JP7506517B2 - Semiconductor Device - Google Patents
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Description
本発明は半導体装置に関する。 The present invention relates to a semiconductor device.
SoC(System on Chip)などの半導体装置は、水晶発振回路により生成されたクロックをベースに動作するCPU、デジタル回路およびADCを有している。ADCはアナログデジタル変換回路の略称である。イメージセンサやエリアセンサなどの種々のセンサ制御や、モーターのセンサレスベクトル制御において、低ノイズかつ高分解能なADCの必要性が高まっている。水晶発振回路は、水晶振動子に励振電流を流すことで水晶振動子を発振させ、クロックを生成するが、この励振電流がノイズの原因となることがある。発生したノイズがADCの入力端子へカップリングすると、ADCの変換誤差が大きくなってしまう。特許文献1によれば、定電流特性を持つインバータ回路を用いて、ノイズを抑制する水晶発振回路が提案されている。 Semiconductor devices such as SoC (System on Chip) have a CPU, digital circuit, and ADC that operate based on a clock generated by a crystal oscillation circuit. ADC is an abbreviation for analog-to-digital conversion circuit. There is an increasing need for low-noise, high-resolution ADCs in the control of various sensors such as image sensors and area sensors, and in sensorless vector control of motors. A crystal oscillation circuit generates a clock by passing an excitation current through a crystal oscillator to oscillate the crystal oscillator, but this excitation current can cause noise. If the generated noise is coupled to the input terminal of the ADC, the conversion error of the ADC will increase. According to Patent Document 1, a crystal oscillation circuit that suppresses noise using an inverter circuit with constant current characteristics is proposed.
しかし、水晶発振回路の負性抵抗を調整するだけでは、近年の高性能な用途が要求するノイズ要件を満たすことは困難である。そこで、本発明は、発振回路が生成するクロック信号のカップリングノイズの影響を受けにくい半導体装置を提供することを目的とする。 However, simply adjusting the negative resistance of the crystal oscillator circuit makes it difficult to meet the noise requirements required for recent high-performance applications. Therefore, the present invention aims to provide a semiconductor device that is less susceptible to the effects of coupling noise in the clock signal generated by the oscillator circuit.
そこで、本発明は、
振動子に励振電流を供給して当該振動子を発振させることでクロック信号を生成する発振回路と、
前記発振回路が前記振動子を発振させるために必要となる励振レベルを制御する制御回路と、
アナログ入力信号をサンプリングしてホールドするサンプルホールド回路と、
前記振動子を発振させることで生成された前記クロック信号から派生したシステムクロックを供給されて動作し、前記サンプルホールド回路によりホールドされている前記アナログ入力信号の電圧をデジタルデータに変換するアナログデジタル変換回路と、
を有し、
前記制御回路は、前記サンプルホールド回路のi回目のサンプリングが開始されてから終了するまでに、前記発振回路の前記振動子を発振させるために必要となる励振レベルを、第1励振レベルから第N励振レベルへ低下させ、前記サンプルホールド回路のi回目のサンプリングが終了してから前記サンプルホールド回路のi+1回目のサンプリングが開始されるまでに、前記発振回路の励振レベルを前記第1励振レベルへ戻すように構成されていることを特徴とする半導体装置を提供する。
Therefore, the present invention provides
an oscillation circuit that supplies an excitation current to an oscillator to oscillate the oscillator and generate a clock signal;
A control circuit for controlling a drive level required for the oscillator circuit to oscillate the vibrator;
a sample and hold circuit that samples and holds an analog input signal;
an analog-to-digital conversion circuit that operates by receiving a system clock derived from the clock signal generated by oscillating the oscillator and converts the voltage of the analog input signal held by the sample-and-hold circuit into digital data;
having
The semiconductor device is characterized in that the control circuit is configured to reduce the excitation level required to oscillate the vibrator of the oscillation circuit from a first excitation level to an Nth excitation level between the start and end of the i-th sampling of the sample and hold circuit, and to return the excitation level of the oscillation circuit to the first excitation level between the end of the i-th sampling of the sample and hold circuit and the start of the i+1-th sampling of the sample and hold circuit.
本発明によれば、発振回路が生成するクロック信号のカップリングノイズの影響を受けにくい半導体装置が提供される。 The present invention provides a semiconductor device that is less susceptible to coupling noise in the clock signal generated by the oscillator circuit.
以下、添付図面を参照して実施形態が詳しく説明される。尚、以下の実施形態は特許請求の範囲に係る発明を限定するものではない。実施形態には複数の特徴が記載されているが、これらの複数の特徴の全てが発明に必須のものとは限らず、また、複数の特徴は任意に組み合わせられてもよい。さらに、添付図面においては、同一または同様の構成に同一の参照番号が付され、重複した説明は省略される。 The embodiments are described in detail below with reference to the attached drawings. Note that the following embodiments do not limit the invention according to the claims. Although the embodiments describe multiple features, not all of these multiple features are necessarily essential to the invention, and multiple features may be combined in any manner. Furthermore, in the attached drawings, the same reference numbers are used for the same or similar configurations, and duplicate explanations are omitted.
