JP5280449B2 - 基準周波数生成回路、半導体集積回路、電子機器 - Google Patents
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Description
この発明は、基準クロックを生成する基準周波数生成回路に関し、さらに詳しくは、基準周波数生成回路における発振制御に関する。
従来より、PLLやDLLのようなクロック生成回路は、基準周波数に基づいて所望の周波数を有するクロックを生成している。この基準周波数を生成する回路の例として、抵抗および容量を含むRC発振器や、電流源および容量を含むIC発振器が知られている。このような発振器(基準周波数生成回路)は、特許文献1や特許文献2などに開示されたシングル型と、特許文献3や特許文献4などに開示された差動型とに大きく分類できる。
図24Aは、特許文献1に開示された従来のシングル型の基準周波数生成回路の構成を示す。この回路では、発振回路81は、容量Cを充電/放電することにより発振信号OSCを出力する。発振制御回路82は、発振回路81の充放電動作を制御するために基準クロックCKを出力する。
図24Bのように、発振信号OSCの信号レベルが所定電圧VHに到達すると、基準クロックCKは、ローレベルからハイレベルに遷移する。これにより、容量Cが放電されて発振信号OSCの信号レベルが減少する。所定時間の経過後、基準クロックCKは、ハイレベルからローレベルに遷移する。これにより、容量Cが充電されて発振信号OSCの信号レベルが増加する。このようにして、発振回路81の時定数に対応する周波数の基準クロックCKが生成される。
図25Aは、特許文献3に開示された従来の差動型の基準周波数生成回路の構成を示す。この回路では、発振回路91は、容量C1,C2をそれぞれ充電/放電することにより発振信号OSC1,OSC2を出力する。発振制御回路92は、発振回路91の充放電動作を制御するために基準クロックCK1,CK2を出力する。
図25Bのように、発振信号OSC1の信号レベルがインバータ901の閾値電圧VT1に到達すると、基準クロックCK1は、ローレベルからハイレベルに遷移し、基準クロックCK2は、ハイレベルからローレベルに遷移する。これにより、容量C1が放電されて発振信号OSC1の信号レベルが減少するとともに、容量C2が充電されて発振信号OSC2の信号レベルが増加する。次に、発振信号OSC2の信号レベルがインバータ902の閾値電圧VT2に到達すると、基準クロックCK1は、ハイレベルからローレベルに遷移し、基準クロックCK2は、ローレベルからハイレベルに遷移する。これにより、容量C1が充電されて発振信号OSC1の信号レベルが増加するとともに、容量C2が放電されて発振信号OSC2の信号レベルが減少する。このようにして、発振回路91の時定数に対応する周波数の基準クロックCK1,CK2が生成される。
しかしながら、従来の差動型の基準周波数生成回路では、発振制御回路92を構成する各要素が遅延時間を有しているため、発振信号OSC1(または、OSC2)の信号レベルが所定電圧に到達してから発振制御回路92の応答時間Δtが経過した後に基準クロックCK1,CK2の信号レベルが遷移する。そのため、基準クロックCK1,CK2の周波数は、過渡時間Tic(発振信号の信号レベルが所定電圧に到達するまでの時間)だけでなく、遅延時間(応答時間Δt)によっても変動する。
さらに、従来のシングル型の基準周波数生成回路では、容量Cの放電が完了した後に基準クロックCKの信号レベルを元に戻して容量Cの充電を再開させるために、リセット時間ΔTを設定する必要がある。そのため、基準クロックCKの周波数は、過渡時間Ticだけでなく、遅延時間(応答時間Δtおよびリセット時間ΔT)によっても変動する。
このような遅延時間は、一定時間ではなく、周辺環境の変動(例えば、温度変化や電源電圧変動など)によって変化する。そのため、基準クロックの周波数を安定させることが非常に困難であった。また、基準クロックの周波数を高速化させる程、過渡時間に対する遅延時間の比率が高くなり、基準クロックの周波数の変動が顕著になる。このような遅延時間による影響を軽減するためには、発振制御回路の電力供給量を増加させて発振制御回路の応答時間を短縮しなければならないので、基準クロックの周波数の高速化に伴って基準周波数生成回路の消費電力が増大してしまう。
そこで、この発明は、基準周波数生成回路において遅延時間の変動に起因する基準クロックの周波数変動を抑制することを目的とする。
この発明の1つの局面に従うと、基準周波数生成回路は、基準クロックを生成する回路であって、上記基準クロックの信号レベルの遷移に応答して、第1の発振信号の信号レベルを増加させるとともに第2の発振信号の信号レベルを減少させる動作と、上記第2の発振信号の信号レベルを増加させるとともに上記第1の発振信号の信号レベルを減少させる動作とを交互に行う発振回路と、上記第1の発振信号の信号レベルが比較電圧に到達したことを検出すると上記基準クロックの信号レベルを第1の論理レベルに遷移させ、上記第2の発振信号の信号レベルが上記比較電圧に到達したことを検出すると上記基準クロック
の信号レベルを第2の論理レベルに遷移させる発振制御回路と、上記第1および第2の発振信号のそれぞれの電力に応じた中間信号の信号レベルと基準電圧との差が小さくなるように、上記比較電圧を増減させるレファレンス制御回路とを備える。
の信号レベルを第2の論理レベルに遷移させる発振制御回路と、上記第1および第2の発振信号のそれぞれの電力に応じた中間信号の信号レベルと基準電圧との差が小さくなるように、上記比較電圧を増減させるレファレンス制御回路とを備える。
上記基準周波数生成回路では、第1および第2の発振信号のそれぞれの電力が一定になるようにフィードバック制御を施すことにより、遅延時間の変動に起因する基準クロックの周波数変動を抑制できる。これにより、消費電力の増大を抑制しつつ基準クロックの周波数を高速化させることができる。さらに、フィードバック制御を施すことによりループ帯域よりも低域のノイズ成分が減衰されるので、基準周波数生成回路内の低周波ノイズを低減できる。これにより、基準周波数生成回路の共振特性(Q値)を向上させることができ、基準クロックの周波数ばらつきを低減できる。
この発明のもう1つの局面に従うと、基準周波数生成回路は、基準クロックを生成する回路であって、上記基準クロックの信号レベルの遷移に応答して、発振信号の信号レベルを増加させる動作と、上記発振信号の信号レベルを減少させる動作とを交互に行う発振回路と、上記発振信号の信号レベルが比較電圧に到達したことを検出すると上記基準クロックの信号レベルを第1の論理レベルに遷移させ、所定時間の経過後に上記基準クロックの信号レベルを第2の論理レベルに遷移させる発振制御回路と、上記発振信号の電力に応じた中間信号の信号レベルと基準電圧との差が小さくなるように、上記比較電圧を増減させるレファレンス制御回路とを備える。
上記基準周波数生成回路では、発振信号の電力が一定になるようにフィードバック制御を施すことにより、遅延時間の変動に起因する基準クロックの周波数変動を抑制できる。これにより、従来のシングル型の基準周波数生成回路よりも、消費電力の増大を抑制しつつ基準クロックの周波数を高速化させることができる。また、基準クロックの周波数ばらつきを低減できる。
以上のように、遅延時間の変動に起因する基準クロックの周波数変動を抑制できる。
以下、この発明の実施の形態を図面を参照して詳しく説明する。なお、図中同一または相当部分には同一の符号を付しその説明は繰り返さない。
(実施形態1)
図1は、この発明の実施形態1による基準周波数生成回路1の構成例を示す。この回路1は、基準クロックCKa,CKbを生成するものであり、発振回路11と、発振制御回路12と、基準電圧生成回路13と、レファレンス制御回路14とを備える。基準クロックCKa,CKbは、それぞれ、発振回路11の時定数に対応する周波数を有し、それぞれの信号レベルは、互いに相補的に変動する。
