JP2019149665A - 発振回路、半導体装置、及び、マイクロコンピューター - Google Patents

Abstract

【課題】判定回路の閾値変動の影響を低減して発振周波数の安定性を向上させると共に、出力信号が第１のレベルになる期間と第２のレベルになる期間とを均一に制御可能な発振回路を提供する。【解決手段】この発振回路は、セット信号又はリセット信号の活性化に同期して出力信号を第１又は第２のレベルに設定する論理回路と、第１のキャパシターに電荷を充電する第１の充電回路と、第１のキャパシターの電圧が所定の電圧を超えたときにリセット信号を活性化する第１の判定回路と、リセット信号が活性化されたときに第１のキャパシターの電荷を放電する第１の放電回路と、第２のキャパシターに電荷を充電する第２の充電回路と、第２のキャパシターの電圧が所定の電圧を超えたときにセット信号を活性化する第２の判定回路と、セット信号が活性化されたときに第２のキャパシターの電荷を放電する第２の放電回路とを備える。【選択図】なし

Description

本発明は、充放電型の発振回路に関する。さらに、本発明は、そのような発振回路を内
蔵する半導体装置、及び、そのような発振回路を用いるマイクロコンピューター等に関す
る。

マイクロコンピューター等の半導体装置には、ＣＰＵ（中央演算装置）や周辺回路にク
ロック信号を供給する発振回路が内蔵されている。発振回路としては、キャパシターの充
電及び放電のサイクルを利用して発振動作を行う充放電型の発振回路を用いることができ
る。例えば、定電流源からキャパシターに電荷を充電しながら判定回路によってキャパシ
ターの一端の電圧を判定することにより、キャパシターの一端の電圧が所定の電圧を超え
たときに、キャパシターに充電されている電荷の放電が開始される。

しかしながら、判定回路に含まれているトランジスターの閾値電圧は、温度やプロセス
ばらつきによって変動する。従って、キャパシターに充電されている電荷を完全に放電さ
せてから充電を再開する場合には、キャパシターの充電時間が判定回路の閾値変動の影響
を受けて変動し、発振周波数の精度が低下してしまう。また、キャパシターの一端の電圧
振幅が大きくなると、消費電力も大きくなってしまう。一方、差動対を有するコンパレー
ターを判定回路として用いる場合には、コンパレーターの応答速度が遅いので、発振動作
の高速化に対応できない。

関連する技術として、特許文献１の第１図には、負荷容量Ｃｏの充電及び放電のサイク
ルを利用して発振動作を行う発振回路が示されている。負荷容量Ｃｏの一端（ノードＮ１
）の電圧が、インバーターＩＶ１及びＩＶ２を介してＮチャネルＭＯＳＦＥＴＱ８のゲー
トに帰還されて、負荷容量Ｃｏに充電されている電荷の放電が制御される。

特開昭６２−１９５９１１号公報（第３−５頁、第１図）

特許文献１の第１図においては、負荷容量Ｃｏに充電されている電荷の放電中に、負荷
容量Ｃｏの一端（ノードＮ１）の電圧がインバーターＩＶ１の閾値よりも下がると、Ｎチ
ャネルＭＯＳＦＥＴＱ８が非導通状態となって放電を停止するので、負荷容量Ｃｏに充電
されている電荷を完全に放電させなくて済む。

しかしながら、負荷容量Ｃｏに電荷を充電する際にはＰチャネルＭＯＳＦＥＴＱ５が用
いられ、負荷容量Ｃｏから電荷を放電する際にはＮチャネルＭＯＳＦＥＴＱ７及びＱ８が
用いられるので、充電時と放電時とにおいてトランジスターの特性が異なり、発振回路に
おいて出力信号が第１のレベル（例えば、ローレベル）になる期間と出力信号が第２のレ
ベル（例えば、ハイレベル）になる期間とを均一に制御することは困難である。

そこで、上記の点に鑑み、本発明の第１の目的は、判定回路の閾値の変動がキャパシタ
ーの充電時間に与える影響を低減して発振周波数の安定性を向上させると共に、出力信号
が第１のレベルになる期間と出力信号が第２のレベルになる期間とを均一に制御すること
が可能な発振回路を提供することである。また、本発明の第２の目的は、そのような発振
回路を内蔵する半導体装置を提供することである。さらに、本発明の第３の目的は、その
ような発振回路を用いるマイクロコンピューター等を提供することである。

以上の課題の少なくとも一部を解決するために、本発明の第１の観点に係る発振回路は
、リセット信号が非活性化されているときに、セット信号の活性化に同期して出力信号を
第１のレベルに設定し、セット信号が非活性化されているときに、リセット信号の活性化
に同期して出力信号を第２のレベルに設定する論理回路と、第１のキャパシターと、論理
回路の出力信号が第１のレベルであるときに、第１のキャパシターに電荷を充電する第１
の充電回路と、第１のキャパシターの一端の電圧が所定の電圧を超えたときに、リセット
信号を活性化する第１の判定回路と、リセット信号が活性化されたときに、第１のキャパ
シターに充電されている電荷を放電してリセット信号を非活性化する第１の放電回路と、
第２のキャパシターと、論理回路の出力信号が第２のレベルであるときに、第２のキャパ
シターに電荷を充電する第２の充電回路と、第２のキャパシターの一端の電圧が所定の電
圧を超えたときに、セット信号を活性化する第２の判定回路と、セット信号が活性化され
たときに、第２のキャパシターに充電されている電荷を放電してセット信号を非活性化す
る第２の放電回路とを備える。

本発明の第１の観点によれば、第１のキャパシターに充電されている電荷を完全に放電
させることなくリセット信号が生成されると共に、第２のキャパシターに充電されている
電荷を完全に放電させることなくセット信号が生成されるので、温度変化等により第１及
び第２の判定回路の閾値が変動しても、第１及び第２のキャパシターの充電時間に与える
影響を低減でき、発振周波数の安定性を向上させることができる。

