JP6877252B2 - 半導体装置及びその制御方法 - Google Patents

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Description

本発明は、半導体装置及びその制御方法に関する。
水晶発振器は、例えば無線通信用の半導体装置において、基準となる周波数信号を生成するために広く用いられている。水晶発振器は、水晶振動子と、水晶振動子を発振させる発振回路を備えている。
水晶振動子の発振周波数は、僅かながら温度依存性を有しており、通常のＡＴカット水晶振動子では、温度に対して３次曲線状に変化する。一例として、−４０〜８５℃の温度範囲において、±２０〜３０ｐｐｍ程度の周波数偏差を有している。
特許文献１、２には、上述の３次曲線状の温度依存性をキャンセルし、発振周波数を一定に維持するように制御する温度補償回路を備えた温度補償型水晶発振器（ＴＣＸＯ：Temperature Compensated Crystal Oscillator）が開示されている。温度補償型水晶発振器では、周波数偏差を例えば±１ｐｐｍ以下に低減することができる。
特開２００８−３００９７８号公報 特開２０１３−０９８８６０号公報
特許文献１、２に開示されたような温度補償型水晶発振器では、上述の通り、３次曲線状の温度依存性をキャンセルし、例えば周波数偏差を±１ｐｐｍ以下に低減する。そのため、膨大なデータを記憶した上で、バリキャップなどのアナログ可変容量素子を用いて、負荷容量を連続的に変化させる必要がある。従って、回路規模及び消費電力が増大してしまうという問題があった。
その他の課題と新規な特徴は、本明細書の記述および添付図面から明らかになるであろう。
一実施の形態に係る半導体装置は、水晶振動子の一端に互いに並列接続された複数の負荷容量素子と、当該複数の負荷容量素子のそれぞれに直列接続された複数のスイッチと、を有する可変負荷容量回路と、水晶振動子を発振させた周波数信号の温度変化による周波数偏差の指標となる情報に基づいて、複数のスイッチのオン／オフを制御するスイッチ制御部と、を備えている。スイッチ制御部は、情報が所定の許容範囲内に含まれない場合、周波数偏差の絶対値が小さくなるように、複数のスイッチのうちオンにする個数を変更する。
前記一実施の形態によれば、周波数偏差を所定の許容範囲内に収めつつ、回路規模及び消費電力の増大を抑制することができる。
第１の実施の形態に係る半導体装置１００の構成を示すブロック図である。 第１の実施の形態に係る半導体装置１００の構成を示す詳細なブロック図である。 第１の実施の形態に係る半導体装置１００における記憶部ＭＥＭに格納されたテーブルの一例を示す図である。 第１の実施の形態に係る半導体装置１００が備える無線トランシーバ回路ＲＦＴの構成の一例を示すブロック図である。 水晶振動子ＣＵの周波数偏差Δｆ／ｆｎの温度依存性の一例を示すグラフである。 水晶振動子ＣＵの周波数偏差Δｆ／ｆｎの負荷容量依存性の一例を示すグラフである。 第１の実施の形態に係る半導体装置の制御方法を示すフローチャートである。 第２の実施の形態に係る半導体装置２００の構成を示す詳細なブロック図である。 第２の実施の形態に係る半導体装置２００が備える無線トランシーバ回路ＲＦＴの構成の一例を示すブロック図である。 第２の実施の形態に係る半導体装置２００における記憶部ＭＥＭに格納されたテーブルの一例を示す図である。 第２の実施の形態に係る半導体装置の制御方法を示すフローチャートである。
説明の明確化のため、以下の記載及び図面は、適宜、省略、及び簡略化がなされている。また、様々な処理を行う機能ブロックとして図面に記載される各要素は、ハードウェア的には、ＣＰＵ、メモリ、その他の回路で構成することができ、ソフトウェア的には、メモリにロードされたプログラムなどによって実現される。したがって、これらの機能ブロックがハードウェアのみ、ソフトウェアのみ、またはそれらの組合せによっていろいろな形で実現できることは当業者には理解されるところであり、いずれかに限定されるものではない。なお、各図面において、同一の要素には同一の符号が付されており、必要に応じて重複説明は省略されている。
（第１の実施の形態）
＜半導体装置１００の構成＞
まず、図１を参照して、第１の実施の形態に係る半導体装置について説明する。図１は、第１の実施の形態に係る半導体装置１００の構成を示すブロック図である。図１に示すように、第１の実施の形態に係る半導体装置１００は、水晶振動子ＣＵ、発振回路ＯＣ、可変負荷容量回路ＣＬ、スイッチ制御部ＳＣを備えている。ここで、可変負荷容量回路ＣＬは、２ｎ（ｎは２以上の自然数）個の負荷容量素子Ｃ１ａ〜Ｃｎａ、Ｃ１ｂ〜Ｃｎｂ及び２ｎ個のスイッチＳ１ａ〜Ｓｎａ、Ｓ１ｂ〜Ｓｎｂを備えている。
図１に示すように、半導体装置１００では、発振回路ＯＣによって水晶振動子ＣＵを発振させ、発振回路ＯＣから周波数信号ｆｓを出力する。