図1は、この発明の実施形態1による基準周波数生成回路1の構成例を示す。この回路1は、基準クロックCKa,CKbを生成するものであり、発振回路11と、発振制御回路12と、基準電圧生成回路13と、レファレンス制御回路14とを備える。基準クロックCKa,CKbは、それぞれ、発振回路11の時定数に対応する周波数を有し、それぞれの信号レベルは、互いに相補的に変動する。
〔発振回路および発振制御回路〕
発振回路11は、基準クロックCKa,CKbの信号レベルの遷移に応答して、発振信号OSCa,OSCbの信号レベルを相補的に増減させる。発振回路11は、発振信号OSCa,OSCbをそれぞれ生成するための容量Ca,Cbと、定電流を供給するための定電流源CS101a,CS101bと、容量Ca,Cbの接続状態を切り換えるためのスイッチSW1a,SW2a,SW1b,SW2b(接続切換部)とを含む。発振制御回路12は、発振信号OSCaの信号レベル(または、発振信号OSCbの信号レベル)が比較電圧VRよりも高くなったことを検出すると基準クロックCKa,CKbの信号レベルを遷移させる。発振制御回路12は、比較電圧VRと発振信号OSCaの信号レベルとを比較する比較器CMPaと、比較電圧VRと発振信号OSCbの信号レベルとを比較する比較器CMPbと、比較器CMPa,CMPbの出力信号OUTa,OUTbを受けて基準クロックCKa,CKbを出力するRSラッチ回路102とを含む。
発振回路11は、基準クロックCKa,CKbの信号レベルの遷移に応答して、発振信号OSCa,OSCbの信号レベルを相補的に増減させる。発振回路11は、発振信号OSCa,OSCbをそれぞれ生成するための容量Ca,Cbと、定電流を供給するための定電流源CS101a,CS101bと、容量Ca,Cbの接続状態を切り換えるためのスイッチSW1a,SW2a,SW1b,SW2b(接続切換部)とを含む。発振制御回路12は、発振信号OSCaの信号レベル(または、発振信号OSCbの信号レベル)が比較電圧VRよりも高くなったことを検出すると基準クロックCKa,CKbの信号レベルを遷移させる。発振制御回路12は、比較電圧VRと発振信号OSCaの信号レベルとを比較する比較器CMPaと、比較電圧VRと発振信号OSCbの信号レベルとを比較する比較器CMPbと、比較器CMPa,CMPbの出力信号OUTa,OUTbを受けて基準クロックCKa,CKbを出力するRSラッチ回路102とを含む。
〔発振動作〕
ここで、図2を参照して、図1に示した発振回路11および発振制御回路12による発振動作について説明する。
ここで、図2を参照して、図1に示した発振回路11および発振制御回路12による発振動作について説明する。
発振信号OSCaの信号レベルが比較電圧VRよりも高くなると、比較器CMPaは、出力信号OUTaをハイレベルからローレベルに遷移させる。RSラッチ回路102は、出力信号OUTaの遷移に応答して、基準クロックCKaをハイレベルに遷移させるとともに基準クロックCKbをローレベルに遷移させる。発振回路11では、基準クロックCKa,CKbの遷移に応答してスイッチSW1a,SW2bがオフ状態になるとともにスイッチSW1b,SW2aがオン状態になり、容量Caが放電され、容量Cbが充電される。このように、発振回路11は、発振信号OSCaの信号レベルを減少させるとともに、IC時定数(定電流源CS101bの電流値と容量Cbの容量値によって決定される時定数)で発振信号OSCbの信号レベルを増加させる。
一方、発振信号OSCbの信号レベルが比較電圧VRよりも高くなると、比較器CMPbは、出力信号OUTbをハイレベルからローレベルに遷移させ、RSラッチ回路102は、基準クロックCKa,CKbをそれぞれローレベル,ハイレベルに遷移させる。発振回路11では、基準クロックCKa,CKbの遷移に応答してスイッチSW1a,SW2bがオン状態になるとともにスイッチSW1b,SW2aがオフ状態になり、容量Caが充電され、容量Cbが放電される。このように、発振回路11は、IC時定数(定電流源CS101aの電流値と容量Caの容量値によって決定される時定数)で発振信号OSCaの信号レベルを増加させるとともに、発振信号OSCbの信号レベルを減少させる。
〔基準電圧生成回路〕
図1に戻って、基準電圧生成回路13は、接地電圧GNDに対して所定の電位差を有する定電圧を基準電圧Vrefとして生成する。基準電圧生成回路13は、バンドギャップレファレンス回路(BGR)103と、定電圧回路(pMOSトランジスタT103,抵抗R102,R103,差動増幅回路A103)とを含む。
図1に戻って、基準電圧生成回路13は、接地電圧GNDに対して所定の電位差を有する定電圧を基準電圧Vrefとして生成する。基準電圧生成回路13は、バンドギャップレファレンス回路(BGR)103と、定電圧回路(pMOSトランジスタT103,抵抗R102,R103,差動増幅回路A103)とを含む。
〔レファレンス制御回路〕
レファレンス制御回路14は、発振信号OSCa,OSCbのそれぞれの電力に比例する中間信号Spの信号レベル(ここでは、発振信号OSCa,OSCbの各時定数波形の累積平均電力)と基準電圧Vrefとの差が小さくなるように、比較電圧VRを増減させる。レファレンス制御回路14は、スイッチ104a,104b(スイッチ回路)と、RCフィルタ105とを含む。
レファレンス制御回路14は、発振信号OSCa,OSCbのそれぞれの電力に比例する中間信号Spの信号レベル(ここでは、発振信号OSCa,OSCbの各時定数波形の累積平均電力)と基準電圧Vrefとの差が小さくなるように、比較電圧VRを増減させる。レファレンス制御回路14は、スイッチ104a,104b(スイッチ回路)と、RCフィルタ105とを含む。
基準クロックCKbの信号レベルがハイレベルである場合、スイッチ104aは、オン状態になり、発振信号OSCaを通過させる。一方、基準クロックCKaの信号レベルはローレベルであるので、スイッチ104bは、オフ状態になり、発振信号OSCbを遮断する。また、基準クロックCKbの信号レベルがローレベルである場合、スイッチ104aは、オフ状態になり、発振信号OSCaを遮断する。一方、基準クロックCKaの信号レベルはハイレベルであるので、スイッチ104bは、オン状態になり、発振信号OSCbを通過させる。このように、基準クロックCKa,CKbの信号レベルの遷移に応答して発振信号OSCa,OSCbを交互に通過させることにより、基準クロックCKa,CKbのそれぞれの時定数波形成分(発振回路11の時定数で増加する波形成分)がRCフィルタ105に供給される。
RCフィルタ105は、スイッチ104a,104bを通過した発振信号OSCa,OSCbからその発振信号の電力に比例する中間信号Spを抽出する機能(信号抽出機能)と、中間信号Spの信号レベルと基準電圧Vrefとの差に対応する比較電圧VRを出力する機能(差分出力機能)とを有する。例えば、RCフィルタ105は、抵抗R105と、容量C105と、差動増幅回路A105とを含む。すなわち、RCフィルタ105は、信号抽出機能および差分出力機能の両方を有する積分回路によって構成される。
〔フィードバック制御〕
次に、図3を参照して、図1に示したレファレンス制御回路14によるフィードバック制御について説明する。
次に、図3を参照して、図1に示したレファレンス制御回路14によるフィードバック制御について説明する。
発振制御回路12の応答時間Δt(発振信号OSCa,OSCbの信号レベルが比較電圧VRに到達してから基準クロックCKa,CKbの信号レベルが遷移するまでの遅延時間)が短くなると、基準クロックCKa,CKbの周期が短くなる。また、発振信号OSCa,OSCbの信号レベルの増加期間(すなわち、容量Ca,Cbの充電期間)も短くなるので、発振信号OSCa,OSCbの最大振幅が減少する。その結果、中間信号Spの信号レベルが基準電圧VRよりも低くなり、レファレンス制御回路14は、比較電圧VRを増加させる。これにより、過渡時間Tic(基準クロックCKa,CKbの信号レベルが遷移してから発振信号OSCa,OSCbの信号レベルが比較電圧VRに到達するまでの時間)が長くなって、基準クロックCKa,CKbの周期が長くなる。また、発振信号OSCa,OSCbの信号レベルの増加期間も長くなって、発振信号OSCa,OSCbの最大振幅が増加し、中間信号Spの信号レベルと基準電圧VRとの差が小さくなる。