また、セット信号とリセット信号とが交互に活性化されることによって論理回路の出力
信号が第１のレベルと第２のレベルとに交互に変化するので、セット信号を生成する回路
とリセット信号を生成する回路とを同一構成とすることにより、発振回路において出力信
号が第１のレベルになる期間と出力信号が第２のレベルになる期間とを均一に制御するこ
とが可能となる。

ここで、第１の判定回路が、第１のキャパシターの一端の電圧が印加される入力端子を
有するインバーターを含み、第２の判定回路が、第２のキャパシターの一端の電圧が印加
される入力端子を有するインバーターを含むようにしても良い。インバーターは、応答速
度が速いので、発振動作の高速化に対応することができる。

また、発振回路が、発振周波数を温度補償するための制御電流を生成する制御電流生成
部をさらに備え、第１の充電回路が、論理回路の出力信号が第１のレベルであるときに、
制御電流に比例する電流を第１のキャパシターに供給し、第２の充電回路が、論理回路の
出力信号が第２のレベルであるときに、制御電流に比例する電流を第２のキャパシターに
供給するようにしても良い。それにより、第１及び第２の充電回路の充電動作を均一に制
御して、発振周波数を高精度に温度補償することができる。

さらに、第１の放電回路が、第１のキャパシターの一端と基準電位との間に直列接続さ
れた第１のトランジスター及び第２のトランジスターを含み、第１のトランジスターが、
トリプルウェル内に配置されて定電圧で制御されると共に、第２のトランジスターが、リ
セット信号で制御され、第２の放電回路が、第２のキャパシターの一端と基準電位との間
に直列接続された第３のトランジスター及び第４のトランジスターを含み、第３のトラン
ジスターが、トリプルウェル内に配置されて定電圧で制御されると共に、第４のトランジ
スターが、セット信号で制御されるようにしても良い。それにより、第１のキャパシター
の充電時における第１のトランジスターのリーク電流、及び、第２のキャパシターの充電
時における第３のトランジスターのリーク電流を低減して、発振周波数の変動を小さくす
ることができる。

本発明の第２の観点に係る半導体装置は、上記いずれかの発振回路を備える。また、本
発明の第３の観点に係るマイクロコンピューターは、上記いずれかの発振回路と、発振回
路から供給される第１のクロック信号に同期して動作するＣＰＵと、第１のクロック信号
を分周して第２のクロック信号を生成する分周回路と、第２のクロック信号に同期してデ
ータの送信又は受信を行う外部インターフェースとを備える。

本発明の第２又は第３の観点によれば、判定回路の閾値の変動がキャパシターの充電時
間に与える影響を低減して発振周波数の安定性を向上させると共に、出力信号が第１のレ
ベルになる期間と出力信号が第２のレベルになる期間とを均一に制御することが可能な発
振回路を用いて、水晶発振回路等の高精度な外部発振回路を不要とした半導体装置又はマ
イクロコンピューターを提供することができる。

本発明の一実施形態に係る半導体装置の構成例を示すブロック図。 図１に示す発振回路の構成例を示す回路図。 図２に示す充放電型発振部の構成例を示す回路図。 図３に示す第１のキャパシターＣ１の一端の電圧波形を示す波形図。 図３に示すトランジスターＱＮ１１の構造を示す断面図。 図２に示す制御電流生成部の構成例を示す回路図。 基準電圧生成回路によって生成される基準電圧の温度特性を示す図。 温度特性傾斜補正回路の出力電圧の温度特性を示す図。 電圧電流変換回路によって生成される制御電流の温度特性を示す図。 発振回路の温度特性が補償されてない状態における周波数誤差を示す図。 発振回路の温度特性が補償されている状態における周波数誤差を示す図。

以下、本発明の実施形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。なお、同一の
構成要素には同一の参照符号を付して、重複する説明を省略する。
＜半導体装置＞
図１は、本発明の一実施形態に係る半導体装置の構成例を示すブロック図である。この
半導体装置は、本発明の一実施形態に係る発振回路を内蔵している。図１においては、半
導体装置の一例として、発振回路１０と、ＣＰＵ２０と、不揮発性メモリー３０と、ＲＡ
Ｍ（ランダムアクセス・メモリー）４０と、分周回路５０と、外部インターフェース６０
と、周辺回路７０とを含むマイクロコンピューターが示されている。

発振回路１０は、発振動作を行うことにより、所定の周波数を有する第１のクロック信
号（高速クロック信号）ＣＬＫ１を生成して、第１のクロック信号ＣＬＫ１をＣＰＵ２０
及び分周回路５０に供給する。ＣＰＵ２０は、発振回路１０から供給される第１のクロッ
ク信号ＣＬＫ１に同期して動作し、プログラムに従って各種の信号処理や制御処理を行う
。不揮発性メモリー３０は、ＣＰＵ２０が各種の信号処理や制御処理を行うためのプログ
ラムやデータ等を記憶している。

また、不揮発性メモリー３０は、発振回路１０の発振周波数を調整するために用いられ
る第１の制御信号及び第２の制御信号を含む制御データ（例えば、１６ビット）を格納し
て発振回路１０に供給する。なお、制御データを格納するために、不揮発性メモリー３０
とは別個に複数のヒューズが設けられても良い。ＲＡＭ４０は、ＣＰＵ２０の作業領域と
して用いられ、不揮発性メモリー３０から読み出されたプログラムやデータ、又は、ＣＰ
Ｕ２０がプログラムに従って実行した演算結果等を一時的に記憶する。

