JP6817897B2 - 半導体装置及びその制御方法 - Google Patents
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Description
図1は、実施の形態1にかかる半導体装置1の構成例を示すブロック図である。本実施の形態にかかる半導体装置1は、発振周波数foの発振信号を出力する発振器であって、一次温度特性を調整可能な2種類の基準電圧Va,Vbを用いることにより、発振周波数foの一次温度特性だけでなく、発振周波数foの二次温度特性を抑制している。それにより、本実施の形態にかかる半導体装置1は、温度に依らず安定した発振周波数の発振信号を出力することができる。以下、具体的に説明する。
図2は、基準電圧生成回路11の具体的な構成例を示す図である。
図2に示すように、基準電圧生成回路11は、オペアンプA1と、抵抗素子R1,R2と、容量素子C1と、バイポーラトランジスタTR1と、スイッチ素子SW1,SW2と、を備える。本実施の形態では、バイポーラトランジスタTR1が、PNP型バイポーラトランジスタである場合を例に説明する。
発振回路12は、周波数/電流変換回路121と、制御電圧生成回路122と、電圧制御発振回路123と、分周回路124と、を備える。
図4は、発振回路12の具体的な構成例を発振回路12aとして示す図である。図4の例では、発振回路12を構成する各機能ブロックの具体的な構成が示されている。なお、図4の例では、ボルテージフォロア125がさらに設けられている。
図5に示すように、電圧制御発振回路123は、奇数個(本例では3個)のインバータINV1〜INV3と、Pチャネル型のMOSトランジスタMP1と、を有する。インバータINV1〜INV3は、リング状に縦続接続されている。インバータINV3の出力信号は、電圧制御発振回路123の出力信号(発振信号CLK)として用いられる。MOSトランジスタMP1は、電源電圧端子VDDと、各インバータINV1〜INV3の高電位側電源端子と、の間に設けられ、ゲートに制御電圧Vctrlが供給される。
続いて、発振信号CLKの安定化のメカニズムについて、計算式を用いて説明する。
図7は、基準電圧生成回路11の変形例を基準電圧生成回路11aとして示す図である。基準電圧生成回路11aは、基準電圧生成回路11と比較して、スイッチ素子SW3,SW4をさらに備える。
図8は、半導体装置1の一部のレイアウト構成例を示す図である。
図8に示すように、下位階層であるM1層には、抵抗素子R1が配置されている。なお、抵抗素子R1は、長方形状の複数の単位抵抗R11と、それらを連結する複数の連結部R12と、によって構成されている。
図9は、半導体装置1の一部の別のレイアウト構成例を示す図である。
複数の単位抵抗R11と、それらを連結する複数の連結部R12と、によって構成された抵抗素子R1は、y軸方向に沿って往復を繰り返しながら、x軸方向に沿って延在するように配置されている。
図10は、実施の形態2にかかる半導体装置2の構成例を示す図である。
図10に示すように、半導体装置2は、基準電圧生成回路21と、発振回路22と、を備える。基準電圧生成回路21は、基準電圧生成回路11に対応し、発振回路22は、発振回路12に対応する。なお、図10の例では、基準電圧生成回路21の具体的な構成例が示されている。
図11は、基準電圧生成回路21の変形例を基準電圧生成回路21aとして示す図である。基準電圧生成回路21aは、基準電圧生成回路21と比較して、可変抵抗R23の代わりに抵抗素子R24を備えるとともに、スイッチ素子SW22,SW23をさらに備える。
図12は、実施の形態3にかかる半導体装置3の構成例を示す図である。
図12に示すように、半導体装置3は、基準電圧生成回路31と、発振回路32と、を備える。基準電圧生成回路31は、基準電圧生成回路11に対応し、発振回路32は、発振回路12に対応する。なお、図12の例では、基準電圧生成回路31の具体的な構成例が示されている。
図13は、実施の形態4にかかる半導体装置4の構成例を示す図である。
図13に示すように、半導体装置3は、基準電流生成回路41,42と、発振回路43と、を備える。
図14は、基準電流生成回路41の具体的な構成例を示す図である。
図14に示すように、基準電流生成回路41は、オペアンプA43と、MOSトランジスタMP41〜MP43と、バイポーラトランジスタTR41,TR42と、可変抵抗R42と、抵抗素子R43と、を備える。本実施の形態では、MOSトランジスタMP41〜MP43が、何れもPチャネルMOSトランジスタであって、バイポーラトランジスタTR41,TR42が、何れもPNP型バイポーラトランジスタである場合を例に説明する。
