周波数を電圧Vに変換する。変換後の電圧Vは、下記の式(3)のようになる(既述のように、Cは容量C1の容量値である)。
The reference voltage generation circuit 110 generates reference voltages VREFC and VREFI and outputs them to the constant current generation circuit 111 and the integration circuit 114, respectively. As described above, the constant current generation circuit 111 generates the reference current Iref (= Iconst) having no power supply and temperature dependency. The frequency voltage conversion circuit 113 charges the capacitor C1 using the reference current Iconst (= Iref) while the switch SW1 is turned on by the charge signal ZCHR. Thereby, the frequency of the charge signal ZCHR is converted to the voltage V. The converted voltage V is represented by the following expression (3) (as described above, C is the capacitance value of the capacitor C1).
制御回路112は、出力されるクロック信号CKOUTを用いて、チャージ信号ZCHR、ディスチャージ信号DISC及びサンプル信号SAMPを生成する。チャージ信号ZCHRはクロック信号CKOUTの周期Tと同じパルス幅を有する信号である。周波数電圧変換回路113は、サンプル信号SAMPを用いて電圧Vをサンプリングし、積分回路114へ出力する。積分回路114は、並列型スイッチドキャパシタ積分回路である。積分回路114は、サンプリングされた電圧Vと電源、温度依存性のない基準電圧VREFCとの誤差を積分し、制御電圧VCONTを生成する。電圧Vと基準電圧VREFCとの誤差を積分することで制御電圧VCONTが変化し、電圧制御発振回路115のクロック信号CKOUTの周期T、すなわち周波数(1/T)が変わる。サンプリングされた電圧Vと基準電圧VREFCとが等しくなったとき、電圧制御発振回路115のクロック信号CKOUTの周波数は所望の周波数となり、安定発振することとなる。
The
関連する技術として特開2011−166368号公報(US2011/193640(A1))に半導体装置が開示されている。この半導体装置は、第1のオンチップ発振器と、温度センサと、電圧センサと、電源モジュールと、記憶部と、ロジック部とを備えている。第1のオンチップ発振器は、参照電流および参照電圧を受けて、前記参照電流および前記参照電圧で定まる大きさの第1の周波数のクロック信号を出力する。温度センサは、前記第1のオンチップ発振器の周囲温度を検出する。電圧センサは、前記第1のオンチップ発振器の動作電圧の値を検出する。電源モジュールは、基準電圧を生成するレファレンス回路を含み、前記レファレンス回路が出力する基準電圧に基づいて、前記参照電圧、前記参照電流、前記第1のオンチップ発振器の動作電圧を生成する。記憶部は、前記第1のオンチップ発振器の周囲温度および前記第1のオンチップ発振器の動作電圧に対応する、前記参照電圧および前記参照電流のトリミングコードを定めたテーブルを記憶する。ロジック部は、前記検出された周囲温度および動作電圧に対応する前記参照電圧および前記参照電流のトリミングコードを前記テーブルから読み出して、前記読み出したトリミングコードに基づいて、前記参照電流および前記参照電圧の値を調整する。 As a related technique, Japanese Unexamined Patent Application Publication No. 2011-166368 (US2011 / 193640 (A1)) discloses a semiconductor device. The semiconductor device includes a first on-chip oscillator, a temperature sensor, a voltage sensor, a power supply module, a storage unit, and a logic unit. The first on-chip oscillator receives a reference current and a reference voltage, and outputs a clock signal having a first frequency having a magnitude determined by the reference current and the reference voltage. The temperature sensor detects an ambient temperature of the first on-chip oscillator. The voltage sensor detects the value of the operating voltage of the first on-chip oscillator. The power supply module includes a reference circuit that generates a reference voltage, and generates the reference voltage, the reference current, and the operating voltage of the first on-chip oscillator based on the reference voltage output by the reference circuit. The storage unit stores a table defining the reference voltage and the trimming code of the reference current corresponding to the ambient temperature of the first on-chip oscillator and the operating voltage of the first on-chip oscillator. The logic unit reads trimming codes of the reference voltage and the reference current corresponding to the detected ambient temperature and operating voltage from the table, and based on the read trimming code, the reference current and the reference voltage Adjust the value.
また、特開2006−319921号公報(US2006/255856(A1))に演算増幅器が開示されている。この演算増幅器は、差動対部と、第1スイッチ部と、カレントミラー回路部と、第2スイッチ部とを具備する。第1スイッチ部は、前記差動対部の入力端子に入力される信号を切り替える。カレントミラー回路部は、前記差動対部の能動負荷になる。第2スイッチ部は、前記差動対部と前記カレントミラー回路部との間に接続され、前記差動対部と前記カレントミラー回路部との接続を入れ替える。前記第1スイッチ部と前記第2スイッチ部の各々を切り替えてオフセット電圧をキャンセルする。 Japanese Patent Laid-Open No. 2006-319921 (US 2006/255856 (A1)) discloses an operational amplifier. The operational amplifier includes a differential pair section, a first switch section, a current mirror circuit section, and a second switch section. The first switch unit switches a signal input to the input terminal of the differential pair unit. The current mirror circuit unit becomes an active load of the differential pair unit. The second switch unit is connected between the differential pair unit and the current mirror circuit unit, and switches the connection between the differential pair unit and the current mirror circuit unit. The offset voltage is canceled by switching each of the first switch unit and the second switch unit.
また、特開2009−124588号公報(US2009/128243(A1))に半導体装置が開示されている。この半導体装置は、電圧制御発振回路と、周波数/電圧変換回路と、制御電圧生成回路と、アナログ積分回路とを備える。電圧制御発振回路は、第1の制御電圧に応じた周波数で発振することにより発振信号を出力する。周波数/電圧変換回路は、前記電圧制御発振回路から受けた前記発振信号の周波数を電圧に変換する。制御電圧生成回路は、前記周波数/電圧変換回路によって変換された前記電圧と前回生成した第2の制御電圧との間のレベルを有する新たな第2の制御電圧を生成する。アナログ積分回路は、前記第2の制御電圧を積分することにより前記第1の制御電圧を生成し、前記第1の制御電圧を前記電圧制御発振回路へ出力する。 Japanese Unexamined Patent Application Publication No. 2009-124588 (US2009 / 128243 (A1)) discloses a semiconductor device. This semiconductor device includes a voltage controlled oscillation circuit, a frequency / voltage conversion circuit, a control voltage generation circuit, and an analog integration circuit. The voltage controlled oscillation circuit outputs an oscillation signal by oscillating at a frequency corresponding to the first control voltage. The frequency / voltage conversion circuit converts the frequency of the oscillation signal received from the voltage controlled oscillation circuit into a voltage. The control voltage generation circuit generates a new second control voltage having a level between the voltage converted by the frequency / voltage conversion circuit and the previously generated second control voltage. The analog integration circuit integrates the second control voltage to generate the first control voltage, and outputs the first control voltage to the voltage controlled oscillation circuit.
オンチップオシレータを幅広いアプリケーション(例示:UART通信など)に適用するためには、オンチップオシレータで生成されるクロック信号の周波数変動をできるだけ低く抑え、精度を高めることが望ましい。具体的には、オンチップオシレータで生成されるクロック信号の周波数変動は、プロセス、電源変動及び温度変動に依らず所望の範囲(例示:±1.0%)以内であることが望ましい。そのため、例えば図1の例では、理想的には、温度依存性をもつ抵抗ROSC、容量C1の温度依存性について基準電圧VREFIを切り替え、抵抗ROSC、容量C1の温度依存性を相殺するよう温度トリミングを実施することにより温度依存性を持たない周波数を発生している(式(1))。しかし、従来のオンチップオシレータでは、式(1)に示すような理想状態にはならず、ある程度以上の精度の向上を達成することは困難である。発明者の研究によれば、回路に起因する多くの誤差が存在し、周波数の精度の向上を困難にさせている。 In order to apply the on-chip oscillator to a wide range of applications (eg, UART communication), it is desirable to suppress the frequency fluctuation of the clock signal generated by the on-chip oscillator as low as possible and increase the accuracy. Specifically, the frequency variation of the clock signal generated by the on-chip oscillator is preferably within a desired range (eg, ± 1.0%) regardless of the process, power supply variation, and temperature variation. Therefore, in the example of FIG. 1, for example, ideally, switches the reference voltage VREFI the temperature dependence of the resistance R OSC, capacitor C1 having a temperature dependent resistance R OSC, to cancel the temperature dependency of the capacitance C1 By performing the temperature trimming, a frequency having no temperature dependency is generated (formula (1)). However, the conventional on-chip oscillator does not become an ideal state as shown in the equation (1), and it is difficult to achieve an accuracy improvement of a certain degree or more. According to the inventor's research, there are many errors due to the circuit, which makes it difficult to improve the frequency accuracy.
その誤差の要因の一つとして、定電流発生回路111のカレントミラー回路で発生する電流誤差Imismatchがある。ただし、Iconst=Iref±Imismatchである。この電流誤差Imismatchは、以下のようにして生じる。カレントミラー回路の二つのPMOSトランジスタT1、T2は、同サイズ及び同形状で製造したとしても、閾値電圧Vthにミスマッチ(オフセット)電圧ΔVthが発生してしまう。このオフセット電圧ΔVthによる電流誤差がImismatchである。 As one of the causes of the error, there is a current error I missmatch generated in the current mirror circuit of the constant current generation circuit 111. However, it is Iconst = Iref ± I mismatch. This current error I missmatch occurs as follows. Even if the two PMOS transistors T1 and T2 of the current mirror circuit are manufactured in the same size and shape, a mismatch (offset) voltage ΔVth is generated in the threshold voltage Vth. The current error due to the offset voltage ΔVth is I missmatch .
このとき、オフセット電圧ΔVthは、温度によってドリフトする。そのため、電流誤差Imismatchも同様に温度によってドリフトする。その結果、カレントミラー回路から周波数電圧変換回路113に転送する電流Irefのコピー電流Iconst(=Iref±Imismatch)も、少なくとも電流誤差Imismatchの分だけ温度ドリフトすることになる。従って、基準電流Iconstに温度依存性が発生してしまう。このとき、理想的な状態を示す式(1)は、実際には、以下の式(4)のようになる。
従来の回路では、このミスマッチ(オフセット)電圧ΔVthの温度ドリフトに対して、二つのPMOSトランジスタのサイズを大きくする対策を実施している。それにより、周波数の精度に影響がないレベルまで、物理的にミスマッチ電圧ΔVthを小さくしている。ただし、この対策をとると、トランジスタのサイズの増加に対応してIPの面積が大きくなることや、面積の大きいデバイスを駆動するためオンチップオシレータの起動時間が長くなることなどの副作用があり、必ずしも好ましい対策とは言えない。 In the conventional circuit, measures are taken to increase the size of the two PMOS transistors against the temperature drift of the mismatch (offset) voltage ΔVth. Thus, the mismatch voltage ΔVth is physically reduced to a level that does not affect the frequency accuracy. However, if this measure is taken, there are side effects such as an increase in the area of the IP corresponding to an increase in the size of the transistor and an increase in the start-up time of the on-chip oscillator for driving a device with a large area. It is not necessarily a preferable measure.
