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図面 (12)

課題

チップ内集積化可能な水晶未使用の基準発振器において、プロセスバラツキに対して出力周波数自律的に安定化すること。

解決手段

電圧補正帰還ループR1において、発振器1から発振する発振信号振幅を一定に保つように制御し、傾斜補正帰還ループR2において、その発振信号の波形の傾斜を一定に保つように制御する。

概要

背景

装置や回路基準周波数源として基準発振器が用いられる。例えば水晶振動子を用いた水晶発振器が一般的である。しかし、集積回路との材料の違いにより水晶を集積回路と同一チップ内に集積化することは難しい。そこで、水晶を使用せずにチップ内に集積化可能な基準発振器が求められている。

このような基準発振器の従来例を図9乃至図11に示す。図9は、従来の基準発振器のブロックダイアグラムである。図10は、図9に示した基準発振器の回路図である。図11は、図10に示した各ポイントA〜Eの電圧波形を示す図である。従来の基準発振器は、出力周波数温度依存性電源電圧依存性キャンセルするため、発振器1から出力する出力信号DCレベルを一定に保つように帰還制御を行っている。具体的には、発振器1からの帰還制御により各電圧比較器3,11a,11bに入力する電圧積分器2で調整することにより、周波数変動を起こす遅延の変動を補償している。

概要

チップ内に集積化可能な水晶未使用の基準発振器において、プロセスバラツキに対して出力周波数を自律的に安定化すること。電圧補正帰還ループR1において、発振器1から発振する発振信号振幅を一定に保つように制御し、傾斜補正帰還ループR2において、その発振信号の波形の傾斜を一定に保つように制御する。

目的

本発明は、上記事情を鑑みてなされたものであり、チップ内に集積化可能な水晶未使用の基準発振器において、プロセスバラツキに対して出力周波数を自律的に安定化することを目的とする

効果

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請求項1

蓄電素子を定電流充放電することにより鋸波の信号を発振する発振部と、前記発振された発振信号振幅を一定に保つ第1の補正部と、前記発振された発振信号の波形の傾斜を一定に保つ第2の補正部と、を有することを特徴とする発振器。

請求項2

前記第2の補正部は、前記発振信号の電圧を微分した電圧を用いて前記定電流の大きさを制御することを特徴とする請求項1に記載の発振器。

請求項3

前記第2の補正部は、前記発振信号の電圧を微分した電圧を用いて前記蓄電素子に充電される電圧量を制御することを特徴とする請求項1に記載の発振器。

請求項4

前記第2の補正部は、前記微分を行う微分器の蓄電素子に前記発振信号の波形が不連続なタイミングで電圧を印加することを特徴とする請求項2又は3に記載の発振器。

請求項5

前記発振部は、ラッチ回路から出力される2つの電圧の交互の高低変化に基づいて前記発振信号の各パルスを交互に生成し、前記第2の補正部は、前記2つの電圧を用いて前記印加するタイミングを制御することを特徴とする請求項4に記載の発振器。

請求項6

前記第2の補正部は、前記発振信号の電圧を微分した電圧に矩形波乗算した電圧を用いて前記鋸波信号の波形を三角波にすることを特徴とする請求項1乃至5のいずれかに記載の発振器。

請求項7

前記第1の補正部は、前記発振信号の電圧を積分した電圧を用いて前記発振信号の電圧を一定に制御することを特徴とする請求項1乃至6のいずれかに記載の発振器。

技術分野

0001

本発明は、クロック信号など、電子回路の動作の基準信号発振する技術に関する。

背景技術

0002

装置や回路基準周波数源として基準発振器が用いられる。例えば水晶振動子を用いた水晶発振器が一般的である。しかし、集積回路との材料の違いにより水晶を集積回路と同一チップ内に集積化することは難しい。そこで、水晶を使用せずにチップ内に集積化可能な基準発振器が求められている。

0003

このような基準発振器の従来例を図9乃至図11に示す。図9は、従来の基準発振器のブロックダイアグラムである。図10は、図9に示した基準発振器の回路図である。図11は、図10に示した各ポイントA〜Eの電圧波形を示す図である。従来の基準発振器は、出力周波数温度依存性電源電圧依存性キャンセルするため、発振器1から出力する出力信号DCレベルを一定に保つように帰還制御を行っている。具体的には、発振器1からの帰還制御により各電圧比較器3,11a,11bに入力する電圧積分器2で調整することにより、周波数変動を起こす遅延の変動を補償している。

先行技術

0004

Y. Tokunaga、外3名、“An On-Chip CMOS Relaxation Oscillator with Power Averaging Feedback Using a Reference Proportional to Supply Voltage”、IEEE International Solid-StateCircuits Conference、Digest of Technical Papers、2009年2月、p.404-405
上野 憲一、外2名、“周波数同期技術を用いたオンチップCMOS参照クロック源回路”、電子情報通信学会、集積回路研究会、2009年10月、p.159-164

