JP6613837B2 - 半導体集積回路 - Google Patents
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・充電電圧式
((6)*R /(6+1+6)*R )×Vc5 = Vc5×(1-exp((t1)/(C×R1)))・・・・・(1)
上記の式から t1=C×R1×ln((6+1+6)/(6+1)となる。
上記の式から t2=C×R1×ln((6+1+6)/(6))となる。
上記t2とt1の差分は、以下となる。
上述のように、左辺、右辺からVc5の影響を無くすため、容量C42はVc5電源31から充電されなければならず、そのためVc5端子が半導体集積回路に必要になる。
Q0-∫i2dt = CV・・・・・(4)(但し、Q0はt=t2のときの容量C42の電荷)
i3 = V / Ron・・・・・(5)
i1 + i2 = i3・・・・・(6)
(4)式を微分することにより、次式が得られる。
上記(6)式に、上記(3),(5),(7)式を代入すると、次式が得られる。
(Vc5-V) / R1 - C (dV/dt) = V / Ron
この式を整理すると、次式となる。
ここで、微分方程式 V + a (dV/dt) = bの一般解は、V =α exp(-t/a)+ b・・・・(9)で表されることが知られている。但し、αは積分定数である。
a = C×{(Ron*R1)/(Ron+R1)}、b = {(Ron)/(Ron+R1)}×Vc5
V(t)=αexp{-((Ron+R1)/(C*Ron*R1))×t} + {(Ron)/(Ron+R1)}×Vc5・・・・・(10)
αは、
V(t=t2)= ((6+1)R/(6+1+6)R)×Vc5= ((6+1)/(6+1+6))×Vc5より求める。
上記(10)式は、
V(t)=αexp{-((Ron/R1)+1)/(C*Ron))×t}+{(Ron/R1)/((Ron/R1)+1)}×Vc5}
となる。ここで、R1>>RonであることからRon/R1 = 0とすることができ、
V(t)=αexp{-(t)/(C*Ron)}
となる。故に、
((6+1)/(6+1+6))×Vc5=αexp{-(t2)/(C*Ron)}
α=((6+1)/(6+1+6)) exp{(t2)/(C*Ron)}×Vc5
その結果、
V(t)= ((6+1)/(6+1+6)) exp{(t2)/(C*Ron)}×Vc5×exp{-(t)/(C*Ron)}
という式になる。これより、V(t3)は、
V(t3)=(6/(6+1+6))×Vc5= ((6+1)/(6+1+6))exp{(t2)/(C*Ron)}×Vc5×exp{-(t3)/(C*Ron)}
6 = (6+1) exp{(t2-t3)/(C*Ron)}
exp{(t3-t2)/(C*Ron)}= ((6+1)/6)
となるので、
t3-t2= C*Ron ln((6+1)/6)となる。
t3-t1=(t3-t2)+(t2-t1)= C*Ron ln((6+1)/6)+ C*R1 ln((6+1)/6)
≒ C×(R1+Ron)×ln((6+1)/6)となり、
発振周波数foscは、
fosc = (1/2)×(1/(t3-t1))≒(1/2)×(1/(C×(R1+Ron)×ln((6+1)/6))
≒(1/2)×(1/(C×R1×ln((6+1)/6))となる。
上式より分かるように、発振周波数foscには、R1(41)の温度特性が現れるため(一般にCには温度特性はない)、外付け部品として温度特性のないR1を用いることで発振周波数の温度特性を無くすことができる。しかし、温度特性がない抵抗は高価なので、そのような抵抗を用いることはコストが嵩むことになるため製品として得策でない。
R1 = 161 kΩ(外付け、温度特性無し)
Ron = 1 kΩ(Ta=25℃)半導体集積回路内蔵、
温度特性+1400ppm/℃(Ta=90℃; Ron = 1.091 kΩ)
C = 200pF(外付け、温度特性無し)
但し、Ron=1 kΩ(Ta=25℃)は、半導体集積回路で採用したプロセスとNchMOSのゲートサイズ(W/L)により決まった値である。