分周回路５０は、第１のクロック信号ＣＬＫ１を分周して第２のクロック信号（分周ク
ロック信号）ＣＬＫ２を生成する。外部インターフェース６０は、第２のクロック信号Ｃ
ＬＫ２に同期して外部回路との間でデータの送信又は受信を行う。周辺回路７０は、例え
ば、第２のクロック信号ＣＬＫ２に同期して液晶パネルや有機ＥＬ（エレクトロルミネッ
センス）パネル等の表示パネルを駆動する表示ドライバー等を含んでいる。その場合に、
図１に示すマイクロコンピューターは、表示デバイスとして用いられる。

＜発振回路＞
図２は、図１に示す発振回路の構成例を示す回路図である。図２に示すように、本発明
の一実施形態に係る発振回路１０は、充放電型発振部８０と、制御電流生成部９０とを含
んでおり、レギュレーター等から高電位側の電源電位ＶＤＤ及び低電位側の電源電位ＶＳ
Ｓが供給されて動作する。本実施形態においては、電源電位ＶＳＳが接地電位（０Ｖ）で
あるものとする。

充放電型発振部８０は、制御電流Ｉｃｎｔの大きさに従う発振周波数で発振動作を行う
ことにより、発振信号Ｆｏｕｔを生成する。発振信号Ｆｏｕｔは、図１に示す第１のクロ
ック信号ＣＬＫ１として用いられる。制御電流生成部９０は、温度センサーの出力電圧に
基づいて、充放電型発振部８０の発振周波数を温度補償するための制御電流Ｉｃｎｔを生
成する。

＜充放電型発振部＞
図３は、図２に示す充放電型発振部の構成例を示す回路図である。図３に示すように、
充放電型発振部８０は、ＰチャネルＭＯＳ（metal oxide semiconductor）トランジスタ
ーＱＰ１１〜ＱＰ２３と、ＮチャネルＭＯＳトランジスターＱＮ１０〜ＱＮ２３と、第１
のキャパシターＣ１及び第２のキャパシターＣ２と、インバーター８１〜８５と、ＲＳフ
リップフロップ（ＲＳラッチ）８６とを含んでいる。

ＲＳフリップフロップ８６は、リセット信号入力端子Ｒと、セット信号入力端子Ｓと、
出力端子Ｑと、反転出力端子Ｑバーとを有する論理回路であり、本実施形態においては、
反転出力端子Ｑバーから出力される出力信号（以下においては、単に「出力信号」という
）が、発振信号Ｆｏｕｔとして用いられる。

ＲＳフリップフロップ８６は、リセット信号が非活性化されているときに、セット信号
の活性化に同期して出力信号を第１のレベル（本実施形態においては、ローレベル）に設
定し、セット信号が非活性化されているときに、リセット信号の活性化に同期して出力信
号を第２のレベル（本実施形態においては、ハイレベル）に設定する。インバーター８１
は、ＲＳフリップフロップ８６の出力信号を反転する。

トランジスターＱＰ１１〜ＱＰ１３及びＱＮ１３は、ＲＳフリップフロップ８６の出力
信号が第１のレベルであるときに（インバーター８１の出力信号がハイレベルであるとき
に）、第１のキャパシターＣ１に電荷を充電する第１の充電回路を構成している。トラン
ジスターＱＰ１１は、電源電位ＶＤＤが供給されるノードＮ１に接続されたソースと、イ
ンバーター８１の出力信号が印加されるゲートとを有しており、ＲＳフリップフロップ８
６の出力信号が第１のレベルであるときに非導通状態となり、ＲＳフリップフロップ８６
の出力信号が第２のレベルであるときに導通状態となる。

トランジスターＱＰ１２は、ノードＮ１に接続されたソースと、トランジスターＱＰ１
１のドレインに接続されたゲート及びドレインとを有している。トランジスターＱＰ１３
は、ノードＮ１に接続されたソースと、トランジスターＱＰ１２のゲート及びドレインに
接続されたゲートと、第１のキャパシターＣ１の一端（ノードＮ３）に接続されたドレイ
ンとを有している。トランジスターＱＮ１３は、トランジスターＱＰ１２のゲート及びド
レインに接続されたドレインと、電源電位ＶＳＳが供給されるノードＮ２に接続されたソ
ースとを有している。

トランジスターＱＮ１０は、制御電流生成部９０（図２）と充放電型発振部８０とを中
継するためのトランジスターであり、トランジスターＱＮ１３及びＱＮ２３のゲートに接
続されたドレイン及びゲートと、ノードＮ２に接続されたソースとを有している。トラン
ジスターＱＮ１０のドレインには、制御電流生成部９０から制御電流Ｉｃｎｔが供給され
る。

トランジスターＱＮ１０とトランジスターＱＮ１３とは、カレントミラー回路を構成し
ており、トランジスターＱＰ１２とトランジスターＱＰ１３とは、カレントミラー回路を
構成している。従って、第１の充電回路は、ＲＳフリップフロップ８６の出力信号が第１
のレベルであるときに、トランジスターＱＰ１１が非導通状態になると、制御電流Ｉｃｎ
ｔに比例する電流を第１のキャパシターＣ１に供給する。

トランジスターＱＰ１４及びＱＮ１４で構成されるインバーター８２、及び、トランジ
スターＱＰ１５及びＱＮ１５で構成されるインバーター８３は、第１のキャパシターＣ１
の一端（ノードＮ３）の電圧が所定の電圧（インバーター８２の閾値）を超えたときに、
リセット信号を活性化する第１の判定回路を構成している。インバーターは、応答速度が
速いので、発振動作の高速化に対応することができる。

トランジスター（第１のトランジスター）ＱＮ１１及びトランジスター（第２のトラン
ジスター）ＱＮ１２は、リセット信号が活性化されたときに、第１のキャパシターＣ１に
充電されている電荷を放電してリセット信号を非活性化する第１の放電回路を構成してい
る。トランジスターＱＮ１１は、第１のキャパシターＣ１の一端（ノードＮ３）に接続さ
れたドレインと、定電圧Ｖｃｏｎが印加されるゲートとを有しており、定電圧Ｖｃｏｎで
制御される。トランジスターＱＮ１２は、トランジスターＱＮ１１のソースに接続された
ドレインと、リセット信号が印加されるゲートと、ノードＮ２に接続されたソースとを有
しており、リセット信号で制御される。

