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公開番号2021040266
公報種別公開特許公報(A)
公開日20210311
出願番号2019161337
出願日20190904
発明の名称発振装置
出願人株式会社東芝,東芝デバイス&ストレージ株式会社
代理人個人,個人,個人,個人,個人,個人
主分類H03K 3/0231 20060101AFI20210212BHJP(基本電子回路)
要約【課題】温度依存性の小さい発振回路を実現する。
【解決手段】発振装置は、第1増幅器と第2増幅器とを有する補正回路と、発振回路と、を備える。第1増幅器は、第1温度特性を有する第1電圧と、第1温度特性とは異なる第2温度特性を有する第2電圧と、の差を増幅し、第1温度特性及び第2温度特性のいずれとも異なる第3温度特性を有する第3電圧を生成する。第2増幅器は、前記第2電圧及び前記第3電圧の和と、帰還電圧と、の差を増幅し、発振電圧の発振周波数を補正する第4電圧を生成する。発振回路は、前記第4電圧に基づいて、周波数を制御した前記発振電圧を出力する。
【選択図】図1
特許請求の範囲【請求項1】
第1温度特性を有する第1電圧と、第1温度特性とは異なる第2温度特性を有する第2電圧と、の差を増幅し、第1温度特性及び第2温度特性のいずれとも異なる第3温度特性を有する第3電圧を生成する、第1増幅器と、
前記第2電圧及び前記第3電圧の和と、帰還電圧と、の差を増幅し、発振電圧の発振周波数を補正する第4電圧を生成する、第2増幅器と、
を有する、補正回路と、
前記第4電圧に基づいて、周波数を制御した前記発振電圧を出力する、発振回路と、
を備える、発振装置。
続きを表示(約 1,300 文字)【請求項2】
前記第1増幅器は、前記第1電圧が非反転端子に接続され、前記第2電圧が第1抵抗群を介して反転端子に接続され、出力が反転端子に対して前記第1抵抗群と対称な抵抗を有する第2抵抗群を介して反転端子に接続される、反転増幅器を備え、前記第1抵抗群及び前記第2抵抗群を、反転端子から同じ比率で分割したそれぞれの節点から、新たな前記第2電圧及び前記第3電圧をそれぞれ出力する、
請求項1に記載の発振装置。
【請求項3】
前記第1抵抗群の分割点は、前記第2電圧に接続される抵抗群が前記反転端子に接続される抵抗群より大きくなるように設定され、
前記第2抵抗群の分割点は、出力に接続される抵抗群が前記反転端子に接続される抵抗群より大きくなるように設定された、
請求項2に記載の発振装置。
【請求項4】
前記第1増幅器は、前記第1電圧が非反転端子に接続され、前記第2電圧が第1抵抗を介して反転端子に接続され、出力が第2抵抗を介して反転端子に接続される、反転増幅器である、
請求項1に記載の発振装置。
【請求項5】
前記第2増幅器は、前記第4電圧が、前記第1電圧に対して正又は負のオフセットを有するように電圧を増幅する、
請求項1から請求項4のいずれかに記載の発振装置。
【請求項6】
前記第2増幅器は、前記第4電圧が、前記第1電圧に対して正のオフセットを有するように電圧を増幅し、
前記第2電圧と前記第3電圧の和と、帰還電圧と、の差を増幅し、前記発振電圧を補正する第5電圧を生成する、第3増幅器であって、前記第5電圧が、前記第1電圧に対して負のオフセットを有するように電圧を増幅する、第3増幅器と、
前記第2増幅器の出力、及び、前記第3増幅器の出力を選択し、前記発振回路に前記第4電圧及び前記第5電圧のうちいずれかを出力する、スイッチと、
をさらに備える、請求項1から請求項4のいずれかに記載の発振装置。
【請求項7】
参照電圧と、前記第1電圧と、前記第2電圧とを出力する、基準電圧回路と、
前記参照電圧を参照電流に変換する、電圧電流変換回路と、
前記発振回路から出力された前記発振電圧に基づいて、タイミング信号を出力する、タイミング回路と、