水晶振動子ＣＵの一端には、可変負荷容量回路ＣＬを構成する全ての負荷容量素子Ｃ１ａ〜Ｃｎａの一端が接続されている。そして、負荷容量素子Ｃ１ａ〜Ｃｎａのそれぞれの他端には、可変負荷容量回路ＣＬを構成するスイッチＳ１ａ〜Ｓｎａのそれぞれの一端が接続されている。全てのスイッチＳ１ａ〜Ｓｎａの他端はグランドに接続されている。
すなわち、負荷容量素子Ｃ１ａ〜ＣｎａのそれぞれとスイッチＳ１ａ〜Ｓｎａのそれぞれとが、水晶振動子ＣＵの一端とグランドとの間において直列に接続されている。そして、直列に接続されたｎペアの負荷容量素子Ｃ１ａ〜ＣｎａとスイッチＳ１ａ〜Ｓｎａとは、水晶振動子ＣＵの一端とグランドとの間において互いに並列に接続されている。スイッチＳ１ａ〜Ｓｎａは、例えばＭＯＳ（Metal-Oxide-Semiconductor）トランジスタである。
なお、水晶振動子ＣＵの一端側にスイッチＳ１ａ〜Ｓｎａを接続し、グランド側に負荷容量素子Ｃ１ａ〜Ｃｎａを接続してもよい。なお、負荷容量素子Ｃ１ａ〜Ｃｎａのそれぞれの容量は等しい必要はないが、等しくすると、制御及び製造が容易になる。
同様に、水晶振動子ＣＵの他端には、可変負荷容量回路ＣＬを構成する全ての負荷容量素子Ｃ１ｂ〜Ｃｎｂの一端が接続されている。そして、負荷容量素子Ｃ１ｂ〜Ｃｎｂのそれぞれの他端には、可変負荷容量回路ＣＬを構成するスイッチＳ１ｂ〜Ｓｎｂのそれぞれの一端が接続されている。全てのスイッチＳ１ｂ〜Ｓｎｂの他端はグランドに接続されている。
すなわち、負荷容量素子Ｃ１ｂ〜ＣｎｂのそれぞれとスイッチＳ１ｂ〜Ｓｎｂのそれぞれとが、水晶振動子ＣＵの一端とグランドとの間において直列に接続されている。そして、直列に接続されたｎペアの負荷容量素子Ｃ１ｂ〜ＣｎｂとスイッチＳ１ｂ〜Ｓｎｂとは、水晶振動子ＣＵの一端とグランドとの間において互いに並列に接続されている。スイッチＳ１ｂ〜Ｓｎｂは、例えばＭＯＳトランジスタである。
なお、水晶振動子ＣＵの他端側にスイッチＳ１ｂ〜Ｓｎｂを接続し、グランド側に負荷容量素子Ｃ１ｂ〜Ｃｎｂを接続してもよい。なお、負荷容量素子Ｃ１ｂ〜Ｃｎｂのそれぞれの容量は等しい必要はないが、等しくすると、制御及び製造が容易になる。
スイッチ制御部ＳＣは、温度変化による周波数信号ｆｓの周波数偏差の指標となる情報を取得する。そして、スイッチ制御部ＳＣは、取得した情報に基づいて、ｎ本の信号線からなるバスＢＵＳを介して、ｎペアのスイッチＳ１ａ〜Ｓｎａ、Ｓ１ｂ〜Ｓｎｂのオン／オフを制御する。ここで、ペアであるスイッチＳ１ａ、Ｓ１ｂは、同じ信号によってオン／オフが制御される。同様に、ペアであるスイッチＳ２ａ、Ｓ２ｂ〜スイッチＳｎａ、Ｓｎｂについてもそれぞれ同じ信号によってオン／オフが制御される。
スイッチ制御部ＳＣは、取得した情報が所定の許容範囲内に含まれない場合、発振回路ＯＣから出力される周波数信号ｆｓの周波数偏差の絶対値が小さくなるように、スイッチＳ１ａ〜Ｓｎａ、Ｓ１ｂ〜Ｓｎｂのうちオンにする個数を変更する。これにより、水晶振動子ＣＵの一端とグランドとの間に接続される負荷容量素子Ｃ１ａ〜Ｃｎａの数を変更し、水晶振動子ＣＵの一端に接続される負荷容量を変化させる。同様に、水晶振動子ＣＵの他端とグランドとの間に接続される負荷容量素子Ｃ１ｂ〜Ｃｎｂの数を変更し、水晶振動子ＣＵの他端に接続される負荷容量を変化させる。
なお、本実施の形態に係る半導体装置１００では、水晶振動子ＣＵの両端に接続された負荷容量を両方とも変化させることができる。しかしながら、水晶振動子ＣＵの少なくとも一端に接続された負荷容量を変化させることができればよい。
＜効果の説明＞
上述の通り、本実施の形態に係る半導体装置１００は、温度変化による周波数信号ｆｓの周波数偏差の指標となる情報に基づいて、スイッチＳ１ａ〜Ｓｎａ、Ｓ１ｂ〜Ｓｎｂのオン／オフを制御するスイッチ制御部ＳＣを備えている。具体的には、取得した情報が所定の許容範囲内に含まれない場合、周波数信号ｆｓの周波数偏差の絶対値が小さくなるように、スイッチＳ１ａ〜Ｓｎａ、Ｓ１ｂ〜Ｓｎｂのうちオンにする個数を変更する。そのため、水晶振動子ＣＵの両端に接続される負荷容量を変化させ、発振回路ＯＣから出力される周波数信号ｆｓの周波数偏差を所定の許容範囲内に収めることができる。
他方、本実施の形態に係る半導体装置１００では、温度補償型水晶発振器（ＴＣＸＯ）のように３次曲線状の温度依存性をキャンセルために、膨大なデータを記憶する必要がない。また、負荷容量を連続的に変化させる必要がないため、バリキャップなどのアナログ可変容量素子が不要である。そのため、本実施の形態に係る半導体装置１００では、温度補償型水晶発振器に比べ、回路規模及び消費電力の増大を抑制することができる。
以上の通り、本実施の形態に係る半導体装置１００では、周波数偏差を所定の許容範囲内に収めつつ、回路規模及び消費電力の増大を抑制することができる。
＜半導体装置１００の詳細な構成＞
次に、図２を参照して、第１の実施の形態に係る半導体装置についてより詳細に説明する。図２は、第１の実施の形態に係る半導体装置１００の構成を示す詳細なブロック図である。図２に示すように、第１の実施の形態に係る半導体装置１００は、図１に示した水晶振動子ＣＵ、発振回路ＯＣ、可変負荷容量回路ＣＬ、スイッチ制御部ＳＣに加え、温度センサＴＳ、記憶部ＭＥＭ、無線トランシーバ回路ＲＦＴ、アンテナＡＮを備えている。