以上の構成において、ＲＳフリップフロップ８６の出力信号が第１のレベル（ローレベ
ル）になると、トランジスターＱＰ１３がノードＮ１からノードＮ３に電流を流すことに
より、第１のキャパシターＣ１に電荷が充電される。ノードＮ３の電圧が上昇して所定の
電圧を超えると、リセット信号がハイレベルに活性化されて、ＲＳフリップフロップ８６
の出力信号が第２のレベル（ハイレベル）になり、第１のキャパシターＣ１の充電が停止
する。

また、リセット信号がハイレベルに活性化されると、トランジスターＱＮ１２が導通状
態となり、トランジスターＱＮ１１が定電圧Ｖｃｏｎに従ってノードＮ３からノードＮ２
に電流を流すことにより、第１のキャパシターＣ１に充電されている電荷が放電される。
ノードＮ３の電圧が下降して所定の電圧よりも低くなると、リセット信号がローレベルに
非活性化されて、第１のキャパシターＣ１の放電が停止する。従って、第１のキャパシタ
ーＣ１に充電されている電荷を完全に放電させなくて済み、次の充電がこの状態から開始
される。このようにして、リセット信号の活性化及び非活性化が繰り返される。

図４は、図３に示す第１のキャパシターＣ１の一端の電圧波形を示す波形図である。図
４において、横軸は、時間（μｓ）を表しており、縦軸は、制御電流Ｉｃｎｔを一定にし
た場合における第１のキャパシターＣ１の一端の電圧（Ｖ）のシミュレーション値を表し
ている。また、実線は、−４０℃における波形を表しており、一点鎖線は、２５℃におけ
る波形を表しており、破線は、８５℃における波形を表している。

第１のキャパシターＣ１に電荷が充電されて、第１のキャパシターＣ１の一端の電圧が
インバーター８２の閾値を超えると、リセット信号が活性化されるので、第１のキャパシ
ターＣ１の充電が終了して放電が開始される。図４に示すように、温度が高い場合には、
温度が低い場合と比較して、インバーター８２の閾値が高くなるので、第１のキャパシタ
ーＣ１の一端の電圧のピーク値も高くなる。

その後、第１のキャパシターＣ１の一端の電圧がインバーター８２の閾値よりも低くな
ると、リセット信号が非活性化されるので、第１のキャパシターＣ１に充電されている電
荷を完全に放電させることなく放電が停止する。従って、放電停止時の第１のキャパシタ
ーＣ１の一端の電圧が、電源電位ＶＳＳ（０Ｖ）まで低下せずにインバーター８２の閾値
に対応する電圧に留まっており、その電圧が、次に充電を開始する際の初期電圧となる。
即ち、インバーター８２の閾値電圧が温度によって変動し、第１のキャパシターＣ１の電
荷の放電を開始する電圧が変動しても、充電を開始する電圧もそれに対応して変動する。

その結果、温度変化によりインバーター８２の閾値が変動しても、第１のキャパシター
Ｃ１の充電時間に与える影響を低減でき、図３に示す充放電型発振部８０の発振周波数の
安定性を向上させることができる。この効果は、温度変化のみならず、プロセスばらつき
に対しても同様に発揮することができる。

再び図３を参照すると、トランジスターＱＰ２１〜ＱＰ２３及びＱＮ２３は、ＲＳフリ
ップフロップ８６の出力信号が第２のレベル（ハイレベル）であるときに、第２のキャパ
シターＣ２に電荷を充電する第２の充電回路を構成している。トランジスターＱＰ２１は
、ノードＮ１に接続されたソースと、ＲＳフリップフロップ８６の出力信号が印加される
ゲートとを有しており、ＲＳフリップフロップ８６の出力信号が第２のレベルであるとき
に非導通状態となり、ＲＳフリップフロップ８６の出力信号が第１のレベルであるときに
導通状態となる。

トランジスターＱＰ２２は、ノードＮ１に接続されたソースと、トランジスターＱＰ２
１のドレインに接続されたゲート及びドレインとを有している。トランジスターＱＰ２３
は、ノードＮ１に接続されたソースと、トランジスターＱＰ２２のゲート及びドレインに
接続されたゲートと、第２のキャパシターＣ２の一端（ノードＮ４）に接続されたドレイ
ンとを有している。トランジスターＱＮ２３は、トランジスターＱＰ２２のゲート及びド
レインに接続されたドレインと、ノードＮ２に接続されたソースとを有している。

トランジスターＱＮ１０とトランジスターＱＮ２３とは、カレントミラー回路を構成し
ており、トランジスターＱＰ２２とトランジスターＱＰ２３とは、カレントミラー回路を
構成している。従って、第２の充電回路は、ＲＳフリップフロップ８６の出力信号が第２
のレベルであるときに、トランジスターＱＰ２１が非導通状態になると、制御電流Ｉｃｎ
ｔに比例する電流を第２のキャパシターＣ２に供給する。それにより、第１及び第２の充
電回路の充電動作を均一に制御して、発振周波数を高精度に温度補償することができる。

トランジスターＱＰ２４及びＱＮ２４で構成されるインバーター８４、及び、トランジ
スターＱＰ２５及びＱＮ２５で構成されるインバーター８５は、第２のキャパシターＣ２
の一端（ノードＮ４）の電圧が所定の電圧（インバーター８４の閾値）を超えたときに、
セット信号を活性化する第２の判定回路を構成している。