発明が解決しようとする課題

0005

前述した従来の基準発振器の場合、出力周波数を与える式は下記の式(1)で表される(非特許文献1,2)。

0006

式(1)から分かるように、出力周波数は抵抗Rや容量Cなどプロセス毎に変動する素子の影響を受けてしまう。ゆえに、チップ内に集積化された従来の基準発振器では、出力周波数のプロセスバラツキに対してマニュアル調整が必要であった。

0007

本発明は、上記事情を鑑みてなされたものであり、チップ内に集積化可能な水晶未使用の基準発振器において、プロセスバラツキに対して出力周波数を自律的に安定化することを目的とする。

課題を解決するための手段

0008

上記課題を解決するため、請求項1に記載の発振器は、蓄電素子を定電流充放電することにより鋸波の信号を発振する発振部と、前記発振された発振信号振幅を一定に保つ第1の補正部と、前記発振された発振信号の波形の傾斜を一定に保つ第2の補正部と、を有することを要旨とする。

0009

本発明によれば、発振部から発振された鋸波の発振信号の振幅を一定に保つように制御し、その発振信号の波形の傾斜を一定に保つように制御するため、チップ内に集積化可能な水晶未使用の基準発振器においてプロセスバラツキに対して出力周波数を自律的に安定化することができる。

0010

請求項2に記載の発振器は、請求項1に記載の発振器において、前記第2の補正部は、前記発振信号の電圧を微分した電圧を用いて前記定電流の大きさを制御することを要旨とする。

0011

請求項3に記載の発振器は、請求項1に記載の発振器において、前記第2の補正部は、前記発振信号の電圧を微分した電圧を用いて前記蓄電素子に充電される電圧量を制御することを要旨とする。

0012

請求項4に記載の発振器は、請求項2又は3に記載の発振器において、前記第2の補正部は、前記微分を行う微分器の蓄電素子に前記発振信号の波形が不連続なタイミングで電圧を印加することを要旨とする。

0013

請求項5に記載の発振器は、請求項4に記載の発振器において、前記発振部は、ラッチ回路から出力される2つの電圧の交互の高低変化に基づいて前記発振信号の各パルスを交互に生成し、前記第2の補正部は、前記2つの電圧を用いて前記印加するタイミングを制御することを要旨とする。

0014

請求項6に記載の発振器は、請求項1乃至5のいずれかに記載の発振器において、前記第2の補正部は、前記発振信号の電圧を微分した電圧に矩形波乗算した電圧を用いて前記鋸波信号の波形を三角波にすることを要旨とする。

0015

請求項7に記載の発振器は、請求項1乃至6のいずれかに記載の発振器において、前記第1の補正部は、前記発振信号の電圧を積分した電圧を用いて前記発振信号の電圧を一定に制御することを要旨とする。

発明の効果

0016

本発明によれば、チップ内に集積化可能な水晶未使用の基準発振器において、プロセスバラツキに対して出力周波数を自律的に安定化することができる。

図面の簡単な説明

0017

第1の実施の形態に係る基準発振器のブロックダイアグラムである。
図1に示した基準発振器の回路図である。
図2に示した各ポイントA〜Eの電圧波形を示す図である。
図1に示した基準発振器の詳細回路図である。
第1の実施の形態に係る微分器の変形例である。
図5の微分器を用いた基準発振器の詳細回路図である。
第1の実施の形態に係る基準発振器の変形例である。
第2の実施の形態に係る基準発振器のブロックダイアグラムである。
従来の基準発振器のブロックダイアグラムである。
図9に示した基準発振器の回路図である。
図10に示した各ポイントA〜Eの電圧波形を示す図である。

実施例

0018

以下、本発明を実施する一実施の形態について図面を用いて説明する。

0019

〔第1の実施の形態〕
図1は、第1の実施の形態に係る基準発振器のブロックダイアグラムである。この基準発振器は、2つの帰還ループR1,R2を用いて基準発振器から出力される鋸波信号(発振信号)の周波数を安定化させる。電圧補正帰還ループR1では鋸波信号の振幅を一定にし、傾斜補正帰還ループR2では鋸波信号の傾斜を一定にする。これらの帰還ループR1,R2を組み合わせることにより、基準発振器から出力される出力周波数の安定化を実現する。

0020

図2は、図1に示した基準発振器の回路図である。図3は、図2に示した各ポイントA〜Eの電圧波形を示す図である。この基準発振器は3つのブロック部で構成される。1つ目は、発振ブロック部である。発振器1で構成され、電圧比較器11a,11bと、コンデンサキャパシタ)12a,12bと、電圧制御電流源13a,13bと、SRラッチ14と、を備える。SRラッチ14で6つのスイッチSW1〜SW6をそれぞれ制御し、電圧制御電流源13a,13bからの定電流でコンデンサ12a,12bを充放電することにより、長鎖線で囲まれた左右の各ブロックから1パルス分の鋸波を交互のタイミングでそれぞれ生成し、時間方向で連続させた鋸波信号を発振する。

