JP3594631B2 - 電源に対して補償されたmos発振回路 - Google Patents
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Description
【産業上の利用分野】
本発明は、第1電源と第2電源との間に接続されたMOS発振回路に係る。
【0002】
【従来の技術】
集積回路においては、内部電圧基準の発生、電荷ポンピング及びその他の機能のような種々の作業を行うために発振回路が広く使用されている。非常に一般的に使用されているMOS発振回路は、図1に示すように、奇数のインバータ段が正のフィードバックループに接続されたリング発振器である。この回路は、各インバータをある論理状態から別の論理状態に切り換えることにより動作する。最初に論理1にあった出力端子が論理0に切り換わると仮定すると、フィードバックループにより、第1インバータの出力ノードは0から1に切り換わる。
【0003】
その出力ノードにおける0から1への切り換えは、RC時定数の後に生じ、Rは出力ノードにおける抵抗負荷でありそしてCはそのノードにおけるキャパシタンスである。同様に、第2のインバータの出力ノードは、指定のRC時定数の後に論理状態が1から0に切り換わる。それ故、典型的に50ないし100個の段の全RC時定数の和の後に、出力端子の状態が再び0から1に変化する。これは第1インバータを再び切り換え、この回路が前後に切り換わり、いずれのノードにおいても、論理状態が1と0との間で発振する。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】
この形式の回路の主たる欠点は、発振回路に対する電源の安定性と、発振回路の集積回路エレメントを形成するのに用いられる最小のプロセス変更とに大きく依存していることである。例えば、正の電圧源VCCが+5.5Vから+5.5Vに変動すると、発振周期がほぼ100%変化することになる。これでは、ほとんどの用途に受け入れられない。
【0005】
【課題を解決するための手段】
本発明は、電源の変動に実質的に係わりないMOS発振回路を提供する。この発振回路は、更に、典型的なMOSプロセスデバイスエレメントを使用し、発振回路を製造するのにMOS半導体プロセスを変更する必要がない。
【0006】
本発明は、第1電源と第2電源との間に接続されたMOS発振回路を提供するものである。この発振回路は、2つの基準電流を発生するために第1及び第2の電源に接続された電流ミラーブロックを有している。制御端子を有するスイッチがキャパシタをこの電流ミラーブロックに接続し、キャパシタが制御端子の信号に応答して2つの基準電流により各々交互に充電及び放電されるようになっている。シュミットトリガーは、その入力端子が上記キャパシタに接続されそしてその出力端子がフィードバック形態で制御端子に接続され、これにより、電源の変動には実質的に係わりなく出力端子に発振信号が発生される。
【0007】
又、基準電圧ブロックも、上記基準電流を発生する電流ミラーブロックのための電源の変動とは実質的に係わりなく基準電圧を発生する。
【0008】
【実施例】
図2は本発明によるMOS発振回路の一般的な構成を示すブロック図である。ブロック20は、電源電圧の変動を補償するために一定電圧を発生する。ブロック20からの一定電圧は、電流ミラーブロック30に一定電流を発生するのに使用される。ブロック30からのこの一定電流は、キャパシタエレメント50を充電又は放電するのに使用される。この充電及び放電動作は、シュミットトリガー回路40の出力に応答して動作するスイッチ60によってフィードバック制御される。キャパシタエレメント50は、シュミットトリガーブロック40の入力に接続される。
【0009】
動作に際し、キャパシタエレメント50は、ブロック30からスイッチ60を経て送られる一定電流によって充電される。同様に、キャパシタエレメント50は、ブロック30からの一定電流で放電される。キャパシタエレメント50の充電及び放電は、シュミットトリガー回路40の出力に応答して動作するスイッチ60の制御のもとで行われる。スイッチ60は、電流ミラーブロック30を介してキャパシタエレメント50を交互に充電及び放電するように動作する。このように、シュミトトリガー自体の出力は、電源の変動に実質的に関わりのない周期をもつ正確な発振信号を発生する。更に、以下に述べるように、標準的なMOSデバイスが使用され、特定のMOS半導体プロセスを変更する必要はない。
【0010】
図3は、本発明の一実施例の詳細な回路図である。この発振回路は、該回路を各々動作できるようにすると共に、該回路がいったんイネーブルされると該回路の発振周波数を増加するために2つの制御端子13及び18を有している。これについては、以下で説明する。
【0011】