逆に、発振制御回路12の応答時間Δtが長くなると、基準クロックCKa,CKbの周期が長くなる。また、発振信号OSCa,OSCbの信号レベルの増加期間も長くなり、その結果、中間信号Spの信号レベルが基準電圧VRよりも高くなるので、レファレンス制御回路14は、比較電圧VRを減少させる。これにより、過渡時間Ticが短くなって、基準クロックCKa,CKbの周期が短くなる。
以上のように、発振信号OSCa,OSCbのそれぞれの合計電力が一定になるようにフィードバック制御を施すことにより、遅延時間の変動に起因する基準クロックCKa,CKbの周波数変動を抑制できる。これにより、消費電力(特に、比較器CMPa,CMPbの消費電力)の増大を抑制しつつ基準クロックCKa,CKbの周波数を高速化できる。
さらに、フィードバック制御のループ帯域よりも低域のノイズ成分が減衰されるので、基準周波数生成回路内の低周波ノイズ(例えば、比較電圧VRの低周波ノイズや、比較器CMPa,CMPbの出力ノイズなど)を低減できる。これにより、基準周波数生成回路の共振特性(Q値)を向上させることができ、基準クロックCKa,CKbの周波数ばらつきを低減できる。
また、基準電圧生成回路13は、接地電圧GNDを基準として基準電圧Vrefを生成するので、電源電圧VDDが変動しても基準電圧Vrefは変動しない。そのため、比較電圧VRの不要な変動が抑制され、その結果、過渡時間Ticの長さが安定する。これにより、電源電圧VDDの変動に起因する基準クロックCKa,CKbの周波数変動を抑制できる。
(レファレンス制御回路の変形例)
図4A,図4Bのように、レファレンス制御回路14は、RCフィルタ105に代えてRCフィルタ105a,105bを含んでいても良い。図4Aに示したRCフィルタ105aは、信号抽出機能を有するローパスフィルタLPFと、差分出力機能を有する差動増幅回路A105と、差動増幅回路A105からの比較電圧VRを平滑化する容量C111とを含む。図4Bに示したRCフィルタ105bは、図4Aに示したローパスフィルタLPFに代えて、スイッチ104a,104bにそれぞれ対応するローパスフィルタLPFa,LPFbを含む。このRCフィルタ105bでは、発振信号OSCa,OSCbのそれぞれから中間信号が抽出された後に、それらの中間信号が合成されて中間信号Spとして差動増幅回路A105に供給される。このように、レファレンス制御回路14は、図1のような機能一体型のRCフィルタ105を含んでいても良いし、図4A,図4Bのような機能分離型のRCフィルタ105a,105bを含んでいても良い。また、レファレンス制御回路14は、その他の回路(例えば、スイッチを通過した発振信号の電力を減衰させる減衰器)をさらに含んでいても良い。
図4A,図4Bのように、レファレンス制御回路14は、RCフィルタ105に代えてRCフィルタ105a,105bを含んでいても良い。図4Aに示したRCフィルタ105aは、信号抽出機能を有するローパスフィルタLPFと、差分出力機能を有する差動増幅回路A105と、差動増幅回路A105からの比較電圧VRを平滑化する容量C111とを含む。図4Bに示したRCフィルタ105bは、図4Aに示したローパスフィルタLPFに代えて、スイッチ104a,104bにそれぞれ対応するローパスフィルタLPFa,LPFbを含む。このRCフィルタ105bでは、発振信号OSCa,OSCbのそれぞれから中間信号が抽出された後に、それらの中間信号が合成されて中間信号Spとして差動増幅回路A105に供給される。このように、レファレンス制御回路14は、図1のような機能一体型のRCフィルタ105を含んでいても良いし、図4A,図4Bのような機能分離型のRCフィルタ105a,105bを含んでいても良い。また、レファレンス制御回路14は、その他の回路(例えば、スイッチを通過した発振信号の電力を減衰させる減衰器)をさらに含んでいても良い。
(実施形態2)
図5は、この発明の実施形態2による基準周波数生成回路2の構成例を示す。この回路2は、図1に示した発振回路11,基準電圧生成回路13に代えて、発振回路21,基準電圧生成回路23を備える。その他の構成は、図1と同様である。
図5は、この発明の実施形態2による基準周波数生成回路2の構成例を示す。この回路2は、図1に示した発振回路11,基準電圧生成回路13に代えて、発振回路21,基準電圧生成回路23を備える。その他の構成は、図1と同様である。
〔発振回路〕
発振回路21は、図1に示した定電流源CS101a,CS101bに代えて、抵抗R201a,R201bを含む。図6のように、過渡期間Trcにおいて、発振信号OSCaは、RC時定数(抵抗R201aの抵抗値と容量Caの容量値によって決定される時定数)で増加し、発振信号OSCbは、RC時定数(抵抗R201bの抵抗値と容量Cbの容量値によって決定される時定数)で増加する。このように、定電流源CS101a,CS101bを抵抗R201a,R201bに置き換えることにより、定電流源に発生する1/fノイズ(周波数に反比例するノイズ成分)を除去できるので、図1に示した基準周波数生成回路1よりも基準クロックCKa,CKbの周波数の安定性を向上させることができる。さらに、抵抗R201a,R201bは、定電流源CS101a,CS101bよりも経年劣化が少ないので、長期間に渡って基準クロックCKa,CKbを精度良く生成できる。
発振回路21は、図1に示した定電流源CS101a,CS101bに代えて、抵抗R201a,R201bを含む。図6のように、過渡期間Trcにおいて、発振信号OSCaは、RC時定数(抵抗R201aの抵抗値と容量Caの容量値によって決定される時定数)で増加し、発振信号OSCbは、RC時定数(抵抗R201bの抵抗値と容量Cbの容量値によって決定される時定数)で増加する。このように、定電流源CS101a,CS101bを抵抗R201a,R201bに置き換えることにより、定電流源に発生する1/fノイズ(周波数に反比例するノイズ成分)を除去できるので、図1に示した基準周波数生成回路1よりも基準クロックCKa,CKbの周波数の安定性を向上させることができる。さらに、抵抗R201a,R201bは、定電流源CS101a,CS101bよりも経年劣化が少ないので、長期間に渡って基準クロックCKa,CKbを精度良く生成できる。
〔基準電圧生成回路〕
基準電圧生成回路23は、抵抗R202,R203を含む。抵抗R202,R203は、電源電圧VDDおよび接地電圧GNDの電圧間を抵抗分割することによって、基準電圧Vrefを生成する。
基準電圧生成回路23は、抵抗R202,R203を含む。抵抗R202,R203は、電源電圧VDDおよび接地電圧GNDの電圧間を抵抗分割することによって、基準電圧Vrefを生成する。
ここで、電源電圧VDD,発振信号OSCa,および発振信号OSCaの累積平均電力(すなわち、中間信号Sp)の関係について説明する。図7A,図7B,図7Cは、それぞれ、電源電圧VDDが0.9V,1.0V,1.1Vである場合の発振信号OSCaの時定数波形(図中の細線)および発振信号OSCaの累積平均電力の波形(図中の太線)を示す。図7A,図7B,図7Cのように、電源電圧VDDの増加に伴って発振信号OSCaの信号レベルの増加速度が上昇する。そのため、電源電圧VDDの増加に伴って基準電圧Vrefが変動しない場合、比較電圧VRも変動しないので、過渡時間Trcが変動して基準クロックCKa,CKbの周波数が変動してしまう。一方、電源電圧VDDが変動しても電源電圧VDDに対する累積平均電力の比率が所定比率になるまでの時間は一定である。例えば、累積平均電力が電源電圧VDDの1/2になるまでの時間は、常に2.5μsである。すなわち、電源電圧VDDに対する中間信号Spの比率が一定になるように比較電圧VRを制御すれば、過渡時間Trcの長さを一定に保持できる。