fosc=(1/2)×(1/(t3-t1))≒(1/2)×{(1)/(200pF×(161kΩ+1kΩ)×ln((6+1)/6)}
=100 kHz
Ta=90℃のとき、
fosc=(1/2)×(1/(t3-t1))≒(1/2)×{(1)/(200pF×(161kΩ+1.091kΩ)×ln((6+1)/6)}
=100 kHz
となる。
また図3に示されたD-FF43は、発振器回路の出力信号のデューティを50%にして出力信号を整形するためのものである。
前記容量を充電する直流電源の電圧を半導体集積回路に内蔵する分圧抵抗で分圧することにより前記基準電圧を生成し、
前記容量を接続する外付け端子を有し、
一端が前記外付け端子にそれぞれ接続される充電用抵抗および放電用抵抗を内蔵し、前記充電用抵抗と前記放電用抵抗とが逆の温度特性を持つよう構成したことを特徴とする。
図1は、C(容量、以下同じ)の充放電のタイミングを、C(容量)の端子電圧と半導体集積回路で構成された基準電圧とを比較するコンパレータで決める、本発明の実施形態に係る半導体集積回路で実現される発振器回路の構成例を示す図である。図2は、図1に示した発振器回路の動作時における電圧波形を示す図である。なお、符号Vc5は内蔵電源またはその電圧を示している。
コンパレータcomp17の出力端子はインバータ18,19の直列回路を介してPchMOS20とNchMOS23のゲートおよびD-FF25のクロック入力端子に接続されている。D-FF25は1/2分周回路を構成している。
図1及び図2を用いて本発明の実施形態に係る発振器回路の構成例における動作を説明する。
・充電電圧式
((6)*R/(6+1+6)*R)×Vc5 = Vc5×(1-exp((t1)/(C×(P_Ron+R1))))・・・・・(11)
上記の式から t1=C×(P_Ron+R1)×ln((6+1+6)/(6))となる。
上記の式から t2=C×(P_Ron+R1)×ln((6+1+6)/(6+1))となる。
上記t2とt1の差分は、以下となる。
=C×(P_Ron+R1)×ln((6+1)/(6))
なお、容量C24の充電電圧に対する基準電圧(HレベルとLレベル)の電圧Vc5に対する比率、すなわち、((6+1)*R /(6+1+6)*R )= ((6+1)/(6+1+6))、および、((6)*R /(6+1+6)*R )=(6)/(6+1+6)は、あくまでも一例を示すものであり、構成としてこの比率に限定されるものではない。
・放電電圧式
((6)*R/(6+1+6)*R)×Vc5={((6+1)*R/(6+1+6)*R)×Vc5}×exp((t3-t2)/(C×(R2+N_Ron)))
上記の式からt3-t2=C×(R2+N_Ron)×ln((6+1)/(6))となる。
fosc=(1/2)×(1/(t3-t1))=(1/2)×{(1)/((t3-t2)+(t2-t1))}
= (1/2)×{(1)/(C×(P_Ron+R1+R2+N_Ron)×ln((6+1)/(6))}
となる。
但し、各素子は下記の特性を持つよう設定してあるものとする。
温度特性+1400ppm/℃(Ta=90℃; P_Ron = 1.091 kΩ)
R1 = 126 kΩ(Ta=25℃)半導体集積回路内蔵、
温度特性+800ppm/℃(Ta=90℃; R1 = 132.552 kΩ)
R2 = 34 kΩ(Ta=25℃)半導体集積回路内蔵、
温度特性-3000ppm/℃(Ta=90℃; R2 = 27.3 kΩ)
N_Ron = 1 kΩ(Ta=25℃)半導体集積回路内蔵、
温度特性+1400ppm/℃(Ta=90℃; N_Ron = 1.091 kΩ)
C = 200pF(外付け、温度特性無し)
ここで各温度特性等は、本発明を適用する半導体集積回路の製造に採用する半導体製造工程のプロセス条件から選ぶことになるため、上記数値例は、あくまでも一例を示すものである。
Ta=25℃のとき、
P_Ron+R1+R2+N_Ron=1kΩ+126kΩ+34kΩ+1kΩ=162kΩから、
fosc=(1/2)×{(1)/(200pF×162kΩ×ln((6+1)/(6))}= 100kHz
