KR20010034272A - 온도 보상 오실레이터 - Google Patents

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KR20010034272A
KR20010034272A KR1020007007974A KR20007007974A KR20010034272A KR 20010034272 A KR20010034272 A KR 20010034272A KR 1020007007974 A KR1020007007974 A KR 1020007007974A KR 20007007974 A KR20007007974 A KR 20007007974A KR 20010034272 A KR20010034272 A KR 20010034272A
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잰-노엘 디바욱스
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맨프래드 메이어
이엠. 마이크로일레크트로닉-마린 쏘시에떼 아노님
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Abstract

본 발명은 정해진 주파수(f)에서 주기적 전압(Vo)을 공급하는 오실레이터(20)에 관한 것이다. 이 오실레이터는 참조 소스(23)와 공급 수단(24)을 포함한다. 상기 참조 소스(23)는 참조 전압(Vref)을 제공할 수 있고, 상기 전압에 링크되는 저항(R)을 포함한다. 상기 공급 수단(24)은 상기 정해진 주파수에서 상기 주기적 전압을 공급하고 상기 참조 전압을 수신할 수 있다. 상기 공급 수단은 제 1 온도 계수(α24)를 가져서, 이 주파수가 온도 영향하에서 변할 수 있다. 이 오실레이터는 제 1 온도 계수와 동일한 제 2 온도 계수(α23)를 참조 소스에 부여하도록 저항이 형성되어, 참조 전압과 공급 수단에 온도가 동일한 영향을 미치게 하고, 이는 온도에 독립적으로 주기적 전압을 공급하게 한다.

Description

온도 보상 오실레이터{TEMPERATURE COMPENSATED OSCILLATOR}
본 발명에서, 일정한 주파수를 가지는 주기 신호를 생성할 수 있는 회로로 오실레이터가 형성된다.
이러한 주파수 제공시 맞닥드리는 한가지 문제점은 다음과 같다. 즉, 온도 계수에 따라 온도의 함수로 주파수가 변할 수 있다는 점이다. 이는 시간을 기초로 오실레이터가 사용될 때 단점을 가진다.
이 문제점을 극복하기 위해 고려되는 다수의 온도 보상된 오실레이터가 미국 특허 제 5,604,467 호와 5,180,995 호 등에 나타난다.
본 명세서의 도 1a와 1b는 미국 특허 제 5,604,467 호 및 제 5,180,995 호에 각각 나타나는 오실레이터(1, 10)를 각각 보여준다.
도 1a에 도시되는 바와 같이, 오실레이터(1)는 참조 소스(3)와 공급 수단(5)을 포함한다. 참조 소스(3)는 공급 수단(5)에 전류 I를 공급하기 위해 배열되고, 온도 보상되어 전류 I가 온도에 관계없이 일정하게 유지된다. 공급 수단(5)은 전류 I의 공급을 통해 충전되는 커패시터(6)를 포함하고, 커패시터(6)의 단자 간 전압을 참조 전압 Vref에 비교하면서 주기 신호 CLK를 이에 따라 공급하도록 배치된다.
이러한 오실레이터의 한 단점은 다음과 같다. 즉, 보상될 공급 수단(5)에의 온도에 영향을 미치지 않는다는 점이다. 이 공급 수단은 온도 계수를 가진다. 그 결과, 신호 CLK의 주파수는 공급 수단(5)의 온도 계수를 통해 온도의 영향 하에서 변할 수 있다.
도 1b에 도시되는 바와 같이, 오실레이터(10)는 두 저항 R1, R2 및 일정 전압 제너레이터(13)를 갖춘 참조 소스(12)와 인버터(15a-15g)를 갖춘 공급 수단(14)을 포함한다. 두 저항 R1, R2는 양/음 온도 계수를 각각 가지도록 형성된다. 그러므로, 온도 증가 이후에, 신호 주파수 Φo는 저항 R1 및 오실레이터 자체의 온도 특성에 따라 감소하는 경향이 있고, 저항 R2의 온도 특성에 따라 증가하는 경향이 있다.
오실레이터(10)의 한가지 단점은 다음과 같다. 즉, 와류 주파수로 잠기는 것을 방지하기 위하여, 표면 영역의 상당한 잠식을 이끄는 인버터(7)를 포함하여야 한다는 점이다.
저항 R2의 한가지 결점은 다음과 같다. 즉, 집적 회로에 제작된 저항이 일반적으로 양의 온도 계수를 가질 때, 저항 R2의 온도 계수는 음이어야 한다는 점이다.