<実施例1>
(1)半導体装置
図1が示すように半導体装置1は様々な回路を有している。発振回路10は、水晶振動子2に励振電流を供給して水晶振動子2を振動させることでクロック信号を生成する。PLL(Phase Locked Loop)12は、発振回路10により生成されたクロック信号(基準クロック)を逓倍してシステムクロックを生成する。CPU14、GPIO16、ADC17、および不図示の機能ブロックはシステムクロックを供給されて動作する回路群である。GPIOは汎用入出力回路の略称である。切替回路15は、外部信号端子IOの接続相手をADC17とGPIO16とのいずれかに切り替える。ADC17は、外部信号端子IOから入力されたアナログ入力信号の電圧をデジタルデータへ変換する。GPIO16は、外部信号端子IOの入力端子として機能させるか、または、出力端子として機能させるかを切り替える。内部電源13は、外部電源端子VCCから供給された電圧を変換して内部ロジックを動作させるための電圧を生成し、内部電源端子VDDへ出力する。このように、内部電源13を設けることで動作電圧の異なる複数の回路群を半導体装置1の内部に混在させることが可能となる。外部電源端子VCCは、内部電源13、発振回路10、ADC17、および切替回路15に接続される。内部電源端子VDDはPLL12、CPU14、およびGPIO16へ接続される。外部接地端子VSSは、半導体装置1が実装されるプリント基板のグランド層またはフレームグランドなどに接続される端子である。
Example 1
(1) Semiconductor Device As shown in FIG. 1, a semiconductor device 1 has various circuits. An
(2)発振回路
図2が示すように、発振回路10は、水晶振動子2に対してそれぞれ並列接続された帰還抵抗R1とn個のトライステートインバータIV1、IV2、・・・、IVnを有している。n個のトライステートインバータIV1、IV2、・・・、IVnのサイズはそれぞれ異なってもよいし、同一であってもよい。以下では、トライステートインバータIV1、IV2、・・・、IVnは総称してトライステートインバータIVと記載されることがある。トライステートインバータIVは、セレクト端子E、出力端子O、および入力端子Iを有している。セレクト端子Eの論理が“L”になると、出力端子Oの状態は入力端子Iの論理に依存せずにフローティング状態になる。セレクト端子Eの論理が“H”になると、出力端子Oの論理は入力端子Iの論理を反転しものとなる。CPU14は、イネーブル信号E1、E2、・・・、Enの論理を切り替えることで、発振回路10の負性抵抗および励振レベルを調整する。水晶振動子2の等価直列抵抗に対して十分に大きな負性抵抗が得られるように、イネーブル信号E1、E2、・・・、Enの論理の組み合わせが選択される。励振レベルは、水晶振動子2の電力定格を超えない範囲で選択される。
(2) Oscillation Circuit As shown in FIG. 2, the
水晶振動子2の一端とグランドとの間にはコンデンサC1が接続されている。水晶振動子2の他端とグランドとの間にはコンデンサC2が接続されている。発振回路10に並列接続される水晶振動子2は、セラミック振動子など、他のタイプの振動子であってもよい。
A capacitor C1 is connected between one end of the
(3)トライステートインバータ
図3が示すように、トライステートインバータIVは6つのトランジスタを有している。PMOSトランジスタQP1、QP2は電源ノードと出力端子Oとの間に直列に接続されている。NMOSトランジスタQN1およびQN2はGND(グランド)ノードと出力端子Oとの間に直列に接続されている。MOSトランジスタQP2のゲートとQN1のゲートには、それぞれ入力端子Iが接続されている。PMOSトランジスタQP3とNMOSトランジスタQN3は電源ノードとGNDノードとの間に直列に接続されている。セレクト端子Sは、MOSトランジスタQP3ゲート、QN3のゲート、およびNMOSトランジスタQN2のゲートに接続されている。MOSトランジスタQP3のドレインとQN3のドレインはPMOSトランジスタQP1のゲートに接続されている。
(3) Tri-state inverter As shown in Fig. 3, the tri-state inverter IV has six transistors. The PMOS transistors QP1 and QP2 are connected in series between the power supply node and the output terminal O. The NMOS transistors QN1 and QN2 are connected in series between the GND (ground) node and the output terminal O. The input terminal I is connected to the gates of the MOS transistors QP2 and QN1, respectively. The PMOS transistor QP3 and NMOS transistor QN3 are connected in series between the power supply node and the GND node. The select terminal S is connected to the gate of the MOS transistor QP3, the gate of QN3, and the gate of the NMOS transistor QN2. The drains of the MOS transistors QP3 and QN3 are connected to the gate of the PMOS transistor QP1.
セレクト端子Sの論理が“L”になると、NMOSトランジスタQN2はオフ状態になる。また、セレクト端子Sの論理が“L”になると、PMOSトランジスタQP1もオフ状態になる。なぜなら、PMOSトランジスタQP1のゲートには、MOSトランジスタQP3とQN3によりセレクト端子Sに印可された信号の論理が反転されて生成された信号が印可されているからである。これにより、入力端子Iの論理に依存せずに、出力端子Oはフローティング状態となる。 When the logic of the select terminal S becomes "L", the NMOS transistor QN2 turns off. Also, when the logic of the select terminal S becomes "L", the PMOS transistor QP1 also turns off. This is because a signal generated by inverting the logic of the signal applied to the select terminal S by the MOS transistors QP3 and QN3 is applied to the gate of the PMOS transistor QP1. As a result, the output terminal O becomes floating, regardless of the logic of the input terminal I.