その他の課題と新規な特徴は、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。 Other problems and novel features will become apparent from the description of the specification and the accompanying drawings.
一実施の形態によれば、クロック信号を生成する発振装置において、電流発生回路のカレントミラー回路にチョッピング回路を接続し、入力側電流の経路と出力側電流の経路とを、クロック信号の生成に影響の無いタイミングで交互に切り替える。 According to one embodiment, in an oscillation device that generates a clock signal, a chopping circuit is connected to a current mirror circuit of a current generation circuit, and an input-side current path and an output-side current path are used to generate a clock signal. Switch alternately with no effect.
前記一実施の形態によれば、発振装置(オンチップオシレータ)の周波数の精度を向上させることができる。 According to the embodiment, it is possible to improve the frequency accuracy of the oscillation device (on-chip oscillator).
以下、発振装置、半導体装置、及び発振装置の動作方法の実施の形態に関して、添付図面を参照して説明する。 Hereinafter, embodiments of an oscillation device, a semiconductor device, and an operation method of the oscillation device will be described with reference to the accompanying drawings.
(第1の実施の形態)
第1の実施の形態に係る発振装置を適用した半導体装置の構成について説明する。図2は、第1の実施の形態に係る発振装置を適用した半導体装置の構成例を示すブロック図である。半導体装置1は、マイクロコンピュータに例示され、CPU(Central Processing Unit)5、周辺機能ブロック6、フラッシュメモリ4、レジスタ3、CPG(Clock Puls Geneartor)2を備えている。周辺機能ブロック6は、RAM(Random Access Memory15)、BUS16、ADC(Analog Digital Converter)17、Timer18を含んでいる。CPG2は、発振装置としてのオンチップオシレータ(On−Chip Oscillator)11を含んでいる。オンチップオシレータ11は、単体で半導体装置1(例示:マイクロコンピュータ)の上記各構成の動作に必要な数十MHzのクロック信号を生成することができる。オンチップオシレータ11は、半導体装置1の起動時にフラッシュメモリ4に格納されたデータをレジスタ3経由で制御信号として受け取り、そのデータに基づいてクロック信号を生成する。オンチップオシレータ11で生成されたクロック信号は、システムクロックやバスクロック等のメインクロックとして利用することができる。この半導体装置1は、本実施の形態に係る発振装置としてのオンチップオシレータ11を備えているので、後述されるオンチップオシレータ11による効果を得ることができる。
(First embodiment)
A configuration of a semiconductor device to which the oscillation device according to the first embodiment is applied will be described. FIG. 2 is a block diagram illustrating a configuration example of a semiconductor device to which the oscillation device according to the first embodiment is applied. The
ここで、本実施の形態に係るCPGの変形例について説明する。図3は、第1の実施の形態に係るCPGの構成の変形例を示すブロック図である。CPG2において、オンチップオシレータ11は、分周器A12、B13と共にクロック発生回路を構成し、CPU5や周辺機能ブロック6へクロック信号を供給してもよい。分周器A12からクロック信号を出力しても良い。分周器A12や分周器B13を内蔵するのは、分周数の組み合わせによりクロック周波数の選択肢を増やすためである。
Here, a modified example of the CPG according to the present embodiment will be described. FIG. 3 is a block diagram showing a modification of the configuration of the CPG according to the first embodiment. In the
次に、第1の実施の形態に係る発振装置の構成について説明する。図4は、第1の実施の形態に係る発振装置の構成例を示すブロック図である。発振装置としてのオンチップオシレータ11は、電流発生回路22、周波数電圧変換回路23、積分回路24、発振回路25及び制御回路26を備えている。オンチップオシレータ11は、これらの回路でフィードバックループを構成するクロック発生回路である。
Next, the configuration of the oscillation device according to the first embodiment will be described. FIG. 4 is a block diagram illustrating a configuration example of the oscillation device according to the first embodiment. The on-
発振回路25は、制御電圧VCNTに基づいて、クロック信号CKOUTを生成する。制御回路26は、クロック信号CKOUTに基づいて、クロック信号CKOUTに同期したチョッピング信号(第1制御信号)CHOP、チャージ信号(第2制御信号)ZCHR、サンプリング信号(第3制御信号)SAMP、及びディスチャージ信号(第4制御信号)DISCを生成する。電流発生回路22は、外部(フラッシュメモリ4、レジスタ3)からの制御信号及びチョッピング信号CHOPに応答して、基準電流I1を生成する。周波数電圧変換回路23は、基準電流I1を用いてチャージ信号ZCHRの周波数を変換出力電圧Vfvに変換し、サンプリング信号SAMPに応答して当該変換出力電圧Vfvをサンプリングして、サンプリング電圧VSAMPを生成する。積分回路24は、サンプリング電圧VSAMPと基準電圧VREFCとに基づいて、制御電圧VCNTを生成する。
The
次に、電流発生回路22、周波数電圧変換回路23及び積分回路24の構成例について説明する。図5は、第1の実施の形態に係る電流発生回路、周波数電圧変換回路及び積分回路の構成例を示すブロック図である。電流発生回路22は、カレントミラー回路30と、チョッピング回路31と、抵抗Rとを備えている。カレントミラー回路30は、例えば、PMOSトランジスタMP1、MP2を備えている。PMOSトランジスタMP1は、ソースを電源電圧VDDに、ゲートをノードVFに、ドレインをチョッピング回路31にそれぞれ接続されている。PMOSトランジスタMP2は、ソースを電源電圧VDDに、ゲートをPMOSトランジスタMP1のゲート及びノードVFに、ドレインをチョッピング回路31にそれぞれ接続されている。PMOSトランジスタMP1及びPMOSトランジスタMP2のいずれか一方で、抵抗Rを流れる基準電流Irefを生成し、他方で、その基準電流Irefと概ね等しい基準電流I1を生成する。ただし、カレントミラー回路30は、この図の構成に限定されるものではない。例えば、PMOSトランジスタMP1、MP2の他に、対称な配置を有する付加的な素子を有する構成であっても良い。
Next, configuration examples of the
カレントミラー回路30をPMOSトランジスタMP1、MP2で構成するとき、PMOSトランジスタMP1、MP2には同じ電流値が流れるように設計する。すなわち、PMOSトランジスタMP1、MP2は、同サイズ及び同形状で設計するのが好ましい。同サイズとはトランジスタのゲート長L、ゲート幅Wを同じに設計する。しかし、ゲート幅Wが同じであっても一方のトランジスタのゲート幅を2分割したゲート幅W/2のトランジスタを2個並列に配置し、他方のトランジスタはゲート幅Wのトランジスタを1個配置しても同じ電流値は得られないので、同形状のトランジスタを同数配置するのが好ましい。
When the
チョッピング回路31は、一方の入力端子をPMOSトランジスタMP1のドレインに、他方の入力端子をPMOSトランジスタMP2のドレインにそれぞれ接続されている。また、一方の出力端子をノードVFに、他方の出力端子を周波数電圧変換回路23(のノードN1)にそれぞれ接続されている。それにより、チョッピング回路31は、チョッピング信号CHOPに応答して、PMOSトランジスタMP1及びPMOSトランジスタMP2のいずれか一方のドレインをノードVF(抵抗R)に、他方を周波数電圧変換回路23(のノードN1)に、周期的に交互に切り替えて接続する。抵抗Rは、一端をノードVFに他端を接地にそれぞれ接続されている。
The chopping
抵抗Rは可変抵抗であり、フラッシュメモリ4及びレジスタ3のデータに基づく制御信号により抵抗値が設定される。抵抗Rは、PMOSトランジスタMP1及びMP2のいずれか一方−チョッピング回路31−抵抗Rの電流経路で所望の基準電流Iref=VREFI/Rが流れるように、その値が調整される。ただし、VREFIは、ノードVFの電位である。クロック信号の発振周波数の絶対値は、抵抗Rを切り替えて、基準電流Irefを変更することで可変である。言い換えると、クロック信号の発振周波数が所望の周波数(=所望の基準電流)となるように抵抗Rの値を調整する。実際の設定としては、例えば、製造段階のテスト(ウェハーテストやファイナルテスト)で、所定の温度において、オンチップオシレータ11にチョッピング動作をさせて所望の周波数になるように抵抗Rを設定する。
The resistor R is a variable resistor, and a resistance value is set by a control signal based on data of the
本実施の形態では、上述のように、電流発生回路のカレントミラー回路30にチョッピング回路31を接続している。それにより、カレントミラー回路30の入力側電流の経路及び出力側電流の経路を、PMOSトランジスタMP1を通る第1電流経路と、PMOSトランジスタMP2を通る第2電流経路の二つの間で、チョッピング信号CHOP信号に応答して、交互に切り替えることができる。すなわち、PMOSトランジスタMP1とMP2のミスマッチ電圧ΔVthの対策として、電流発生回路22にチョッピング回路31を採用することで、チョッピング信号CHOP信号に応答して、PMOSトランジスタMP1及びMP2のドレインの接続先を周期的に交互に入れ替えて接続することができる。それにより、ミスマッチ電圧ΔVthが実質的にキャンセルされて、ミスマッチ電圧ΔVthを低減することができる。
In the present embodiment, as described above, the chopping
言い換えると、本実施の形態では、PMOSトランジスタMP1とMP2のミスマッチ電圧ΔVthがある場合でも、所定の温度でPMOSトランジスタMP1及びMP2のドレインの接続先を周期的に交互に入れ替えて接続して抵抗Rの調整を行っている。その結果、ミスマッチ電圧ΔVthの影響が実質的にキャンセルされた抵抗Rの値を設定することができる。それにより、オンチップオシレータ11の動作温度がその所定の温度からずれる場合があっても、抵抗Rの値の設定時と同様に、PMOSトランジスタMP1及びMP2のドレインの接続先を周期的に交互に入れ替えて電流発生回路22を動作させることで、ミスマッチ電圧ΔVthの影響が実質的にキャンセルされた基準電流I1を出力することができる。
In other words, in the present embodiment, even when there is a mismatch voltage ΔVth between the PMOS transistors MP1 and MP2, the connection destinations of the drains of the PMOS transistors MP1 and MP2 are alternately alternately connected at a predetermined temperature to connect the resistors R Adjustments are being made. As a result, it is possible to set the value of the resistor R in which the influence of the mismatch voltage ΔVth is substantially canceled. As a result, even when the operating temperature of the on-
周波数電圧変換回路23は、スイッチSW1、SW2、SW3と、容量Cとを備えている。スイッチSW1、SW2は直列に接続されている。スイッチSW1は、一端を(電流発生回路22に接続された)ノードN1に、他端をノードNcにそれぞれ接続されている。スイッチSW1は、チャージ信号ZCHRに応答してオン又はオフする。スイッチSW2は、一端をノードNcに、他端を接地にそれぞれ接続されている。スイッチSW2はディスチャージ信号DISCに応答してオン又はオフする。容量Cは一端をノードNcに、他端を接地にそれぞれ接続されている。容量Cは、スイッチSW1のオン且つスイッチSW2のオフにより電流発生回路22からの基準電流I1で充電される。また、容量Cは、スイッチSW1のオフ且つスイッチSW2のオンによりスイッチSW2を介して接地へ放電される。スイッチSW3は、一端をノードNcに、他端を積分回路24にそれぞれ接続されている。スイッチSW3はサンプリング信号SAMPに応答してオン又はオフする。スイッチSW3がオンの時にサンプリングされたノードNcの電圧(変換出力電圧Vfv)が、サンプリング電圧VSAMPとして積分回路24に供給される。
The frequency
積分回路24は、並列型スイッチドキャパシタ積分回路であり、差動アンプAMP2と積分容量Cintとを備えている。差動アンプAMP2の反転入力端子と出力端子には積分容量Cintが並列に接続されている。差動アンプAMP2の反転入力端子はスイッチSW3に、非反転入力端子は基準電圧VREFCを供給する配線に、出力端子は発振回路25にそれぞれ接続されている。積分回路24は、基準電圧VREFCとサンプリングされたノードNcの電圧(変換出力電圧)Vfvとの差電圧(誤差)を、積分容量Cintに誤差電荷として積分する。それにより、発振回路25に供給される制御電圧VCNTが変化することで発振周波数が変わり、変換電圧出力Vfvと基準電圧VREFCが等しい電圧となるようフィードバックされ、発振回路25の周波数を制御する。
The integrating