저항 R2의 또다른 단점은 다음과 같다. 즉, 저저항 물질인 다결정 실리콘의 영역에 저항 R2가 형성된다는 점이다. 그러므로, 높은 참조 전압을 얻기 위해, 높은 값의 저항을 형성할 필요가 있다. 이는 표면 영역의 상당한 점유를 필요로 한다. 또한, 참조 소스(12)에 상당한 전류(수 마이크로암페아 수준)를 제공할 필요가 있다. 이는 높은 수준의 전력 소모를 유발한다.
본 발명은 집적 회로에 관한 것이고, 특히 온도 보상된 오실레이터에 관한 것이다.
도 1a와 1b는 기존 기술에 따르는 두 개의 온도 보상 오실레이터의 도면.
도 2는 본 발명에 따르는 오실레이터의 도면.
도 3은 도 2의 오실레이터의 비교 수단의 도면.
도 4는 도 2의 오실레이터의 보다 상세한 부품 도면.
도 5는 도 2의 오실레이터에 존재하는 전압에 대한 세 개의 타이밍 다이어그램.
본 발명의 목적은 모든 오실레이터 부품에 대해 온도의 영향을 보상할 수 있는 오실레이터를 제공하는 것이고, 그래서 온도에 관계없이 정해진 주파수에서 주기적인 저압을 공급하도록 하는 것이다.
본 발명의 또다른 목적은 전력 소모 및 공간 요구사항에 관한 제약을 해결하는 오실레이터를 제공하는 것이다. 이는 집적 회로 산업에서 유용하다.
본 발명의 또하나의 목적은 표준 집적 회로 제작 공정을 통해 제작될 수 있는 오실레이터를 제공하는 것이다.
이 목적들은 청구범위 제 1 항에 따르는 오실레이터에 의해 구현될 수 있다.
이러한 오실레이터 저항의 한가지 장점은 다음과 같다. 즉, 이 저항은 공급 수단과 동일한 온도 계수를 참조 소스에 부여한다. 원하는 주파수에서 주기 전압의 공급이 온도에 영향을 받지 않는다. 달리 말해서, 형성되는 저항은 공급 수단의 온도 영향하에서 주파수 변화의 보상을 이끈다.
본 발명에 따르는 오실레이터의 또하나의 장점은 다음과 같다. 즉, 발진기는 일체형의 공지된 부품으로 만들어지고, 이는 공간 요구사항과 복잡도에 관한 사항을 해결한다.
본 발명의 이들 목적, 특징, 그리고 장점 및 타 목적, 특징, 장점은 첨부된 도면을 참고하여 아래에 설명되는 실시예에서 더욱 쉽게 이해될 것이다.
본 발명에 따르는 오실레이터의 선호되는 실시예는 도 2를 참조로 기술될 것이다. 이는 정해진 주파수 f에서 주기 전압 Vo를 제공할 수 있는 오실레이터(20)를 도시한다.
이를 위해, 오실레이터(20)는 참조 전압 Vref를 수신하면서 주파수 f에서 주기 전압 Vo를 공급할 수 있는 공급 수단(24)과, 참조 전압 Vref를 제공할 수 있는 참조 소스(23)를 포함한다.
공급 수단(24)이 온도 계수 α24를 가져서, 주파수 f가 온도 영향하에서 변할 수 있다. 이 범위 내에, 공급 수단(24)에 대한 온도의 영향하에서 주파수 f의 변화로 내성 변화가 정의된다.
참조 소스(23)는 참조 전압 Vref를 공급하기 위한 공급 수단(24)에 연결되는 출력 단자(23a)를 포함한다.
이를 위해, 참조 소스(23)는 도 2에 도시되는 바와 같이 저항 R과 네 개의 전계 효과 트랜지스터 T1-T4를 포함한다. 이 부품들은 공지된 참조 소스를 형성하도록 배열된다. 즉, 1977년 6월의 IEEE 저널 오브 솔리드 스테이트 서킷 제 SC-12권 3호 224-231쪽에 제시된 E. Vittoz 와 J. Fellrath의 "CMOS Analog Integrated Circuits based on Weak Inversion Operation"에서 공지된 사실을 바탕으로 배열된다.
트랜지스터 T3 및 T4 사이의 연결점의 전압은 참조 전압 Vref에 상응한다. 참조 전압 Vref의 공급은 저항 R에 링크된다. 이는 후에 보다 상세히 설명된다.
공급 수단(24)은 두 개의 비교 수단(26, 28)과, 상기 수단 각각에 루프로 연결된 플립-플롭(29)을 포함한다. 플립-플롭(29)은 두 비교 전압 U1, U2을 수용하기 위해 비교 수단(26, 28)에 각각 연결되는 두 입력 단자(29a, 29b)를 포함한다. 플립-플롭(29)은 두 출력 단자 Q 및 Q-를 제공하기 위해 두 출력 단자(29c, 29d)를 또한 포함한다.