セレクト端子Sの論理が“H”になると、PMOSトランジスタQP1およびNMOSトランジスタQN2はオン状態になる。セレクト端子Sの論理が“H”になると、入力端子Iに印可された信号の論理を反転した論理が出力端子Oに出力される。MOSトランジスタQP1、QP2、QN1、QN2のサイズに依存して、トライステートインバータIVの1個当りのドライブ電流が決定される。 When the logic of the select terminal S becomes "H", the PMOS transistor QP1 and the NMOS transistor QN2 are turned on. When the logic of the select terminal S becomes "H", the inverted logic of the signal applied to the input terminal I is output to the output terminal O. The drive current per tri-state inverter IV is determined depending on the sizes of the MOS transistors QP1, QP2, QN1, and QN2.
ここではトライステートインバータIVの一例としてCMOSロジック型が説明された。しかし、トライステートインバータIVは、反転増幅器またはコンパレータなどのCMOSアナログ回路で構成されてもよい。MOSトランジスタQP1、QN2は定電流源に置き換えられてもよい。 Here, a CMOS logic type has been described as an example of the tri-state inverter IV. However, the tri-state inverter IV may be configured with a CMOS analog circuit such as an inverting amplifier or a comparator. The MOS transistors QP1 and QN2 may be replaced with a constant current source.
(4)周辺ブロック
図4が示すように、CPU14は内部バス100を介してGPIO制御部26のレジスタ261、ADC制御部27のレジスタ271、発振制御部20のレジスタ201に命令を書き込む。
(4) Peripheral Blocks As shown in FIG. 4, the
GPIO制御部26は、CPU14によりレジスタ261に格納されたデジタル/アナログの切替設定に応じて切替回路15の接続先を決定する。デジタルが選択されると、切替回路15は外部信号端子IOをGPIO16に接続する。GPIO制御部26は、CPU14により指定された入力または出力の切替設定をGPIO16へ送る。GPIO16が出力に切り替えられると、GPIO制御部26はGPIO16に出力値(論理)を設定する。GPIO16が入力に切り替えられると、GPIO制御部26はGPIO16から入力値(論理)を受け取る。
The
GPIO制御部26は、レジスタ261に格納されたデジタル/アナログの切替設定に応じて切替回路15の接続先をADC17に決定する。ADC17は逐次比較型のアナログデジタル変換回路である。ADC17は、サンプルホールドスイッチ171、サンプルホールドコンデンサCshおよび変換部172を備える。とりわけ、サンプルホールドスイッチ171およびサンプルホールドコンデンサCshはサンプルホールド回路を形成している。サンプルホールドスイッチ171がオン状態になると、外部信号端子IOの電圧がサンプルホールドコンデンサCshに印可され、サンプルホールドコンデンサCshが充電される。サンプルホールドスイッチ171がオフ状態になると、サンプルホールドコンデンサCshの電圧が保持される。変換部172は、サンプルホールドコンデンサCshに保持されている電圧をデジタル値に変換する。デジタル値はデジタルデータまたはADCデータと呼ばれてもよい。
The
ADC制御部27はレジスタ271とタイミング生成部272を含む。CPU14は、ADC17の起動/停止を指定する命令と、サンプルホールドスイッチ171のオンタイミングとオフタイミングなどの設定値をレジスタ271に格納する。タイミング生成部272は、レジスタ271より設定された値に基づいて、サンプルホールド信号のH/Lのタイミングと励振レベルの切替信号の出力タイミングなどを制御する。ADC制御部27は、変換部172により生成されたADCデータをレジスタ271へ格納する。これにより、CPU14は、レジスタ271を介してADCデータを取得する。
The
発振制御部20は、レジスタ201、セレクタ202およびデコーダ203を含む。レジスタ201は、発振回路10に設定される少なくとも2つの励振レベルの設定値を格納する。実施例1では、便宜上、第1励振レベルの設定値と第2励振レベルの設定値をレジスタ201に格納される。第1励振レベルは第2励振レベルよりも大きい。セレクタ202はタイミング生成部272から出力される切替信号に応じて第1励振レベルと第2励振レベルのいずれかを選択する。デコーダ203はセレクタ202により選択された励振レベルの設定値を発振回路10のイネーブル信号ENへ変換する。
The
CPU14は内部バス100を介してメモリ18にアクセスする。メモリ18はROM領域とRAM領域を有している。ROM領域は制御プログラムを記憶している。
The
(5)CPUによる制御
図5はCPU14が制御プログラムにしたがって実行する制御手順を示している。S501で、半導体装置1に外部電源から電力が供給されると、CPU14は、メモリ18に格納されている制御プログラムを読み出して起動する。
5 shows a control procedure executed by the