基準電圧発生ブロック20は2つの電圧分割回路網を有している。第1の回路網はNMOSトランジスタ21によって形成され、該トランジスタのソースは、イネーブリングトランジスタ15のドレインに接続されている。又、第1の回路網にはPMOSトランジスタ22もあり、そのドレインはNMOSトランジスタ21のドレインに接続されている。PMOSトランジスタ22のソースは、2つの電圧源のうちの正の電圧源VCCに接続されている。トランジスタ21及び22のゲートは、これらトランジスタのドレインから見た共通のノードに接続されており、従って、これらトランジスタは各々ダイオード形態で接続されている。
【0012】
第2の回路網は、正の電圧源とイネーブリングトランジスタ15のドレインとの間の3つの直列接続抵抗24ないし26によって形成される。抵抗24ないし25と抵抗26との間にはノード28があり、これは、NMOSトランジスタであるシャントトランジスタ23のドレインに接続され、そして該トランジスタは抵抗24及び25と並列に接続されている。又、このトランジスタ23のソースは、NMOSトランジスタ15のドレイン、即ちノード29に接続されている。第1回路網のトランジスタ21及び22のゲートに共通接続されたシャントトランジスタ23のゲートは、トランジスタ21及び22のドレイン間に形成されたノードに接続される。
【0013】
MOS発振回路は、制御端子13の論理低信号、即ち論理0信号によってイネーブルされる。この信号は反転されて、MOSトランジスタ15をオンにする。従って、該トランジスタ15のドレイン、即ちノード29は、実質的に、2つの電源のうちの低い方の第2電源の電圧、即ちグランド電圧となる。分割回路網の各々からノード27及び28に各々電圧が発生される。これらノード電圧はどちらも正の電源VCCの増加と共に上昇する。電源電圧の増加に伴い、シャントトランジスタ23のゲート(ノード27)の電圧及びドレイン(ノード28)の電圧が上昇する。それ故、トランジスタ23に流れる電流も増加する。MOSトランジスタ23は、VCCが上昇するときに該トランジスタ23の電流増加が抵抗26の電流増加に等しくなるように設計されている。NMOSトランジスタ23は、抵抗26の増加する電流をシャントするので、抵抗24及び25には一定の電流が流れる。従って、2つの抵抗24及び25に流れる電流は電源の変動に係わりなく一定であるから、ノード28の電圧は、実質的にグランド電圧であるノード29に対して一定である。従って、ノード28には一定の電圧が発生される。
【0014】
又、抵抗及びトランジスタの電流は負の温度係数を有するので、この電圧は実質的に温度補償されることに注意されたい。従って、両回路網の電流は、温度の変動に対して同様に追従する。
【0015】
ブロック20からの一定電圧は、電流ミラーブロック30に一定電流を発生するのに使用される。ブロック30は入力トランジスタ31を有し、そのソースはノード29に接続されそしてそのゲートはブロック20のノード28に接続される。このNMOSトランジスタ31のドレインは、PMOSトランジスタ32に接続され、該トランジスタはダイオードの形態で接続されている。このPMOSトランジスタ32は、そのソースが正の電源に接続され、そしてそのゲート及びドレインがPMOSトランジスタ33のドレイン及びPMOSトランジスタ34及び35のゲートに共通接続されている。PMOSトランジスタ33ないし35のソースは、正の電源に接続されている。PMOSトランジスタ34及び35のドレインは、PMOSトランジスタ62及びNMOSトランジスタ61の2つのトランジスタの形態のスイッチ60に接続され、このスイッチは、容量性エレメント50の充電及び放電動作を制御する。
【0016】
又、電流ミラーブロック30にはNMOSトランジスタ36及び37もあり、それらのゲートは入力トランジスタ31のゲートに接続されている。NMOSトランジスタ36及び37は、それらのソースがグランドレベルの第2電源に接続されそしてそれらのドレインが、トランジスタ61及び62によって形成されたスイッチ60に接続される。
【0017】
入力トランジスタ31は、そのゲートがノード28に接続されそしてそのソースがノード29に接続され、トランジスタ31のVGSが一定になっている。トランジスタ31及び直列接続のトランジスタ32を介して一定電流Iref が発生される。PMOSトランジスタ34(及びPMOSトランジスタ35)は、PMOSトランジスタ32に対し電流ミラー形態で接続される。従って、PMOSトランジスタ34及び35にも基準電流が発生される。同様に、ノード29は実質的にグランドレベルであるから、NMOSトランジスタ37(及びNMOSトランジスタ36)は、トランジスタ31の電流ミラーである。従って、NMOSトランジスタ37及び36に基準電流が発生される。これらの基準電流IC 及びID は、2つのスイッチングトランジスタ61及び62の動作により容量性エレメント50を各々充電及び放電する。