基準電圧生成回路23は、電源電圧VDDに対する基準電圧Vrefの比率が一定になるように基準電圧Vrefを生成する。これにより、レファレンス制御回路14は、電源電圧VDDに対する中間信号Spの比率が一定になるように比較電圧VRを制御でき、その結果、電源電圧VDDの変動に起因する基準クロックの周波数変動を抑制することが可能となる。
〔簡易モデルによる解析〕
次に、電源電圧VDDに対する基準電圧Vrefの比率と過渡時間Trcとの関係について説明する。図8は、容量Caの充電期間における発振回路21およびレファレンス制御回路14の簡易モデルを示す。この簡易モデルにおいて、“C”は容量Ca、“R1”は抵抗R201a、“R2”は抵抗R105、“Vdd”は電源電圧VDD、“Vref”は基準電圧Vref、“VX”は発振信号OSCaの信号レベルに対応する。
次に、電源電圧VDDに対する基準電圧Vrefの比率と過渡時間Trcとの関係について説明する。図8は、容量Caの充電期間における発振回路21およびレファレンス制御回路14の簡易モデルを示す。この簡易モデルにおいて、“C”は容量Ca、“R1”は抵抗R201a、“R2”は抵抗R105、“Vdd”は電源電圧VDD、“Vref”は基準電圧Vref、“VX”は発振信号OSCaの信号レベルに対応する。
ここで、過渡時間Trcを“τ”とすると、過渡時間Trcにおいて容量Caに充電される電荷量は(式1)、発振信号OSCaの累積平均電力(すなわち、中間信号Sp)は(式2)として表現できる。
1/(CR1)=ω1、1/(CR2)=ω2とすると(式1)から(式3)が得られる。
(式3)に(式2)を代入すると(式4)が得られる。
また、VX(τ)は、(式5)として表現できる。
Vref/Vdd=Aとして(式5)に(式4)を代入すると(式6)が得られる。
R1はR2よりも十分に小さいとすると(式6)より(式7)が得られる。
(式7)より、過渡時間Trcは、時定数ω1(発振回路21の時定数)と比率A(電源電圧VDDに対する基準電圧Vrefの比率)によって決定することがわかる。すなわち、電源電圧VDDに対する基準電圧Vrefの比率を一定に保持することにより、過渡時間Trcを時定数ω1に対応する長さに設定できる。
〔簡易モデルに基づくセンシティビティ解析〕
次に、図9を参照して、基準周波数生成回路2のセンシティビティ解析について説明する。ここでは、C=0.2pF,R1=75kΩ,R2=1000kΩ,Vdd=1.0Vとし、(式6)に基づいてセンシティビティ解析を行った。図中、発振周波数fは、“1/2τ”に相当し、比率Aは、電源電圧VDDに対する基準電圧Vrefの比率に相当し、周波数変動量Δf/ΔVrefは、各比率Aにおいて基準電圧Vrefを±1mVの範囲で変動させた場合の発振周波数fの変動量に相当する。この解析結果より、比率Aが小さくなるほど、発振周波数fが大きくなることがわかった。また、A=0.5の近傍において周波数変動量Δf/ΔVrefが小さくなることがわかった。このように、電源電圧VDDに対する基準電圧Vrefの比率を“0.5”の近傍に設定することが好ましい。
次に、図9を参照して、基準周波数生成回路2のセンシティビティ解析について説明する。ここでは、C=0.2pF,R1=75kΩ,R2=1000kΩ,Vdd=1.0Vとし、(式6)に基づいてセンシティビティ解析を行った。図中、発振周波数fは、“1/2τ”に相当し、比率Aは、電源電圧VDDに対する基準電圧Vrefの比率に相当し、周波数変動量Δf/ΔVrefは、各比率Aにおいて基準電圧Vrefを±1mVの範囲で変動させた場合の発振周波数fの変動量に相当する。この解析結果より、比率Aが小さくなるほど、発振周波数fが大きくなることがわかった。また、A=0.5の近傍において周波数変動量Δf/ΔVrefが小さくなることがわかった。このように、電源電圧VDDに対する基準電圧Vrefの比率を“0.5”の近傍に設定することが好ましい。
以上のように、基準電圧生成回路23によって電源電圧VDDに対する基準電圧Vrefの比率を一定にすることにより、過渡時間Trcの長さを一定に保持できるので、電源電圧VDDの変動に起因する基準クロックCKa,CKbの周波数変動を抑制できる。
なお、図5に示した基準周波数生成回路2は、RC型の発振回路21に代えて、図1に示したIC型の発振回路11を備えていても良い。また、基準周波数生成回路2は、基準電圧生成回路23に代えて、図1に示した基準電圧生成回路13を備えていても良い。すなわち、基準電圧生成回路23とIC型の発振回路11とを組み合わせて使用しても良いし、基準電圧生成回路13とRC型の発振回路21とを組み合わせて使用しても良い。
(実施形態3)
図10は、この発明の実施形態3による基準周波数生成回路3の構成例を示す。この回路3は、図5に示したレファレンス制御回路14に代えて、レファレンス制御回路34を備える。その他の構成は、図5と同様である。レファレンス制御回路34は、図5に示したスイッチ104a,104bに代えて、抵抗301a,301bを含む。抵抗301a,301bのそれぞれの一方端は、RCフィルタ105に接続され、抵抗301aの他方端には発振信号OSCaが供給され、抵抗301bの他方端には発振信号OSCbが供給される。
図10は、この発明の実施形態3による基準周波数生成回路3の構成例を示す。この回路3は、図5に示したレファレンス制御回路14に代えて、レファレンス制御回路34を備える。その他の構成は、図5と同様である。レファレンス制御回路34は、図5に示したスイッチ104a,104bに代えて、抵抗301a,301bを含む。抵抗301a,301bのそれぞれの一方端は、RCフィルタ105に接続され、抵抗301aの他方端には発振信号OSCaが供給され、抵抗301bの他方端には発振信号OSCbが供給される。
図11のように、抵抗301a,301bをそれぞれ通過した発振信号OSCa,OSCbが合成されて合成信号Scが生成される。すなわち、合成信号Scは、抵抗301a,301bによって発振信号OSCa,OSCbを抵抗分割することによって生成される。RCフィルタ105は、合成信号Scから合成信号Scの電力に比例する中間信号Spを抽出するとともに、中間信号Spの信号レベル(ここでは、合成信号Scの累積平均電力)と基準電圧Vrefとの差に対応する比較電圧VRを出力する。
図5に示したレファレンス制御回路14では、電源電圧VDDが低くなるに連れ、スイッチ104a,104bの制御信号(基準クロックCKa,CKb)の振幅が小さくなるため、スイッチ104a,104bのオン抵抗歪みが顕著になる。そのため、図5に示した基準周波数生成回路2の構成では、低電圧化(電源電圧を低くすること)が困難である。一方、図10に示した基準周波数生成回路3では、スイッチ104a,104bが抵抗301a,301bに置き換えられているので、オン抵抗歪みが発生しない。そのため、図5に示した基準周波数生成回路2よりも低電圧化することができる。
なお、基準周波数生成回路3は、RC型の発振回路21に代えて図1に示したIC型の発振回路11を備えていても良いし、基準電圧生成回路23に代えて図1に示した基準電圧生成回路13を備えていても良い。すなわち、レファレンス制御回路34とIC型の発振回路11とを組み合わせて使用しても良いし、レファレンス制御回路34と基準電圧生成回路13とを組み合わせて使用しても良い。
(レファレンス制御回路の変形例)
図10に示したレファレンス制御回路34において、RCフィルタ105は、抵抗R105を含んでいなくても良い。また、図12A,図12Bのように、レファレンス制御回路34は、RCフィルタ105に代えて、RCフィルタ105c,105dを含んでいても良い。図12Aに示したRCフィルタ105cは、信号抽出機能を有する容量C301と、差動増幅回路A105と、容量C111とを含む。図12Bに示したRCフィルタ105dは、図12Aに示した容量C301に代えて、抵抗301a,301bにそれぞれ対応する容量C301a,C301bを含む。また、レファレンス制御回路34は、その他の回路(例えば、抵抗301a,301bを通過した発振信号OSCa,OSCbの電力を減衰させる減衰器)をさらに含んでいても良い。