また、図２に示すように、発振回路ＯＣ、可変負荷容量回路ＣＬ、スイッチ制御部ＳＣ、記憶部ＭＥＭ、温度センサＴＳ、無線トランシーバ回路ＲＦＴは、半導体チップからなる無線トランシーバＬＳＩ１０に集積されている。そして、無線トランシーバＬＳＩ１０に設けられた端子に、水晶振動子ＣＵ及びアンテナＡＮが外付けされている。
図２に示すように、発振回路ＯＣは、インバータＩＮＶ、制限抵抗Ｒｄ、帰還抵抗Ｒｆを備えている。発振回路ＯＣは、水晶振動子ＣＵを発振させて、周波数信号ｆｓを出力する。
インバータＩＮＶの入力は、水晶振動子ＣＵの一端に接続されており、インバータＩＮＶの出力から周波数信号ｆｓが出力される。
制限抵抗Ｒｄは、インバータＩＮＶの出力と水晶振動子ＣＵの他端の間には設けられている。制限抵抗Ｒｄは、水晶振動子ＣＵに過大電流が流入することを抑制する。
帰還抵抗Ｒｆは、インバータＩＮＶと並列に設けられている。すなわち、帰還抵抗Ｒｆの一端はインバータＩＮＶの入力に接続され、帰還抵抗Ｒｆの他端はインバータＩＮＶの出力に接続されている。帰還抵抗Ｒｆは、インバータＩＮＶの出力側から電流をインバータＩＮＶの入力側にフィードバックさせて発振を持続させる。
水晶振動子ＣＵの一端には、可変負荷容量回路ＣＬを構成する全ての負荷容量素子Ｃ１ａ〜Ｃｎａの一端が接続されている。そして、負荷容量素子Ｃ１ａ〜Ｃｎａのそれぞれの他端には、可変負荷容量回路ＣＬを構成するスイッチＳ１ａ〜Ｓｎａのそれぞれの一端が接続されている。全てのスイッチＳ１ａ〜Ｓｎａの他端はグランドに接続されている。
すなわち、負荷容量素子Ｃ１ａ〜ＣｎａのそれぞれとスイッチＳ１ａ〜Ｓｎａのそれぞれとが、水晶振動子ＣＵの一端とグランドとの間において直列に接続されている。そして、直列に接続されたｎペアの負荷容量素子Ｃ１ａ〜ＣｎａとスイッチＳ１ａ〜Ｓｎａとは、水晶振動子ＣＵの一端とグランドとの間において互いに並列に接続されている。スイッチＳ１ａ〜Ｓｎａは、例えばＭＯＳ（Metal-Oxide-Semiconductor）トランジスタである。
同様に、水晶振動子ＣＵの他端には、可変負荷容量回路ＣＬを構成する全ての負荷容量素子Ｃ１ｂ〜Ｃｎｂの一端が接続されている。そして、負荷容量素子Ｃ１ｂ〜Ｃｎｂのそれぞれの他端には、可変負荷容量回路ＣＬを構成するスイッチＳ１ｂ〜Ｓｎｂのそれぞれの一端が接続されている。全てのスイッチＳ１ｂ〜Ｓｎｂの他端はグランドに接続されている。
すなわち、負荷容量素子Ｃ１ｂ〜ＣｎｂのそれぞれとスイッチＳ１ｂ〜Ｓｎｂのそれぞれとが、水晶振動子ＣＵの一端とグランドとの間において直列に接続されている。そして、直列に接続されたｎペアの負荷容量素子Ｃ１ｂ〜ＣｎｂとスイッチＳ１ｂ〜Ｓｎｂとは、水晶振動子ＣＵの一端とグランドとの間において互いに並列に接続されている。スイッチＳ１ｂ〜Ｓｎｂは、例えばＭＯＳトランジスタである。
スイッチ制御部ＳＣは、温度センサＴＳから温度情報を取得する。そして、スイッチ制御部ＳＣは、取得した温度情報に基づいて、ｎ本の信号線からなるバスＢＵＳを介して、ｎペアのスイッチＳ１ａ〜Ｓｎａ、Ｓ１ｂ〜Ｓｎｂのオン／オフを制御する。ここで、ペアであるスイッチＳ１ａ、Ｓ１ｂは、同じ信号によってオン／オフが制御される。同様に、ペアであるスイッチＳ１ａ、Ｓ１ｂ〜スイッチＳ１ｎ、Ｓ１ｎについてもそれぞれ同じ信号によってオン／オフが制御される。
また、スイッチ制御部ＳＣは、温度センサＴＳから温度情報を取得すると、記憶部ＭＥＭに格納されたテーブルを参照し、スイッチＳ１ａ〜Ｓｎａ、Ｓ１ｂ〜Ｓｎｂのオン／オフを制御する。そのため、スイッチＳ１ａ〜Ｓｎａ、Ｓ１ｂ〜Ｓｎｂのオン／オフ制御を迅速に処理することができる。
詳細には図３を参照して後述するように、このテーブルには、水晶振動子ＣＵの型（水晶型）毎に温度範囲と、その温度範囲においてオンにするスイッチのペア数との対応関係が示されている。水晶型が異なると、周波数特性が多少異なるためである。そのため、スイッチ制御部ＳＣは、使用する水晶振動子ＣＵの型を示す水晶型信号ｃｔを取得する。
スイッチ制御部ＳＣは、取得した温度情報が所定の許容範囲内に含まれない場合、発振回路ＯＣから出力される周波数信号ｆｓの周波数偏差の絶対値が小さくなるように、スイッチＳ１ａ〜Ｓｎａ、Ｓ１ｂ〜Ｓｎｂのうちオンにする個数を変更する。これにより、水晶振動子ＣＵの一端とグランドとの間に接続される負荷容量素子Ｃ１ａ〜Ｃｎａの数を変更し、水晶振動子ＣＵの一端に接続される負荷容量を変化させる。同様に、水晶振動子ＣＵの他端とグランドとの間に接続される負荷容量素子Ｃ１ｂ〜Ｃｎｂの数を変更し、水晶振動子ＣＵの他端に接続される負荷容量を変化させる。
温度センサＴＳは、水晶振動子ＣＵの温度を間接的に検出する。温度センサＴＳとして、無線トランシーバ回路ＲＦＴを構成するアナログ回路用の基準電圧を生成するバンドギャップリファレンス回路を用いてもよい。この場合、温度センサＴＳを別途設ける必要がなく、回路規模の増大を抑制することができる。