0021

2つ目は、電圧補正帰還ブロック部である。電圧補正帰還ループR1は、積分器2と、電圧比較器3と、を備えて構成される。発振器1から出力された鋸波信号を積分することにより定常偏差をゼロにする。そして、積分後の電圧と参照電圧Vref1との比較結果に基づく電圧を閾値電圧Vcmpとし、発振器1の各電圧比較器11a,11bの+入力端子に入力する。各電圧比較器11a,11bは当該閾値電圧Vcmpを用いて電圧比較処理を行うため、発振器1から出力される鋸波信号の電圧レベルを一定にする。

0022

3つ目は、傾斜補正帰還ブロック部である。傾斜補正帰還ループR2は、微分器4と、電圧比較器5と、積分器6と、を備えて構成される。発振器1から出力された鋸波信号を微分し、微分後の電圧と参照電圧Vref2との比較結果に基づく電圧を誤差電圧Verrとし、その誤差電圧Verrを積分した電圧を用いて発振器1の各電圧制御電流源13a,13bから出力される電流量を調整する。

0023

以上が基準発振器の機能である。なお、これら3つのブロック部を構成する各構成要素の配置・接続関係については図面に示す通りであり、その説明は省略する。

0024

続いて、本基準発振器の動作について説明する。発振器1のSRラッチ14にリセット信号が入力され、そのSRラッチ14の出力Qが低電位、出力Qbが高電位にセットされると、スイッチSW1,SW4,SW6がオフとなり、スイッチSW2,SW3,SW5がオンとなり、発振器1から発振が開始される。この結果、コンデンサ12aに電圧制御電流源13aから充電され、その容量COSC1の電圧が直線的に上昇する。その一方で、コンデンサ12bは放電し、その容量COSC2の電圧はグランド電位と同電位になる。なお、OSCとは、oscillator(発振器)の略である。

0025

その後、容量COSC1の電圧が閾値電圧Vcmpより大きくなった場合、電圧比較器11aの出力電圧が高電位から低電位に変化する。これにより、SRラッチ14の出力Qが高電位、出力Qbが低電位にセットされ、スイッチSW2,SW3,SW5がオフ、スイッチSW1,SW4,SW6がオンとなる。この後、容量COSC1の電圧はグランド電位と同電位になり、コンデンサ12bに電圧制御電流源13bから充電される。その後、容量COSC2の電圧が閾値電圧Vcmpを超えると、電圧比較器11bの出力電圧が低電位から高電位に変化する。これらの一連動作により、発振のサイクル無限に繰り返される。

0026

その後、電圧補正帰還ループR1において、スイッチSW5とスイッチSW6の間から出力された電圧電位が積分器2で積分され、積分した結果の直流成分と参照電圧Vref1とが電圧比較器3で比較され、その比較結果に基づく電圧が閾値電圧Vcmpとして発振器1の各電圧比較器11a,11bに入力される。各電圧比較器11a,11bは、電圧補正帰還ループR1で調整された一定の閾値電圧Vcmpを用いて電位上昇中の鋸波信号の電圧値と比較するため、回路の遅延変動の原因となる温度や電源電圧の変動に鈍感になると共に、発振される鋸波信号の振幅が一定になる。

0027

また、傾斜補正帰還ループR2において、スイッチSW5とスイッチSW6の間から出力された電圧電位が微分器4で微分され、鋸波の傾斜と比例した直流成分が生成される。そして、この直流成分の電圧と参照電圧Vref2とが電圧比較器5で比較され、その比較結果に基づく誤差電圧Verrを積分器6で積分した電圧を用いて各電圧制御電流源13a,13bの電流IOSCが調整される。これにより、鋸波の傾斜(=電圧制御電流源13の電流IOSC÷コンデンサ12の容量COSC)が一定になる。

0028

本実施の形態に係る基準発振器の場合、鋸波信号の出力周波数foutを与える式は下記の式(2)で表される。

0029

前述したように電圧補正帰還ループR1によりVcmpが一定となり、更に傾斜補正帰還ループR2によりIOSC/COSCが一定となるため、式(2)から、出力周波数foutは一定となることが分かる。

0030

図4は、図1に示した基準発振器の詳細回路図である。スイッチSW1,SW2をNMOSトランジスタで構成し、スイッチSW3,SW4をPMOSトランジスタで構成している。そして、スイッチSW5,SW6をトランスファーゲートで構成している。