前記参照電流、前記第4電圧、及び、タイミング信号に基づいて、前記発振回路に入力する電圧を出力する、周波数制御回路と、
をさらに備え、
前記発振回路は、前記周波数制御回路が出力した電圧に基づいた発振周波数を有する前記発振電圧を出力する、
請求項1から請求項6のいずれかに記載の発振装置。
【請求項8】
前記第4電圧を増幅する、ゲインアンプ、
をさらに備え、
前記周波数制御回路は、前記参照電流、増幅された前記第4電圧、及び、タイミング信号に基づいて、前記発振回路に入力する電圧を出力する、
請求項7に記載の発振装置。
【請求項9】
前記基準電圧回路は、前記参照電圧、前記第1電圧、及び、前記第2電圧のうち少なくとも1つが可変であるように制御する、
請求項7又は請求項8に記載の発振装置。

発明の詳細な説明【技術分野】
【0001】
本発明の実施形態は、発振装置に関する。
続きを表示(約 6,500 文字)【背景技術】
【0002】
発振回路は、例えば、電子回路の動作の基準となるクロック信号を生成する回路であり、電子回路において重要な役割を果たす。このため、発振回路の出力は、例えば、出力する信号の周波数が温度によらず0.5%以下の誤差である、といった高い精度が求められる。しかしながら、BGR(Band-Gap Reference)回路の温度特性、及び、電圧と電流とを変換する回路に備えられる抵抗の温度特性により、例えば、温度変化の2乗に比例する電圧の誤差が生じ、この電圧の誤差に基づいて周波数にも誤差が生じ、精度を保つことが困難となる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0003】
特開2008−017007号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0004】
一実施形態は、温度依存性の小さい発振回路を提供する。
【課題を解決するための手段】
【0005】
一実施形態によれば、発振装置は、第1増幅器と第2増幅器とを有する補正回路と、発振回路と、を備える。第1増幅器は、第1温度特性を有する第1電圧と、第1温度特性とは異なる第2温度特性を有する第2電圧と、の差を増幅し、第1温度特性及び第2温度特性のいずれとも異なる第3温度特性を有する第3電圧を生成する。第2増幅器は、前記第2電圧及び前記第3電圧の和と、帰還電圧と、の差を増幅し、発振電圧の発振周波数を補正する第4電圧を生成する。発振回路は、前記第4電圧に基づいて、周波数を制御した前記発振電圧を出力する。
【図面の簡単な説明】
【0006】
一実施形態に係る発振装置の概略を示すブロック図。
一実施形態に係る基準電圧回路の一例を示す回路図。
一実施形態に係る発振回路の一例を示す回路図。
一実施形態に係る補正回路の一例を示す回路図。
一実施形態に係る第2増幅器の一例を示す回路図。
一実施形態に係る電圧の温度特性を示す図。
一実施形態に係る電圧の温度特性を示す図。
一実施形態に係る電圧の温度特性を示す図。
一実施形態に係る第2増幅器の一例を示す回路図。
一実施形態に係る電圧の温度特性を示す図。
一実施形態に係る補正回路の一例を示す回路図。
一実施形態に係る発振装置の概略を示すブロック図。
一実施形態に係る基準電圧回路の一例を示す回路図。
一実施形態に係る電圧電流変換回路の一例を示す回路図。
一実施形態に係る周波数制御回路の一例を示す回路図。
一実施形態に係る発振回路とタイミング回路の接続を示す図。
一実施形態に係る周波数制御回路の電圧の変化を示す図。
一実施形態に係る基準電圧回路の一例を示す回路図。
一実施形態に係る基準電圧回路の出力の一例を示す図。
一実施形態に係る基準電圧回路の出力の一例を示す図。
一実施形態に係る基準電圧回路の出力の一例を示す図。
一実施形態に係る発振装置の概略を示すブロック図。