이를 위해, 플립-플롭(29)은 공지된 RS 플립-플롭으로 제작되는 것이 선호된다.
본 예에서 플립-플롭(20)의 단자에 공급 수단(24)의 단자가 연결되고, 그래서, 오실레이터(20)에 의해 공급되는 전압 Vo가 전압 Q에 상응할 수 있다. 공급 수단(24)의 단자(24b)가 단자(29c) 대신에 플립-플롭(29)의 단자(29d)에 연결될 수 있음은 두말 할 나위조차 없다.
비교 수단(26)은 참조 전압 Vref 수용을 위해 공급 수단(24)의 단자(24a)에 연결되는 입력 단자(26a)를 포함한다. 비교 수단(26)은 출력 전압 Q를 수용하기 위해 플립-플롭(29)의 단자(29c)에 연결되는 입력 단자(26b)를 또한 포함한다. 비교 수단(26)은 비교 전압 U1을 공급하기 위해 플립-플롭(29)의 단자(29a)에 연결되는 출력 단자(26c)를 또한 포함한다. 비교 수단(26)은 전압 Q에 링크되는 전압에 참조 전압 Vref를 비교하기 위해 배열된다.
그러므로, 도 3을 참조할 때, 비교 수단(26)은 어큐뮬레이터 C1, 콤퍼레이터(35), 그리고 두 개의 스위치 T6, T7을 포함한다.
어큐뮬레이터 C1의 한편은 시스템 접지부에 연결되고, 다른 한편은 스위치 T6를 통해 시스템용 공급 단자에, 그리고 스위치 T7을 통해 시스템 접지부에 연결된다. 공지된 커패시터로 어큐뮬레이터 C1을 형성하는 것이 바람직하다. 참조 전압 VC1은 어큐뮬레이터 C1의 단자 간 전압을 표시하고, 참조 전압 Vss는 오실레이터(20)의 접지 전압을 표시한다.
스위치 T6 및 T7은 출력 전압 Q와 참조 전압 Vref에 의해 각각 제어될 수 있도록 연결된다. 스위치 T6 및 T7 각각은 공지된 전계 효과 트랜지스터로 형성되는 것이 바람직하다. 이 두 트랜지스터는 반대 종류이다. 즉, 트랜지스터 Y6가 PMOS형일 경우, 트랜지스터 T7은 NMOS형이다.
한계 전압 공급 수단에 의해 공급되는 한계 전압 Vth1 및 전압 VC1을 수용할 수 있도록 콤퍼레이터(35)가 배열된다. 콤퍼레이터(35)는 전압 VC1과 한계 전압 Vth1을 비교하여 이에 따라 비교 전압 U1을 공급하도록 또한 배열된다. 공지된 작동 증폭기로 콤퍼레이터(35)가 형성되는 것이 선호된다.
비교 수단(28)은 비교 수단(26)과 마찬가지로 형성된다. 그러므로, 비교 수단(28)은 커패시터 C2의 단자 간 전압 VC2와 한계 전압 Vth2를 비교할 수 있는 콤퍼레이터(36) 및 커패시터 C2나 어큐뮬레이터를 포함한다.
공급 수단(24)의 다른 부품이 결과적인 온도 계수(즉, α24)를 부여한다는 사실을 당 분야의 통상의 지식을 가진 자는 알 것이다. 그러므로, 참조 소스(23)에 의해 공급되는 전압 Vref가 일정하다고 가정할 때, 전압 Vo는 온도 계수 α1과 함께 온도 영향하에서 변해야 한다.
이 영향을 극복하기 위하여, 온도 계수 α24와 동일한 온도 계수 α23을 가지도록 참조 소스(23)가 형성되어, 온도가 공급 수단(24) 및 참조 전압 Vref에 동일한 영향을 미치게 하고, 이는 온도에 독립적으로 주기 전압 Vo를 공급하게 한다.
온도 계수 α23과 온도 계수 α24가 동일하도록 저항 R이 형성된다. 그러므로, 공급 수단(24)에 대한 온도의 영향하에서 주파수 f의 내성 변화를 보상할 수 있는 결과적 온도 계수를 가지도록 저항 R이 형성된다.
설명을 하자면, 저항 R은 서로 다른 온도 계수 α1 및 α2를 각각 가지는 두 물질 M1 및 M2로부터 각각 형성되는 두 개의 저항 R1 및 R2를 포함한다.