トランジスター（第３のトランジスター）ＱＮ２１及びトランジスター（第４のトラン
ジスター）ＱＮ２２は、セット信号が活性化されたときに、第２のキャパシターＣ２に充
電されている電荷を放電してセット信号を非活性化する第２の放電回路を構成している。
トランジスターＱＮ２１は、第２のキャパシターＣ２の一端（ノードＮ４）に接続された
ドレインと、定電圧Ｖｃｏｎが印加されるゲートとを有しており、定電圧Ｖｃｏｎで制御
される。トランジスターＱＮ２２は、トランジスターＱＮ２１のソースに接続されたドレ
インと、セット信号が印加されるゲートと、ノードＮ２に接続されたソースとを有してお
り、セット信号で制御される。

以上の構成において、ＲＳフリップフロップ８６の出力信号が第２のレベル（ハイレベ
ル）になると、トランジスターＱＰ２３がノードＮ１からノードＮ４に電流を流すことに
より、第２のキャパシターＣ２に電荷が充電される。ノードＮ４の電圧が上昇して所定の
電圧を超えると、セット信号がハイレベルに活性化されて、ＲＳフリップフロップ８６の
出力信号が第１のレベル（ローレベル）になり、第２のキャパシターＣ２の充電が停止す
る。

また、セット信号がハイレベルに活性化されると、トランジスターＱＮ２２が導通状態
となり、トランジスターＱＮ２１が定電圧Ｖｃｏｎに従ってノードＮ４からノードＮ２に
電流を流すことにより、第２のキャパシターＣ２に充電されている電荷が放電される。ノ
ードＮ４の電圧が下降して所定の電圧よりも低くなると、セット信号がローレベルに非活
性化されて、第２のキャパシターＣ２の放電が停止する。従って、第２のキャパシターＣ
２に充電されている電荷を完全に放電させなくて済み、次の充電がこの状態から開始され
る。このようにして、セット信号の活性化及び非活性化が繰り返される。

本実施形態によれば、第１のキャパシターＣ１に充電されている電荷を完全に放電させ
ることなくリセット信号が生成されると共に、第２のキャパシターＣ２に充電されている
電荷を完全に放電させることなくセット信号が生成されるので、温度変化等によりインバ
ーター８２及び８４の閾値が変動しても、第１のキャパシターＣ１及び第２のキャパシタ
ーＣ２の充電時間に与える影響を低減でき、発振周波数の安定性を向上させることができ
る。

また、セット信号とリセット信号とが交互に活性化されることによってＲＳフリップフ
ロップ８６の出力信号が第１のレベルと第２のレベルとに交互に変化するので、セット信
号を生成する回路とリセット信号を生成する回路とを同一構成とすることにより、発振回
路において出力信号が第１のレベルになる期間と出力信号が第２のレベルになる期間とを
均一に制御することが可能となる。さらに、そのような発振回路を用いて、水晶発振回路
等の高精度な外部発振回路を不要とした半導体装置又はマイクロコンピューターを提供す
ることができる。

＜トリプルウェル構造＞
図３に示すＮチャネルＭＯＳトランジスターＱＮ１１及びＱＮ２１の各々は、トリプル
ウェル内に配置されても良い。その場合には、トランジスターＱＮ１１のバックゲートが
ソースに電気的に接続され、トランジスターＱＮ２１のバックゲートがソースに電気的に
接続される。以下においては、一例として、トランジスターＱＮ１１の構造について説明
する。

図５は、図３に示すトランジスターＱＮ１１の構造を示す断面図である。図５に示すよ
うに、Ｐ型の半導体基板１００内に、ディープＮウェル１０１と、Ｐ型のコンタクト領域
１１１とが設けられている。また、ディープＮウェル１０１内に、Ｐウェル１０２と、Ｎ
型のコンタクト領域１１２とが設けられている。半導体基板１００には、Ｐ型のコンタク
ト領域１１１を介して電源電位ＶＳＳが供給され、ディープＮウェル１０１には、Ｎ型の
コンタクト領域１１２を介して電源電位ＶＤＤが供給される。

さらに、Ｐウェル１０２内に、トランジスターＱＮ１１のドレイン及びソースをそれぞ
れ構成するＮ型の不純物領域１１３及び１１４と、Ｐ型のコンタクト領域１１５とが設け
られている。Ｐウェル１０２は、トランジスターＱＮ１１のバックゲートに相当する。Ｐ
ウェル１０２上には、ゲート絶縁膜を介して、トランジスターＱＮ１１のゲート電極１１
６が配置されている。従って、トランジスターＱＮ１１は、第１のキャパシターＣ１の一
端（ノードＮ３）に接続されたドレインと、定電圧Ｖｃｏｎが印加されるゲート電極１１
６と、トランジスターＱＮ１２を介してノードＮ２に接続されたソース及びバックゲート
とを有している。

シングルウェル構造又はツインウェル構造を用いてトランジスターＱＮ１１を形成する
場合には、温度が上昇すると、ドレイン又はソースから電源電位ＶＳＳの半導体基板又は
Ｐウェルに向けて流れるリーク電流が増加する。一方、トリプルウェル構造を用いてトラ
ンジスターＱＮ１１を形成する場合には、Ｐウェル１０２とディープＮウェル１０１との
間、及び、ディープＮウェル１０１と半導体基板１００との間に逆バイアス電圧が印加さ
れるので（ＶＳＳ≦ノードＮ３の電位＜ＶＤＤ）、トランジスターＱＮ１１の非導通時に
おけるリーク電流を低減することができる。

同様に、図３に示すトランジスターＱＮ２１は、第２のキャパシターＣ２の一端（ノー
ドＮ４）に接続されたドレインと、定電圧Ｖｃｏｎが印加されるゲート電極と、トランジ
スターＱＮ２２を介してノードＮ２に接続されたソース及びバックゲートとを有している
。このように、トランジスターＱＮ１１及びＱＮ２１の各々がトリプルウェルに配置され
る場合には、第１のキャパシターＣ１の充電時におけるトランジスターＱＮ１１のリーク
電流、及び、第２のキャパシターＣ２の充電時におけるトランジスターＱＮ２１のリーク
電流を低減して、発振周波数の変動を小さくすることができる。