【0018】
2つのトランジスタ61及び62はキャパシタエレメント50のゲートに共通接続され、該エレメント50は、ソース及びドレインが接地されたキャパシタ構成トランジスタの形態である。PMOSトランジスタ62のソースは、PMOSトランジスタ34のドレインに接続されると共に、PMOSトランジスタ38を経てPMOSトランジスタ35のドレインに接続される。NMOSトランジスタ61のソースは、NMOSトランジスタ37のドレインに接続されると共に、NMOSトランジスタ39を経てNMOSトランジスタ36のドレインに接続される。
【0019】
キャパシタ構成のトランジスタ50のゲートは、シュミットトリガー回路40の入力ノード51にも接続される。シュミットトリガー回路40のトランジスタ41ないし46は、このような回路の典型的な構成である。トランジスタ41ないし44は、正の電源とグランドとの間に直列に接続されている。NMOSトランジスタ41はそのソースが接地されそしてそのドレインがNMOSトランジスタ42のソースに接続され、該トランジスタ42はそのドレインがPMOSトランジスタ43のドレインに接続されている。PMOSトランジスタ43はそのソースがPMOSトランジスタ44のドレインに接続され、該トランジスタのソースは正の電源VCCに接続されている。4つのトランジスタ41ないし44の全てのゲートはシュミットトリガー回路40の入力ノード51及びキャパシタエレメント50のゲートに接続されている。NMOSトランジスタ45はそのソースがNMOSトランジスタ41のドレインとNMOSトランジスタ42のソースとに接続され、一方、そのドレインが電源電圧VCCに接続されている。PMOSトランジスタ46はそのソースがPMOSトランジスタ44及び43のドレイン及びソースに各々接続されている。PMOSトランジスタ46のドレインは接地されている。NMOSトランジスタ45及びPMOSトランジスタ46のゲートは、NMOSトランジスタ42及びPMOSトランジスタ43のドレインによって形成されたシュミットトリガーの出力ノードに共通接続される。
【0020】
回路40の残り部分は、トランジスタ42及び43の共通のドレインからのスイッチング信号の極性を効果的に反転するための適当なサイズのトランジスタを伴うインバータ47である。回路40の出力ノード48から、2つの直列接続されたインバータ51及び52が端子19の出力信号に対して更に別のバッファを構成する。
【0021】
シュミットトリガー回路について予想されるように、この回路は、入力信号が論理0から論理1へ上昇するときは入力トリップ電圧V1に、そして入力電圧が論理1から論理0に下降するときはV2に正確に切り換わる。このトリップ電圧V1とV2の関係は、次の式で与えられる。
V1=(1/C50)*IC *T1
V2=(1/C50)*ID *T2
但し、T2は、キャパシタエレメント50をV1からV2まで充電するに要する時間であり、そしてT1はキャパシタC50をV2からV1まで放電するに要する時間である。基準電流IC 及びID はエレメント50のキャパシタンスと共に固定であるから、T1及びT2も固定である。シュミットトリガー回路40は正確な周期でスイッチする。
【0022】
図4は、発振回路の種々のノードに現れる信号のタイミングを示す図である。T2時間の後に、キャパシタ50が充電されて、シュミットトリガー回路40がその出力を論理0から論理1へ切り換えるようにさせる。これは、トランジスタ61をオンにしそしてトランジスタ62をオフにする。ノード51はV1に向かって下降し、そこで、ノード48はT2時間の後に論理1から論理0へスイッチする。キャパシタンスエレメントは電流ID によって放電される。これはスイッチングトランジスタ62をオンにし、キャパシタ50がT1時間の後に電流IC により充電されるようにする。シュミットトリガーの出力ノード48は論理1から論理0へ変化し、発振サイクルが続く。IC 及びID は異なる大きさをもつものとして示されたが、一般に電流の大きさは同じであることに注意されたい。
【0023】
上記回路には少数のインバータしか含まれないことにより、発振の周期は電源の変動を比較的免れるものである。更に、この発振回路は、50ないし100段の従来のリング発振器よりも集積回路上の占有空間が著しく少ない。
【0024】
前記で指摘したように、制御端子13は、発振回路の機能をイネーブル及びディスエイブルする。端子13の信号が論理1即ち高レベルの場合は、発振回路がディスエイブルされる。ブロック20のノード29はグランドから減結合され、シュミットトリガーの入力ノード51が接地される。論理0信号は発振回路をイネーブルする。