Ta=90℃のとき、
P_Ron+R1+R2+N_Ron=1.091kΩ+132.552kΩ+27.37kΩ+1.091kΩ=162.104kΩから、
fosc=(1/2)×{(1)/(200pF×(162.104kΩ)×ln((6+1)/(6))}= 100kHz
となる。よって、抵抗R1,R2を、直列抵抗P_Ron+R1+R2+N_Ronが温度特性を持たない値に設定することで、発振周波数も温度特性を持たないようにすることができる。R1による充電とR2による放電はそれぞれ独立に行われるので、この結論は自明ではなく、上記解析により初めて明らかになるものである。
また、抵抗R1,R2の抵抗値が、直列抵抗R1+R2の抵抗値に比べて無視できる場合は、直列抵抗R1+R2が温度特性を持たない値とすればよいことは自明である。また、上式の(1/2)の項は、コンパレータcomp37の出力V_comp_outをD_FF(D型フリップフロップ)25で1/2分周したものの周波数を発振周波数foscとすることを示すものである。
Ta=25℃のとき、
fosc=(1/2)×{(1)/(100pF×162kΩ×ln((6+1)/(6))}= 200kHz
Ta=90℃のとき、
fosc=(1/2)×{(1)/(100pF×(162.104kΩ)×ln((6+1)/(6))}= 200kHz
となり、温度特性を持たない2倍の発振周波数に設定することができる。
12〜14 抵抗R(基準電圧生成用抵抗)
15,16 NchMOS(N_MOSFET(N型電界効果トラジスタ))
17 コンパレータcomp
18,19 インバータ
20 PchMOS(P_MOSFET(P型電界効果トラジスタ))
21 抵抗R1(充電用抵抗)
22 抵抗R2(放電用抵抗)
23 NchMOS(N_MOSFET(N型電界効果トラジスタ))
24 容量C
25 D_FF(D型フリップフロップ)
Claims (8)
- 容量の充放電のタイミングを、基準電圧と前記容量の一端の電圧とを比較するコンパレータで決める発振器回路を有する半導体集積回路において、
該半導体集積回路は、
前記容量を充電する直流電源の電圧を前記半導体集積回路に内蔵する分圧抵抗で分圧することにより前記基準電圧を生成し、
前記容量を接続する外付け端子を有し、
一端が前記外付け端子にそれぞれ接続される充電用抵抗および放電用抵抗を内蔵し、前記充電用抵抗と前記放電用抵抗とが逆の温度特性を持つよう構成したことを特徴とする半導体集積回路。 - 前記充電用抵抗および前記放電用抵抗の直列回路の合成抵抗が温度特性をもたないものになっていることを特徴とする請求項1に記載の半導体集積回路。
- 前記発振器回路の発振周波数は、前記半導体集積回路に外付けされた前記容量の値によって決定されることを特徴とする請求項1に記載の半導体集積回路。
- 前記充電用抵抗の他端は、前記直流電源にそのソースが接続されるPchMOSFETのドレインに接続され、該PchMOSFETは前記コンパレータの出力によりオンオフが制御されるよう構成したことを特徴とする請求項1に記載の半導体集積回路。
- 前記放電用抵抗の他端は、前記容量の他端にそのソースが接続されるNchMOSFETのドレインに接続され、該NchMOSFETは前記コンパレータの出力によりオンオフが制御されるよう構成したことを特徴とする請求項1に記載の半導体集積回路。
- 充電時には、前記コンパレータの出力により前記PchMOSFETがオンされて、前記充電用抵抗を介して前記容量に電荷を蓄積することを特徴とする請求項4に記載の半導体集積回路。
- 放電時には、前記コンパレータの出力により前記NchMOSFETがオンされて、前記放電用抵抗を介して前記容量に蓄積された電荷を放電することを特徴とする請求項5に記載の半導体集積回路。
- 前記直流電源と前記容量の一端との間の充電用抵抗と、前記容量の他端と一端との間の放電用抵抗の直列合成抵抗が温度特性をもたないものになっていることを特徴とする請求項1ないし7のいずれか1項に記載の半導体集積回路。
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