次に、電流発生回路22及び周波数電圧変換回路23の具体的な構成例について説明する。図6は、第1の実施の形態に係る電流発生回路及び周波数電圧変換回路の構成例を示す回路図である。電流発生回路22において、チョッピング回路31は、PMOSトランジスタMP5、MP6、MP7、MP8を備えている。PMOSトランジスタMP5は、PMOSトランジスタMP1と抵抗Rとの間に接続されている。PMOSトランジスタMP6は、PMOSトランジスタMP1と周波数電圧変換回路23(のノードN1)との間に接続されている。PMOSトランジスタMP7は、PMOSトランジスタMP2と周波数電圧変換回路23(のノードN1)との間に接続されている。PMOSトランジスタMP8は、PMOSトランジスタMP2と抵抗Rとの間に接続されている。チョッピング信号CHOP信号は、PMOSトランジスタMP5及びMP7のゲートに共通に供給される。一方、チョッピング信号CHOP信号の反転信号は、PMOSトランジスタMP6及びMP8のゲートに共通に供給される。その結果、PMOSトランジスタMP5及びMP7がオン/オフのとき、PMOSトランジスタMP6及びMP8がオフ/オンとなる。
Next, specific configuration examples of the
具体的には、チョッピング信号CHOP信号がLのとき、PMOSトランジスタMP5、MP7がオンし、PMOSトランジスタMP6、MP8がオフして、PMOSトランジスタMP1−MP5−抵抗Rの電流パス(入力電流側のパス)、及び、MP2−MP7−ノードN1の電流パス(出力電流側のパス)がそれぞれ形成される。一方、チョッピング信号CHOP信号がHのとき、PMOSトランジスタMP6、MP8がオンし、PMOSトランジスタMP5、MP7がオフして、PMOSトランジスタMP1−MP6−ノードN1の電流パス(出る力電流側のパス)、及び、MP2−MP8−抵抗Rの電流パス(入力電流側のパス)がそれぞれ形成される。その結果、抵抗Rに流れる基準電流Irefとして、PMOSトランジスタMP1で生成する電流と、PMOSトランジスタMP2で生成する電流とを交互に周期的に切替えることができる。すなわち、周波数電圧変換回路23に供給する基準電流I1として、PMOSトランジスタMP2で生成する電流と、PMOSトランジスタMP1で生成する電流とを交互に周期的に切替えることができる。それにより、PMOSトランジスタMP1とMP2のデバイス間に発生するミスマッチ電圧ΔVthを回路的にキャンセルすることができる。
Specifically, when the chopping signal CHOP signal is L, the PMOS transistors MP5 and MP7 are turned on, the PMOS transistors MP6 and MP8 are turned off, and the PMOS transistor MP1-MP5-resistance R current path (path on the input current side). ) And MP2-MP7-node N1 current paths (paths on the output current side), respectively. On the other hand, when the chopping signal CHOP signal is H, the PMOS transistors MP6 and MP8 are turned on, the PMOS transistors MP5 and MP7 are turned off, and the current path of the PMOS transistors MP1 to MP6-node N1 (the path on the output current side), In addition, current paths (paths on the input current side) of MP2-MP8-resistance R are formed. As a result, the current generated by the PMOS transistor MP1 and the current generated by the PMOS transistor MP2 can be alternately and periodically switched as the reference current Iref flowing through the resistor R. That is, as the reference current I1 supplied to the frequency
周波数電圧変換回路23において、スイッチSW1はPMOSトランジスタMP12を備えている。PMOSトランジスタMP12は、ソースをノードN1に、ドレインをノードNcにそれぞれ接続され、ゲートにチャージ信号ZCHRを供給される。PMOSトランジスタMP12は、チャージ信号ZCHRに応答して、基準電流I1で容量Cを充電する働きを有する。スイッチSW2はNMOSトランジスタMN12を備えている。NMOSトランジスタMN12は、ソースを接地に、ドレインをノードNcにそれぞれ接続され、ゲートにディスチャージ信号DISCを供給される。NMOSトランジスタMN12は、ディスチャージ信号DISCに応答して、容量Cを放電する働きを有する。スイッチSW3はNMOSトランジスタMN12を備えている。NMOSトランジスタMN13は、ソースをノードNcに、ドレインを積分回路24にそれぞれ接続され、ゲートにサンプリング信号SAMPを供給される。NMOSトランジスタMN13は、ノードNcの電圧(変換出力電圧Vfv)をサンプリングする機能を有する。
In the frequency
ノードN1には、PMOSトランジスタMP12とNMOSトランジスタMN12の直列接続の電流経路に対して、PMOSトランジスタMP11とNMOSトランジスタMN11の直列接続の他の電流経路が並列に接続されている。PMOSトランジスタMP11とMP12とは、チャージ信号であるチャージ信号ZCHRとその反転信号で動作するカレントスイッチとして機能する。PMOSトランジスタMP11とMP12とでカレントスイッチの形状をとっているのは、チャージ信号ZCHRによるスイッチング動作でノードN1が変動しないようにするための工夫である。NMOSトランジスタMN11はNMOSトランジスタMN12に対応させたダミーであり、ゲートをVDDにプルアップ、又はVDDレベルの信号を印加する。 The node N1 is connected in parallel with another current path of the PMOS transistor MP11 and the NMOS transistor MN11 connected in series to the current path of the PMOS transistor MP12 and the NMOS transistor MN12 connected in series. The PMOS transistors MP11 and MP12 function as a current switch that operates with a charge signal ZCHR that is a charge signal and its inverted signal. The PMOS transistors MP11 and MP12 take the shape of a current switch in order to prevent the node N1 from changing due to the switching operation by the charge signal ZCHR. The NMOS transistor MN11 is a dummy corresponding to the NMOS transistor MN12, and pulls up the gate to VDD or applies a VDD level signal.
図7は、カレントミラー回路30及びチョッピング回路31のレイアウト例を示す平面図である。カレントミラー回路30のPMOSトランジスタMP1、MP2、及び、チョッピング回路31のPMOSトランジスタMP5、MP6、MP7、MP8は、コモンセントロイド型で配置されている。すなわち、これらの複数のPMOSトランジスタが、特定の基準点に対して対称(線対称、点対称)となる位置に配置されている。この図の例では、少なくとも仮想線C0に対して、チョッピング信号CHOP信号で選択される二つのパターンの各々のいずれの場合にも、二つの電流経路が線対称となるように配置されている。それにより、PMOSトランジスタのばらつきをキャンセル(相殺)することができる。ただし、第1のパターンの二つの電流経路は、PMOSトランジスタMP1−MP5(−抵抗R)、及び、MP2−MP7(−ノードN1)である。一方、第2のパターンの電流経路は、PMOSトランジスタMP1−MP6(−ノードN1)、及び、MP2−MP8(−抵抗R)である。また、図面の下側のカレントミラー回路30及びチョッピング回路31と、図面の上側のカレントミラー回路30及びチョッピング回路31(図示されず)とは、仮想線C0上のカレントミラー回路30間の中点(図示されず)に関して点対称に配置されている。なお、この配置は一例であり、コモンセントロイド型で配置されていれば、他のレイアウトであっても良い。
FIG. 7 is a plan view showing a layout example of the
図8は、抵抗Rの具体的な構成例を示す回路図である。抵抗Rは、可変抵抗であり、その抵抗値の大きさは制御信号により制御される。抵抗Rは、抵抗ラダー回路で構成されている。この図の例では、抵抗Rは、直列に接続された複数の抵抗素子R0、2R0、4R0、8R0、16R0、32R0、64R0、128R0、256R0と、直列に接続された複数のトランジスタ素子M1、M2、M3、M4、M5、M6、M7、M8とを備えている。ただし、例えば「4R0」は、その抵抗素子の符号と共に、抵抗値が4×R0であることを示している。複数の抵抗素子R0、・・・、128R0の各々は、複数のトランジスタ素子M1、・・・、M8のうちの対応するものに並列に接続されている。具体的には、抵抗素子R0、2R0、4R0、8R0、16R0、32R0、64R0、128R0はそれぞれ対応するトランジスタ素子M1、M2、M3、M4、M5、M6、M7、M8に並列に接続されている。8ビットの制御信号は、ビットごとに複数のトランジスタ素子M1、・・・、M8のうちの対応するもののゲートに入力される。ゲートに入力されるビット信号がHのとき、トランジスタ素子がオンになるので、対応する抵抗素子はパスされる。逆に、ゲートに入力されるビット信号がLのとき、トランジスタ素子がオフになるので、対応する抵抗素子は電流経路となる。このようにして、制御信号により、自在に抵抗値を調整することができる。
FIG. 8 is a circuit diagram illustrating a specific configuration example of the resistor R. The resistor R is a variable resistor, and the magnitude of the resistance value is controlled by a control signal. The resistor R is composed of a resistor ladder circuit. In the illustrated example, the resistor R has a plurality of resistors connected in series elements R 0, 2R 0, 4R 0 ,
図9は、図8の抵抗Rの具体的なレイアウト例を示す平面図である。抵抗Rは、単位抵抗57で構成された抵抗素子を直列接続することで構成されている。単位抵抗57は、ローカルエリア(領域55)に均一に配置されることにより、抵抗間のペア精度の向上が図られている。抵抗素子256R0では、単位抵抗57が32個直列に接続されている。抵抗素子128R0では、単位抵抗57が16個直列に接続されている。抵抗素子64R0では、単位抵抗57が8個直列に接続されている。抵抗素子32R0では、単位抵抗57が4個直列に接続されている。抵抗素子16R0では、単位抵抗57が2個直列に接続されている。抵抗素子8R0では、単位抵抗57が32個直列に接続されている。抵抗素子4R0では、単位抵抗57が2個並列に接続されている。抵抗素子2R0では、単位抵抗57が4個並列に接続されている。抵抗素子R0では、単位抵抗57が8個並列に接続されている。トランジスタ素子M1、・・・、M8は、領域56に設けられている(個別には明示されず)。各トランジスタ素子と各抵抗素子とは、配線58で接続されている。発振回路25の周波数の絶対値は抵抗Rを切り替え、周波数電圧変換回路23へ供給される基準電流を変更することで可変とする。
FIG. 9 is a plan view showing a specific layout example of the resistors R in FIG. The resistor R is configured by connecting in series resistance elements composed of
図10は、制御回路の具体的な構成例を示す回路図である。制御回路26は、フリップフロップ回路FF1〜FF5、インバータ回路IV1〜IV2、IV11〜IV15、IV21〜IV24、否定論理積回路NAND1〜NAND3を備えている。FF1は、クロック端子にIV1を介してクロック信号CKOUTを、入力端子にFF2の出力信号をそれぞれ入力される。FF2は、クロック端子にクロック信号CKOUTを、入力端子にFF3の出力信号をそれぞれ入力される。FF3は、クロック端子にIV1を介してクロック信号CKOUTを、入力端子にFF4の出力信号をそれぞれ入力される。FF4は、クロック端子にクロック信号CKOUTを、入力端子にIV2を介してFF1の出力信号をそれぞれ入力される。NAND1は、一方の入力端子にIV11を介してFF1の出力信号を、他方の入力端子にIV14を介してFF3の出力信号をそれぞれ入力され、IV21を介して両出力信号のNAND演算結果をディスチャージ信号(第4制御信号)DISCとして出力する。NAND2は、一方の入力端子にIV12、13を介してFF2の出力信号を、他方の入力端子にIV15、16を介してFF4の出力信号をそれぞれ入力され、IV22、23を介して両出力信号のNAND演算結果をチャージ信号(第2制御信号)ZCHRとして出力する。NAND3は、一方の入力端子にIV12、13、17、18を介してFF2の出力信号を、他方の入力端子にIV14を介してFF3の出力信号をそれぞれ入力され、IV24を介して両出力信号のNAND演算結果をサンプリング信号(第3制御信号)SAMPとして出力する。FF5は、クロック端子にNAND3の出力信号を、入力端子に自身の出力信号(CHOP)を入力され、チョッピング信号(第1制御信号)CHOPを出力する。
FIG. 10 is a circuit diagram illustrating a specific configuration example of the control circuit. The
上記制御回路の動作について説明する。図11は、制御回路の動作例を示すタイミングチャートである。(a)はクロック信号CKOUT、(b)はチャージ信号(第2制御信号)ZCHR、(c)はサンプリング信号(第3制御信号)SAMP、(d)はディスチャージ信号(第4制御信号)DISC、(e)はチョッピング信号(第1制御信号)CHOPをそれぞれ示している。 The operation of the control circuit will be described. FIG. 11 is a timing chart showing an operation example of the control circuit. (A) is a clock signal CKOUT, (b) is a charge signal (second control signal) ZCHR, (c) is a sampling signal (third control signal) SAMP, (d) is a discharge signal (fourth control signal) DISC, (E) shows a chopping signal (first control signal) CHOP.
