振荡器电路和具有振荡器电路的半导体器件

摘要

一种具有闭环连接的振荡器电路，包括：振荡器，用于生成以与控制信号相对应的频率振荡的输出信号；频率/电压转换器，用于生成具有与输出信号的频率相对应的电压的检测信号；差分检波器，用于生成指示检测信号和参考信号之间的差的差信号；以及积分器，用于通过对差信号进行积分来生成控制信号。

说明书

技术领域

本发明涉及一种振荡器电路、以及一种具有振荡器电路的半导体器件。

背景技术

安装在传统的各种电子设备中的电子电路经常使用以恒定频率振荡的参考时钟信号，并使用振荡器电路来作为用于生成参考时钟信号的电路。

经常被用作此振荡器电路的传统电路具有如图9所示的结构。即，图9中所示的振荡器电路101具有：两个比较器CMP101和CMP102，用于对输入信号S101与具有不同电压的参考信号S102和S103进行比较；RS型触发器(flip-flop)FF101，其通过接收比较器CMP101和CMP102的输出信号S104和S105来操作；开关晶体管TR101，其响应于来自RS型触发器FF101的输出信号S106而间歇地操作；以及电容器C101，用于通过与开关晶体管TR101的间歇操作相配合的充电/放电，而生成输入信号S101。

在此振荡器电路101中，两个比较器CMP101和CMP102交替地操作，以使由电容器C101生成的输入信号S101的电压具有在具有不同电压的参考信号S102和S103之间的值，并且，响应于此操作，RS型触发器FF101输出具有由电容器C101的充电时间和放电时间确定的预定频率的输出信号S106。

参见日本专利申请公开第2004-15447号。

发明内容

然而，上面描述的传统振荡器电路101难以生成高频的输出信号S106，这是因为，该振荡器电路被构造为使得通过交替操作两个比较器CMP101和CMP102来生成具有预定频率的输出信号S106。

也就是说，由于比较器CMP101和CMP102实际上具有响应延迟时间和偏移电压，所以，传统的振荡器电路101难以生成具有高精度的高频输出信号S106，这是因为，使用高工作频率的比较器CMP101和CMP102的响应延迟时间和偏移电压的变化会引起输出信号的占空比的变化。

为了生成高频输出信号S106，需要增大比较器CMP101和CMP102的工作电流。因此，随着工作频率变高，传统振荡器电路101的消耗电流增加，并且，该振荡器电路难以在有限的电源内生成高频输出信号S106。

根据本发明的第一实施例，提供了一种具有闭环连接的振荡器电路，其包括：振荡器，用于生成以与控制信号相对应的频率振荡的输出信号；频率/电压转换器，用于生成具有与输出信号的频率相对应的电压的检测信号；差分检波器，用于生成指示检测信号和参考信号之间的差的差信号；以及积分器，用于通过对差信号进行积分来生成控制信号。

根据本发明的第二实施例，在第一实施例中，该振荡器具有：缓和信号生成器电路，用于通过使控制信号的改变缓和来生成缓和控制信号；以及输出信号生成器电路，用于生成以与缓和控制信号相对应的频率振荡的输出信号。

根据本发明的第三实施例，在第一或第二实施例中，该频率/电压转换器具有：分频器，用于通过对输出信号进行分频来生成分频输出信号；以及检测信号生成器电路，用于生成具有与分频输出信号的频率相对应的电压的检测信号。

根据本发明的第四实施例，在第一到第三实施例中的任一实施例中，该频率/电压转换器具有：电容器，用于响应于输出信号而重复充电和放电；以及电阻器，用于将从电容器放电的电流转换为检测信号的电压。

根据本发明的第五实施例，在第四实施例中，该频率/电压转换器具有与电阻器并联连接的辅助电容器。

根据本发明的第六实施例，在第四或第五实施例中，通过对施加到频率/电压转换器的电容器的电源电压进行分压来生成参考信号。

根据本发明的第七实施例，在第一到第六实施例中的任一实施例中，通过使用以预定格式调制的信号作为参考信号而输出以预定格式调制的信号作为输出信号。

根据本发明的第八实施例，提供了一种具有形成在半导体衬底上的振荡器电路的半导体器件，其中，该振荡器电路具有闭环连接，其包括：振荡器，用于生成以与控制信号相对应的频率振荡的输出信号；频率/电压转换器，用于生成具有与输出信号的频率相对应的电压的检测信号；差分检波器，用于生成指示检测信号和参考信号之间的差的差信号；以及积分器，用于通过对差信号进行积分来生成控制信号。