S502でCPU14は発振回路10の定常動作時の励振レベルと、ADC17がサンプリングを実行しているときの励振レベルとを設定する。これらの励振レベルの設定値はメモリ18に記憶されている。CPU14はこれらの設定値をメモリ18から読み出してレジスタ201に設定する。
In S502, the
S503でCPU14はサンプリング時間(サンプルホールド信号SHが“H”となる期間T)を設定する。たとえば、CPU14は内部バス100を通じてレジスタ271にサンプリング時間を書き込む。
In S503, the
S504でCPU14は励振レベルの切替時間txを設定する。たとえば、CPU14は内部バス100を通じてレジスタ271に切替時間txを書き込む。S505でCPU14はADC17の起動をADC制御部27に指示する。ADC制御部27は、CPU14からの指示にしたがってADC17を起動する。
In S504, the
(6)タイミングチャート
図6は発振回路10とADC17に関与する信号のタイミングチャートである。図6において励振レベルは単にレベルと表記されている。時刻t0にADC17が起動したものと仮定されている。時刻t1でサンプルホールド信号がLからHに切り替えられる。時刻t1はCPU14により指定されたタイミングである。時刻t2は励振レベルが第1励振レベルから第2励振レベルに切り替えられるタイミングである。時刻t3は、サンプルホールド信号がHからLに切り替えられるタイミングである。時刻t4は励振レベルが第2励振レベルから第1励振レベルに切り替えられるタイミングである。切替時間txは時刻t2から時刻t4までの期間である。
(6) Timing Chart FIG. 6 is a timing chart of signals related to the
発振回路10より生成された基準クロックCLKは、外部電源端子VCCの電圧と外部接地端子VSSの電圧を変動させる。この変動は、基準クロックCLKの立ち上りと立下りで発生しうる。外部電源端子VCCの電圧と外部接地端子VSSの電圧が変動すると、外部信号端子IOの出力も変動する。上述されたように、切替回路15およびサンプルホールドスイッチ171は同一の電源から電力を供給されて動作している。そのため、これらの浮遊容量を介して基準クロックCLKの立ち上りノイズと立下りノイズが外部信号端子IOにカップリングしうる。
The reference clock CLK generated by the
一方、PLL12により生成されたシステムクロックはロジック回路(例:CPU14、ADC制御部27および発振制御部20)の動作クロックとして利用される。CPU14の指示にしたがってADC制御部27がADC17を起動すると、予め設定されたサンプルホールド信号SHの立ち上りに同期して、外部信号端子IOはサンプルホールドコンデンサCshに接続される。サンプルホールドスイッチ171がオフからオンとなるときに発生するスイッチングノイズにより外部信号端子IOの電圧が変動する。変動した電圧は、サンプルホールドコンデンサCshと外部信号端子IOに接続される外部インピーダンスに依存した時定数にしたがって収束し、サンプルホールド信号SHの立下りに同期して保持される。サンプルホールド信号の立下りタイミングと基準クロックCLKの立ち上りまたは立下りのタイミングが重なる場合がある。この場合、基準クロックCLKのカップリングノイズの影響でサンプルホールドコンデンサCshの電圧が本来の電圧から大幅にずれた状態で保持されてしまう。
On the other hand, the system clock generated by the
そこで、実施例1では、サンプルホールド信号の立ち上りタイミング(時刻t1)よりも後のタイミング(時刻t2)で励振レベルの切替信号が“L”から“H”へ遷移する。さらに、サンプルホールド信号の立下りタイミング(時刻t3)よりも後のタイミング(時刻t4)で、励振レベルの切替信号が“H”から“L”へ遷移する。これにより、サンプルホールドコンデンサCshの電圧保持タイミングで励振レベルが第1励振レベルから第2励振レベルに低下する。つまり、切替時間txだけ励振レベルが第2励振レベルに維持される。その結果、基準クロックCLKのカップリングノイズの影響が低減される。 Therefore, in the first embodiment, the excitation level switching signal transitions from "L" to "H" at a timing (time t2) after the rising timing (time t1) of the sample and hold signal. Furthermore, the excitation level switching signal transitions from "H" to "L" at a timing (time t4) after the falling timing (time t3) of the sample and hold signal. This causes the excitation level to drop from the first excitation level to the second excitation level at the voltage holding timing of the sample and hold capacitor Csh. In other words, the excitation level is maintained at the second excitation level for only the switching time tx. As a result, the influence of coupling noise of the reference clock CLK is reduced.