記憶部ＭＥＭには、スイッチ制御部ＳＣが参照するテーブルが格納されている。ここで、図３は、第１の実施の形態に係る半導体装置１００における記憶部ＭＥＭに格納されたテーブルの一例を示す図である。図３に示すように、テーブルには、水晶振動子ＣＵの型（水晶型）、温度範囲、オンにするスイッチのペア数が示されている。具体的には、異なる水晶型Ａ、Ｂのそれぞれについて、温度範囲と、オンにするスイッチのペア数との対応関係が示されている。水晶型が異なると、後述する図５に示した温度依存性や図６に示した負荷容量依存性などの周波数特性が多少なりとも異なる。そのため、水晶型毎に、温度範囲と、オンにするスイッチのペア数との対応関係が示されている。
図３に示すように、水晶型Ａ、Ｂのいずれにおいても、水晶振動子ＣＵの許容温度範囲（図３の例では−４０〜８５℃）では、１０ペアのスイッチをオンしておく。そして、水晶型Ａ、Ｂのいずれにおいても、許容温度範囲を超えて温度が高くなるにつれて、オンにするスイッチのペア数を多くする。
図３の例では、具体的に、水晶型Ａの場合、温度範囲８５〜９５℃では１１ペアのスイッチをオンにし、温度範囲９５〜１００℃では１２ペアのスイッチをオンにし、温度範囲１００〜１０５℃では１３ペアのスイッチをオンにする。他方、水晶型Ｂの場合、温度範囲８５〜１００℃では１１ペアのスイッチをオンにし、温度範囲１００〜１０５℃では１２ペアのスイッチをオンにする。当然のことながら、図３に示した温度範囲及びオンにするスイッチのペア数の値は、あくまでも一例であり、適宜変更可能である。
無線トランシーバ回路ＲＦＴは、発振回路ＯＣから出力された周波数信号ｆｓを用いて、外部から取得した送信データｔｄから送信ＲＦ（Radio Frequency）信号を生成し、アンテナＡＮを介してこの送信ＲＦ信号を無線送信する。他方、無線トランシーバ回路ＲＦＴは、アンテナＡＮを介して受信ＲＦ信号を無線受信し、受信ＲＦ（Radio Frequency）信号から受信データｒｄを生成し、この受信データｒｄを外部に送信する。
図４は、第１の実施の形態に係る半導体装置１００が備える無線トランシーバ回路ＲＦＴの構成の一例を示すブロック図である。図４に示したスーパーヘテロダイン型の無線トランシーバ回路ＲＦＴは、ベースバンド処理部ＢＢＰ、ＩＱ変調器ＩＱＭ、ＩＦ（Intermediate Frequency）アンプＩＦＡ１、ＩＦＡ２、ＰＬＬ（Phase Locked Loop）回路ＰＬＬ１、ＰＬＬ２、周波数シンセサイザＦＳ、アップコンバータＵＣ、パワーアンプＰＡ、出力フィルタＯＦ、ローノイズアンプＬＮＡ、ＲＦ（Radio Frequency）ミキサＲＦＭ、ＩＦ（Intermediate Frequency）ミキサＩＦＭを備えている。なお、各種フィルタは省略されている。
ベースバンド処理部ＢＢＰは、外部から取得した送信データｔｄを送信ＩＱ信号に符号化し、ＩＱ変調器ＩＱＭに送信する。他方、ベースバンド処理部ＢＢＰは、ＩＦミキサＩＦＭから取得した受信ＩＱ信号を受信データｒｄに復号化して外部に送信する。
以下、送信データｔｄの流れについて説明する。
ＩＱ変調器ＩＱＭでは、ベースバンド処理部ＢＢＰから出力された送信ＩＱ信号によって、ＰＬＬ回路ＰＬＬ１から出力されたＩＦ（Intermediate Frequency）信号が直交変調され、送信ＩＦ信号が生成される。ここで、ＰＬＬ回路ＰＬＬ１から出力されるＩＦ信号は、発振回路ＯＣから出力される周波数信号ｆｓから生成される。
ＩＱ変調器ＩＱＭから出力された送信ＩＦ信号は、ＩＦアンプＩＦＡ１によって増幅される。増幅された送信ＩＦ信号は、アップコンバータＵＣにおいて、周波数シンセサイザＦＳから出力された周波数信号とミキシングされ、送信ＲＦ信号へアップコンバートされる。ここで、周波数シンセサイザＦＳから出力される周波数信号は、発振回路ＯＣから出力される周波数信号ｆｓから生成される。
アップコンバータＵＣから出力された送信ＲＦ信号は、パワーアンプＰＡによって増幅された後、出力フィルタＯＦを介して、アンテナＡＮから無線送信される。ここで、出力フィルタＯＦは、アンテナＡＮから無線送信される送信ＲＦ信号のローノイズアンプＬＮＡへの伝播を抑制している。
次に、受信データｒｄの流れについて説明する。
アンテナＡＮによって無線受信された受信ＲＦ信号は、出力フィルタＯＦを介して、ローノイズアンプＬＮＡに入力され、ローノイズアンプＬＮＡによって増幅される。ここで、出力フィルタＯＦは、アンテナＡＮから無線受信された受信ＲＦ信号のパワーアンプＰＡへの伝播を抑制している。
増幅された受信ＲＦ信号は、ＲＦミキサＲＦＭにおいて、周波数シンセサイザＦＳから出力された上記の周波数信号とミキシングされ、受信ＩＦ信号へダウンコンバートされる。ＲＦミキサＲＦＭから出力された受信ＩＦ信号は、ＩＦアンプＩＦＡ２によって増幅される。
増幅された受信ＩＦ信号は、ＩＦミキサＩＦＭにおいて、ＰＬＬ回路ＰＬＬ２から出力されたＩＦ信号とミキシングされ、受信ＩＱ信号に復調される。そして、ＩＦミキサＩＦＭから出力された受信ＩＱ信号は、ベースバンド処理部ＢＢＰによって受信データｒｄに復号化される。
＜効果の説明＞