さらに、インバーター８２を構成するトランジスターＱＰ１４及びＱＮ１４のゲート長
を長くすることにより、第１のキャパシターＣ１の充電時におけるトランジスターＱＰ１
４及びＱＮ１４のリーク電流を低減したり、インバーター８４を構成するトランジスター
ＱＰ２４及びＱＮ２４のゲート長を長くすることにより、第２のキャパシターＣ２の充電
時におけるトランジスターＱＰ２４及びＱＮ２４のリーク電流を低減したりすることも有
効である。

＜制御電流生成部＞
図６は、図２に示す制御電流生成部の構成例を示す回路図である。図６に示すように、
制御電流生成部９０は、基準電圧生成回路９１と、温度特性傾斜補正回路９２と、電圧電
流変換回路９３とを含んでいる。

＜基準電圧生成回路＞
基準電圧生成回路９１は、例えば、ＰＮＰバイポーラトランジスターＱＢ１と、差動増
幅回路ＡＭＰ１とを含み、第１の温度特性を有する基準電圧Ｖ１を生成する。トランジス
ターＱＢ１は、定電流Ｉｒｅｆが供給されるエミッターと、電源電位ＶＳＳの配線に接続
されたコレクター及びベースとを有している。トランジスターＱＢ１のベースがコレクタ
ーに接続されているので、トランジスターＱＢ１はダイオードと等価である。

差動増幅回路ＡＭＰ１は、トランジスターＱＢ１のエミッターに接続された非反転入力
端子と、出力端子に接続された反転入力端子とを有しており、非反転入力端子に印加され
る電圧をバッファーして出力端子から出力するボルテージフォロワーとして動作する。従
って、基準電圧生成回路９１は、トランジスターＱＢ１のエミッターとベース及びコレク
ターとの間の電圧に基づいて基準電圧Ｖ１を生成する。それにより、バイポーラトランジ
スターで温度センサーを構成し、温度センサーの出力電圧に基づいて、第１の温度特性を
有する基準電圧Ｖ１を生成することができる。

図７は、図６に示す基準電圧生成回路によって生成される基準電圧の温度特性を模式的
に示す図である。図７において、横軸は、温度Ｔを表し、縦軸は、基準電圧生成回路９１
によって生成される基準電圧Ｖ１を表している。図７に示す例においては、温度Ｔの上昇
に伴って基準電圧Ｖ１が低下している。

定電流Ｉｒｅｆが極めて低い温度依存性を有する場合には、主にトランジスターＱＢ１
の温度特性によって基準電圧Ｖ１の温度特性が定まるが、最終的に制御電流生成部９０か
ら出力される制御電流Ｉｃｎｔの温度特性は調整可能であるので、定電流Ｉｒｅｆの温度
依存性は所定の範囲内で許容される。

＜温度特性傾斜補正回路＞
温度特性傾斜補正回路９２は、例えば、定電圧生成回路９２ａと、差動増幅回路ＡＭＰ
２と、抵抗Ｒ１及びＲ２とを含み、図１に示す制御データに含まれている第２の制御信号
（例えば、６ビットのデータ）に従って基準電圧Ｖ１の温度特性の傾斜を補正し、第２の
温度特性を有する出力電圧Ｖ２を生成する。

定電圧生成回路９２ａは、例えば、バンドギャップリファレンス回路等で構成され、定
電圧Ｖｒｅｆを生成する。定電圧Ｖｒｅｆは、極めて低い温度依存性を有することが望ま
しいが、最終的に制御電流生成部９０から出力される制御電流Ｉｃｎｔの温度特性は調整
可能であるので、定電圧Ｖｒｅｆの温度依存性は所定の範囲内で許容される。

差動増幅回路ＡＭＰ２は、定電圧Ｖｒｅｆが印加される非反転入力端子と、抵抗Ｒ１を
介して基準電圧生成回路９１の出力端子に接続されると共に抵抗Ｒ２を介して差動増幅回
路ＡＭＰ２の出力端子に接続された反転入力端子とを有しており、定電圧Ｖｒｅｆを基準
として基準電圧Ｖ１を増幅することにより、出力端子から出力電圧Ｖ２を出力する。

ここで、抵抗Ｒ１及びＲ２の内の少なくとも１つ（図８においては、抵抗Ｒ２）は、差
動増幅回路ＡＭＰ２の増幅率（クローズドループゲイン）を調整するために用いられる可
変抵抗であり、第１の制御信号に従って設定される抵抗値を有する。温度特性傾斜補正回
路９２は、抵抗Ｒ２（又は、Ｒ１）の抵抗値に基づいて、基準電圧Ｖ１の温度特性の傾斜
を所望の傾斜に補正することができる。

差動増幅回路ＡＭＰ２の出力電圧Ｖ２は、差動増幅回路ＡＭＰ２のオープンループゲイ
ンが十分大きいとして、次のように求められる。
Ｖ２−Ｖｒｅｆ＝−（Ｒ２／Ｒ１）（Ｖ１−Ｖｒｅｆ）
∴Ｖ２＝Ｖｒｅｆ−（Ｒ２／Ｒ１）（Ｖ１−Ｖｒｅｆ） ・・・（１）

図８は、図６に示す温度特性傾斜補正回路の出力電圧の温度特性を模式的に示す図であ
る。図８において、横軸は、温度Ｔを表し、縦軸は、温度特性傾斜補正回路９２の出力電
圧Ｖ２を表している。図８に示す例においては、温度Ｔの上昇に伴って出力電圧Ｖ２が上
昇している。

式（１）から、所定の温度（例えば、２５℃）において基準電圧Ｖ１と定電圧Ｖｒｅｆ
とが等しくなるように制御電流生成部９０を構成することにより、所定の温度における差
動増幅回路ＡＭＰ２の出力電圧Ｖ２を変化させることなく、差動増幅回路ＡＭＰ２の出力
電圧Ｖ２の温度特性の傾斜を変化させることができる。