一実施形態に係るゲインアンプの一例を示す回路図。
一実施形態に係るゲインアンプの一例を示す回路図。
一実施形態に係る補正回路の一例を示す回路図。
一実施形態に係る補正回路の一例を示す回路図。
一実施形態に係る補正回路の一例を示す回路図。
一実施形態に係る基準電圧回路の一例を示す回路図。
【発明を実施するための形態】
【0007】
以下、図面を参照して実施形態について説明する。なお、以下の説明及び図面において、特に説明が必要な場合を除き、説明をわかりやすくするために電源電圧及び接地電圧との接続を省略していることがあるが、必要に応じて適宜接続されているものとする。また、単に、接地する、との記載は、電源電圧Vssと接続される場合を含む。
【0008】
例えば、図2において、差動増幅回路は、図には示されていないが電源電圧と接地電圧に接続されている。このように、バッファ、増幅器、比較器、論理演算回路等には電源との接続を省略している。また、説明において、同一の単語、例えば、同一の電圧、同一の電流、同一の抵抗値、同一の温度特性といった場合、厳密な一致を意味するのではなく、寄生抵抗、寄生容量等、及び、回路素子の個体差等による微量な差異を含む範囲で同一であるとする。また、増幅の記載は、より一般的にゲインを掛けることを意味し、1未満のゲインを掛ける、すなわち、減衰させることをも含む広義の意味を有していてもよい。
【0009】
(第1実施形態)
図1は、本実施形態に係る発振装置の概略を模式的に示すブロック図である。発振装置1は、基準電圧回路10と、補正回路20と、発振回路30と、を備える。発振装置1は、温度によらず安定した周波数特性を有するクロック信号を出力する装置(回路)である。
【0010】
基準電圧回路10は、基準電圧を生成する。生成する基準電圧は、例えば、BGR(Band Gap Reference)であり、基準電圧である第1電圧VT1、第2電圧VT2を出力する。第1電圧VT1は、第1温度特性を有し、第2電圧VT2は、第2温度特性を有する。第1温度特性と第2温度特性とは、異なるものである。
【0011】
補正回路20は、基準電圧である第1電圧VT1と、第2電圧VT2とが入力されると、電圧特性が第1温度特性に対して温度の2乗の特性を有するオフセットが重畳された第4電圧VC1を出力する回路である。第4電圧VC1は、基準電圧回路10が出力した電圧の温度変化の2乗に関する効果を打ち消す温度依存性を有する。
【0012】
発振回路30は、補正回路20が出力した第4電圧VC1に基づいて周波数を制御したクロック信号を出力する回路である。発振回路30は、入力電圧に温度特性による誤差が発生すると、この誤差に基づいて出力する周波数に乱れを生じさせる。
【0013】
図2は、本実施形態に係る基準電圧回路10の一例を示す回路図である。基準電圧回路10は、抵抗R1、R2、R3、R4、R5と、トランジスタPNP1、PNP2と、出力トランジスタMP7と、差動増幅器と、を備える。第1電圧VT1は、一般的なBGRと同様の出力電圧を、抵抗R4、R5により電圧降下した電圧である。一方、第2電圧VT2は、一般的なBGRにおいて負帰還させる電圧を出力させたものである。上記の回路素子の回路係数は、出力する電圧等に基づいて適切に決定される。
【0014】
また、基準電圧回路10において、各抵抗値は、例えば、第1電圧VT1についてなるべく温度傾斜が発生しないように設定される。特に、抵抗R1と抵抗R2の抵抗値は、必要となる温度帯、例えば、-40℃〜125℃(233K〜398K)の間において、出力される電圧値が理論的に安定する値に設定される。
【0015】