励振レベルの低下量は、基準クロックCLKの安定性が確保され、かつ、ADC17の要求変換精度を満たすように設定される。励振レベルの低下量とは、第1励振レベルと第2励振レベルとの差である。
The amount of reduction in the excitation level is set so as to ensure the stability of the reference clock CLK and to satisfy the required conversion accuracy of the
励振レベルの切替信号が“H”となる期間T(t1からt2までの期間)の設定は、外部信号端子IOに接続される回路やデバイスによって調整されてもよい。外部信号端子IOに接続されるコンデンサの容量が大きい場合、カップリングノイズの影響による端子電圧の変動が小さくなる。そのため、期間Tは、可能な限り短い時間に設定されてもよい。たとえば、期間Tは、基準クロックCLKの立ち上り時間または立下り時間よりも長く、かつ、基準クロックCLKの1周期よりも短い時間に設定されてもよい。 The setting of the period T (the period from t1 to t2) during which the excitation level switching signal is "H" may be adjusted by a circuit or device connected to the external signal terminal IO. If the capacitance of the capacitor connected to the external signal terminal IO is large, the fluctuation of the terminal voltage due to the influence of coupling noise will be small. Therefore, the period T may be set to as short a time as possible. For example, the period T may be set to a time longer than the rise time or fall time of the reference clock CLK and shorter than one period of the reference clock CLK.
外部信号端子IOに接続される外部インピーダンスが低い場合、カップリングノイズの影響による端子電圧の変動量によらず、収束が早くなる。そのため、期間Tは短い時間に設定される。一方、外部インピーダンスが高い場合、カップリングノイズの影響による端子電圧の変動が大きくなる。そのため、期間Tは可能な限り長い時間に設定される。たとえば、期間Tは、外部インピーダンスとサンプルホールドコンデンサCshで定まるセトリング時間に設定される。 When the external impedance connected to the external signal terminal IO is low, convergence is fast regardless of the amount of fluctuation in the terminal voltage due to the influence of coupling noise. Therefore, the period T is set to a short time. On the other hand, when the external impedance is high, the fluctuation in the terminal voltage due to the influence of coupling noise becomes large. Therefore, the period T is set to the longest possible time. For example, the period T is set to the settling time determined by the external impedance and the sample-and-hold capacitor Csh.
以上で説明されたよう、励振レベルを一時的に低下させることで、外部信号端子IOに発生するカップリングノイズが大幅に低減される。その結果、入力されたアナログ信号の電圧が、精度高くサンプルホールドコンデンサCshにより保持される。ADC17の変換部172がこの電圧を変換してADCデータを生成することで、CPU14は精度の高いADCデータを取得できる。
As explained above, by temporarily lowering the excitation level, the coupling noise generated at the external signal terminal IO is significantly reduced. As a result, the voltage of the input analog signal is held with high precision by the sample-and-hold capacitor Csh. The
ADC17には一つの外部信号端子IOだけが接続されているがこれは一例に過ぎない。切替回路15をマルチプレクス型の切替回路に置換することで、複数の外部信号端子IOをADC17に接続することが可能となる。この場合、複数の外部信号端子IOの一つ一つに対して、レジスタ201は励振レベルを格納してもよい。つまり、CPU14は、複数の外部信号端子IOのうち選択された一つの外部信号端子IOに対応した第1励振レベルと第2励振レベルをメモリ18から読み出してレジスタ201に書き込む。これは、外部信号端子IOごとに適切な二つの励振レベルの組み合わせが異なる場合に、有効であろう。
Only one external signal terminal IO is connected to ADC17, but this is merely one example. By replacing switching
<実施例2>
実施例1では第1励振レベルを第2励振レベルへ一時的に低下させる例が説明された。しかし、第1励振レベルから第2励振レベルに切り替えると、発振回路10から生成される基準クロックCLKの周波数が変動しうる。基準クロックCLKの周波数変動の許容範囲は、基準クロックCLKを供給されて動作する周辺回路が正常に動作可能な範囲である。第1励振レベルと第2励振レベルとの差が大きすぎると、基準クロックCLKの周波数変動が許容範囲を超えてしまう。そこで、実施例2では、三つ以上の励振レベルを段階的に切り替えることで、基準クロックCLKの周波数の変動が許容範囲内に収められる。
Example 2
In the first embodiment, an example in which the first excitation level is temporarily lowered to the second excitation level is described. However, when the first excitation level is switched to the second excitation level, the frequency of the reference clock CLK generated from the