＜電圧電流変換回路＞
電圧電流変換回路９３は、例えば、差動増幅回路ＡＭＰ３と、ＮチャネルＭＯＳトラン
ジスターＱＮ３と、ＰチャネルＭＯＳトランジスターＱＰ３及びＱＰ４と、抵抗Ｒ３とを
含み、温度特性傾斜補正回路９２の出力電圧Ｖ２を制御電流Ｉｃｎｔに変換すると共に、
図１に示す制御データに含まれている第２の制御信号（例えば、１０ビットのデータ）に
従って制御電流Ｉｃｎｔの大きさを補正する。

差動増幅回路ＡＭＰ３は、温度特性傾斜補正回路９２の出力電圧Ｖ２が印加される非反
転入力端子と、帰還電圧ＦＢが印加される反転入力端子とを有しており、出力端子から出
力電圧Ｖ３を出力する。トランジスターＱＮ３は、差動増幅回路ＡＭＰ３の出力電圧Ｖ３
が印加されるゲートと、抵抗Ｒ３を介して電源電位ＶＳＳの配線に接続されたソースとを
有している。

トランジスターＱＰ３及びＱＰ４は、カレントミラー回路を構成している。トランジス
ターＱＰ３は、電源電位ＶＤＤの配線に接続されたソースと、トランジスターＱＮ３のド
レインに接続されたドレイン及びゲートとを有している。トランジスターＱＰ４は、電源
電位ＶＤＤの配線に接続されたソースと、トランジスターＱＰ３のドレイン及びゲートに
接続されたゲートとを有している。トランジスターＱＰ３に流れる電流に比例する電流が
トランジスターＱＰ４に流れることにより、トランジスターＱＰ４のドレインから制御電
流Ｉｃｎｔが出力される。

ここで、トランジスターＱＮ３は、温度特性傾斜補正回路９２の出力電圧Ｖ２に従って
トランジスターＱＰ３に電流を供給する。トランジスターＱＮ３に電流が流れると、抵抗
Ｒ３の一端に帰還電圧ＦＢが発生する。帰還電圧ＦＢは、差動増幅回路ＡＭＰ３の反転入
力端子に印加されるので、非反転入力端子に印加される温度特性傾斜補正回路９２の出力
電圧Ｖ２と帰還電圧ＦＢとが略等しくなる。

従って、制御電流Ｉｃｎｔは、トランジスターＱＮ３に流れる電流Ｉ３を用いて、次式
（２）で表される。
Ｉｃｎｔ＝αＩ３＝αＶ２／Ｒ３ ・・・（２）
ここで、αは、カレントミラー回路を構成するトランジスターＱＰ３及びＱＰ４のサイズ
の比によって定まる比例定数である。

抵抗Ｒ３は、トランジスターＱＮ３の電圧電流変換率を調整するために用いられる可変
抵抗であり、第２の制御信号に従って設定される抵抗値を有する。電圧電流変換回路９３
は、抵抗Ｒ３の抵抗値に基づいて、トランジスターＱＰ４から出力される制御電流Ｉｃｎ
ｔの大きさを調整する。それにより、所定の温度における発振周波数を所望の周波数に設
定することができる。

図９は、図６に示す電圧電流変換回路によって生成される制御電流の温度特性を模式的
に示す図である。図９において、横軸は、温度Ｔを表し、縦軸は、電圧電流変換回路９３
によって生成される制御電流Ｉｃｎｔを表している。図９に示す例においては、温度Ｔの
上昇に伴って制御電流Ｉｃｎｔが上昇している。

＜発振周波数の調整＞
図６〜図９を参照すると、発振回路の発振周波数を調整するためには、まず、所定の温
度（例えば、２５℃）における発振周波数が目標値に一致するように、電圧電流変換回路
９３における抵抗Ｒ３の抵抗値を調整して制御電流Ｉｃｎｔの大きさを調整する（図９）
。次に、高温（例えば、８５℃）又は低温（例えば、−４０℃）において周波数誤差が小
さくなるように、温度特性傾斜補正回路９２における抵抗Ｒ２（又は、Ｒ１）の抵抗値を
調整して出力電圧Ｖ２の温度特性を調整する（図８）。

それらの抵抗値が決定されたら、それらの抵抗値を設定するための第１及び第２の制御
信号が、図１に示す不揮発性メモリー３０（又は、ヒューズ）に制御データとして格納さ
れ、発振回路の起動時に自動的に読み出されて使用される。このように、個々の発振回路
に対応する制御データを格納部に保存することによって、個々の発振回路の特性を向上さ
せることができる。

図１０は、発振回路の温度特性が補償されてない状態における周波数誤差の例を示す図
であり、図１１は、発振回路の温度特性が補償されている状態における周波数誤差の例を
示す図である。図１０及び図１１において、横軸は、発振回路周辺の環境温度Ｔａ［℃］
を表しており、縦軸は、周波数誤差［％］の測定値を表している。

発振回路の温度特性が補償されてない状態においては、図２に示す充放電型発振部８０
に供給される制御電流Ｉｃｎｔが温度によらずに一定とされる。その場合には、図１０に
示すように、充放電型発振部８０が、環境温度Ｔａの上昇に伴って発振周波数が低下する
温度依存性を有している。一方、図２に示す制御電流生成部９０によって制御電流Ｉｃｎ
ｔに適切な温度特性を与える場合には、図１１に示すように、制御電流Ｉｃｎｔの温度特
性によって充放電型発振部８０の発振周波数の温度依存性が抑制される。