図15は、基準電流生成回路42の具体的な構成例を示す図である。
図15に示すように、基準電流生成回路42は、オペアンプA44と、MOSトランジスタMP44〜MP46と、バイポーラトランジスタTR43,TR44と、可変抵抗R44と、を備える。オペアンプA44、MOSトランジスタMP44〜MP46、バイポーラトランジスタTR43,TR44、及び、可変抵抗R44は、それぞれ、オペアンプA43、MOSトランジスタMP41〜MP43、バイポーラトランジスタTR41,TR42、及び、可変抵抗R42に対応する。
発振回路43は、抵抗素子R41と、容量素子C41と、スイッチ素子SW41〜SW44と、コンパレータA41,A42と、SRラッチ回路L41と、インバータINV41〜INV44と、を備える。
図16のタイミングチャートに示すように、例えば、信号φ1がHレベルかつ信号φ1BがLレベルの場合、スイッチ素子SW41がオンかつスイッチ素子SW43がオフするため、容量素子C41には基準電流Ibの電荷が蓄積される。それにより、ノードN41の電圧Vc1は徐々に上昇する。コンパレータA41は、電圧Vc1が電圧Vr未満の場合には、比較結果Vcmp1をLレベルに維持し、電圧Vc1が上昇して電圧Vr以上になると、比較結果Vcmp1をLレベルからHレベルに切り替える。その後、信号φ1がLレベルかつ信号φ1BがHレベルになると、スイッチ素子SW41がオフかつスイッチ素子SW43がオンするため、容量素子C41に蓄積された電荷がスイッチ素子SW43を介して接地電圧端子GNDに向けて放出される。それにより、ノードN41の電圧Vc1は急峻に下降する。それにより、コンパレータA41は、比較結果Vcmp1をHレベルからLレベルに切り替える。
続いて、発振信号CLKの安定化のメカニズムについて、計算式を用いて説明する。
11,11a 基準電圧生成回路
12,12a 発振回路
21 基準電圧生成回路
22 発振回路
31 基準電圧生成回路
32 発振回路
41,42 基準電流生成回路
43 発振回路
121 周波数/電流変換回路
122 制御電圧生成回路
123 電圧制御発振回路
124 分周回路
125 ボルテージフォロア
A1〜A3 オペアンプ
A21 オペアンプ
A41,A42 コンパレータ
A43,A44 オペアンプ
C1〜C3 容量素子
C11,C12 容量素子
C41,C42 容量素子
INV1〜INV3 インバータ
INV41〜INV44 インバータ
L41 SRラッチ回路
MP1 MOSトランジスタ
MP21〜MP23 MOSトランジスタ
MP41〜MP46 MOSトランジスタ
R1,R2 抵抗素子
Ra 抵抗素子
R11 単位抵抗
R12 連結部
R12a 連結部
R12b 連結部
R21,R22 抵抗素子
R23 可変抵抗
R24 抵抗素子
R31,R32 可変抵抗
R33,R34 可変抵抗
R35,R36 可変抵抗
R41 抵抗素子
R42,R44 可変抵抗
R43 抵抗素子
SW1〜SW4 スイッチ素子
SW11〜SW14 スイッチ素子
SW21〜SW23 スイッチ素子
SW41〜SW44 スイッチ素子
TR1 バイポーラトランジスタ
TR21〜TR23 バイポーラトランジスタ
TR41〜TR44 バイポーラトランジスタ
W1 配線
WD ダミー配線
Claims (13)
- 一次温度特性を調整可能な第1基準電圧と、前記第1基準電圧と独立して一次温度特性を調整可能な第2基準電圧と、を生成する基準電圧生成回路と、
前記第1及び前記第2基準電圧を用いて、発振信号を出力する発振回路と、
を備え、
前記発振回路は、
前記第1基準電圧によって駆動され、帰還信号の周波数に応じた電流を出力する、RC型の変換回路と、
前記変換回路から出力された前記電流に応じた電圧と、前記第2基準電圧と、の電位差に応じた制御電圧を生成する制御電圧生成回路と、
前記制御電圧に応じた周波数の発振信号を出力する電圧制御発振回路と、
前記発振信号を分周して前記帰還信号として出力する分周回路と、
を有する、半導体装置。 - 前記基準電圧生成回路は、
定電圧と帰還電圧との電位差を増幅する第1オペアンプと、
前記第1オペアンプの出力端子と、接地電圧端子と、の間に設けられた第1抵抗素子と、
前記第1抵抗素子に直列に設けられた第1バイポーラトランジスタと、
前記第1抵抗素子上の複数のノードの電圧の何れかを選択して、前記第1基準電圧として出力する第1スイッチ素子と、
前記第1抵抗素子上の複数のノードの電圧の何れかを選択して、前記帰還電圧として出力する第2スイッチ素子と、
前記第1抵抗素子上の所定のノードと、前記接地電圧端子と、の間に設けられた第2抵抗素子と、を備え、