図10に示したレファレンス制御回路34において、RCフィルタ105は、抵抗R105を含んでいなくても良い。また、図12A,図12Bのように、レファレンス制御回路34は、RCフィルタ105に代えて、RCフィルタ105c,105dを含んでいても良い。図12Aに示したRCフィルタ105cは、信号抽出機能を有する容量C301と、差動増幅回路A105と、容量C111とを含む。図12Bに示したRCフィルタ105dは、図12Aに示した容量C301に代えて、抵抗301a,301bにそれぞれ対応する容量C301a,C301bを含む。また、レファレンス制御回路34は、その他の回路(例えば、抵抗301a,301bを通過した発振信号OSCa,OSCbの電力を減衰させる減衰器)をさらに含んでいても良い。
(実施形態4)
図13は、この発明の実施形態4による基準周波数生成回路4の構成例を示す。この回路4は、発振回路41と、発振制御回路42と、レファレンス制御回路44と、図1に示した基準電圧生成回路13とを備える。基準クロックCKは、発振回路41の時定数に対応する周波数を有する。
図13は、この発明の実施形態4による基準周波数生成回路4の構成例を示す。この回路4は、発振回路41と、発振制御回路42と、レファレンス制御回路44と、図1に示した基準電圧生成回路13とを備える。基準クロックCKは、発振回路41の時定数に対応する周波数を有する。
〔発振回路および発振制御回路〕
発振回路41は、基準クロックCKの信号レベルの遷移に応答して、発振信号OSCaの信号レベルを増減させる。発振回路41は、容量Caと、定電流源CS101aと、スイッチSW1a,SW2aとを含む。発振制御回路42は、発振信号OSCaの信号レベルが比較電圧VRよりも高くなったことを検出すると、基準クロックCKをローレベルからハイレベルに遷移させ、所定時間の経過後に基準クロックCKをハイレベルからローレベルに遷移させる。発振制御回路42は、比較器CMPaと、遅延回路401とを含む。
発振回路41は、基準クロックCKの信号レベルの遷移に応答して、発振信号OSCaの信号レベルを増減させる。発振回路41は、容量Caと、定電流源CS101aと、スイッチSW1a,SW2aとを含む。発振制御回路42は、発振信号OSCaの信号レベルが比較電圧VRよりも高くなったことを検出すると、基準クロックCKをローレベルからハイレベルに遷移させ、所定時間の経過後に基準クロックCKをハイレベルからローレベルに遷移させる。発振制御回路42は、比較器CMPaと、遅延回路401とを含む。
〔発振動作〕
ここで、図14を参照して、図13に示した発振回路41および発振制御回路42による発振動作について説明する。発振信号OSCaの信号レベルが比較電圧VRよりも高くなると、比較器CMPaは、出力信号OUTaをローレベルからハイレベルに遷移させる。遅延回路401は、出力信号OUTaを遅延させて基準クロック信号CKとして出力する。発振回路41では、基準クロックCKの遷移に応答して容量Caが放電される。このようにして、発振回路41は、発振信号OSCaの信号レベルを減少させる。リセット時間ΔT(遅延回路401の遅延時間)の経過後、基準クロックCKの信号レベルは、ハイレベルからローレベルに遷移する。発振回路41では、基準クロックCKの遷移に応答して容量Caが充電される。このようにして、発振回路41は、IC時定数(定電流源CS101aの電流量と容量Caの容量値で決定される時定数)で発振信号OSCaの信号レベルを増加させる。
ここで、図14を参照して、図13に示した発振回路41および発振制御回路42による発振動作について説明する。発振信号OSCaの信号レベルが比較電圧VRよりも高くなると、比較器CMPaは、出力信号OUTaをローレベルからハイレベルに遷移させる。遅延回路401は、出力信号OUTaを遅延させて基準クロック信号CKとして出力する。発振回路41では、基準クロックCKの遷移に応答して容量Caが放電される。このようにして、発振回路41は、発振信号OSCaの信号レベルを減少させる。リセット時間ΔT(遅延回路401の遅延時間)の経過後、基準クロックCKの信号レベルは、ハイレベルからローレベルに遷移する。発振回路41では、基準クロックCKの遷移に応答して容量Caが充電される。このようにして、発振回路41は、IC時定数(定電流源CS101aの電流量と容量Caの容量値で決定される時定数)で発振信号OSCaの信号レベルを増加させる。
〔レファレンス制御回路〕
図13に戻って、レファレンス制御回路44は、発振信号OSCaの電力に比例する中間信号Spの信号レベル(ここでは、発振信号OSCaの累積平均電力)と基準電圧Vrefとの差が小さくなるように、比較電圧VRを増減させる。レファレンス制御回路44は、図1に示したRCフィルタ105と同様の構成を有する。
図13に戻って、レファレンス制御回路44は、発振信号OSCaの電力に比例する中間信号Spの信号レベル(ここでは、発振信号OSCaの累積平均電力)と基準電圧Vrefとの差が小さくなるように、比較電圧VRを増減させる。レファレンス制御回路44は、図1に示したRCフィルタ105と同様の構成を有する。
発振制御回路42の応答時間Δtが短くなると、基準クロックCKの周期が短くなる。また、発振信号OSCaの信号レベルの増加期間も短くなるので、発振信号OSCaの最大振幅が減少する。その結果、中間信号Spの信号レベルが基準電圧VRよりも低くなり、レファレンス制御回路44は比較電圧VRを増加させる。これにより、過渡時間Ticが長くなって、基準クロックCKの周期が長くなる。また、発振信号OSCaの信号レベルの増加期間も長くなって、発振信号OSCaの最大振幅が増加するので、中間信号Spの信号レベルと基準電圧VRとの差が小さくなる。
逆に、発振制御回路42の応答時間Δtが長くなると、基準クロックCKの周期が長くなる。また、発振信号OSCaの信号レベルの増加期間も長くなり、その結果、中間信号Spの信号レベルが基準電圧VRよりも高くなるので、レファレンス制御回路44は、比較電圧VRを減少させる。これにより、過渡時間Ticが短くなって、基準クロックCKの周期が短くなる。
以上のように、発振信号OSCaの電力が一定になるようにフィードバック制御を施すことにより、遅延時間の変動に起因する基準クロックCKの周波数変動を抑制できる。これにより、従来のシングル型の基準周波数生成回路よりも、基準周波数生成回路の消費電力の増大を抑制しつつ基準クロックCKの周波数を高速化できる。
さらに、フィードバック制御のループ帯域よりも低域のノイズ成分が減衰されるので、基準周波数生成回路内の低周波ノイズを低減できる。これにより、基準周波数生成回路4の共振特性(Q値)を向上させることができ、基準クロックCKの周波数ばらつきを低減できる。
(初期化回路)
基準周波数生成回路1,2,3,4は、図15Aに示した初期化回路500をさらに備えていても良い。初期化回路500は、外部制御に応答して、RCフィルタ105に含まれる差動増幅回路A105の反転入力端子と出力端子との接続状態を切り換える。例えば、基準周波数生成回路の起動時において、初期化回路500は、差動増幅回路A105の反転入力端子と出力端子とを短絡させる。これにより、比較電圧VRを予め定められた電圧レベル(ここでは、基準電圧Vref)に初期化できる。また、比較電圧VRが初期化された後に、初期化回路500は、差動増幅回路A105の反転入力端子を差動増幅回路A105の出力端子から切り離す。これにより、レファレンス制御回路によるフィードバック制御が開始される。
基準周波数生成回路1,2,3,4は、図15Aに示した初期化回路500をさらに備えていても良い。初期化回路500は、外部制御に応答して、RCフィルタ105に含まれる差動増幅回路A105の反転入力端子と出力端子との接続状態を切り換える。例えば、基準周波数生成回路の起動時において、初期化回路500は、差動増幅回路A105の反転入力端子と出力端子とを短絡させる。これにより、比較電圧VRを予め定められた電圧レベル(ここでは、基準電圧Vref)に初期化できる。また、比較電圧VRが初期化された後に、初期化回路500は、差動増幅回路A105の反転入力端子を差動増幅回路A105の出力端子から切り離す。これにより、レファレンス制御回路によるフィードバック制御が開始される。