根据本发明的第九实施例，在第八实施例中，该振荡器具有：缓和信号生成器电路，用于通过使控制信号的改变缓和来生成缓和控制信号；以及输出信号生成器电路，用于生成以与缓和控制信号相对应的频率振荡的输出信号。

根据本发明的第十实施例，在第八或第九实施例中，该频率/电压转换器具有：分频器，用于通过对输出信号进行分频来生成分频输出信号；以及检测信号生成器电路，用于生成具有与分频输出信号的频率相对应的电压的检测信号。

根据本发明的第十一实施例，在第八到第十实施例中的任一实施例中，该频率/电压转换器具有：电容器，用于响应于输出信号而重复充电和放电；以及电阻器，用于将从电容器放电的电流转换为检测信号的电压。

根据本发明的第十二实施例，在第十一实施例中，该频率/电压转换器具有与电阻器并联连接的辅助电容器。

根据本发明的第十三实施例，在第十一或第十二实施例中，通过对提供给频率/电压转换器中的电容器的电源电压进行分压来生成参考信号。

根据本发明的第十四实施例，在第八到第十三实施例中的任一实施例中，通过使用以预定格式调制的信号作为参考信号而输出以预定格式调制的信号作为输出信号。

本发明提供了下面所述的优点。

也就是说，根据本发明，通过闭环连接构造振荡器电路，该闭环连接包括：振荡器，用于生成以与控制信号相对应的频率振荡的输出信号；频率/电压转换器，用于生成具有与输出信号的频率相对应的电压的检测信号；差分检波器，用于生成指示检测信号和参考信号之间的差的差信号；以及积分器，用于通过对差信号进行积分来生成控制信号。因此，由于可以不使用具有响应延迟时间的比较器来构造振荡器电路，所以，可在不增加功耗的情况下生成具有高精度的高频输出信号。

根据本发明，该振荡器具有：缓和信号生成器电路，用于通过使控制信号的改变缓和来生成缓和控制信号；以及输出信号生成器电路，用于生成以与缓和控制信号相对应的频率振荡的输出信号。因此，可以稳定地生成高频输出信号。

根据本发明，该频率/电压转换器具有：分频器，用于通过对输出信号进行分频来生成分频输出信号；以及检测信号生成器电路，用于生成具有与分频输出信号的频率相对应的电压的检测信号。因此，由于可以展宽能够由频率/电压转换器3转换为检测信号的频率范围，所以，可以生成宽带输出信号。

根据本发明，该频率/电压转换器具有：电容器，用于响应于输出信号而重复充电和放电；以及电阻器，用于将从电容器放电的电流转换为检测信号的电压。因此，可使频率/电压转换器的电路规模很小。

根据本发明，该频率/电压转换器具有与电阻器并联连接的辅助电容器。因此，可缓和在电容器的充电/放电期间的检测信号的改变，使得可稳定地生成输出信号。

根据本发明，通过对提供给频率/电压转换器中的电容器的电源电压进行分压来生成参考信号。因此，可以抵消电源电压的影响，使得可不依赖于电源电压的值和改变范围而稳定地生成输出信号。

根据本发明，通过使用以预定格式调制的信号作为参考信号，来输出以预定格式调制的信号作为输出信号。因此，可容易地生成以预定格式调制的输出信号。

附图说明

图1是根据本发明的振荡器电路的方框图；

图2是振荡器电路的电路图；

图3是振荡器的电路图；

图4是图解缓和(relaxation)信号生成器电路的工作的示意图；

图5是示出了参考电压源的电路图；

图6是另一个振荡器电路的方框图；

图7是另一个振荡器电路的方框图；

图8是其它振荡器电路的电路图；和

图9是传统的振荡器电路的电路图。

具体实施方式

在根据本发明的具有振荡器电路的半导体器件中，振荡器电路形成在半导体衬底上。半导体器件并不仅限于单个振荡器器件(振荡器IC)，而是还包括将各种电子电路和用于生成要由电子电路使用的时钟信号的振荡器电路混合的器件(IC)。

根据本发明的振荡器电路具有振荡器、频率/电压转换器、差分检波器和积分器，它们以闭环方式连接，并生成以预定频率振荡的输出信号。

将针对构成振荡器电路的每个元件的功能进行描述。振荡器生成以与控制信号相对应的频率振荡的输出信号。频率/电压转换器生成具有与输出信号的频率相对应的电压的检测信号。差分检波器生成指示检测信号与参考信号之间的差的差信号。积分器通过对差信号进行积分而生成控制信号。