前記第2抵抗素子上の所定のノードの電圧が前記第2基準電圧として出力される、
請求項1に記載の半導体装置。 - 前記第1抵抗素子上の複数のノードの何れかを選択して、前記第2抵抗素子に接続する第3スイッチ素子と、
前記第2抵抗素子上の複数のノードの電圧の何れかを選択して、前記第2基準電圧として出力する第4スイッチ素子と、をさらに備えた、
請求項2に記載の半導体装置。 - 前記基準電圧生成回路は、
前記第1オペアンプの出力端子と、前記帰還電圧が入力される前記第1オペアンプの入力端子と、の間に帰還容量をさらに備えた、
請求項2に記載の半導体装置。 - 前記第1抵抗素子が配置された第1層、に積層される第2層に配置された配線と、
前記第2層において、平面視上、前記配線に覆われていない前記第1抵抗素子の部分を覆うように配置されたダミー配線と、を備えた、
請求項2に記載の半導体装置。 - 前記基準電圧生成回路は、
第1乃至第3MOSトランジスタと、
前記第1及び前記第2MOSトランジスタのそれぞれに直列に設けられた第1及び第2バイポーラトランジスタと、
前記第2MOSトランジスタと前記第2バイポーラトランジスタとの間に設けられた可変抵抗と、
前記第1及び第2MOSトランジスタのそれぞれのドレイン電圧を増幅して、前記第1乃至前記第3MOSトランジスタのそれぞれのゲートに対して出力するオペアンプと、
前記第3MOSトランジスタに直列に設けられた第1抵抗素子及び第3バイポーラトランジスタと、
前記第1抵抗素子上の複数のノードの電圧の何れかを選択して、前記第1基準電圧として出力する第1スイッチ素子と、
前記第1抵抗素子上の所定のノードと、接地電圧端子と、の間に設けられた第2抵抗素子と、を備え、
前記第2抵抗素子上の所定のノードの電圧が前記第2基準電圧として出力される、
請求項1に記載の半導体装置。 - 前記第1抵抗素子上の複数のノードの何れかを選択して、前記第2抵抗素子に接続する第2スイッチ素子と、
前記第2抵抗素子上の複数のノードの電圧の何れかを選択して、前記第2基準電圧として出力する第3スイッチ素子と、をさらに備えた、
請求項6に記載の半導体装置。 - 電源電圧端子と接地電圧端子との間に設けられた第1可変抵抗と、
前記第1可変抵抗に直列に設けられ、前記第1可変抵抗と異なる一次温度特性を有する第2可変抵抗と、
前記電源電圧端子と前記接地電圧端子との間に、前記第1及び前記第2可変抵抗とは別に設けられた第3可変抵抗と、
前記第3可変抵抗に直列に設けられ、前記第3可変抵抗と異なる一次温度特性を有する第4可変抵抗と、を備え、
前記第1及び前記第2可変抵抗が設けられた電流経路上のノードの電圧が、前記第1基準電圧として出力され、前記第3及び前記第4可変抵抗が設けられた電流経路上のノードの電圧が、前記第2基準電圧として出力される、
請求項1に記載の半導体装置。 - 前記変換回路は、
一端に前記第1基準電圧が印加される第3抵抗素子と、
前記第3抵抗素子の他端に設けられた第1及び第2容量素子と、
前記第1及び前記第2容量素子に対して、前記第3抵抗素子に流れる電流の電荷による充電、及び、放電を、前記帰還信号に基づいて相補的に切り替えるスイッチ部と、を備えた、
請求項1に記載の半導体装置。 - 前記制御電圧生成回路は、
前記第2基準電圧と、前記変換回路から出力された前記電流に応じた電圧と、の電位差を積分して、前記制御電圧として出力する積分器を備えた、
請求項1に記載の半導体装置。 - 前記変換回路は、
外部から前記第1基準電圧が供給される外部入力端子と、前記第1基準電圧が供給される前記変換回路の入力端子と、の間に設けられたボルテージフォロアをさらに備えた、
請求項1に記載の半導体装置。 - 一次温度特性を調整して第1基準電圧を生成し、
前記第1基準電圧と独立して一次温度特性を調整して第2基準電圧を生成し、
前記第1基準電圧によってRC型の変換回路を駆動することにより、帰還信号の周波数に応じた電流を出力し、
前記変換回路から出力された前記電流に応じた電圧と、前記第2基準電圧と、の電位差に応じた制御電圧を生成し、
前記制御電圧に応じた周波数の発振信号を出力し、
前記発振信号を分周して前記帰還信号として出力する、
半導体装置の制御方法。 - 前記変換回路は、
一端に前記第1基準電圧が印加される抵抗素子と、
前記抵抗素子の他端に設けられた第1及び第2容量素子と、
前記第1及び前記第2容量素子に対して、前記抵抗素子に流れる電流の電荷による充電、及び、放電を、前記帰還信号に基づいて相補的に切り替えるスイッチ部と、を備えた、
請求項12に記載の半導体装置の制御方法。
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