저항 R의 선호되는 실시예가 이제부터 기술될 것이고, 이 저항의 단면을 상세히 도시하는 도 4를 참고하여 기술될 것이다.
도 2와 연관되어 기술되는 것과 동일한 도 4의 부품은 동일 참조 번호로 표시될 것이다.
도 4에 도시되는 바와 같이, 약하게 도핑된 전도도의 N형(예) 불순물을 주입함으로서 약하게 도핑된 전도도의 P형(예)을 가지는 반도체 기판(40)에 웰 영역(42)이 형성된다. 다음에, 온도 계수 α1의 저항 R이 사이에 존재하는 두 연결 단자(42a, 42b)가 웰 영역(42)에 형성된다. 마찬가지로, 약하게 도핑된 전도도의 N형(예) 불순물을 주입함으로서 또다른 웰 영역(44)이 형성된다. 그리고, 강하게 도핑된 전도도의 P+형(예) 불순물을 주입함으로서 확산 존(46)이 웰 영역(44)에 형성된다. 그 후, 온도 계수 α2의 저항 R2가 사이에 존재하는 두 연결 단자(46a, 46b)가 확산 존(46)에 형성된다.
그 후, 연결 라인(48)을 통해 서로 단자(42a, 46b)를 연결함으로서, 저항 R1 및 R2가 직렬로 연결된다. 도 2에 도시되는 구조와 유사한 방식으로, 단자(42b)가 오실레이터(20)의 접지부에 연결되고, 단자(46a)가 단자(30a)에 연결된다. 이는 저항 R로 참조 소스(23)에 저항 R1 및 R2를 구현한다.
상기 예에서, 물질 M1, M2는 각각 확산 존을 형성하는 P+형 실리콘 및 웰 영역을 형성하는 N형 실리콘이다.
참조 소스(23)와 공급 수단(24)은 집적 회로 제작용 통상적 과정을 통해 단일 반도체 기판에 일체형으로 형성될 수 있다.
오실레이터(20)의 작동이 도 5를 참조로 이제부터 기술될 것이다. 도 5에서는 전압 Q, VC1, 그리고 VC2를 각각 보여주는 세 개의 타이밍 다이어그램(61-63)이 도시된다. 초기 순간 t0에서의 전압 Q는 "0" 값을 가진다고 고려해보자. 트랜지스터 T7이 이때 막히고, 커패시터 C1은 트랜지스터 T6를 통해 충전된다. 그러므로, 전압 VC1은 시간 t에 따라 선형으로 증가하고, 이는 파형(62)으로 도시되는 바와 같다. 순간 t0 다음의 순간 t1에서, 전압 VC1은 한계 전압 Vth1에 도달하고, 결과적으로 전압 U1이 상태변화된다. 이에 따라 전압 Q가 또한 상태변화되고, "1"과 같아진다.
전압 Q가 "1"과 같아진 상황에서, 트랜지스터 T7은 전도성이고, 전압 VC1이강제되어 전압 Vss의 값에 유지된다. 다시 말해서, 커패시터 C1이 방전된다. 순간 t1에서, 전압 Q-가 "0"과 같고 이 전압에 대한 상황이 순간 t0에서의 상황과 유사하다. 그러므로, 순간 t1으로부터, 파형(63)에 의해 도시되는 바와 같이, 순간 t0에서 커패시터 C1이 작동하는 바와 같이 커패시터 C2가 작동한다. 순간 t2에서, 전압 VC2가 한계 전압 Vth2에 도달하고, 결과적으로 전압 U2가 상태변화된다. 이에 따라 전압 Q가 다시 상태변화되고, 다시 "0"과 같아진다. 이는 파형(61)으로 다시 나타난다. 이 상황은 순간 t0에서의 상황과 유사하고, 반복된다.
그러므로 공급되는 전압 Q는 방형파를 가지고, 순간 t0 및 순간 t2 사이의 시간 구간은 이 전압의 주기 t를 정의한다.
설명을 돕기 위해, 본 발명의 출원인은 전압 Q의 (주기 t에 링크된) 주파수 f 변화를 실험적으로 측정하였다. 주파수 f가 1.2 Mhz일 때, 0.0015%/℃의 변화가 측정되었다.
본 발명의 범위를 벗어나지 않으면서 앞서의 명세서 기술 내용에 여러 수정이 가능하다는 사실은 명백하다. 예를 들어, 세 개의 다른 온도 계수를 각각 가지는 세 개의 물질로부터 참조 소스의 저항이 각각 형성될 수 있다.