上述の通り、本実施の形態に係る半導体装置１００は、取得した温度情報に基づいて、スイッチＳ１ａ〜Ｓｎａ、Ｓ１ｂ〜Ｓｎｂのオン／オフを制御するスイッチ制御部ＳＣを備えている。具体的には、取得した温度情報が所定の許容範囲内に含まれない場合、発振回路ＯＣから出力される周波数信号ｆｓの周波数偏差の絶対値が小さくなるように、スイッチＳ１ａ〜Ｓｎａ、Ｓ１ｂ〜Ｓｎｂのうちオンにする個数を変更する。そのため、水晶振動子ＣＵの両端に接続される負荷容量を変化させ、発振回路ＯＣから出力される周波数信号ｆｓの周波数偏差を所定の許容範囲内に収めることができる。
ここで、図５は、水晶振動子ＣＵの周波数偏差Δｆ／ｆｎの温度依存性の一例を示すグラフである。横軸が温度［℃］、縦軸が周波数偏差Δｆ／ｆｎ［ｐｐｍ］を示している。ここで、Δｆは、各温度における水晶振動子ＣＵの発振周波数ｆと公称周波数ｆｎとの差、すなわち温度による周波数ずれである。温度による周波数ずれΔｆ＝ｆ-ｆｎである。
図５に示すように、周波数偏差Δｆ／ｆｎは温度に対して３次曲線状に変化する。図５に示すように、水晶振動子ＣＵの補償温度範囲すなわち許容温度範囲（図５の例では−４０〜８５℃）では、周波数偏差Δｆ／ｆｎが所定の許容範囲（図５の例では±３０ｐｐｍ）内に収まっている。
これに対し、使用温度範囲を例えば−４０〜１０５℃に広げようとした場合、水晶振動子ＣＵの周波数偏差Δｆ／ｆｎは許容偏差の上限（図５の例では３０ｐｐｍ）を超えてしまう。
ここで、周波数偏差Δｆ／ｆｎの許容範囲は、通信規格などによって適宜設定される。例えば、Ｂｌｕｅｔｏｏｔｈ（登録商標） Ｌｏｗ Ｅｎｅｒｇｙなどの近距離無線通信規格における周波数偏差の許容範囲は±５０ｐｐｍである。そのため、当該規格に対するマージンを考慮して、周波数偏差の許容範囲を例えば±３０ｐｐｍ程度に設定することが考えられる。このような許容範囲は携帯電話の通信規格（周波数偏差の許容範囲が±３ｐｐｍ）に比べて一桁広く、温度補償型水晶発振器（ＴＣＸＯ）ほど狭い周波数偏差（例えば±１ｐｐｍ以下）は必要ない。
ここで、図６は、水晶振動子ＣＵの周波数偏差Δｆ／ｆｎの負荷容量依存性の一例を示すグラフである。横軸が負荷容量［ｐＦ］、縦軸が周波数偏差Δｆ／ｆｎ［ｐｐｍ］を示している。図６の例では、２５℃において周波数偏差Δｆ／ｆｎが０になるように、水晶振動子ＣＵに１２．５ｐＦの負荷容量が接続されている。ここで、図６に示すように、水晶振動子ＣＵに接続する負荷容量が増えると、周波数偏差Δｆ／ｆｎ［ｐｐｍ］が単調に減少する。
そこで、本実施の形態に係る半導体装置１００では、取得した温度が、例えば許容温度上限（図５の例では８５℃）を超えた場合、スイッチＳ１ａ〜Ｓｎａ、Ｓ１ｂ〜Ｓｎｂのうちオンにする個数を増やす。すなわち、図６に示したように、水晶振動子ＣＵの両端に接続される負荷容量を増やすことによって、発振回路ＯＣから出力される周波数信号ｆｓの周波数偏差Δｆ／ｆｎを減少させることができる。その結果、周波数信号ｆｓの周波数偏差Δｆ／ｆｎを許容偏差（図５の例では±３０ｐｐｍ）の範囲内に収めることができる。
他方、本実施の形態に係る半導体装置１００では、温度補償型水晶発振器（ＴＣＸＯ）のように３次曲線状の温度依存性をキャンセルために、膨大なデータを記憶する必要がない。また、負荷容量を連続的に変化させる必要がないため、バリキャップなどのアナログ可変容量素子が不要である。そのため、本実施の形態に係る半導体装置１００では、温度補償型水晶発振器に比べ、回路規模及び消費電力の増大を抑制することができる。
以上の通り、本実施の形態に係る半導体装置１００では、周波数偏差を所定の許容範囲内に収めつつ、回路規模及び消費電力の増大を抑制することができる。
＜半導体装置の制御方法＞
次に、図７を参照して、第１の実施の形態に係る半導体装置の制御方法について説明する。図７は、第１の実施の形態に係る半導体装置の制御方法を示すフローチャートである。図７の説明に当たっては、図１を適宜参照する。
図７に示すように、まず、図１に示した温度センサＴＳが、水晶振動子ＣＵの温度を検出する（ステップＳＴ１１）。
次に、スイッチ制御部ＳＣは、温度センサＴＳによる検出温度が、記憶部ＭＥＭに格納されたテーブル（図３参照）において使用中の温度範囲に含まれているか判断する（ステップＳＴ１２）。なお、最初に使用する温度範囲は許容温度範囲である。
検出温度が、図３に示したテーブルにおいて使用中の温度範囲に含まれている場合（ステップＳＴ１２ＹＥＳ）、スイッチ制御部ＳＣは、オンにするスイッチの個数（ペア数）を変更せずに、そのままスイッチ制御を終了する。一方、検出温度が、図３に示したテーブルにおいて使用中の温度範囲に含まれていない場合（ステップＳＴ１２ＮＯ）、スイッチ制御部ＳＣは、オンにするスイッチの個数（ペア数）を検出温度が含まれる温度範囲に対応したものに変更した後（ステップＳＴ１３）、スイッチ制御を終了する。