また、発振回路の温度特性が補償されてない状態において、図２に示す充放電型発振部
８０が、環境温度Ｔａの上昇に伴って発振周波数が上昇する温度依存性を有する場合もあ
る。そのような場合には、図６に示す基準電圧生成回路９１において、ＰＮＰバイポーラ
トランジスターの替りにＮＰＮバイポーラトランジスターを用いても良い。ＮＰＮバイポ
ーラトランジスターは、電源電位ＶＤＤ側に接続される。

さらに、ＰＮＰバイポーラトランジスターとＮＰＮバイポーラトランジスターとの両方
を基準電圧生成回路９１に搭載して、それらを切り替えて使用しても良い。あるいは、図
６に示す温度特性傾斜補正回路９２において、反転増幅回路を追加したり、又は、差動増
幅回路ＡＭＰ２が非反転増幅動作を行うようにしても良い。

発振回路において発振動作に使用される抵抗素子又は容量素子を温度変化に伴って切り
換える場合にはノイズ又はジッター等が増加するおそれがあるが、本実施形態によれば、
可変抵抗の抵抗値が制御信号によって設定された後は、その抵抗値を用いて温度センサー
の出力電圧に基づいて制御電流が生成される。それによって発振回路の発振周波数が制御
されるので、発振動作に使用される抵抗素子又は容量素子を切り換えることなく、温度変
化に伴って発振周波数を連続的に温度補償して、ノイズ又はジッター等を低減させた発振
回路を提供することができる。

本発明は、以上説明した実施形態に限定されるものではなく、当該技術分野において通
常の知識を有する者によって、本発明の技術的思想内で多くの変形が可能である。

１０…発振回路、２０…ＣＰＵ、３０…不揮発性メモリー、４０…ＲＡＭ、５０…分周
回路、６０…外部インターフェース、７０…周辺回路、８０…充放電型発振部、８１〜８
５…インバーター、８６…ＲＳフリップフロップ、９０…制御電流生成部、９１…基準電
圧生成回路、９２…温度特性傾斜補正回路、９２ａ…定電圧生成回路、９３…電圧電流変
換回路、１００…半導体基板、１０１…ディープＮウェル、１０２…Ｐウェル、１１１、
１１５…Ｐ型のコンタクト領域、１１２…Ｎ型のコンタクト領域、１１３、１１４…Ｎ型
の不純物領域、１１６…ゲート電極、ＡＭＰ１〜ＡＭＰ３…差動増幅回路、ＱＰ３〜ＱＰ
２５…ＰチャネルＭＯＳトランジスター、ＱＮ３〜ＱＮ２５…ＮチャネルＭＯＳトランジ
スター、ＱＢ１…ＰＮＰバイポーラトランジスター、Ｃ１…第１のキャパシター、Ｃ２…
第２のキャパシター、Ｒ１〜Ｒ３…抵抗

Claims (6)

1. リセット信号が非活性化されているときに、セット信号の活性化に同期して出力信号を
   第１のレベルに設定し、前記セット信号が非活性化されているときに、前記リセット信号
   の活性化に同期して前記出力信号を第２のレベルに設定する論理回路と、
   第１のキャパシターと、
   前記論理回路の前記出力信号が前記第１のレベルであるときに、前記第１のキャパシタ
   ーに電荷を充電する第１の充電回路と、
   前記第１のキャパシターの一端の電圧が所定の電圧を超えたときに、前記リセット信号
   を活性化する第１の判定回路と、
   前記リセット信号が活性化されたときに、前記第１のキャパシターに充電されている電
   荷を放電して前記リセット信号を非活性化する第１の放電回路と、
   第２のキャパシターと、
   前記論理回路の前記出力信号が前記第２のレベルであるときに、前記第２のキャパシタ
   ーに電荷を充電する第２の充電回路と、
   前記第２のキャパシターの一端の電圧が所定の電圧を超えたときに、前記セット信号を
   活性化する第２の判定回路と、
   前記セット信号が活性化されたときに、前記第２のキャパシターに充電されている電荷
   を放電して前記セット信号を非活性化する第２の放電回路と、
   を備える発振回路。
2. 前記第１の判定回路が、前記第１のキャパシターの前記一端の電圧が印加される入力端
   子を有するインバーターを含み、
   前記第２の判定回路が、前記第２のキャパシターの前記一端の電圧が印加される入力端
   子を有するインバーターを含む、
   請求項１記載の発振回路。
3. 発振周波数を温度補償するための制御電流を生成する制御電流生成部をさらに備え、
   前記第１の充電回路が、前記論理回路の前記出力信号が前記第１のレベルであるときに
   、前記制御電流に比例する電流を前記第１のキャパシターに供給し、
   前記第２の充電回路が、前記論理回路の前記出力信号が前記第２のレベルであるときに
   、前記制御電流に比例する電流を前記第２のキャパシターに供給する、
   請求項１又は２記載の発振回路。
4. 前記第１の放電回路が、前記第１のキャパシターの前記一端と基準電位との間に直列接
   続された第１のトランジスター及び第２のトランジスターを含み、前記第１のトランジス
   ターが、トリプルウェル内に配置されて定電圧で制御されると共に、前記第２のトランジ
   スターが、前記リセット信号で制御され、
   前記第２の放電回路が、前記第２のキャパシターの前記一端と前記基準電位との間に直
   列接続された第３のトランジスター及び第４のトランジスターを含み、前記第３のトラン
   ジスターが、トリプルウェル内に配置されて前記定電圧で制御されると共に、前記第４の
   トランジスターが、前記セット信号で制御される、
   請求項１〜３のいずれか１項記載の発振回路。
5. 請求項１〜４のいずれか１項記載の発振回路を備える半導体装置。
6. 請求項１〜４のいずれか１項記載の発振回路と、
   前記発振回路から供給される第１のクロック信号に同期して動作するＣＰＵと、
   前記第１のクロック信号を分周して第２のクロック信号を生成する分周回路と、
   前記第２のクロック信号に同期してデータの送信又は受信を行う外部インターフェース
   と、
   を備えるマイクロコンピューター。

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