抵抗R1は、一方の端子がトランジスタPNP1を介して接地され、他方の端子が抵抗R2及び差動増幅器の非反転端子と接続される。抵抗R2は、一方の端子が抵抗R1と接続され、他方の端子が出力トランジスタMP7の出力端子と接続される。抵抗R3は、一方の端子が差動増幅器の反転端子及び基準電圧回路10の他方の出力端子と接続され、かつ、トランジスタPNP2を介して接地され、他方の端子が出力トランジスタMP7の出力端子と接続される。抵抗R4は、一方の端子が抵抗R5を介して出力トランジスタMP7の出力端子と接続され、他方の端子が接地する。また、この抵抗R4と抵抗R5の接続するノードが基準電圧回路10の一方の出力端子と接続される。
【0016】
例えば、抵抗R2、R3は、同じ特性(同じ温度特性、抵抗値)の抵抗を用いる。抵抗R1、R2の抵抗値の比は、例えば、出力する第1電圧VT1が温度に対して安定した(温度傾斜の小さい)出力となるように設定される。また、例えば、抵抗R4、R5は、第1電圧VT1と第2電圧VT2とが同等の電圧となるように設定される。より好ましくは、同等の電圧である上、さらに、温度を低温から高温(例えば、-40℃〜125℃)に変化させたときに、いずれかの温度において電圧値の高低が逆転するように設定される。第1電圧VT1と第2電圧VT2との差は、例えば、-40℃〜125℃の範囲において、±1V程度であってもよい。より具体的な一例としては、第1電圧VT1は、温度によらず約0.7V、第2電圧VT2は、-40℃では約0.8V、125℃では約0.6V程度の電圧であってもよい。
【0017】
トランジスタPNP1、PNP2は、例えば、バイポーラ型のPNPトランジスタであり、ベースとコレクタが接続される、すなわちダイオード接続されるトランジスタである。半導体プロセス上の問題が少なく、又は、十分な性能が確保できるのであれば、ダイオードで代用してもよい。トランジスタPNP1(第1電源トランジスタ)は、エミッタが抵抗R1と接続され、コレクタ及びベースが接地される。トランジスタPNP2(第2電源トランジスタ)は、エミッタが抵抗R3と接続され、コレクタ及びベースが接地される。
【0018】
なお、図においてトランジスタPNP1、PNP2は、それぞれ1つのトランジスタが示されているが、これには限られない。例えば、複数のダイオード接続したトランジスタを並列に接続してトランジスタPNP1、PNP2を形成してもよい。この場合、例えば、トランジスタPNP1を形成するトランジスタ群におけるトランジスタの数よりもトランジスタPNP2を形成するトランジスタ群におけるトランジスタの数を少なくしてもよい。さらに、これらのトランジスタPNP1、PNP2のトランジスタ全体としてのエミッタの面積を同一のものとしてもよい。この構成は、特に、後述する図18においても同様に実装されてもよい。
【0019】
差動増幅器は、非反転端子に抵抗R2を介した出力電圧が入力され、反転端子に抵抗R3を介した出力電圧が入力される。この電位差を出力端子から増幅して出力する。
【0020】
出力トランジスタMP7は、例えば、p型のMOSFETである。出力トランジスタMP7は、例えば、ゲートに差動増幅器の出力が印加され、ソースが電源電圧と接続され、ドレインが抵抗R2、R3を介して差動増幅器と接続される。
【0021】
これらの回路素子の動作及び機能については、一般的なBGRと同様である。一方で、本実施形態に係る基準電圧回路10は、出力端子が2つあり、それぞれ第1電圧VT1と第2電圧VT2とを出力する。
【0022】
第1電圧VT1は、一般的なBGRと同様に温度傾斜の少ない電圧である。一方、第2電圧VT2は、第1電圧VT1とは温度特性の異なる同一の電圧、すなわち、ある温度では同一の電圧であるが、その温度からずれると異なる電圧となる。このように、基準電圧回路10は、第1温度特性を有する第1電圧VT1と、第1温度特性とは異なる第2温度特性を有する第2電圧VT2と、を出力する。
【0023】