チャージ信号ZCHR信号は、周波数電圧変換回路23において、クロック信号CKOUTの周期、すなわち周波数(1/T)を電圧に変換するとき、容量Cを基準電流I1で充電ために使用される。従って、チャージ信号ZCHR信号のLの期間(例示:t1〜t2)は、クロック信号CKOUTの一周期になる。サンプリング信号SAMPは、周波数電圧変換回路23において、容量Cを基準電流I1で充電した後で、変換出力電圧Vfvをサンプリンするために使用される。従って、サンプリング信号SAMPのHの期間(例示:t3〜t4)は、容量Cの充電(例示:t1〜t2)後の期間となる。チョッピング信号CHOPは、電流発生回路22において、チョッピング動作を制御するために使用される。従って、周波数電圧変換回路23の周波数電圧変換動作に影響を与えることなく、チョッピング動作を実行する必要がある。そのため変換出力電圧Vfvが積分回路24に転送された後、すなわちサンプリング動作(例示:t3〜t4)の後に、切り替え(チョッピング)を行う(例示:t4)。図10の制御回路26を用いる場合、サンプリング信号SAMPのネガエッジの2分周出力をチョッピング信号CHOPとしている。サンプリング信号SAMPのネガエッジとは、すなわちサンプリング動作の完了を意味している。ディスチャージ信号DISCは、周波数電圧変換回路23において、次の周波数電圧変換動作に備えて容量Cを放電するために使用される。従って、ディスチャージ信号DISCのHの期間(例示:t5〜t6)は、サンプリング動作(例示:t3〜t4)後の期間となる。
The charge signal ZCHR signal is used to charge the capacitor C with the reference current I1 when the frequency /
次に、本実施の形態に係る発振装置としてのオンチップオシレータ11の動作について説明する。図12Aは、第1の実施の形態に係る発振装置の動作例を示すタイミングチャートである。オンチップオシレータ11は、上記制御回路26からの制御信号を用いて動作する。ここで、(a)はクロック信号CKOUT、(b)はチャージ信号(第2制御信号)ZCHR、(c)はサンプリング信号(第3制御信号)SAMP、(d)はディスチャージ信号(第4制御信号)DISC、(e)は変換出力電圧(ノードNcの電圧)Vfv、(f)は制御電圧VCNT、(g)はチョッピング信号(第1制御信号)CHOPをそれぞれ示している。図12Aは、クロック信号CKOUTが所望の周波数になっている場合を示している。
Next, the operation of the on-
チョッピング信号CHOP信号がHのとき(t10)、電流発生回路22のPMOSトランジスタMP6、MP8がオンし、PMOSトランジスタMP5、MP7がオフして、PMOSトランジスタMP1−MP6−ノードN1の電流パス、及び、MP2−MP8−抵抗Rの電流パスが形成される。それにより、PMOSトランジスタMP2−MP8−抵抗Rの電流パスには基準電流Irefが流れ、PMOSトランジスタMP1−MP6−ノードN1の電流パスには基準電流Irefと等しい基準電流I1が流れて周波数電圧変換回路23に供給される。
When the chopping signal CHOP signal is H (t10), the PMOS transistors MP6 and MP8 of the
チャージ信号ZCHRがLになると(t10)、周波数電圧変換回路23のスイッチSW1(MP12)はオンになる。このとき、サンプリング信号SAMP及びディスチャージ信号DISCはLであり、周波数電圧変換回路23のスイッチSW3(MN13)及びスイッチSW2(MN12)はオフである。それにより、電流発生回路22で生成された電流I1(=Iref)がノードN1及びスイッチSW1(MP12)を介して周波数電圧変換回路23の容量Cに供給される。すなわち、容量Cが電流I1(=Iref)で充電される。その結果、ノードNcの電圧すなわち変換出力電圧Vfvが上昇していく。
When the charge signal ZCHR becomes L (t10), the switch SW1 (MP12) of the frequency
チャージ信号ZCHRがHになると(t11)、スイッチSW2(MP12)はオフになる。その結果、電流I1(=Iref)の供給が停止する。すなわち、容量Cの充電が停止する。すなわち、チャージ信号ZCHRがLの期間(t11〜t12)、電流発生回路22は容量Cに電流Irefを充電する。このとき、チャージ信号ZCHRのLの期間(t11〜t12)を、発振回路25の発振周期Tout(=クロック信号CKOUTの一周期)と等しくすることで、周波数(1/Tout)を電圧に変換することができる。変換出力電圧Vfvは式(5)で表すことができる。
サンプリング信号SAMPがHになると(t12)、スイッチSW3(MN13)がオンになる。その結果、変換出力電圧Vfvが積分回路24に転送される。変換出力電圧Vfvが基準電圧VREFCになっている場合、積分回路24から出力される制御電圧VCNTは所定の一定値となり、変化はない。すなわち、クロック信号CKOUTが所望の周波数になっていることになる。その結果、発振回路25はそのクロック信号CKOUTを出力し続ける。
When the sampling signal SAMP becomes H (t12), the switch SW3 (MN13) is turned on. As a result, the converted output voltage Vfv is transferred to the integrating
周波数電圧変換回路23の周波数電圧変換動作が終了し、サンプリング動作の終了後、チョッピング信号CHOPがLになる(t13)。それにより、電流発生回路22において、PMOSトランジスタMP5、MP7がオンし、PMOSトランジスタMP6、MP8がオフして、PMOSトランジスタMP1−MP5−抵抗Rの電流パス、及び、MP2−MP7−ノードN1の電流パスがそれぞれ形成される。すなわち、電流パスが切り替えられる。それにより、PMOSトランジスタMP1−MP5−抵抗Rの電流パスに基準電流Irefが流れ、PMOSトランジスタMP2−MP7−ノードN1の電流パスに基準電流Irefと等しい基準電流I1が流れて周波数電圧変換回路23に供給される。
The frequency voltage conversion operation of the frequency
変換出力電圧Vfvが転送されてホールドされた後(サンプリング信号SAMPがHからLへ切り替わった後)、周波数電圧変換回路23の動作に問題ないタイミングで、ディスチャージ信号DISCがHになり(t14)、スイッチSW2(MN12)がオンになる。それにより、容量Cにチャージされた電荷はスイッチSW2(MN12)を介して接地に放電される。その結果、変換出力電圧Vfvは、初期状態である0Vとなる(t15)。以下、同様に、t16、t17、t18、t19、t20、t21、・・・と続いていく。 After the conversion output voltage Vfv is transferred and held (after the sampling signal SAMP is switched from H to L), the discharge signal DISC becomes H at a timing that does not cause a problem in the operation of the frequency voltage conversion circuit 23 (t14). The switch SW2 (MN12) is turned on. Thereby, the electric charge charged in the capacitor C is discharged to the ground via the switch SW2 (MN12). As a result, the converted output voltage Vfv becomes 0V which is the initial state (t15). Hereinafter, similarly, t16, t17, t18, t19, t20, t21,.
図12Bは、第1の実施の形態に係る発振装置の他の動作例を示すタイミングチャートである。(a)、〜(g)は図12Aと同じである。図12Bは、クロック信号CKOUTが所望の周波数からずれた場合を示している。ただし、時刻t30〜t35は周期が長い(周波数が低い)場合であり、時刻t36〜t41は周期が短い(周波数が高い)場合である。 FIG. 12B is a timing chart illustrating another operation example of the oscillation device according to the first embodiment. (A) and (g) are the same as FIG. 12A. FIG. 12B shows a case where the clock signal CKOUT deviates from a desired frequency. However, time t30 to t35 is a case where the cycle is long (frequency is low), and time t36 to t41 is a case where the cycle is short (frequency is high).
まず、時刻t30〜t35における周期が長い(周波数が低い)場合について説明する。
チョッピング信号CHOP信号がHのとき(t30)、電流発生回路22において、PMOSトランジスタMP2−MP8−抵抗Rの電流パスに基準電流Irefが流れ、PMOSトランジスタMP1−MP6−ノードN1の電流パスに基準電流I1(=Iref)が流れて周波数電圧変換回路23に供給される。
First, a case where the period from time t30 to t35 is long (frequency is low) will be described.