本実施の形態に係る半導体装置１００では、消費電力低減のためにパケット送受信完了毎に電源が遮断され、発振回路ＯＣも停止する。そのため、スイッチ制御部ＳＣは、例えばパケット送受信毎に、電源をオンにした後、パケット送受信するまでの間に、図７に示した制御を繰り返す。例えば、Ｂｌｕｅｔｏｏｔｈ Ｌｏｗ Ｅｎｅｒｇｙの場合、７．５ｍｓのインターバルで、６２５μｓのパケット送受信を繰り返す。なお、パケット送受信毎でなく、パケット送受信を複数回行う毎に、図７に示した制御を繰り返してもよい。また、オンにするスイッチの個数を変更したタイミングでは、電位が異なる負荷容量素子が接続されることで発振回路ＯＣから出力される周波数信号ｆｓの周波数が大きく変動する場合がある。そのため、オンにするスイッチの個数を変更するタイミングは、パケット送受信中でないことが好ましい。
（第２の実施の形態）
＜半導体装置２００の詳細な構成＞
次に、図８を参照して、第２の実施の形態に係る半導体装置について詳細に説明する。図８は、第２の実施の形態に係る半導体装置２００の構成を示す詳細なブロック図である。
図２に示した第１の実施の形態に係る半導体装置１００では、スイッチ制御部ＳＣが、温度センサＴＳから取得した温度情報に基づいて、ｎペアのスイッチＳ１ａ〜Ｓｎａ、Ｓ１ｂ〜Ｓｎｂのオン／オフを制御する。これに対して、図８に示した第２の実施の形態に係る半導体装置２００では、スイッチ制御部ＳＣが、無線トランシーバ回路ＲＦＴから取得した自動周波数制御（ＡＦＣ：Automatic Frequency Control）信号ａｆｃに基づいて、ｎペアのスイッチＳ１ａ〜Ｓｎａ、Ｓ１ｂ〜Ｓｎｂのオン／オフを制御する。そのため、第２の実施の形態に係る半導体装置２００は、温度センサＴＳが不要である。
ＡＦＣ信号ａｆｃは、マスター無線装置（不図示）から受信した受信ＲＦ信号の周波数（以下、マスター周波数という）と、発振回路ＯＣから出力される周波数信号ｆｓの周波数との差である。マスター周波数は常時一定に維持されており、水晶振動子ＣＵの公称周波数ｆｎに等しい。すなわち、ＡＦＣ信号ａｆｃは、発振回路ＯＣから出力される周波数信号ｆｓの温度による周波数ずれに相当するものである。
ここで、図９は、第２の実施の形態に係る半導体装置２００が備える無線トランシーバ回路ＲＦＴの構成の一例を示すブロック図である。図９に示した無線トランシーバ回路ＲＦＴは、図４に示した無線トランシーバ回路ＲＦＴと同じ回路構成を有している。図９に示すように、ベースバンド処理部ＢＢＰは、受信検波部ＲＤＵを備えている。受信検波部ＲＤＵは、ＡＦＣ信号ａｆｃを生成し、スイッチ制御部ＳＣに対して出力する。なお、図４では、受信検波部ＲＤＵは省略されている。
図９に示すように、受信検波部ＲＤＵは、ＩＦミキサＩＦＭから出力された受信ＩＱ信号の周波数と発振回路ＯＣから出力される周波数信号ｆｓの周波数とを受信する。ここで、受信ＩＱ信号の周波数がマスター周波数である。そのため、受信検波部ＲＤＵは、マスター周波数と、発振回路ＯＣから出力される周波数信号ｆｓの周波数との差に相当するＡＦＣ信号ａｆｃを生成することができる。
図８に示すように、スイッチ制御部ＳＣは、無線トランシーバ回路ＲＦＴからＡＦＣ信号ａｆｃすなわち周波数信号ｆｓの周波数ずれを取得する。そして、スイッチ制御部ＳＣは、取得した周波数信号ｆｓの周波数ずれに基づいて、ｎ本の信号線からなるバスＢＵＳを介して、ｎペアのスイッチＳ１ａ〜Ｓｎａ、Ｓ１ｂ〜Ｓｎｂのオン／オフを制御する。ここで、ペアであるスイッチＳ１ａ、Ｓ１ｂは、同じ信号によってオン／オフが制御される。同様に、ペアであるスイッチＳ１ａ、Ｓ１ｂ〜スイッチＳ１ｎ、Ｓ１ｎについてもそれぞれ同じ信号によってオン／オフが制御される。
また、スイッチ制御部ＳＣは、周波数信号ｆｓの周波数ずれを取得すると、記憶部ＭＥＭに格納されたテーブルを参照し、スイッチＳ１ａ〜Ｓｎａ、Ｓ１ｂ〜Ｓｎｂのオン／オフを制御する。そのため、スイッチＳ１ａ〜Ｓｎａ、Ｓ１ｂ〜Ｓｎｂのオン／オフ制御を迅速に処理することができる。
スイッチ制御部ＳＣは、取得した周波数信号ｆｓの周波数ずれが所定の許容範囲内に含まれない場合、発振回路ＯＣから出力される周波数信号ｆｓの周波数偏差の絶対値が小さくなるように、スイッチＳ１ａ〜Ｓｎａ、Ｓ１ｂ〜Ｓｎｂのうちオンにする個数を変更する。これにより、水晶振動子ＣＵの一端とグランドとの間に接続される負荷容量素子Ｃ１ａ〜Ｃｎａの数を変更し、水晶振動子ＣＵの一端に接続される負荷容量を変化させる。同様に、水晶振動子ＣＵの他端とグランドとの間に接続される負荷容量素子Ｃ１ｂ〜Ｃｎｂの数を変更し、水晶振動子ＣＵの他端に接続される負荷容量を変化させる。
ここで、図１０は、第２の実施の形態に係る半導体装置２００における記憶部ＭＥＭに格納されたテーブルの一例を示す図である。図１０に示すように、テーブルには、水晶振動子ＣＵの型（水晶型）毎に、オンにするスイッチが１ペア増加した際の周波数減少量が示されている。図１０の例では、異なる水晶型Ａ、Ｂ、Ｃのそれぞれについて、オンにするスイッチが１ペア増加した際の周波数減少量が示されている。周波数減少量は、図６に示した水晶振動子ＣＵの周波数偏差Δｆ／ｆｎの負荷容量依存性から取得することができる。