さて、第1電圧VT1は、抵抗R1、R2等が理論的に正しい値に設定されたとしても、電源電圧、電流源等に起因する温度傾斜を有する。トランジスタPNP1、PNP2のコレクタ電流Icは、ベース−エミッタ間電圧VBE、熱電圧Vt、絶対零度におけるVBE電圧VB0、飽和電流Is、絶対温度T、定数Aを用いて、以下のように表される。kは、ボルツマン定数(1.38×10
-23
)、qは、単位電荷(1.60×10
-19
)である。
【0024】
温度特性を有する電流源IE1でトランジスタを駆動した場合のVBEの温度特性は、IE=BT
m
(B:定数)とおくと、以下のように表すことができる。
【0025】
ここで、Vtは、Tに比例し、シリコンの場合、γ=3.2、m=1程度であるので、(γ-m)ln Tは、T=233〜398Kの区間においてほぼTに比例するため、[数2]のVBEは、-T
2
に近似した曲率を持つ特性となる。すなわち、第1電圧VT1は、T
2
に近似した曲率を有する。
【0026】
本実施形態に係る基準電圧回路10によれば、この第1電圧VT1の第1温度特性に対してさらにT
2
に基づいた温度特性を有するのが第2電圧VT2となる。
【0027】
図3は、本実施形態に係る発振回路30の一例を示す回路図である。発振回路30は、n型のMOSFETと、カレントミラーと、直列かつリング状に接続された奇数個の否定回路を有するリングオシレータと、を備える。入力された信号がn型のMOSFETに印加され、カレントミラーを介してドレイン電流を流す。カレントミラーの出力電流に基づいた電圧が、電源としてそれぞれの否定回路に印加される。出力側の否定回路は、バッファとして用いられるものであり、その直前までで理想的なクロック信号が取得できるのであれば、備えられなくてもよい。
【0028】
複数個の直列に接続された否定回路は、それぞれが、電源として与えられる電圧に基づいた遅延を有して入力と出力を反転する。このため、入力電圧の高さにより、周波数が制御され、発振回路30から所望の周波数を有するクロック信号が出力される。ここで、第4電圧VC1が高くなると、第4電圧VC1がゲートに印加されるn型MOSFETのドレイン電流が増加する。このドレイン電流はn型MOSFETと並列に接続された抵抗素子の電流に加算され、ドレイン電流の増加により、カレントミラーの出力電流も増加する。この場合、リングオシレータを構成する否定回路の電源電圧も増大し、各否定回路の伝播遅延が小さくなることにより、出力するクロック信号CKの周波数が上昇する。逆に、第4電圧VC1が低くなると、第4電圧VC1がゲートに印加されるn型MOSFETのドレイン電流が減少し、カレントミラーの出力電流も減少する。これにより、リングオシレータを構成する否定回路の電源電圧が低下し、各否定回路の伝播遅延が大きくなることにより、出力するクロック信号CKの周波数が低下する。
【0029】
図4は、本実施形態に係る補正回路20の一例を示す回路図である。補正回路20は、第1増幅器NAMP1と、第2増幅器AMP1と、を備える。補正回路20は、基準電圧回路10から出力された第1電圧VT1と第2電圧VT2とが入力され、第4電圧VC1を出力する。
【0030】
第1増幅器NAMP1は、増幅器と、第1抵抗Ra1、第2抵抗Ra2と、を備える。第1増幅器NAMP1は、増幅器に対して第1抵抗Ra1、第2抵抗Ra2により負帰還をする、反転増幅器である。第1増幅器NAMP1のゲインは、Ra1、Ra2により決定される。第1増幅器NAMP1は、第1電圧VT1が非反転端子に印加され、第2電圧VT2が反転端子VT2に印加され、第1温度特性及び第2温度特性のいずれとも異なる第3温度特性を有する第3電圧VT3を出力する。
(【0031】以降は省略されています)

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