When the chopping signal CHOP signal is H (t30), in the
チャージ信号ZCHRがLになると(t30)、スイッチSW1(MP12)はオンになる。それにより、電流発生回路22で生成された電流I1(=Iref)がノードN1及びスイッチSW1(MP12)を介して周波数電圧変換回路23の容量Cに供給され、容量Cが電流I1(=Iref)で充電される。その結果、ノードNcの電圧すなわち変換出力電圧Vfvが上昇していく。
When the charge signal ZCHR becomes L (t30), the switch SW1 (MP12) is turned on. As a result, the current I1 (= Iref) generated by the
チャージ信号ZCHRがHになると(t31)、スイッチSW2(MP12)はオフになる。その結果、電流I1(=Iref)の供給が停止する。すなわち、容量Cの充電が停止する。ここで、変換出力電圧Vfv(=Iref・Tout/C)は、クロック信号CKOUTの周期Toutが所望の値よりも長いため、基準電圧VREFCよりも大きい電圧に変換される。 When the charge signal ZCHR becomes H (t31), the switch SW2 (MP12) is turned off. As a result, the supply of the current I1 (= Iref) is stopped. That is, charging of the capacitor C is stopped. Here, the converted output voltage Vfv (= Iref · Tout / C) is converted to a voltage higher than the reference voltage VREFC because the cycle Tout of the clock signal CKOUT is longer than a desired value.
サンプリング信号SAMPがHになると(t32)、スイッチSW3(MN13)がオンになる。その結果、変換出力電圧Vfvが積分回路24に転送される。変換出力電圧Vfvが基準電圧VREFCよりも大きくなっている場合、積分回路24から出力される制御電圧VCNTは所定の一定値よりも小さくなる。すなわち、クロック信号CKOUTが所望の周波数よりも低いことになる。その結果、発振回路25はそのクロック信号CKOUTを変化させて、周期を短く(周波数を高く)する。
When the sampling signal SAMP becomes H (t32), the switch SW3 (MN13) is turned on. As a result, the converted output voltage Vfv is transferred to the integrating
周波数電圧変換回路23の周波数電圧変換動作が終了し、サンプリング動作の終了後、チョッピング信号CHOPがLになる(t33)。それにより、電流発生回路22において、電流パスが切り替えられ、PMOSトランジスタMP1−MP5−抵抗Rの電流パスに基準電流Irefが流れ、PMOSトランジスタMP2−MP7−ノードN1の電流パスに基準電流I1(=Iref)が流れて周波数電圧変換回路23に供給される。
The frequency voltage conversion operation of the frequency
変換出力電圧Vfvが転送されてホールドされた後(サンプリング信号SAMPがHからLへ切り替わった後)のディスチャージ動作(t34−t35)は、図12Aの場合(t14−t15)と同様である。 The discharge operation (t34-t35) after the converted output voltage Vfv is transferred and held (after the sampling signal SAMP switches from H to L) is the same as in the case of FIG. 12A (t14-t15).
オンチップオシレータ11において、動作温度が変動すると、ミスマッチ電圧ΔVthが発生する場合がある。例えば、上記時刻t30〜t35(t10〜t15)と同じ周期において、基準電流I1側のPMOSトランジスタMP1の閾値電圧が、基準電流Iref側のPMOSトランジスタMP2の閾値電圧よりもやや低くなった場合を考える。その場合、本来であれば、基準電流I1は基準電流Irefよりもやや大きくなる(I1=Iref+Imismatch)。その結果、クロック信号CKOUTの周期Toutが所望の値であったとしても、変換出力電圧Vfv(=(Iref+Imismatch)・Tout/C)は、所望の値(=Iref・Tout/C)よりも大きい電圧、すなわち基準電圧VREFCよりも大きい電圧に変換される。この状況は、上記の時刻t31の状況と同様である。
この場合において、ミスマッチ電圧ΔVthの影響を実質的にキャンセルする値が抵抗Rに予め設定されているので、Imismatchの値は極めて小さくなる。従って、ミスマッチ電圧ΔVthの影響が極めて小さい基準電流I1を出力することができる。すなわち、変換出力電圧Vfvは、所望の値よりも大きい電圧とはなるが、両者の差を極めて小さく抑えることができる。なお、変換出力電圧Vfvが所望の値よりも大きい電圧となった場合の動作は、上記t32以降の動作と同様である。
In the on-
In this case, since a value that substantially cancels the influence of the mismatch voltage ΔVth is preset in the resistor R, the value of I missmatch is extremely small. Therefore, it is possible to output the reference current I1 that is extremely less affected by the mismatch voltage ΔVth. That is, the converted output voltage Vfv is a voltage higher than a desired value, but the difference between the two can be suppressed to a very small value. The operation when the converted output voltage Vfv becomes a voltage larger than a desired value is the same as the operation after t32.
次に、時刻t36〜t41における周期が短い(周波数が高い)場合について説明する。
チョッピング信号CHOPがLのとき(t36)、電流発生回路22において、PMOSトランジスタMP1−MP5−抵抗Rの電流パスに基準電流Irefが流れ、PMOSトランジスタMP2−MP7−ノードN1の電流パスに基準電流I1(=Iref)が流れて周波数電圧変換回路23に供給される。
Next, the case where the period from time t36 to t41 is short (frequency is high) will be described.
When the chopping signal CHOP is L (t36), in the
チャージ信号ZCHRがLになると(t36)、スイッチSW1(MP12)はオンになる。それにより、電流発生回路22で生成された電流I1(=Iref)がノードN1及びスイッチSW1(MP12)を介して周波数電圧変換回路23の容量Cに供給され、容量Cが電流I1(=Iref)で充電される。その結果、ノードNcの電圧すなわち変換出力電圧Vfvが上昇していく。
When the charge signal ZCHR becomes L (t36), the switch SW1 (MP12) is turned on. As a result, the current I1 (= Iref) generated by the
チャージ信号ZCHRがHになると(t37)、スイッチSW2(MP12)はオフになる。その結果、電流I1(=Iref)の供給が停止する。すなわち、容量Cの充電が停止する。ここで、変換出力電圧Vfv(=Iref・Tout/C)は、クロック信号CKOUTの周期Toutが所望の値よりも短いため、基準電圧VREFCよりも小さい電圧に変換される。 When the charge signal ZCHR becomes H (t37), the switch SW2 (MP12) is turned off. As a result, the supply of the current I1 (= Iref) is stopped. That is, charging of the capacitor C is stopped. Here, the converted output voltage Vfv (= Iref · Tout / C) is converted to a voltage smaller than the reference voltage VREFC because the cycle Tout of the clock signal CKOUT is shorter than a desired value.
サンプリング信号SAMPがHになると(t38)、スイッチSW3(MN13)がオンになる。その結果、変換出力電圧Vfvが積分回路24に転送される。変換出力電圧Vfvが基準電圧VREFCよりも小さくなっている場合、積分回路24から出力される制御電圧VCNTは所定の一定値よりも大きくなる。すなわち、クロック信号CKOUTが所望の周波数よりも高いことになる。その結果、発振回路25はそのクロック信号CKOUTを変化させて、周期を長く(周波数を低く)する。
When the sampling signal SAMP becomes H (t38), the switch SW3 (MN13) is turned on. As a result, the converted output voltage Vfv is transferred to the integrating
周波数電圧変換回路23の周波数電圧変換動作が終了し、サンプリング動作の終了後、チョッピング信号CHOPがHになる(t39)。それにより、電流発生回路22において、電流パスが切り替えられ、PMOSトランジスタvMP2−MP8−抵抗Rの電流パスに基準電流Irefが流れ、PMOSトランジスタMP1−MP6−ノードN1の電流パスに基準電流I1(=Iref)が、周波数電圧変換回路23に供給される。
The frequency voltage conversion operation of the frequency
変換出力電圧Vfvが転送されてホールドされた後(サンプリング信号SAMPがHからLへ切り替わった後)のディスチャージ動作(t40−t41)は、ディスチャージ動作(t34−t35)と同様である。 The discharge operation (t40-t41) after the converted output voltage Vfv is transferred and held (after the sampling signal SAMP is switched from H to L) is the same as the discharge operation (t34-t35).
オンチップオシレータ11において、動作温度が変動すると、ミスマッチ電圧ΔVthが発生する場合がある。例えば、上記時刻t36〜t41(t16〜t21)と同じ周期において、基準電流I1側のPMOSトランジスタMP2の閾値電圧が、基準電流Iref側のPMOSトランジスタMP1の閾値電圧よりもやや高くなった場合を考える。その場合、本来であれば、基準電流I1は基準電流Irefよりもやや小さくなる(I1=Iref−Imismatch)。その結果、クロック信号CKOUTの周期Toutが所望の値であったとしても、変換出力電圧Vfv(=(Iref−Imismatch)・Tout/C)は、所望の値(=Iref・Tout/C)よりも小さい電圧、すなわち基準電圧VREFCよりも小さい電圧に変換される。この状況は、上記の時刻t37の状況と同様である。
この場合において、ミスマッチ電圧ΔVthの影響を実質的にキャンセルする値が抵抗Rに予め設定されているので、Imismatchの値は極めて小さくなる。従って、ミスマッチ電圧ΔVthの影響が極めて小さい基準電流I1を出力することができる。すなわち、変換出力電圧Vfvは、所望の値よりも小さい電圧とはなるが、両者の差を極めて小さく抑えることができる。なお、変換出力電圧Vfvが所望の値よりも小さい電圧となった場合の動作は、上記t37以降の動作と同様である。
In the on-
In this case, since a value that substantially cancels the influence of the mismatch voltage ΔVth is preset in the resistor R, the value of I missmatch is extremely small. Therefore, it is possible to output the reference current I1 that is extremely less affected by the mismatch voltage ΔVth. That is, the converted output voltage Vfv is a voltage smaller than a desired value, but the difference between the two can be suppressed extremely small. The operation when the converted output voltage Vfv becomes a voltage smaller than a desired value is the same as the operation after t37.