このように初期化回路500を備えることにより、比較電圧VRの初期値異常による基準周波数生成回路の異常動作を回避できる。また、基準クロックの周波数が安定するまでに要する時間を短縮できる。なお、図15Bのように、初期化回路500は、機能一体型のRCフィルタ105だけでなく、機能分離型のRCフィルタ105a,105b,105c,105dにも適用可能である。
(RCフィルタの変形例)
図16のように、RCフィルタ105は、差動増幅回路A105に代えて、中間信号Spの信号レベルと基準電圧Vrefとの差に対応する一対の出力電圧VP,VNを出力する差動増幅回路601と、基準クロックCKaを分周して制御クロックCKcとして出力する分周回路602と、制御クロックCKcに応答して動作するスイッチ603,604(チョッパ回路)とを含んでいても良い。例えば、制御クロックCKcがハイレベルである場合、スイッチ603は、中間信号Spを差動増幅回路601の反転入力端子に供給するとともに基準電圧Vrefを差動増幅回路601の非反転入力端子に供給し、スイッチ604は、差動増幅回路601の非反転出力端子から出力された出力電圧VPを選択して比較電圧VRとして出力する。また、制御クロックCKcがローレベルである場合、スイッチ603は、中間信号Spを差動増幅回路601の非反転入力端子に供給するとともに基準電圧Vrefを差動増幅回路601の反転入力端子に供給し、スイッチ604は、差動増幅回路601の反転出力端子から出力された出力電圧VNを選択して比較電圧VRとして出力する。このように、中間信号Spおよび基準電圧Vrefと差動増幅回路601の反転入力端子および非反転入力端子との対応関係を周期的に切り換えるとともに、出力電圧VP,VNを交互に比較電圧VRとして選択する。これにより、差動増幅回路601におけるフリッカノイズ(素子サイズに反比例するノイズ成分)は、チョッパ周波数(制御クロックCKcの周波数)の整数倍の周波数を有する高調波の近傍に分散される。また、これらの高調波に分散されたフリッカノイズは、RCフィルタ105によって減衰される。
図16のように、RCフィルタ105は、差動増幅回路A105に代えて、中間信号Spの信号レベルと基準電圧Vrefとの差に対応する一対の出力電圧VP,VNを出力する差動増幅回路601と、基準クロックCKaを分周して制御クロックCKcとして出力する分周回路602と、制御クロックCKcに応答して動作するスイッチ603,604(チョッパ回路)とを含んでいても良い。例えば、制御クロックCKcがハイレベルである場合、スイッチ603は、中間信号Spを差動増幅回路601の反転入力端子に供給するとともに基準電圧Vrefを差動増幅回路601の非反転入力端子に供給し、スイッチ604は、差動増幅回路601の非反転出力端子から出力された出力電圧VPを選択して比較電圧VRとして出力する。また、制御クロックCKcがローレベルである場合、スイッチ603は、中間信号Spを差動増幅回路601の非反転入力端子に供給するとともに基準電圧Vrefを差動増幅回路601の反転入力端子に供給し、スイッチ604は、差動増幅回路601の反転出力端子から出力された出力電圧VNを選択して比較電圧VRとして出力する。このように、中間信号Spおよび基準電圧Vrefと差動増幅回路601の反転入力端子および非反転入力端子との対応関係を周期的に切り換えるとともに、出力電圧VP,VNを交互に比較電圧VRとして選択する。これにより、差動増幅回路601におけるフリッカノイズ(素子サイズに反比例するノイズ成分)は、チョッパ周波数(制御クロックCKcの周波数)の整数倍の周波数を有する高調波の近傍に分散される。また、これらの高調波に分散されたフリッカノイズは、RCフィルタ105によって減衰される。
以上のように、周知のチョッパ技術をRCフィルタ105に適用することにより、比較電圧VRに重畳されたフリッカノイズを低減できる。例えば、チョッパ技術を適用しない場合、比較電圧VRは、図17Aのように、大きな振幅でゆっくりと変動する。一方、チョッパ技術を適用した場合、比較電圧VRは、図17Bのように、小さな振幅で激しく変動する。このように、比較電圧VRの変動幅を抑制できるので、図18のように、基準周波数生成回路の共振特性(Q値)をさらに向上させることができる。なお、図18では、点線波形はチョッパ技術を適用しない場合の共振特性に対応し、実線波形はチョッパ技術を適用した場合の共振特性に対応する。また、チョッパ技術を適用することにより、フリッカノイズを低減するために回路面積を増大させなくても良くなるので、チョッパ技術を適用しない場合よりも、基準周波数生成回路の回路面積を削減できる。
また、制御クロックCKcの周波数を基準クロックCKaの周波数よりも低くすることにより、基準クロックCKaによってスイッチ603,604を制御する場合よりも、差動増幅回路601による負荷容量(例えば、信号経路の寄生容量)の充放電時間を長くすることができる。これにより、差動増幅回路601の駆動能力を低くすることができるので、差動増幅回路601の消費電力を低減できる。なお、基準クロックCKaに代えて、基準周波数生成回路の内部信号(例えば、基準クロックCKbや発振信号OSCa,OSCbなど)や外部からのクロックを分周回路602に供給しても良い。また、分周回路602を介さずに、基準周波数生成回路の内部信号や外部からのクロックを制御クロックCKcとしてスイッチ603,604に供給しても良い。
なお、上記チョッパ技術は、RCフィルタ105だけでなく、RCフィルタ105a,105b,105c,105dにも適用可能である。すなわち、RCフィルタ105a,105b,105c,105dは、差動増幅回路A105に代えて、図16に示した差動増幅回路601,分周回路602,スイッチ603,604を含んでいても良い。
(周波数調整)
以上の各実施形態において、発振回路11,21,41の時定数を決定する定電流源(または、抵抗),容量をそれぞれ、可変電流源(または、可変抵抗),可変容量に置き換えても良い。このように構成することにより、発振回路11,21,41の時定数を変更でき、基準クロックの周波数を調整することが可能になる。
以上の各実施形態において、発振回路11,21,41の時定数を決定する定電流源(または、抵抗),容量をそれぞれ、可変電流源(または、可変抵抗),可変容量に置き換えても良い。このように構成することにより、発振回路11,21,41の時定数を変更でき、基準クロックの周波数を調整することが可能になる。
また、図19Aのように、基準電圧生成回路13において抵抗R103を可変抵抗R103aに置き換えても良いし、図19Bのように、基準電圧生成回路23において抵抗R203を可変抵抗R203aに置き換えても良い。このように構成することにより、基準電圧Vrefを可変電圧にすることができ、基準クロックCKa,CKbの周波数を調整することが可能になる。また、発振回路に余計な構成(時定数を可変にするための構成)を追加することなく基準クロックCKa,CKbの周波数を調整できるので、発振回路の時定数に不要な成分(例えば、可変抵抗を構成するスイッチが有する抵抗成分など)が含まれない。そのため、基準クロックCKa,CKbの周波数を正確に設定できる。
(温度勾配特性)
以上の各実施形態において、発振回路11,21,41の時定数が温度勾配特性を有する場合(すなわち、温度変化に伴って発振回路の時定数が変動する場合)、その時定数変動に伴って基準クロックCKa,CKbの周波数も変動してしまう。このような周波数変動を抑制するために、基準電圧Vrefに任意の温度勾配特性(例えば、時定数の温度勾配特性に対して逆の温度勾配特性)を持たせても良い。例えば、図19Cのように、抵抗R200aと、抵抗R200aと同一の温度係数(温度変化量に対する抵抗値の変化量の割合)を有する抵抗R200bと、抵抗R200aとは異なる温度係数を有する抵抗R200cとを用いて基準電圧生成回路23を構成しても良い。また、抵抗R200a,R200b,R200cがそれぞれ異なる温度係数を有していても良い。このように構成することにより、温度変化に伴って抵抗分割比が変動するので、結果として基準電圧Vrefが温度勾配特性を有することになる。なお、半導体集積回路の製造プロセスにおいて多種多様の抵抗(ポリシリコン抵抗、拡散抵抗、ウエル抵抗など)を任意に選択して抵抗R200a,R200b,R200cとして形成することにより、抵抗R200a,R200b,R200cのそれぞれの温度係数を任意に設定できる。