【0025】
制御端子18は、発振回路の発振周波数を増加させるものである。この端子18は、PMOSトランジスタ38のゲート(インバータ17を経て)に接続されると共に、NMOSトランジスタ39のゲートに接続される。端子18の信号が論理1のときは、両トランジスタ38及び39がオンにされる。これは、基準電流IC に対しPMOSトランジスタ35によって追加の電流ソースを与えると共に、基準電流ID に対しNMOSトランジスタ36によって追加の電流シンクを与える。トランジスタ35及び36(そして38及び39)のサイズに基づいてこれら基準電流IC 及びID は選択された量だけ増加される。T1及びT2は、これらの量だけ短くなる。
【0026】
以上、本発明の好ましい実施例を詳細に説明したが、本発明の範囲内で種々の変更、修正及び等効物が明らかであろう。又、上記実施例に適当な変更を行うことにより本発明を等しく適用できることも明らかであろう。従って、上記説明は本発明を限定するものではなく、本発明は特許請求の範囲のみによって限定されるものとする。
【図面の簡単な説明】
【図1】公知のリング発振器を示す図である。
【図2】本発明によるMOS発振回路のブロック図である。
【図3】本発明の一実施例による発振回路の詳細な回路図である。
【図4】図3に示す回路の種々のノードに現れる信号を示したタイミング図である。
【符号の説明】
13、18 制御端子
19 出力端子
20 一定電圧発生ブロック
30 電流ミラーブロック
40 シュミットトリガーブロック
50 キャパシタエレメント
60 スイッチ
Claims (2)
- 第1電源と第2電源との間に接続されたMOS発振回路において、
上記第1及び第2電源に接続されていて1つの基準電圧を発生する手段を備え、
第1及び第2のMOSトランジスタを備え、各トランジスタは、第1及び第2のソース/ドレイン端子と、ゲートとを有しており、上記第1MOSトランジスタの第1ソース/ドレイン端子は上記第1電源に接続され、上記第2MOSトランジスタの第1ソース/ドレイン端子は上記第2電源に接続されそして上記第2MOSトランジスタの第2ソース/ドレイン端子は上記第1MOSトランジスタの第2ソース/ドレイン端子に接続され、一方の上記MOSトランジスタのゲートは、上記基準電圧発生手段に接続され、他方の上記MOSトランジスタのゲートはそのドレインに接続され、
第3のMOSトランジスタを備え、その第1ソース/ドレイン端子は上記第1電源に接続され、そのゲートは、上記第1MOSトランジスタの上記ゲートに接続され、そしてその第2ソース/ドレイン端子は、第1基準電流ソースを構成する第1出力ノードを形成し、
第4のMOSトランジスタを備え、その第1ソース/ドレイン端子は上記第2電源に接続され、そのゲートは、上記第2MOSトランジスタの上記ゲートに接続され、そしてその第2ソース/ドレイン端子は、第2基準電流シンクを構成する第2出力ノードを形成し、
更に、第5のMOSトランジスタを備え、その第1ソース/ドレイン端子は上記第1電源に接続され、そのゲートは上記第1MOSトランジスタの上記ゲートに接続され、そしてその第2ソース/ドレイン端子は、第1結合トランジスタを介して上記第1出力ノードに接続され、該第1結合トランジスタは制御端子の信号に応答し、これにより、上記第5のMOSトランジスタは、上記制御端子の信号に応答して増加された第1基準電流ソースを構成し、上記発振信号の周波数を高め、
更に、第6のMOSトランジスタを備え、その第1ソース/ドレイン端子は上記第2電源に接続され、そのゲートは上記第2MOSトランジスタの上記ゲートに接続されそしてその第2ソース/ドレイン端子は、第2結合トランジスタを介して上記第2出力ノードに接続され、該第2結合トランジスタは制御端子の信号に応答し、これにより、上記第6のMOSトランジスタは、上記制御端子の信号に応答して増加された第2基準電流シンクを構成し、上記発振信号の周波数を高め、
容量性手段を備え、
制御ノードを有していて、上記容量性手段を上記第1基準電流ソース及び第2基準電流シンクに接続し、上記容量性手段が上記制御ノード上の信号に応答して上記2つの基準電流により各々交互に充電及び放電されるようにするスイッチング手段を備え、
入力端子が上記容量性手段に接続されそして出力端子が上記制御端子に接続されたシュミットトリガーを備え、
上記電源の変動には実質的に係わりなく上記出力端子に発振信号が発生されることを特徴とするMOS発振回路。 - 上記第1及び第3MOSトランジスタは、PMOSトランジスタより成り、そして上記第2及び第4MOSトランジスタは、NMOSトランジスタより成る請求項1に記載のMOS発振回路。
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