このように、サンプリングにより転送された変換出力電圧Vfvが基準電圧VREFCより大きい場合(図12B:t31〜t32)、制御電圧VCNTが下がり(t32〜t34)、発振回路25は発振周波数が高くなるようコントロールされる。一方、変換出力電圧Vfvが基準電圧VREFCより小さい場合(図12B:t37〜t38)、制御電圧VCNTが上がり(t38〜t40)、発振回路25は発振周波数が低くなるようコントロールされる。図12Bに示す動作を繰り返し、図12Aに示すように変換出力電圧Vfvが基準電圧VREFCに等しくなるとオンチップオシレータ11はターゲット周波数で安定発振する。
As described above, when the converted output voltage Vfv transferred by sampling is larger than the reference voltage VREFC (FIG. 12B: t31 to t32), the control voltage VCNT decreases (t32 to t34), and the
上述したようにして、本実施の形態に係るオンチップオシレータ11は動作する。
As described above, the on-
以上説明したように、本実施の形態の発振装置としてのオンチップオシレータ11は、電流発生回路22のカレントミラー回路30に、チョッピング回路31を接続している。そして、入力側電流の経路(電源電圧VDDから抵抗R)と出力側電流の経路(電源電圧VDDからノードN1)とを、クロック信号の生成に影響の無いタイミングで、チョッピング信号CHOP信号に応答して交互に切り替えている。すなわち、カレントミラー回路30のPMOSトランジスタMP1及びMP2のドレインの接続先を周期的に交互に入れ替えて接続している。その結果、二つのPMOSトランジスタMP1及びMP2の閾値電圧Vthにおけるミスマッチ(オフセット)電圧ΔVthを回路的に相殺してキャンセルすることができる。その結果、そのミスマッチ(オフセット)電圧ΔVthの温度ドリフトの影響を排除でき、基準電流I1の温度依存性を低減することができる。それにより、周波数電圧変換回路23の出力を安定させることができ、クロック信号の精度をより向上させることができる。
As described above, the on-
また、チョッピング回路31の切り替えタイミングを示すチョッピング信号CHOPは、オンチップオシレータ11自身が内部(の制御回路26)で生成している。すなわち、簡単な回路を用いて、クロック信号に基づくサンプリング信号SAMPから生成している。従って、チョッピング信号CHOPを生成する回路を外部に設ける必要がなく、外付け回路は不要である。
The on-
更に、チョッピング回路31の採用により周波数精度が改善するだけでなく、電流発生回路22のカレントミラー回路30のPMOSトランジスタMP1、MP2のデバイスサイズを小さくすることが可能となる。その結果、チップ面積を削減できるほか、オンチップオシレータの起動時間の短縮を実現することが可能となる。
Further, the adoption of the chopping
通常のオシレータは連続系制御を行っている。そのため、通常のオシレータ内でチョッピング回路を用いると、チョッピング動作に伴い、例えばトランジスタのゲート電圧の変動や、それに伴う出力電流の変動が発生すると考えられる。そうなると、それらの変動が伝搬して、制御電圧が周期的に変動してしまい、生成されたクロック信号にジッタ(ディターミニスティックジッタ)が発生することが予想される。すなわち、クロック信号のジッタ特性の悪化が予想される。その結果、クロック信号の周波数精度が低下してしまう。したがって、オシレータ内にチョッピング回路を設けることは行われていない。 Ordinary oscillators perform continuous system control. For this reason, when a chopping circuit is used in a normal oscillator, it is considered that, for example, a change in the gate voltage of the transistor and a change in the output current accompanying the change occur. Then, the fluctuations propagate and the control voltage fluctuates periodically, and jitter (deterministic jitter) is expected to occur in the generated clock signal. That is, the jitter characteristics of the clock signal are expected to deteriorate. As a result, the frequency accuracy of the clock signal is degraded. Therefore, no chopping circuit is provided in the oscillator.
しかし、本実施の形態のオンチップオシレータ11は、電流発生回路22内にチョッピング回路31を適用し、クロック信号の周波数の精度を向上させることができる。その理由としては、オンチップオシレータ11が離散系制御を行なう回路であることが挙げられる。具体的には以下のとおりである。本実施の形態のオンチップオシレータ11では、図4や図5に示されるように、積分回路24の前で周波数電圧変換回路23の出力電圧(Vfv)をサンプリングしている(VSAMP)。このようにサンプリングを行えば、そのサンプリング動作の後から次の周波数電圧変換動作までの期間、電流発生回路22の動作は発振回路25の動作や特性から切り離されることになる。そのため、その期間にチョッピング回路が動作して、チョッピング動作に伴うゲート電圧の変動や出力電流の変動が発生しても、それら変動が発振回路25まで伝わらず、クロック特性に影響が起きない。そのため、本実施の形態のオンチップオシレータ11の電流発生回路22に、チョッピング回路31を適用することが可能となっている。そして、その結果、そのチョッピング回路31の効果により、PMOSトランジスタMP1、MP2で発生するオフセット電圧ΔVthをキャンセルし、周波数の精度を向上させることができる。
However, the on-
なお、半導体装置1は、図2の例に限定されるものではない。図13は、第1の実施の形態に係る発振装置を適用した半導体装置の他の構成例を示すブロック図である。半導体装置1は、マイクロコンピュータに例示され、CPU5、周辺機能ブロック6、RTC(Real Time Clock)7、フラッシュメモリ4、レジスタ3、CPG2を備えている。周辺機能ブロック6は、RAM15、BUS16、ADC17を含んでいる。この例では、CPG2は、オンチップオシレータ11、PLL(Phase−Locked Lood)44、発振器(OSC)45、32KHz発振器(32KHz OSC)46で構成され、半導体装置1(例示:マイクロコンピュータ)の動作に必要な複数の周波数のクロックを生成する。数MHzから十数MHzの水晶発振子(半導体装置1の外部に配置)、発振器45、46及びPLL44を組み合わせることでマイコン動作に必要な数十MHzのシステムクロック、バスクロックなどメインクロックを生成することができる。32.768KHzの水晶発振子と32KHz発振器46でRTC用の32.768KHzのクロックを生成することができる。オンチップオシレータ11は、オンチップオシレータ単体で半導体装置1の動作に必要な数十MHzのクロックを生成することができる。発振器45、46、PLL44を使用する動作モードでは、オンチップオシレータ11を使用することで半導体装置1の動作周波数とは異なる任意の周波数のクロックをアプリケーションに供給することを可能とする。また、発振器45、46、PLL44を使用しない動作モードでは、PLL出力に変わってシステムクロック、バスクロック等のメインクロックとして利用することができる。この場合にも、図2の半導体装置1の場合と同様の効果を得ることができる。
The
(第2の実施の形態)
第2の実施の形態に係る発振装置及びそれを用いた半導体装置について説明する。本実施の形態では、第1の実施の形態と比較すると、電流発生装置の構成が相違している。以下では、相違点について主に説明する。
(Second Embodiment)
An oscillation device according to a second embodiment and a semiconductor device using the oscillation device will be described. In the present embodiment, the configuration of the current generator is different from that of the first embodiment. In the following, differences will be mainly described.
本実施の形態に係る電流発生回路の構成例について説明する。図14は、第2の実施の形態に係る電流発生回路の構成例を示すブロック図である。電流発生回路22は、生成する基準電流の電圧依存性を低減する回路としてカスコード回路32を追加している。カスコード回路32は、チョッピング回路31とノードVF(抵抗R)及び周波数電圧変換回路23との間に設けられている。カスコード回路32は、チョッピング回路31の一方の出力端子とノードVFとの間に設けられたPMOSトランジスタMP3と、チョッピング回路31の他方の出力端子とノードN1との間に設けられたPMOSトランジスタMP4とを備えている。PMOSトランジスタMP3、MP4のゲートには共通のバイアス電圧VBiasが供給される。電源電圧VDDに依存しないVBiasとVgs_mp3(PMOSトランジスタMP3のゲート−ソース間電圧)とVgs_mp4(PMOSトランジスタMP4のゲート−ソース間電圧)とにより、カレントミラー回路30のPMOSトランジスタMP1、MP2のソース−ドレイン間電圧Vdsが決定される。そのため、基準電流I1(=Iref)の電源電圧VDDに対する依存性を低減することが可能である。
A configuration example of a current generation circuit according to this embodiment will be described. FIG. 14 is a block diagram illustrating a configuration example of a current generation circuit according to the second embodiment. In the
次に、電流発生回路22及び周波数電圧変換回路23の具体的な構成例について説明する。図15は、第2の実施の形態に係る電流発生回路及び周波数電圧変換回路の構成例を示す回路図である。電流発生回路22は、図6の電流発生回路に図14に示すカスコード回路32を追加した回路である。カスコード回路32のPMOSトランジスタMP3は、チョッピング回路31のPMOSトランジスタMP5、MP8とノードVFとの間に設けられている。カスコード回路32のPMOSトランジスタMP4は、チョッピング回路31のPMOSトランジスタMP7、MP6とノードN1との間に設けられている。PMOSトランジスタMP3、MP4のゲートには共通のバイアス電圧VBiasが供給される。
Next, specific configuration examples of the
この場合にも、第1の実施の形態と同様の効果を得ることができる。更に、電流発生回路22にカスコード回路32を備えているので、基準電流Iref(=I1)の電源電圧依存性を低減することができる。それにより、基準電流I1(=Iref)の大きさが安定するので、生成されるクロック信号CKOUTの精度をより向上させることができる。
In this case, the same effect as that of the first embodiment can be obtained. Furthermore, since the
(第3の実施の形態)
第3の実施の形態に係る発振装置及びそれを用いた半導体装置について説明する。本実施の形態では、第1の実施の形態の場合と比較すると、基準電圧発生回路21を更に備えている点、及びそれに伴い電流発生回路22の構成が変更されている点で相違している。以下では、相違点について主に説明する。
(Third embodiment)
An oscillation device according to a third embodiment and a semiconductor device using the oscillation device will be described. The present embodiment is different from the first embodiment in that the reference
図16は、第3の実施の形態に係る発振装置の構成例を示すブロック図である。本実施の形態では、発振装置としてのオンチップオシレータ11が、図4の場合と比較して、基準電圧発生回路21を更に備えている。基準電圧発生回路21は、温度依存を有しない基準電圧VREFCと、所定の温度依存性を有する基準電圧VREFIとを生成する。基準電圧VREFCは、積分回路24へ供給される。基準電圧VREFIは、電流発生回路22に供給される。電流発生回路22の抵抗Rは、第2基準電圧VREFIの温度依存性と逆の温度依存性を有する。従って、電流発生回路22は、基準電圧VREFIと抵抗Rとに基づいて、温度依存性の無い基準電流Iref(=I1)を生成することができる。それにより、精度がより向上したクロック信号を生成することができる。基準電圧発生回路21と電流発生回路22とは、電流出力回路20と見ることもできる。
FIG. 16 is a block diagram illustrating a configuration example of the oscillation device according to the third embodiment. In the present embodiment, the on-
次に、基準電圧発生回路21、電流発生回路22、周波数電圧変換回路23及び積分回路24の構成例について説明する。図17は、第3の実施の形態に係る基準電圧発生回路、電流発生回路、周波数電圧変換回路及び積分回路の構成例を示すブロック図である。
Next, configuration examples of the reference
基準電圧発生回路21は、抵抗R1、R2、R3、R4とバイポーラトランジスタQ1とバンドギャップリファレンス回路41とを備えている。バンドギャップリファレンス回路41は、PTAT(Proportional To Absolute Temperature)電流Iptatを生成する。生成されたPTAT電流Iptatは抵抗ラダー回路(抵抗R1)に供給される。抵抗ラダー回路(抵抗R1)を通過したPTAT電流Iptatは、バイポーラトランジスタQ1と抵抗R2とで構成する第1パス(電流I01)と抵抗ラダー回路(抵抗R3、R4)の第2パス(電流I02)に分割される。このとき、基準電圧発生回路21から生成される基準電圧VREFIと基準電圧VREFCは以下の式で示すことができる。
The reference
まず、抵抗ラダー回路(抵抗R1)と第1パス/第2パスとの接続ノードの電圧VFLATは、以下の式(6)で表される。
従って、基準電圧VREFCは、以下の式(7)で表される。
また、基準電圧VREFIは、以下の式(8)で表される。
バイポーラトランジスタQ1のVbeの温度依存性と、PTAT電流Iptatと抵抗R2の積の温度依存性とが相殺するよう抵抗値を調整することで、温度依存性ない電圧VFLATを実現することができる。基準電圧VREFCは温度依存性を持たないVFLATを式(7)のように抵抗分圧することで実現することができる。よって、基準電圧VREFCは、温度依存性を持たない温度に対してフラットな電圧となる。 By adjusting the resistance value so that the temperature dependence of Vbe of the bipolar transistor Q1 and the temperature dependence of the product of the PTAT current Iptat and the resistance R2 are offset, a voltage VFLAT having no temperature dependence can be realized. The reference voltage VREFC can be realized by resistance-dividing VFLAT having no temperature dependence as shown in Expression (7). Therefore, the reference voltage VREFC is a flat voltage with respect to the temperature having no temperature dependency.