図１０の例では、具体的に、水晶型Ａの場合、オンにするスイッチが１ペア増加した際、周波数が−８ｋＨｚ変化する。水晶型Ｂの場合、オンにするスイッチが１ペア増加した際、周波数が−１３ｋＨｚ変化する。水晶型Ｃの場合、オンにするスイッチが１ペア増加した際、周波数が−１０ｋＨｚ変化する。当然のことながら、図１０に示したオンにするスイッチが１ペア増加した際の周波数変化の値は、あくまでも一例であり、適宜変更可能である。
以下に具体例について説明する。
公称周波数ｆｎを２．４ＧＨｚ、周波数信号ｆｓの周波数偏差Δｆ／ｆｎを許容偏差が±３０ｐｐｍとすると、周波数信号ｆｓの周波数ずれの許容範囲は、±７２ｋＨｚ（＝２．４ＧＨｚ×（±３０ｐｐｍ））となる。そのため、取得したＡＦＣ信号ａｆｃすなわち周波数信号ｆｓの周波数ずれが、許容範囲（±７２ｋＨｚ）に含まれていれば、スイッチ制御部ＳＣは、オンにするスイッチの個数を変更しない。
一方、取得した周波数信号ｆｓの周波数ずれが、許容範囲（±７２ｋＨｚ）に含まれていない場合、スイッチ制御部ＳＣは、その周波数ずれの値を、図１０に示したオンにするスイッチが１ペア増加した際の周波数減少量によって除す。そして、得られた商が正の値である場合、整数部の個数だけオンにするスイッチのペア数を増やし、得られた商が負の値である場合、整数部の個数だけオンにするスイッチのペア数を減らす。
具体例として、図１０に示したオンにするスイッチが１ペア増加した際の周波数減少量が１３ｋＨｚである水晶型Ｂを使用し、ＡＦＣ信号ａｆｃすなわち周波数信号ｆｓの周波数ずれの値が、許容範囲（±７２ｋＨｚ）に含まれていない場合を考える。周波数ずれの値が、許容上限値７２ｋＨｚを超えた８０ｋＨｚであった場合、８０ｋＨｚ／１３ｋＨｚ＝６．１・・・であるから、オンにするスイッチのペア数を６個増やす。一方、周波数ずれの値が許容下限値−７２ｋＨｚを下回る−８０ｋＨｚであった場合、−８０ｋＨｚ／１３ｋＨｚ＝−６．１・・・であるから、オンにするスイッチのペア数を６個減らす。このような制御により、発振回路ＯＣから出力される周波数信号ｆｓの周波数偏差を所定の許容範囲内に収めることができる。
＜効果の説明＞
上述の通り、本実施の形態に係る半導体装置２００は、温度変化による周波数信号ｆｓのずれを示すＡＦＣ信号ａｆｃに基づいて、スイッチＳ１ａ〜Ｓｎａ、Ｓ１ｂ〜Ｓｎｂのオン／オフを制御するスイッチ制御部ＳＣを備えている。具体的には、取得した周波数信号ｆｓのずれが所定の許容範囲内に含まれない場合、周波数信号ｆｓの周波数偏差の絶対値が小さくなるように、スイッチＳ１ａ〜Ｓｎａ、Ｓ１ｂ〜Ｓｎｂのうちオンにする個数を変更する。そのため、水晶振動子ＣＵの両端に接続される負荷容量を変化させ、発振回路ＯＣから出力される周波数信号ｆｓの周波数偏差を所定の許容範囲内に収めることができる。
他方、本実施の形態に係る半導体装置２００でも、温度補償型水晶発振器（ＴＣＸＯ）のように３次曲線状の温度依存性をキャンセルために、膨大なデータを記憶する必要がない。また、負荷容量を連続的に変化させる必要がないため、バリキャップなどのアナログ可変容量素子が不要である。そのため、本実施の形態に係る半導体装置２００でも、温度補償型水晶発振器に比べ、回路規模及び消費電力の増大を抑制することができる。
さらに、第２の実施の形態に係る半導体装置２００では、温度センサＴＳが不要であるため、第１の実施の形態に係る半導体装置１００に比べ、さらに回路規模及び消費電力の増大を抑制することができる。
以上の通り、本実施の形態に係る半導体装置２００でも、周波数偏差を所定の許容範囲内に収めつつ、回路規模及び消費電力の増大を抑制することができる。
＜半導体装置の制御方法＞
次に、図１１を参照して、第２の実施の形態に係る半導体装置の制御方法について説明する。図１１は、第２の実施の形態に係る半導体装置の制御方法を示すフローチャートである。図１１の説明に当たっては、図８、図９を適宜参照する。
図１１に示すように、まず、図９に示した受信検波部ＲＤＵは、周波数信号ｆｓのマスター周波数との周波数ずれを検出する（ステップＳＴ２１）。
次に、スイッチ制御部ＳＣは、受信検波部ＲＤＵから取得した周波数信号ｆｓの周波数ずれが許容範囲に含まれているか判断する（ステップＳＴ２２）。
周波数信号ｆｓの周波数ずれが許容範囲に含まれている場合（ステップＳＴ２２ＹＥＳ）、スイッチ制御部ＳＣは、オンにするスイッチの個数（ペア数）を変更せずに、そのままスイッチ制御を終了する。一方、周波数信号ｆｓの周波数ずれが許容範囲に含まれていない場合（ステップＳＴ２２ＮＯ）、スイッチ制御部ＳＣは、オンにするスイッチの個数（ペア数）を周波数信号ｆｓの周波数ずれの値に応じて変更した後（ステップＳＴ２３）、スイッチ制御を終了する。
本実施の形態に係る半導体装置２００でも、消費電力低減のためにパケット送受信完了毎に電源が遮断され、発振回路ＯＣも停止する。そのため、スイッチ制御部ＳＣは、例えばパケット送受信毎に、電源をオンにした後、パケット送受信するまでの間に、図１１に示した制御を繰り返す。なお、パケット送受信毎でなく、パケット送受信を複数回行う毎に、図１１に示した制御を繰り返してもよい。また、オンにするスイッチの個数を変更したタイミングでは、電位が異なる負荷容量素子が接続されることで発振回路ＯＣから出力される周波数信号ｆｓの周波数が大きく変動する場合がある。そのため、オンにするスイッチの個数を変更するタイミングは、パケット送受信中でないことが好ましい。