図7は実施例2の発振制御部30を示している。実施例2において実施例1と共通する説明は省略される。発振制御部30は、レジスタ301、選択部302、およびデコーダ303を含む。レジスタ301は、N個の励振レベルの設定値、切替数Xおよび切替時間txなどをCPU14により書き込まれて記憶する。Nは3以上の整数である。切替数XはN-1である。切替時間txは、一つの励振レベルが継続する継続時間である。
Figure 7 shows the
選択部302は、ADC制御部27により生成された切替信号に同期して励振レベルを選択する。選択部302は、切替数Xと切替時間txに従って励振レベルを選択してもよい。選択部302は、切替信号が入力されると励振レベルを切り替える。さらに、選択部302は、切替信号が入力されたタイミングをスタートとして、切替時間txを周期として、複数の励振レベルを順番に切り替えて行く。たとえば、切替信号が入力されたタイミングに、第1励振レベルが第2励振レベルに切り替えられる。選択部302は、切替を実行するたびにカウント値に1を加算して行く。カウント値が切替数Xになると、選択部302は、励振レベルを第1励振レベルに戻してもよい。デコーダ303は選択された励振レベルの設定値をイネーブル信号ENへ変換し、発振回路10へ出力する。
The
図8はCPU14が制御プログラムにしたがって実行する制御手順を示している。S801で、半導体装置1に外部電源から電力が供給されると、CPU14は、メモリ18に格納されている制御プログラムを読み出して起動する。
Figure 8 shows the control procedure executed by the
S802でCPU14は発振回路10の定常動作時の第1励振レベルと、ADC17がサンプリングを実行しているときの第2励振レベル~第N励振レベルを設定する。これらの励振レベルの設定値はメモリ18に記憶されている。CPU14はこれらの設定値をメモリ18から読み出してレジスタ301に設定する。
In S802, the
S803でCPU14はサンプリング時間(サンプルホールド信号SHが“H”となる期間T)を設定する。たとえば、CPU14は内部バス100を通じてレジスタ271にサンプリング時間を書き込む。
In S803, the
S804でCPU14は励振レベルの切替の開始タイミング(時刻t2)、終了タイミング(時刻t4)、および切替時間txを設定する。たとえば、CPU14は、開始タイミング、終了タイミング、および切替時間txをレジスタ301に書き込む。
In S804, the
S805でCPU14は励振レベルの切替数Xを設定する。たとえば、CPU14は、切替数Xをレジスタ301に書き込む。
In S805, the
S806でCPU14はADC17の起動をADC制御部27に指示する。ADC制御部27は、CPU14からの指示にしたがってADC17を起動する。
In S806, the
図9は発振回路10とADC17に関与する信号のタイミングチャートである。ここではN=6と仮定されている。時刻t0にADC17が起動したものと仮定されている。時刻t1でサンプルホールド信号がLからHに切り替えられる。時刻t1はCPU14により指定されたタイミングである。時刻t2は励振レベルが第1励振レベルから第2励振レベルに切り替えられるタイミングである。時刻t3は、サンプルホールド信号がHからLに切り替えられるタイミングである。時刻t4は励振レベルが第2励振レベルから第1励振レベルに切り替えられるタイミングである。
Figure 9 is a timing chart of signals related to the
実施例2でも、サンプルホールド信号の立ち上りタイミング(時刻t1)よりも後のタイミング(時刻t2)で励振レベルの切替信号が“L”から“H”へ遷移する。図9が示すように、開始タイミングである時刻t2で励振レベルが第1励振レベルから第2励振レベルへ切り替られている。その後、選択部302は、切替を実行したタイミングから切替時間txが経過するたびに、次の励振レベルを選択してデコーダ303へ出力する。たとえば、時刻t2から切替時間txが経過すると、選択部302は、励振レベルを第2励振レベルから第3励振レベルに切り替える。時刻t2から切替時間2×txが経過すると、選択部302は、励振レベルを第3励振レベルから第4励振レベルに切り替える。時刻t3から切替時間3×txが経過すると、選択部302は、励振レベルを第4励振レベルから第5励振レベルに切り替える。時刻t2から切替時間4×txが経過すると、選択部302は、励振レベルを第5励振レベルから第6励振レベルに切り替える。終了タイミングである時刻t4が到来すると、選択部302は、励振レベルを第1励振レベルに戻す。このように、時刻t2から時刻t4までの間にN-1個の励振レベルが順番に切り替えられている。
In the second embodiment, the excitation level switching signal also transitions from "L" to "H" at a timing (time t2) after the rising timing (time t1) of the sample hold signal. As shown in FIG. 9, the excitation level is switched from the first excitation level to the second excitation level at the start timing, time t2. After that, the
切替時間txは、基準クロックCLKの1周期以上となるように設定されてもよい。6個の励振レベルのうち、第1励振レベルは通常状態で設定される励振レベルである。第4励振レベルは最もノイズを低減できる励振レベルである。図9が示すように、第4励振レベルが適用される期間において、ADC17がホールドを実行する。他の励振レベルは、第1励振レベルと第4励振レベルとの間を補間するように決定される。たとえば、N個の励振レベルのうちj番目の励振レベルが最も小さな励振レベルであることが想定される。この場合、なお、i番目の励振レベルはi-1番目の励振レベルよりも低い(iは2からjまでの整数)。iがj+1からNまでの整数である場合、i番目の励振レベルはi-1番目の励振レベルよりも高い。なお、i番目の励振レベルとi-1番目の励振レベルとの差は一定である。ただし、基準クロックCLKの変動が許容範囲内であれば、i番目の励振レベルとi-1番目の励振レベルとの差は一定でなくてもよい。このように、基準クロックCLKの周波数変動に起因してPLL12のロックが外れない範囲で、他の励振レベルが段階的に低下または増加される。
The switching time tx may be set to be one or more periods of the reference clock CLK. Of the six excitation levels, the first excitation level is the excitation level set in the normal state. The fourth excitation level is the excitation level that can reduce noise the most. As shown in FIG. 9, during the period in which the fourth excitation level is applied, the
発振回路10の励振電流を徐々に低下および増加させることで、基準クロックCLKの周波数変動が緩やかになり、ホールドタイミングの励振レベルをさらに低く設定することが可能となる。したがって、実施例2は、実施例1に比べて、よりカップリングノイズの影響を低減することができる。つまり、外部信号端子IOに印可されるノイズが減少し、CPU14はより精度の高いADCデータを得ることができる。