以上の各実施形態において、発振回路11,21,41の時定数が温度勾配特性を有する場合(すなわち、温度変化に伴って発振回路の時定数が変動する場合)、その時定数変動に伴って基準クロックCKa,CKbの周波数も変動してしまう。このような周波数変動を抑制するために、基準電圧Vrefに任意の温度勾配特性(例えば、時定数の温度勾配特性に対して逆の温度勾配特性)を持たせても良い。例えば、図19Cのように、抵抗R200aと、抵抗R200aと同一の温度係数(温度変化量に対する抵抗値の変化量の割合)を有する抵抗R200bと、抵抗R200aとは異なる温度係数を有する抵抗R200cとを用いて基準電圧生成回路23を構成しても良い。また、抵抗R200a,R200b,R200cがそれぞれ異なる温度係数を有していても良い。このように構成することにより、温度変化に伴って抵抗分割比が変動するので、結果として基準電圧Vrefが温度勾配特性を有することになる。なお、半導体集積回路の製造プロセスにおいて多種多様の抵抗(ポリシリコン抵抗、拡散抵抗、ウエル抵抗など)を任意に選択して抵抗R200a,R200b,R200cとして形成することにより、抵抗R200a,R200b,R200cのそれぞれの温度係数を任意に設定できる。
以上のように、基準電圧Vrefが温度勾配特性を有することにより、発振回路の時定数の温度勾配特性を打ち消す(または小さくする)ことができ、温度変化に起因する基準クロックCKa,CKbの周波数変動を抑制できる。例えば、発振回路の時定数が正の温度勾配特性(温度増加に伴い時定数の値が増加する特性)を有する場合、基準電圧Vrefに負の温度勾配特性(温度増加に伴い電圧値が減少する特性)を持たせることにより、温度変化に起因する周波数変動を抑制できる。なお、基準電圧生成回路13においてバンドギャップレファレンス回路103の出力に温度勾配特性を持たせても良い。このように構成することにより、基準電圧Vrefに温度勾配特性を持たせることができる。
(半導体集積回路および電子機器)
図20のように、基準周波数生成回路1,2,3,4は、半導体集積回路に搭載可能である。図20に示した半導体集積回路7は、基準周波数生成回路1の他に、CPU700を備える。CPU700は、基準周波数生成回路1からの基準クロックCKaを動作クロックとして動作する。また、基準周波数生成回路1において基準クロックの周波数が調整可能であれば、CPU700は、外部からの情報(例えば、温度情報など)に基づいて、基準周波数生成回路1の基準クロックの周波数を調整しても良い(例えば、基準電圧生成回路13の抵抗R103aの抵抗値を調整しても良い)。さらに、発振回路11,21,41の時定数が温度勾配特性を有する場合、基準周波数生成回路を温度センサとして使用することも可能である。例えば、基準周波数生成回路2において、抵抗R201a,R201bの温度勾配特性と、抵抗R201a,R201bの抵抗値と基準クロックCKa,CKbの周波数との対応関係とを予め把握しておけば、基準クロックCKa,CKbの周波数変動に基づいて温度変化量を求めることが可能である。
図20のように、基準周波数生成回路1,2,3,4は、半導体集積回路に搭載可能である。図20に示した半導体集積回路7は、基準周波数生成回路1の他に、CPU700を備える。CPU700は、基準周波数生成回路1からの基準クロックCKaを動作クロックとして動作する。また、基準周波数生成回路1において基準クロックの周波数が調整可能であれば、CPU700は、外部からの情報(例えば、温度情報など)に基づいて、基準周波数生成回路1の基準クロックの周波数を調整しても良い(例えば、基準電圧生成回路13の抵抗R103aの抵抗値を調整しても良い)。さらに、発振回路11,21,41の時定数が温度勾配特性を有する場合、基準周波数生成回路を温度センサとして使用することも可能である。例えば、基準周波数生成回路2において、抵抗R201a,R201bの温度勾配特性と、抵抗R201a,R201bの抵抗値と基準クロックCKa,CKbの周波数との対応関係とを予め把握しておけば、基準クロックCKa,CKbの周波数変動に基づいて温度変化量を求めることが可能である。
また、図21のように、半導体集積回路7は、携帯機器などの電子機器に搭載可能である。以上のように、基準周波数生成回路1,2,3,4を半導体集積回路や電子機器に搭載させることにより、半導体集積回路や電子機器を正確に動作させることができる。
(発振回路および発振制御回路の変形例)
なお、差動型の発振回路11,21の構成は、多種多様であり、図1や図5に示した構成に限定されない。例えば、発振回路11は、スイッチSW1a,SW1bを含んでいなくても良いし、図22のように、2つの定電流源CS101a,CS101bに代えて容量Ca,Cbに交互に接続される定電流源CSを含んでいても良い。同様に、発振回路21は、スイッチSW1a,SW1bを含んでいなくても良いし、図22の定電流源CSを抵抗に置き換えた構成であっても良い。また、差動型の発振制御回路12の構成も図1に示した構成に限定されない。例えば、発振制御回路12は、NAND型RSラッチ回路102に代えて、NOR型RSラッチ回路や、他の論理素子の組合せを含んでいても良いし、図25Aのような構成であっても良い。同様に、シングル型の発振回路41および発振制御回路42の構成も多種多様であり、図13に示した構成に限定されない。
なお、差動型の発振回路11,21の構成は、多種多様であり、図1や図5に示した構成に限定されない。例えば、発振回路11は、スイッチSW1a,SW1bを含んでいなくても良いし、図22のように、2つの定電流源CS101a,CS101bに代えて容量Ca,Cbに交互に接続される定電流源CSを含んでいても良い。同様に、発振回路21は、スイッチSW1a,SW1bを含んでいなくても良いし、図22の定電流源CSを抵抗に置き換えた構成であっても良い。また、差動型の発振制御回路12の構成も図1に示した構成に限定されない。例えば、発振制御回路12は、NAND型RSラッチ回路102に代えて、NOR型RSラッチ回路や、他の論理素子の組合せを含んでいても良いし、図25Aのような構成であっても良い。同様に、シングル型の発振回路41および発振制御回路42の構成も多種多様であり、図13に示した構成に限定されない。
(基準周波数生成回路の極性)
以上の各実施形態において、基準周波数生成回路1,2,3,4の極性を反転させても良い。すなわち、基準周波数生成回路1,2,3,4は、所定時定数で発振信号の信号レベルを減少させるものであっても良い。例えば、図1に示した基準周波数生成回路1を図23のように構成しても良い。図23に示した基準周波数生成回路では、発振回路11は、基準クロックCKa,CKbの信号レベルの遷移に応答して、発振信号OSCaの信号レベルを増加させるとともにIC時定数で発振信号OSCbの信号レベルを減少させる動作と、IC時定数で発振信号OSCaの信号レベルを減少させるとともに発振信号OSCbの信号レベルを増加させる動作とを交互に実行する。発振制御回路12は、発振信号OSCaの信号レベル(または、発振信号OSCbの信号レベル)が比較電圧VRよりも低くなったことを検出すると基準クロックCKa,CKbの信号レベルを遷移させる。基準電圧生成回路13は、電源電圧VDDに対して所定の電位差を有する低電圧を基準電圧Vrefとして生成する。このように構成した場合も、遅延時間の変動による基準クロックの周波数変動を抑制できる。