一方、基準電圧VREFIは式(8)に示すように抵抗R1とPTAT電流Iptatの積で、図中の電流発生回路22で用いている抵抗Rの温度特性をキャンセルするように、基準電圧VREFIの温度特性はトリミングされる。トリミングは、制御信号Aにより、抵抗R1の抵抗ラダー回路からの電圧(VREFI)を取り出す箇所を切り替えることで実現している。抵抗R1の構成も、例えば、図8及び図9の構成と類似の構成で実現できる。その生成された基準電圧VREFC及び基準電圧VREFIは、積分回路24及び電流発生回路22へそれぞれ出力される。
On the other hand, the reference voltage VREFI is the product of the resistor R1 and the PTAT current Iptat as shown in the equation (8), so that the temperature characteristic of the resistor R used in the
電流発生回路22は、図5の場合と比較して、差動アンプAMP1を更に備えている。差動アンプAMP1は、反転入力端子に基準電圧VREFIを供給され、非反転入力端子にノードVFの電圧を供給され、出力をカレントミラー回路30のPMOSトランジスタMP1、MP2のゲートに供給する。すなわち、基準電圧VREFIとノードVFを差動アンプAMP1の入力とすることでノードVFは基準電圧VREFIと同電位となるようフィードバック制御される。よって、電流発生回路22は、基準電圧VREFIを抵抗Rで割った基準電流Iref(=VREFI/R)を生成することができる。基準電流IrefはPMOSトランジスタMP1、MP2でカレントミラーされる。そして、基準電流I1(=Iref)としてノードN1へアウトプットされる。抵抗Rの温度依存性と逆特性の温度特性をもつ基準電圧VREFIを基準電圧発生回路21で生成しているため、電流発生回路22で生成される基準電流Irefは温度依存性を持たない。2点温度トリミングを実施した場合、1次温度依存性をもたない電流Irefを生成することができる。3点以上の温度でトリミングを実施した場合、1次に加え、2次の温度依存性もキャンセルすることが可能である。ただし、本実施の形態では、チョッピング回路31を用いているため、チョッピング回路31を動作させて、基準電流Irefの電流経路を切り替えながら、温度トリミングを行う。抵抗Rについては、図8及び図9において説明したとおりであり、この場合には制御信号Bで抵抗値を変化させる。
The
次に、電流発生回路22及び周波数電圧変換回路23の具体的な構成例について説明する。図18は、第3の実施の形態に係る電流発生回路及び周波数電圧変換回路の構成例を示す回路図である。電流発生回路22は、図6の場合と比較して、差動アンプAMP1を更に備えている。差動アンプAMP1については、図5で説明した通りである。
Next, specific configuration examples of the
本実施の形態においても、第1の実施の形態と同様の効果を得ることができる。それに加えて、電流発生回路22で生成する基準電流Iref(=I1)には温度トリミング(基準電圧VREFIによる抵抗Rの温度特性の相殺)による温度依存性対策が施されているので、生成されるクロック信号CKOUTの精度をより向上させることができる。
Also in this embodiment, the same effect as that of the first embodiment can be obtained. In addition, the reference current Iref (= I1) generated by the
(第4の実施の形態)
第4の実施の形態に係る発振装置及びそれを用いた半導体装置について説明する。本実施の形態では、第3の実施の形態と比較すると、電流発生装置の構成が相違している。以下では、相違点について主に説明する。
(Fourth embodiment)
An oscillation device according to a fourth embodiment and a semiconductor device using the oscillation device will be described. In the present embodiment, the configuration of the current generator is different from that of the third embodiment. In the following, differences will be mainly described.
本実施の形態に係る電流発生回路の構成例について説明する。図19は、第4の実施の形態に係る電流発生回路の構成例を示すブロック図である。電流発生回路22は、生成する基準電流の電圧依存性を低減する回路としてカスコード回路32を追加している。カスコード回路32は、チョッピング回路31とノードVF(抵抗R)及び周波数電圧変換回路23との間に設けられている。カスコード回路32は、チョッピング回路31の一方の出力端子とノードVFとの間に設けられたPMOSトランジスタMP3と、チョッピング回路31の他方の出力端子とノードN1との間に設けられたPMOSトランジスタMP4とを備えている。PMOSトランジスタMP3、MP4のゲートには共通のバイアス電圧VBiasが供給される。電源電圧VDDに依存しないVBiasとVgs_mp3(PMOSトランジスタMP3のゲート−ソース間電圧)とVgs_mp4(PMOSトランジスタMP4のゲート−ソース間電圧)とにより、カレントミラー回路30のPMOSトランジスタMP1、MP2のソース−ドレイン間電圧Vdsが決定される。そのため、基準電流I1(=Iref)の電源電圧VDDに対する依存性を低減することが可能である。
A configuration example of a current generation circuit according to this embodiment will be described. FIG. 19 is a block diagram illustrating a configuration example of a current generation circuit according to the fourth embodiment. In the
次に、電流発生回路22及び周波数電圧変換回路23の具体的な構成例について説明する。図20は、第4の実施の形態に係る電流発生回路及び周波数電圧変換回路の構成例を示す回路図である。電流発生回路22は、図18の電流発生回路に図19に示すカスコード回路32を追加した回路である。カスコード回路32のPMOSトランジスタMP3は、チョッピング回路31のPMOSトランジスタMP5、MP8とノードVFとの間に設けられている。カスコード回路32のPMOSトランジスタMP4は、チョッピング回路31のPMOSトランジスタMP7、MP6とノードN1との間に設けられている。PMOSトランジスタMP3、MP4のゲートには共通のバイアス電圧VBiasが供給される。
Next, specific configuration examples of the
この場合にも、第3の実施の形態と同様の効果を得ることができる。更に、電流発生回路22にカスコード回路32を備えているので、基準電流Iref(=I1)の電源電圧依存性を低減することができる。それにより、基準電流I1(=Iref)の大きさが安定するので、生成されるクロック信号CKOUTの精度をより向上させることができる。
In this case, the same effect as that of the third embodiment can be obtained. Furthermore, since the
以上、本発明者によってなされた発明を実施の形態に基づき具体的に説明したが、本発明は上記各実施の形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で種々変更可能であることはいうまでもない。 As mentioned above, the invention made by the present inventor has been specifically described based on the embodiments. However, the present invention is not limited to the above embodiments, and various modifications can be made without departing from the scope of the invention. Needless to say.
1 半導体装置
2 CPG(Clock Puls Geneartor)
3 レジスタ
4 フラッシュメモリ
5 CPU(Central Processing Unit)
6 周辺機能ブロック
7 RTC(Real Time Clock)
11 オンチップオシレータ(On−Chip Oscillator)
12 分周器A
13 分周器B
15 RAM(Random Access Memory15)
16 BUS
17 ADC(Analog Digital Converter)
18 Timer
20 電流出力回路
21 基準電圧発生回路
22 電流発生回路
23 周波数電圧変換回路
24 積分回路
25 発振回路
26 制御回路
30 カレントミラー回路
31 チョッピング回路
32 カスコード回路
41 バンドギャップリファレンス回路
44 PLL(Phase−Locked Lood)
45 発振器(OSC)
46 32KHz発振器(32KHz OSC)
55 領域
56 領域
57 単位抵抗
58 配線
3 Register 4
6
11 On-Chip Oscillator (On-Chip Oscillator)
12 Divider A
13 Divider B
15 RAM (Random Access Memory 15)
16 BUS
17 ADC (Analog Digital Converter)
18 Timer
DESCRIPTION OF
45 Oscillator (OSC)
46 32KHz oscillator (32KHz OSC)
55
Claims (13)
前記クロック信号に基づいて、前記クロック信号に同期した第1制御信号及び第2制御信号を生成する制御回路と、
抵抗を備え、前記抵抗に基づく基準電流を生成する電流発生回路と、
前記基準電流を用いて、前記第2制御信号の周波数を電圧に変換し、当該電圧をサンプリングして、サンプリング電圧を生成する周波数電圧変換回路と、
前記サンプリング電圧と第1基準電圧とに基づいて、前記制御電圧を生成する積分回路と
を具備し、
前記電流発生回路は、
ゲートを共通に接続された第1トランジスタ及び第2トランジスタを備え、前記基準電流を生成するカレントミラー回路と、
前記第1制御信号に応答して、前記第1トランジスタ及び前記第2トランジスタのいずれか一方を前記抵抗に、他方を前記周波数電圧変換回路に、交互に切り替えて接続するチョッピング回路と
を備える
発振装置。 An oscillation circuit that generates a clock signal based on the control voltage;
A control circuit for generating a first control signal and a second control signal synchronized with the clock signal based on the clock signal;
A current generating circuit including a resistor and generating a reference current based on the resistor;
A frequency voltage conversion circuit that converts the frequency of the second control signal into a voltage using the reference current, samples the voltage, and generates a sampling voltage;
An integration circuit for generating the control voltage based on the sampling voltage and the first reference voltage;
The current generation circuit includes:
A current mirror circuit including a first transistor and a second transistor, the gates of which are connected in common, and generating the reference current;
In response to the first control signal, a chopping circuit that alternately switches and connects one of the first transistor and the second transistor to the resistor and the other to the frequency voltage conversion circuit. .
前記チョッピング回路は、前記サンプリングが行われない期間に、前記第1トランジスタ及び前記第2トランジスタと前記抵抗及び前記周波数電圧変換回路との接続を切り替える
発振装置。 The oscillation device according to claim 1,
The chopping circuit switches the connection between the first transistor and the second transistor, the resistor, and the frequency voltage conversion circuit during a period when the sampling is not performed.
温度依存を有しない前記第1基準電圧と、所定の温度依存性を有する第2基準電圧とを生成する基準電圧発生回路を更に具備し、
前記電流発生回路は、
前記抵抗が前記第2基準電圧の温度依存性と逆の温度依存性を有し、
前記抵抗における前記カレントミラー回路側のノードを前記第2基準電圧に制御する電圧制御部を備え、
前記第2基準電圧と前記抵抗とに基づいて、前記基準電圧を生成する
発振装置。 The oscillation device according to claim 1,
A reference voltage generation circuit for generating the first reference voltage not having temperature dependence and the second reference voltage having predetermined temperature dependence;
The current generation circuit includes:
The resistor has a temperature dependency opposite to the temperature dependency of the second reference voltage;
A voltage control unit for controlling a node on the current mirror circuit side of the resistor to the second reference voltage;
An oscillation device that generates the reference voltage based on the second reference voltage and the resistor.