Claims (7)

  1. 정해진 주파수(f)에서 주기적 전압(Vo)을 공급하기 위한 오실레이터로서,
    상기 오실레이터는 참조 소스(23)와 공급 수단(24)을 포함하며,
    상기 참조 소스(23)는 참조 전압(Vref)을 제공할 수 있고, 상기 참조 전압의 공급에 링크되는 저항(R)을 포함하며, 그리고
    상기 공급 수단(24)은 상기 정해진 주파수에서 상기 주기적 전압을 공급하고 상기 참조 전압을 수용할 수 있으며, 또한 상기 공급 수단은 제 1 온도 계수(α24)를 가져서, 상기 정해진 주파수가 온도 영향하에서 변할 수 있고,
    제 1 온도 계수와 동일한 제 2 온도 계수(α23)를 상기 참조 전압에 부여하도록 상기 저항(R)이 형성되어, 상기 참조 전압과 상기 공급 수단에 온도가 동일한 영향을 미치도록 하고, 그래서 주기적 전압을 온도에 상관없이 공급시키는 것을 특징으로 하는 오실레이터.
  2. 제 1 항에 있어서, 적절한 온도 계수를 가지는 한 개 이상의 물질에 의해 상기 저항(R)이 형성되어, 상기 제 2 온도 계수(α23)가 상기 제 1 온도 계수(α24)와 같은 것을 특징으로 하는 오실레이터(20).
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 저항(R)이 제 1 저항(R1)과 제 2 저항(R2)을 포함하며,
    상기 제 1 저항(R1)은 강하게 도핑된 전도도의 P형 실리콘으로 형성되고,
    상기 제 2 저항(R2)은 약하게 도핑된 전도도의 N형 실리콘으로부터 형성되는 것을 특징으로 하는 오실레이터(20).
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 공급 수단(24)은 제 1, 2 비교 수단(26, 28)과, 상기 수단 각각에 루프로 연결되는 플립-플롭(29)을 포함하고,
    상기 제 1, 2 비교 수단(26, 28)은 상기 참조 전압(Vref)과, 제 1, 2 출력 전압(Q, Q-)을 수용하며, 이에 따라 상기 비교 수단(26, 28)이 제 1, 2 비교 전압(U1, U2)을 공급하고,
    상기 플립-플롭은 상기 제 1, 2 비교 전압을 수용할 수 있어서, 이에 따라 상기 주기적 전압(Vo)에 상응하는 상기 제 1, 2 출력 전압을 제공하는 것을 특징으로 하는 오실레이터(20).
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 제 1 비교 수단(26)이 제 1 어큐뮬레이터(C1)와 제 1 콤퍼레이터(5)를 포함하며,
    상기 제 1 어큐뮬레이터(C1) 한편에는 시스템 접지부가 연결되고, 다른 한편에는 상기 제 1 출력 전압(Q)에 의해 제어되는 제 1 스위치(T6)를 통해 시스템의 공급 단자에, 그리고 상기 참조 전압(Vref)에 의해 제어되는 제 2 스위치(T6)를 통해 시스템 접지부에 연결되며,
    상기 제 1 콤퍼레이터(5)는 상기 제 1 어큐뮬레이터의 단자 간 전압(VC1)과, 제 1 한계 전압 공급 수단에 의해 공급되는 제 1 한계 전압(Vth1)을 비교할 수 있고, 이에 따라 상기 제 1 비교 전압(U1)을 공급할 수 있는 것을 특징으로 하는 오실레이터(20).
  6. 제 4 항에 있어서,
    상기 제 2 비교 수단(28)은 제 2 어큐뮬레이터(C2)와 제 1 콤퍼레이터를 포함하며,
    상기 제 2 어큐뮬레이터(C2) 한편은 시스템 접지부에 연결되고, 다른 한편은 상기 제 2 출력 전압(Q-)에 의해 제어되는 제 3 스위치를 통해 시스템의 공급 단자에, 그리고 상기 참조 전압(Vref)에 의해 제어되는 제 4 스위치를 통해 시스템 접지부에 연결되며,
    상기 제 1 콤퍼레이터는 상기 제 2 어큐뮬레이터의 단자간에 존재하는 전압(VC2)과, 제 1 한계 전압 공급 수단에 의해 공급되는 제 2 한계 전압(Vth2)을 비교할 수 있으며, 또한 이에 따라 상기 제 2 비교 전압(U2)를 공급하는 것을 특징으로 하는 오실레이터(20).
  7. 제 1 항에 있어서, 상기 참조 소스(23)와 상기 공급 수단(24)은 단일 반도체 기판에 일체형으로 형성되는 것을 특징으로 하는 오실레이터(20).
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