By gradually decreasing and increasing the excitation current of the
図9ではNが6であるが、Nは6より大きくてもよいし、6未満かつ2以上であってもよい。また、選択部302またはCPU14は、最大の励振レベルと最小の励振レベルとの間を補間する1次式または2次式の関数を用いて、他の励振レベルを決定してもよい。
In FIG. 9, N is 6, but N may be greater than 6, or less than 6 and equal to or greater than 2. In addition, the
<まとめ>
[観点1]
発振回路10は、振動子に励振電流を供給して当該振動子を発振させることでクロック信号を生成する発振回路の一例である。CPU14および発振制御部20、30は、発振回路が振動子を発振させるために必要となる励振レベルを制御する制御回路の一例である。ADC17は、サンプルホールド回路およびアナログデジタル変換回路の一例である。サンプルホールド回路はアナログ入力信号をサンプリングしてホールドする。アナログデジタル変換回路は、クロック信号から派生したシステムクロックを供給されて動作する。アナログデジタル変換回路は、サンプルホールド回路によりホールドされているアナログ入力信号の電圧をデジタルデータに変換する。制御回路は、サンプルホールド回路のi回目のサンプリングが開始されてから終了するまでに、発振回路の励振レベルを、第1励振レベルから第N励振レベルへ低下させる。制御回路は、サンプルホールド回路のi回目のサンプリングが終了してからサンプルホールド回路のi+1回目のサンプリングが開始されるまでに、発振回路の励振レベルを第1励振レベルへ戻す。これにより、発振回路が生成するクロック信号のカップリングノイズの影響を受けにくい半導体装置が提供される。その結果、アナログデジタル変換回路によるAD変換の精度が向上する。
<Summary>
[Point 1]
The
[観点2、3]
実施例1が示すようにNは2であってもよい。実施例2が示すように、Nは3以上の整数であってもよい。
[
As shown in Example 1, N may be 2. As shown in Example 2, N may be an integer of 3 or more.
[観点4、5]
制御回路は、発振回路の励振レベルを第1励振レベルから第N励振レベルまで段階的に変更するように構成されていてもよい。たとえば、図9が例示するように、制御回路は、発振回路の励振レベルを第1励振レベルから第j励振レベルまで段階的または徐々に低下させてもよい。さらに、制御回路は、第j励振レベルから第N励振レベルまで段階的または徐々に増加させてもよい。これにより、カップリングノイズの影響がさらに低減されよう。
[Points 4 and 5]
The control circuit may be configured to change the excitation level of the oscillator circuit stepwise from the first excitation level to the Nth excitation level. For example, as illustrated in FIG. 9, the control circuit may stepwise or gradually decrease the excitation level of the oscillator circuit from the first excitation level to the jth excitation level. Furthermore, the control circuit may stepwise or gradually increase the excitation level from the jth excitation level to the Nth excitation level. This may further reduce the effect of coupling noise.
[観点6]
第j励振レベルは、第1励振レベルから第N励振レベルまでのN個の励振レベルのうちで、最も小さな励振レベルであってもよい。図9ではj=4の例が示されている。第1励振レベルから第j励振レベルへ急激に低下させると、基準クロックCLKの周波数変動が大きくなる。しかし、第1励振レベルから第j励振レベルへ徐々に低下させることで、第j励振レベルを小さく設定することが可能となり、基準クロックCLKの周波数変動も小さくなる。
[Point 6]
The jth excitation level may be the smallest excitation level among N excitation levels from the first excitation level to the Nth excitation level. An example of j=4 is shown in FIG. 9. If the excitation level is suddenly lowered from the first excitation level to the jth excitation level, the frequency fluctuation of the reference clock CLK becomes large. However, by gradually lowering the excitation level from the first excitation level to the jth excitation level, it is possible to set the jth excitation level small, and the frequency fluctuation of the reference clock CLK also becomes small.
[観点7]
図9が示すように、第1励振レベルから第N励振レベルまでのN個の励振レベルのうち第2励振レベルから第N励振レベルまでの各励振レベルの継続時間は、一定であってもよい。
[Point 7]
As shown in FIG. 9, the duration of each of the N excitation levels from the second excitation level to the Nth excitation level among the N excitation levels from the first excitation level to the Nth excitation level may be constant.
[観点8]
図4が示すように、クロック信号を逓倍してシステムクロックを生成するPLL回路が設けられてもよい。制御回路は、システムクロックを基準に複数の励振レベルの切り替えタイミングを制御してもよい。
[Point 8]
As shown in Fig. 4, a PLL circuit may be provided that multiplies the clock signal to generate a system clock. The control circuit may control the switching timing of the multiple drive levels based on the system clock.