以上の各実施形態において、基準周波数生成回路1,2,3,4の極性を反転させても良い。すなわち、基準周波数生成回路1,2,3,4は、所定時定数で発振信号の信号レベルを減少させるものであっても良い。例えば、図1に示した基準周波数生成回路1を図23のように構成しても良い。図23に示した基準周波数生成回路では、発振回路11は、基準クロックCKa,CKbの信号レベルの遷移に応答して、発振信号OSCaの信号レベルを増加させるとともにIC時定数で発振信号OSCbの信号レベルを減少させる動作と、IC時定数で発振信号OSCaの信号レベルを減少させるとともに発振信号OSCbの信号レベルを増加させる動作とを交互に実行する。発振制御回路12は、発振信号OSCaの信号レベル(または、発振信号OSCbの信号レベル)が比較電圧VRよりも低くなったことを検出すると基準クロックCKa,CKbの信号レベルを遷移させる。基準電圧生成回路13は、電源電圧VDDに対して所定の電位差を有する低電圧を基準電圧Vrefとして生成する。このように構成した場合も、遅延時間の変動による基準クロックの周波数変動を抑制できる。
以上説明したように、この発明による基準周波数生成回路は、消費電力を抑制しつつ周波数の高い基準クロックを精度良く生成できるので、半導体集積回路のタイマー用途,動作クロック用途,サンプリングクロック用途などに有用である。
1,2,3,4 基準周波数生成回路
11,21,41 発振回路
12,42 発振制御回路
13,23 基準電圧生成回路
14,34,44 レファレンス制御回路
104a,104b スイッチ
105,105a,105b,105c,105d RCフィルタ
301a,301b 抵抗
500 初期化回路
601 差動増幅回路
602 分周回路
603,604 スイッチ
11,21,41 発振回路
12,42 発振制御回路
13,23 基準電圧生成回路
14,34,44 レファレンス制御回路
104a,104b スイッチ
105,105a,105b,105c,105d RCフィルタ
301a,301b 抵抗
500 初期化回路
601 差動増幅回路
602 分周回路
603,604 スイッチ
Claims (14)
- 基準クロックを生成する回路であって、
前記基準クロックの信号レベルの遷移に応答して、第1の発振信号の信号レベルを増加させるとともに第2の発振信号の信号レベルを減少させる動作と、前記第2の発振信号の信号レベルを増加させるとともに前記第1の発振信号の信号レベルを減少させる動作とを交互に行う発振回路と、
前記第1の発振信号の信号レベルが比較電圧に到達したことを検出すると前記基準クロックの信号レベルを第1の論理レベルに遷移させ、前記第2の発振信号の信号レベルが前記比較電圧に到達したことを検出すると前記基準クロックの信号レベルを第2の論理レベルに遷移させる発振制御回路と、
前記第1および第2の発振信号のそれぞれの電力に応じた中間信号の信号レベルと基準電圧との差が小さくなるように、前記比較電圧を増減させるレファレンス制御回路とを備える
ことを特徴とする基準周波数生成回路。 - 請求項1において、
前記レファレンス制御回路は、
前記第1および第2の発振信号をそれぞれ通過させる第1および第2の抵抗と、
前記第1および第2の抵抗をそれぞれ通過した第1および第2の発振信号を合成して得られる合成信号からその合成信号の電力に比例する信号を前記中間信号として抽出するとともに、その抽出した中間信号の信号レベルと前記基準電圧との差に対応する電圧を前記比較電圧として出力するRCフィルタとを含む
ことを特徴とする基準周波数生成回路。 - 請求項1において、
前記レファレンス制御回路は、
前記基準クロックの信号レベルの遷移に応答して前記第1および第2の発振信号を交互に通過させるスイッチ回路と、
前記スイッチ回路を通過した発振信号からその発振信号の電力に比例する信号を前記中間信号として抽出するとともに、その抽出した中間信号の信号レベルと前記基準電圧との差に対応する電圧を前記比較電圧として出力するRCフィルタとを含む
ことを特徴とする基準周波数生成回路。 - 請求項1,2,3のいずれか1項において、
第1の電圧および第2の電圧の電圧間を抵抗分割することによって前記基準電圧を生成する基準電圧生成回路をさらに備え、
前記発振回路は、
前記第1および第2の発振信号をそれぞれ生成するための第1および第2の容量と、
1以上の抵抗を有する抵抗部と
前記基準クロックの信号レベルの遷移に応答して第1および第2の接続状態を交互に切り換える接続切換部とを含み、
前記第1の接続状態では、前記第1の容量は、前記第1の電圧が供給される第1のノードに前記抵抗部を介して接続され、前記第2の容量は、前記第2の電圧が供給される第2のノードに接続され、
前記第2の接続状態では、前記第2の容量は、前記第1のノードに前記抵抗部を介して接続され、前記第1の容量は、前記第2のノードに接続される
ことを特徴とする基準周波数生成回路。 - 請求項1,2,3のいずれか1項において、
第1および第2の電圧のいずれか一方に対して所定の電位差を有する定電圧を前記基準電圧として生成する基準電圧生成回路をさらに備え、
前記発振回路は、
前記第1および第2の発振信号をそれぞれ生成するための第1および第2の容量と、
定電流を供給するための電流供給部と、
前記基準クロックの信号レベルの遷移に応答して第1および第2の接続状態を交互に切り換える接続切換部とを含み、
前記第1の接続状態では、前記第1の容量は、前記第1の電圧が供給される第1のノードに前記電流供給部を介して接続され、前記第2の容量は、前記第2の電圧が供給される第2のノードに接続され、
前記第2の接続状態では、前記第2の容量は、前記第1のノードに前記電流供給部を介して接続され、前記第1の容量は、前記第2のノードに接続される
ことを特徴とする基準周波数生成回路。 - 請求項1において、
前記比較電圧の信号レベルを予め定められた信号レベルに初期化する初期化回路をさらに備える
ことを特徴とする基準周波数生成回路。 - 請求項1において、
前記基準電圧は、可変電圧である
ことを特徴とする基準周波数生成回路。 - 請求項1において、
前記基準電圧は、温度勾配特性を有する
ことを特徴とする基準周波数生成回路。 - 基準クロックを生成する回路であって、
前記基準クロックの信号レベルの遷移に応答して、発振信号の信号レベルを増加させる動作と、前記発振信号の信号レベルを減少させる動作とを交互に行う発振回路と、
前記発振信号の信号レベルが比較電圧に到達したことを検出すると前記基準クロックの信号レベルを第1の論理レベルに遷移させ、所定時間の経過後に前記基準クロックの信号レベルを第2の論理レベルに遷移させる発振制御回路と、
前記発振信号の電力に応じた中間信号の信号レベルと基準電圧との差が小さくなるように、前記比較電圧を増減させるレファレンス制御回路とを備える
ことを特徴とする基準周波数生成回路。 - 請求項9において、
前記レファレンス制御回路は、
前記発振信号から前記中間信号を抽出するとともに、その抽出した中間信号の信号レベルと前記基準電圧との差に対応する電圧を前記比較電圧として出力するRCフィルタを含む
ことを特徴とする基準周波数生成回路。 - 請求項2,3,10のいずれか1項において、
前記RCフィルタは、
前記中間信号および前記基準電圧にそれぞれ対応する一対の入力端子を有し、前記中間信号の信号レベルと前記基準電圧との差に対応する一対の出力電圧を出力する差動増幅回路と、
前記中間信号および前記基準電圧と前記一対の入力端子との対応関係を周期的に切り換えるとともに、前記一対の出力電圧を前記比較電圧として交互に選択するチョッパ回路とを含む
ことを特徴とする基準周波数生成回路。 - 請求項11において、
前記RCフィルタは、前記基準クロックを分周する分周回路をさらに含み、
前記チョッパ回路は、前記分周回路の出力に応答して、前記対応関係の切り換えと前記出力電圧の選択とを実行する
ことを特徴とする基準周波数生成回路。 - 請求項1または9に記載の基準周波数生成回路と、
前記基準周波数生成回路からの基準クロックに同期して動作するCPUとを備える
ことを特徴とする半導体集積回路。 - 請求項13に記載の半導体集積回路を備えることを特徴とする電子機器。
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