以上、本発明者によってなされた発明を実施の形態に基づき具体的に説明したが、本発明は既に述べた実施の形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において種々の変更が可能であることはいうまでもない。
１０ 無線トランシーバＬＳＩ
１００、２００ 半導体装置
ＡＮ アンテナ
ＢＢＰ ベースバンド処理部
ＢＵＳ バス
Ｃ１ａ〜Ｃｎａ、Ｃ１ｂ〜Ｃｎｂ 負荷容量素子
ＣＬ 可変負荷容量回路
ＣＵ 水晶振動子
ＦＳ 周波数シンセサイザ
ＩＦＡ１、ＩＦＡ２ ＩＦアンプ
ＩＦＭ ＩＦミキサ
ＩＮＶ インバータ
ＩＱＭ ＩＱ変調器
ＬＮＡ ローノイズアンプ
ＭＥＭ 記憶部
ＯＣ 発振回路
ＯＦ 出力フィルタ
ＰＡ パワーアンプ
ＰＬＬ１、ＰＬＬ２ ＰＬＬ回路
Ｒｄ 制限抵抗
ＲＤＵ 受信検波部
Ｒｆ 帰還抵抗
ＲＦＭ ＲＦミキサ
ＲＦＴ 無線トランシーバ回路
Ｓ１ａ〜Ｓｎａ、Ｓ１ｂ〜Ｓｎｂ スイッチ
ＳＣ スイッチ制御部
ＴＳ 温度センサ
ＵＣ アップコンバータ

Claims (12)

  1. 水晶振動子と
    前記水晶振動子を発振させ、周波数信号を出力する発振回路と、
    前記水晶振動子の一端に互いに並列接続された複数の負荷容量素子と、当該複数の負荷容量素子のそれぞれに直列接続された複数のスイッチと、を有する可変負荷容量回路と、
    温度変化による前記周波数信号の周波数偏差の指標となる情報として、前記周波数信号の周波数と、外部のマスター無線装置から受信した無線信号が有するマスター周波数との周波数ずれ情報を取得し、当該周波数ずれ情報に基づいて、前記複数のスイッチのオン／オフを制御するスイッチ制御部と、を備え、
    前記スイッチ制御部は、
    前記周波数ずれ情報が所定の許容範囲内に含まれない場合、前記周波数偏差の絶対値が小さくなるように、前記複数のスイッチのうちオンにする個数を変更する、
    半導体装置。
  2. 前記スイッチ制御部は、
    パケット送受信中でない期間に、前記複数のスイッチのうちオンにする個数を変更する、
    請求項１に記載の半導体装置。
  3. 前記複数の負荷容量素子のそれぞれの容量が互いに等しい、
    請求項１に記載の半導体装置。
  4. 前記可変負荷容量回路は、
    前記水晶振動子の他端に互いに並列接続された複数の負荷容量素子と、当該複数の負荷容量素子のそれぞれに直列接続された複数のスイッチと、をさらに有する、
    請求項１に記載の半導体装置。
  5. 前記水晶振動子の一端に接続された前記複数の負荷容量素子の個数と、前記水晶振動子の他端に接続された前記複数の負荷容量素子の個数とが等しい、
    請求項４に記載の半導体装置。
  6. 前記水晶振動子の一端及び他端に接続された前記複数の負荷容量素子のそれぞれの容量が互いに等しい、
    請求項４に記載の半導体装置。
  7. 水晶振動子と
    前記水晶振動子を発振させ、周波数信号を出力する発振回路と、
    前記水晶振動子の一端に互いに並列接続された複数の負荷容量素子と、当該複数の負荷容量素子のそれぞれに直列接続された複数のスイッチと、を有する可変負荷容量回路と、を備えた半導体装置の制御方法であって、
    温度変化による前記周波数信号の周波数偏差の指標となる情報として、前記周波数信号の周波数と、外部のマスター無線装置から受信した無線信号が有するマスター周波数との周波数ずれ情報を取得し、
    取得した前記周波数ずれ情報が所定の許容範囲内に含まれない場合、前記周波数偏差の絶対値が小さくなるように、前記複数のスイッチのうちオンにする個数を変更する、
    半導体装置の制御方法。
  8. パケット送受信中でない期間に、前記複数のスイッチのうちオンにする個数を変更する、
    請求項７に記載の半導体装置の制御方法。
  9. 前記複数の負荷容量素子のそれぞれの容量が互いに等しい、
    請求項７に記載の半導体装置の制御方法。
  10. 前記可変負荷容量回路は、
    前記水晶振動子の他端に互いに並列接続された複数の負荷容量素子と、当該複数の負荷容量素子のそれぞれに直列接続された複数のスイッチと、をさらに有する、
    請求項７に記載の半導体装置の制御方法。
  11. 前記水晶振動子の一端に接続された前記複数の負荷容量素子の個数と、前記水晶振動子の他端に接続された前記複数の負荷容量素子の個数とが等しい、
    請求項１０に記載の半導体装置の制御方法。
  12. 前記水晶振動子の一端及び他端に接続された前記複数の負荷容量素子のそれぞれの容量が互いに等しい、
    請求項１０に記載の半導体装置の制御方法。
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