0031

また、電圧制御電流源13a,13bをPMOSカレントミラーとNMOSトランジスタMcと抵抗素子で構成している。これらの電圧制御電流源13a,13bから出力する電流は、NMOSトランジスタMcのゲート電極に入力される傾斜補正帰還ループR2からの電圧で制御されるため、鋸波信号における鋸波の傾斜を制御できる。

0032

また、ユニティゲインバッファUBを介してスイッチSW5とスイッチSW6との間の電位を電圧補正帰還ループR1と傾斜補正帰還ループR2に出力するようにしている。これにより、各帰還ループR1,R2の帰還電流による出力周波数の変動などの寄生的な影響をキャンセルしている。

0033

また、電圧補正帰還ループR1の積分器2と傾斜補正帰還ループR2の微分器4および積分器6をオペアンプで構成している。特に傾斜補正帰還ループR2の次数を上げて参照電圧Vref2と傾斜のエラーをゼロにするため、積分器6を2段構成にしている。

0034

〔変形例1〕
図5は、第1の実施の形態に係る微分器4の変形例である。本変形例では、Voutputから出力される不要なインパルス信号を低減するようにしている。このパルス信号は、Vinputに入力される発振信号の滑らかでない不連続な点で生じる。そこで、変形後の微分器4では、同図の下段に示すようにNMOSトランジスタMiを介して参照電圧Vref2の電気線路と微分器4を成すコンデンサの出力側の電気線路との間を接続する。そして、発振信号の不連続なタイミングにおいて、NMOSトランジスタMiのゲート電極に電圧VDDを印加し、上記コンデンサの容量CDiffを例えば参照電圧Vref2でプリチャージすることにより、不要なインパルス信号の影響を低減するようにしている。

0035

〔変形例2〕
図6は、変形例1の微分器4を用いた基準発振器の詳細回路図である。本基準発振器では、変形例1で説明した微分器4を使用し、NMOSトランジスタMiのゲート電極に対して、発振信号の不連続なポイントで電圧を印加するマスク信号生成回路7を接続している。マスク信号生成回路7は、SRラッチ14における出力Qの電圧Vo1と出力Qbの電圧Vo2を用いて、発振信号の不連続なポイントで電圧の出力タイミングが制御されるマスク信号Vmaskを生成する。具体的には、Vo2を遅延させた信号とVo1との排他的論理和をとることによりVmaskを生成し、そのVmaskの電圧をNMOSトランジスタMiのゲート電極に印加することで、微分器4のコンデンサの容量CDiffを参照電圧Vref2でプリチャージする。なお、マスク信号生成回路7は抵抗素子等で構成され、図5に示したような発振信号の不連続な点で電圧を出力できればよい。

0036

〔変形例3〕
図7は、第1の実施の形態に係る基準発振器の変形例である。これまでは、電圧制御電流源13a,13bからの電流量を調整して発振信号の傾斜を制御していた。一方、本変形例では、傾斜補正帰還ループR2から出力される電圧をコンデンサ12a,12bに供給し、その容量COSCを調整することにより発振信号の傾斜を制御する。本構成により、電圧制御電流源13a,13bの回路構成シンプルになり、各電流源での消費電力を低減することができる。

0037

〔第2の実施の形態〕
図8は、第2の実施の形態に係る基準発振器のブロックダイアグラムである。第1の実施の形態と同様に電圧補正帰還ループR1と傾斜補正帰還ループR2を用いているが、正と負の傾斜を持つ三角波信号を発振信号としている。本実施の形態では、この発振信号の傾斜の絶対値を用いて帰還するため、第1の実施の形態の基準発振器を成す微分器4と電圧比較器5との間に乗算器8を挿入し、その乗算器8で矩形波Φinと微分器4の出力とを乗算し、三角波の傾斜が負の時に正負の符号を反転させる処理を追加している。なお、前述の各変形例1〜3を本実施の形態に適用することも可能である。

0038

上より、各実施の形態によれば、コンデンサ12a,12bを定電流で充放電することにより鋸波または三角波の発振信号を発振する発振器1を備え、電圧補正帰還ループR1において、その発振信号の振幅を一定に保つように制御し、傾斜補正帰還ループR2において、その発振信号の波形の傾斜を一定に保つように制御するので、チップ内に集積化可能な水晶未使用の基準発振器においてプロセスバラツキに対して出力周波数を自律的に安定化することができる。

0039

1…発振器(発振部)
2,6…積分器
3,5,11a,11b…電圧比較器
4…微分器
7…マスク信号生成回路
8…乗算器
12a,12b…コンデンサ
13a,13b…電圧制御電流源
14…SRラッチ(ラッチ回路)
Mc,Mi…NMOSトランジスタ
R1…電圧補正帰還ループ(第1の補正部)
R2…傾斜補正帰還ループ(第2の補正部)
SW1〜SW6…スイッチ
UB…ユニティゲインバッファ

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