前記チョッピング回路は、
前記第1トランジスタと前記抵抗とに接続された第3トランジスタと、
前記第1トランジスタと前記周波数電圧変換回路とに接続された第4トランジスタと、
前記第2トランジスタと前記周波数電圧変換回路とに接続された第5トランジスタと、
前記第2トランジスタと前記抵抗とに接続された第6トランジスタと
を備え、
前記第3トランジスタ及び前記第5トランジスタは、前記第4トランジスタ及び前記第6トランジスタがオンの時オフとなり、オフの時オンとなる
発振装置。 The oscillation device according to claim 1,
The chopping circuit is
A third transistor connected to the first transistor and the resistor;
A fourth transistor connected to the first transistor and the frequency-voltage conversion circuit;
A fifth transistor connected to the second transistor and the frequency-voltage conversion circuit;
A sixth transistor connected to the second transistor and the resistor;
The third transistor and the fifth transistor are turned off when the fourth transistor and the sixth transistor are turned on, and turned on when turned off.
前記第1トランジスタ、前記第2トランジスタ、前記第3トランジスタ、前記第4トランジスタ、前記第5トランジスタ及び前記第6トランジスタは、前記カレントミラー回路の二つの電流経路が線対称となるようにコモンセントロイド型で配置されている
発振装置。 The oscillation device according to claim 4,
The first transistor, the second transistor, the third transistor, the fourth transistor, the fifth transistor, and the sixth transistor have a common centroid so that two current paths of the current mirror circuit are axisymmetric. Oscillator arranged in a mold.
前記電流発生回路は、
前記チョッピング回路と前記抵抗及び前記周波数電圧変換回路との間に設けられたカスコード回路を更に備える
発振装置。 The oscillation device according to claim 1,
The current generation circuit includes:
An oscillation device further comprising a cascode circuit provided between the chopping circuit, the resistor, and the frequency-voltage conversion circuit.
前記カスコード回路は、
前記チョッピング回路と前記抵抗の前記カレントミラー回路側のノードとの間に設けられた第7トランジスタと、
前記チョッピング回路と前記周波数電圧変換回路との間に設けられた第8トランジスタと
を備え、
前記第7トランジスタ及び前記第8トランジスタはゲートを共通に接続され、バイアス電圧を供給される
発振装置。 The oscillation device according to claim 6,
The cascode circuit is
A seventh transistor provided between the chopping circuit and a node of the resistor on the current mirror circuit side;
An eighth transistor provided between the chopping circuit and the frequency-voltage conversion circuit,
The seventh transistor and the eighth transistor have gates connected in common and are supplied with a bias voltage.
前記抵抗は、
直列に接続された複数の抵抗素子と、
直列に接続された複数のトランジスタ素子と
を備え、
前記複数のトランジスタ素子の各々は、前記複数の抵抗素子のうちの対応するものに並列に接続され、
前記抵抗の値は、前記複数のトランジスタ素子のゲートに供給される信号により、変更可能である
発振装置。 The oscillation device according to claim 1,
The resistance is
A plurality of resistance elements connected in series;
A plurality of transistor elements connected in series, and
Each of the plurality of transistor elements is connected in parallel to a corresponding one of the plurality of resistance elements,
The value of the resistor can be changed by a signal supplied to gates of the plurality of transistor elements.
前記抵抗は、
前記複数のトランジスタ素子の配置されたトランジスタ領域と、
前記複数の抵抗素子の配置された抵抗領域と
を備え、
前記複数の抵抗素子の各々は、前記抵抗領域に、マトリクス状に配置された同一の短冊形状の複数の抵抗体のうちの一部により構成されている
発振装置。 The oscillation device according to claim 8, wherein
The resistance is
A transistor region in which the plurality of transistor elements are disposed;
A resistance region in which the plurality of resistance elements are arranged, and
Each of the plurality of resistance elements includes a part of a plurality of identical strip-shaped resistors arranged in a matrix in the resistance region.
前記クロック信号に基づいて演算処理を行う回路(CPU、RAM、…)と
を具備する
半導体装置。 An oscillation device according to claim 1, which outputs a clock signal;
A semiconductor device comprising: a circuit (CPU, RAM,...) That performs arithmetic processing based on the clock signal.
ここで、前記発振装置は、発振回路と、制御回路と、抵抗を備える電流発生回路と、周波数電圧変換回路と、積分回路とを備え、
前記電流回路は、ゲートを共通に接続された第1トランジスタ及び第2トランジスタを含むカレントミラー回路と、チョッピング回路とを備え、
前記発振装置の動作方法は、
前記発振回路が、制御電圧に基づいて、クロック信号を生成するステップと、
前記制御回路が、前記クロック信号に基づいて、前記クロック信号に同期した第1制御信号及び第2制御信号を生成するステップと、
前記電流発生回路が、抵抗に基づく基準電流を生成するステップと、
前記周波数電圧変換回路が、前記基準電流を用いて、前記第2制御信号の周波数を電圧に変換し、当該電圧をサンプリングして、当該サンプリング電圧を生成するステップと、
前記積分回路が、前記サンプリング電圧と第1基準電圧とに基づいて、前記制御電圧を生成するステップと
を具備し、
前記電流発生回路が前記基準電流を生成するステップは、
前記チョッピング回路が、前記第1制御信号に応答して、前記第1トランジスタ及び前記第2トランジスタのいずれか一方を前記抵抗側へ、他方を前記周波数電圧変換回路に、切り替えて接続するステップと、
前記カレントミラー回路が、前記一方から前記抵抗へ流れる入力基準電流に基づいて、前記他方から前記周波数電圧変換回路へ流れる前記基準電流を生成するステップと
を備える
発振装置の動作方法。 An operating method of the oscillation device,
Here, the oscillation device includes an oscillation circuit, a control circuit, a current generation circuit including a resistor, a frequency voltage conversion circuit, and an integration circuit.
The current circuit includes a current mirror circuit including a first transistor and a second transistor, the gates of which are commonly connected, and a chopping circuit.
The operation method of the oscillation device is:
The oscillation circuit generates a clock signal based on a control voltage;
The control circuit generating, based on the clock signal, a first control signal and a second control signal synchronized with the clock signal;
The current generating circuit generates a reference current based on a resistance;
The frequency voltage conversion circuit converts the frequency of the second control signal into a voltage using the reference current, samples the voltage, and generates the sampling voltage;
The integrating circuit comprises the step of generating the control voltage based on the sampling voltage and a first reference voltage;
The step of generating the reference current by the current generation circuit includes:
In response to the first control signal, the chopping circuit switches and connects one of the first transistor and the second transistor to the resistance side and the other to the frequency voltage conversion circuit;
The current mirror circuit includes the step of generating the reference current flowing from the other to the frequency voltage conversion circuit based on an input reference current flowing from the one to the resistor.
前記チョッピング回路が切り替えて接続するステップは、
前記チョッピング回路が、前記サンプリングが行われない期間に、前記第1トランジスタ及び前記第2トランジスタと前記抵抗及び前記周波数電圧変換回路との接続を切り替えるステップを含む
発振装置の動作方法。 The operation method of the oscillation device according to claim 11,
The step of switching and connecting the chopping circuit includes:
The chopping circuit includes a step of switching connection between the first transistor and the second transistor, the resistor, and the frequency voltage conversion circuit during a period when the sampling is not performed.
前記発振装置が基準電圧発生回路を更に備え、
前記発振装置の動作方法は、
前記基準電圧発生回路が、温度依存を有しない前記第1基準電圧と、所定の温度依存性を有する第2基準電圧とを生成するステップを更に具備し、
前記電流発生回路が前記基準電流を生成するステップは、
前記第2基準電圧の温度依存性と逆の温度依存性を有する前記抵抗における前記カレントミラー回路側のノードを前記第2基準電圧に制御するステップと、
前記第2基準電圧と前記抵抗とに基づいて、前記基準電圧を生成するステップと
を備える
発振装置の動作方法。 The operation method of the oscillation device according to claim 11,
The oscillation device further includes a reference voltage generation circuit,
The operation method of the oscillation device is:
The reference voltage generation circuit further includes the step of generating the first reference voltage having no temperature dependence and the second reference voltage having a predetermined temperature dependence;
The step of generating the reference current by the current generation circuit includes:
Controlling the current mirror circuit side node of the resistor having a temperature dependence opposite to the temperature dependence of the second reference voltage to the second reference voltage;
And a step of generating the reference voltage based on the second reference voltage and the resistance.
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Cited By (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP2015122494A (en) * | 2013-12-20 | 2015-07-02 | ザ・スウォッチ・グループ・リサーチ・アンド・ディベロップメント・リミテッド | Electronic circuit with self-calibrated ptat current reference and method for actuating the same |
US9602052B2 (en) | 2015-08-07 | 2017-03-21 | Kabushiki Kaisha Toshiba | Stable oscillator for use in an electronic circuit |
JP2020167527A (en) * | 2019-03-29 | 2020-10-08 | ローム株式会社 | Oscillation circuit, semiconductor device, and oscillator ic |
EP4387098A1 (en) * | 2022-12-15 | 2024-06-19 | EM Microelectronic-Marin SA | System with a low-drift on-chip oscillator with lowered sensitivity to random telegraph noise |
Citations (5)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JPS6139605A (en) * | 1984-07-30 | 1986-02-25 | Toshiba Corp | Phase comparator circuit |
JPH10135010A (en) * | 1996-10-29 | 1998-05-22 | Hitachi Zosen Corp | Digital control variable resistance circuit |
JP2001111419A (en) * | 1999-10-14 | 2001-04-20 | Matsushita Electric Ind Co Ltd | Charge pump circuit |
JP2006208498A (en) * | 2005-01-25 | 2006-08-10 | Sharp Corp | Drive circuit and display apparatus |
WO2011101981A1 (en) * | 2010-02-19 | 2011-08-25 | ルネサスエレクトロニクス株式会社 | Semiconductor integrated circuit device |
-
2012
- 2012-04-04 JP JP2012085170A patent/JP2013214915A/en active Pending
Patent Citations (5)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JPS6139605A (en) * | 1984-07-30 | 1986-02-25 | Toshiba Corp | Phase comparator circuit |
JPH10135010A (en) * | 1996-10-29 | 1998-05-22 | Hitachi Zosen Corp | Digital control variable resistance circuit |
JP2001111419A (en) * | 1999-10-14 | 2001-04-20 | Matsushita Electric Ind Co Ltd | Charge pump circuit |
JP2006208498A (en) * | 2005-01-25 | 2006-08-10 | Sharp Corp | Drive circuit and display apparatus |
WO2011101981A1 (en) * | 2010-02-19 | 2011-08-25 | ルネサスエレクトロニクス株式会社 | Semiconductor integrated circuit device |
Cited By (5)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP2015122494A (en) * | 2013-12-20 | 2015-07-02 | ザ・スウォッチ・グループ・リサーチ・アンド・ディベロップメント・リミテッド | Electronic circuit with self-calibrated ptat current reference and method for actuating the same |
US9602052B2 (en) | 2015-08-07 | 2017-03-21 | Kabushiki Kaisha Toshiba | Stable oscillator for use in an electronic circuit |
JP2020167527A (en) * | 2019-03-29 | 2020-10-08 | ローム株式会社 | Oscillation circuit, semiconductor device, and oscillator ic |
JP7474566B2 (en) | 2019-03-29 | 2024-04-25 | ローム株式会社 | Oscillator circuit, semiconductor device, oscillator IC |
EP4387098A1 (en) * | 2022-12-15 | 2024-06-19 | EM Microelectronic-Marin SA | System with a low-drift on-chip oscillator with lowered sensitivity to random telegraph noise |
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