[観点9、10]
制御回路が、励振レベルを第1励振レベルよりも低下させてから励振レベルを再び第1励振レベルに戻すまでの期間は、クロック信号の立ち上がりまたは立下りに要する時間よりも長い。さらに、この期間は、クロック信号の周期よりも短くてもよい。あるいは、この期間は、アナログデジタル変換回路のセトリング時間に等しくてもよい。
[Points 9 and 10]
The time period during which the control circuit reduces the drive level below the first drive level and returns the drive level to the first drive level is longer than the time required for the clock signal to rise or fall, and may be shorter than a period of the clock signal, or may be equal to the settling time of the analog-to-digital conversion circuit.
[観点11]
サンプルホールド回路の電源と発振回路の電源とは共通していてもよい。このような構成が採用される場合、カップリングノイズの影響が顕著となりやすい。そのため、実施例1、2は特に有効であろう。
[Point 11]
The power supply for the sample-and-hold circuit and the power supply for the oscillator circuit may be common. When such a configuration is adopted, the effect of coupling noise tends to be significant. Therefore, the first and second embodiments are particularly effective.
[観点12]
図2が例示するように、発振回路は、複数のインバータと帰還抵抗とを有してもよい。複数のインバータと帰還抵抗はそれぞれ並列に接続されている。
[Point 12]
2, the oscillator circuit may include a plurality of inverters and a feedback resistor, each of which is connected in parallel.
[観点13]
外部入力端子IOは入力端子の一例である。切替回路15は、入力端子をサンプルホールド回路に接続するか、または入力端子を他の回路(例:GPIO16)に接続するかを切り替えるスイッチ回路の一例である。このように、複数の用途間で端子を共用することで、半導体装置の小型化と半導体装置の用途の増加を図りやすくなる。実施例1、2ではこのような入力端子に回り込むカップリングノイズの影響が低減される。
[Point 13]
The external input terminal IO is an example of an input terminal. The switching
発明は上記実施形態に制限されるものではなく、発明の精神及び範囲から離脱することなく、様々な変更及び変形が可能である。従って、発明の範囲を公にするために請求項が添付される。 The invention is not limited to the above-described embodiments, and various modifications and variations are possible without departing from the spirit and scope of the invention. Therefore, the following claims are appended to disclose the scope of the invention.
1:半導体装置、10:発振回路、14、CPU、17:ADC、20、30:発振制御部 1: Semiconductor device, 10: Oscillator circuit, 14, CPU, 17: ADC, 20, 30: Oscillation control unit
Claims (13)
前記発振回路が前記振動子を発振させるために必要となる励振レベルを制御する制御回路と、
アナログ入力信号をサンプリングしてホールドするサンプルホールド回路と、
前記振動子を発振させることで生成された前記クロック信号から派生したシステムクロックを供給されて動作し、前記サンプルホールド回路によりホールドされている前記アナログ入力信号の電圧をデジタルデータに変換するアナログデジタル変換回路と、
を有し、
前記制御回路は、前記サンプルホールド回路のi回目のサンプリングが開始されてから終了するまでに、前記発振回路の前記振動子を発振させるために必要となる励振レベルを、第1励振レベルから第N励振レベルへ低下させ、前記サンプルホールド回路のi回目のサンプリングが終了してから前記サンプルホールド回路のi+1回目のサンプリングが開始されるまでに、前記発振回路の励振レベルを前記第1励振レベルへ戻すように構成されていることを特徴とする半導体装置。 an oscillation circuit that supplies an excitation current to an oscillator to oscillate the oscillator and generate a clock signal;
A control circuit for controlling a drive level required for the oscillator circuit to oscillate the vibrator;
a sample and hold circuit that samples and holds an analog input signal;
an analog-to-digital conversion circuit that operates by receiving a system clock derived from the clock signal generated by oscillating the oscillator and converts the voltage of the analog input signal held by the sample-and-hold circuit into digital data;
having
the control circuit is configured to reduce an excitation level required for oscillating the oscillator of the oscillation circuit from a first excitation level to an Nth excitation level between the start and end of an i-th sampling of the sample and hold circuit, and to return the excitation level of the oscillation circuit to the first excitation level between the end of the i-th sampling of the sample and hold circuit and the start of an i+1-th sampling of the sample and hold circuit.
前記制御回路は、前記システムクロックを基準に複数の励振レベルの切り替えタイミングを制御するように構成されていることを特徴とする請求項1ないし7のいずれか一項に記載の半導体装置。 a PLL circuit for multiplying the clock signal to generate the system clock;
8. The semiconductor device according to claim 1, wherein the control circuit is configured to control timing for switching between a plurality of drive levels based on the system clock.
前記複数のインバータと前記帰還抵抗はそれぞれ並列に接続されていることを特徴とする請求項1ないし11のいずれか一項に記載の半導体装置。 the oscillator circuit includes a plurality of inverters and a feedback resistor;
12. The semiconductor device according to claim 1, wherein the plurality of inverters and the feedback resistor are connected in parallel to each other.
前記入力端子を前記サンプルホールド回路に接続するか、または前記入力端子を他の回路に接続するかを切り替えるスイッチ回路と
をさらに有することを特徴とする請求項1ないし12のいずれか一項に記載の半導体装置。 An input terminal;
13. The semiconductor device according to claim 1, further comprising a switch circuit for switching between connecting the input terminal to the sample-and-hold circuit and connecting the input terminal to another circuit.
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