如上所述，根据本发明的振荡器电路具有分别以闭环方式连接的用于生成以与控制信号相对应的频率振荡的输出信号的振荡器、用于生成具有与输出信号的频率相对应的电压的检测信号的频率/电压转换器、用于生成指示检测信号与参考信号之间的差的差信号的差分检波器、以及用于通过对差信号进行积分而生成控制信号的积分器。

因此，由于根据本发明的振荡器电路可在不使用具有响应延迟时间的比较器的情况下构造，所以，有可能防止在生成高频输出信号时由比较器特性(如响应延迟时间)引起功耗的增加以及频率精度的降低，并且，有可能在功耗不增加的情况下生成具有高精度的高频输出信号。

如果该振荡器具有用于通过使控制信号的改变缓和而生成缓和控制信号的缓和信号生成器电路、以及用于生成以与该缓和控制信号相对应的频率振荡的输出信号的输出信号生成器电路，则会缓和控制信号中含有的噪声分量，使得输出信号难以受噪声分量的影响，并可稳定地生成高频输出信号。

此外，如果频率/电压转换器具有用于通过对输出信号进行分频而生成分频输出信号的分频器、以及用于生成具有与分频输出信号的频率相对应的电压的检测信号的检测信号生成器电路，则可降低要输入到检测信号生成器电路的分频输出信号的频率。因此，可以由频率/电压转换器将较高频率的输出信号转换为检测信号，使得可展宽能够由频率/电压转换器转换为检测信号的频率范围，并可生成宽带输出信号。

如果频率/电压转换器具有用于响应于输出信号而重复充电和放电的电容器(开关电容器)、以及用于将从电容器放电的电流转换为检测信号的电压的电阻器，则可以简化频率/电压转换器的电路结构，以便可使频率/电压转换器的电路规模很小。

可采用多级结构，其中，并联连接有多个用于响应于输出信号而重复充电和放电的电容器(开关电容器)。在此情况下，交替地对多个电容器进行充电或放电，以便始终流过来自电容器的放电电流。因此，可使从电容器放电的电流的改变平滑，以便可使振荡器的振荡频率稳定。

如果频率/电压转换器具有并联连接到电阻器的辅助电容器，则即使在电容器的充电/放电过程中检测信号改变、并且在电容器中累积的电荷变得过多或不足的情况下，也可以从辅助电容器补充所述过多或不足的电荷。因此，有可能缓和在电容器的充电/放电期间检测信号的改变，使得振荡器电路可以稳定地生成输出信号。

如果通过对提供给频率/电压转换器的电容器的电源电压进行分压来生成参考信号，则从整个振荡器电路的角度来看，可以抵消电源电压的影响，使得可以不依赖于电源电压的值和改变范围而稳定地生成输出信号。

如果通过将以预定格式调制的信号用作参考信号来将以预定格式调制的信号用作输出信号，则有可能生成以与用预定格式调制的参考信号的格式相同的格式来调制的输出信号。因此，有可能容易地生成以预定格式调制的输出信号。

接下来，将通过参考附图来对根据本发明的振荡器电路的具体结构进行描述。

如图1至3所示，振荡器电路1具有闭环连接，其包括：用于生成以与控制信号S1的电压相对应的频率振荡的输出信号S2的振荡器2；用于生成具有与输出信号S2的频率相对应的电压的检测信号S3的频率/电压转换器3；用于生成指示参考信号S4与检测信号S3之间的电压差的差信号S5的差分检波器5，其中参考信号S4具有由参考电压源4生成的恒定电压；以及用于通过在预定时间内对差信号S5进行积分而生成控制信号S1的积分器6。

在振荡器电路1中，频率/电压转换器3将由振荡器2生成的输出信号S2的频率转换为作为电压信号的检测信号S3。差分检波器5计算检测信号S3和参考信号S4之间的电压差，以生成差信号S5。积分器6对差信号S5进行积分，以生成被负反馈到振荡器2的控制信号S1。

由于向振荡器2提供负反馈，所以，检测信号S3和参考信号S4之间的电压差变为零，并生成具有与检测信号S3相对应的频率的输出信号S2，其中检测信号S3具有与参考信号S4的电压相同的电压。

这样，可不使用具有响应延迟时间的比较器来构造振荡器电路1。因此，有可能在生成高频输出信号时防止由比较器的特性(如响应延迟时间)引起功耗的增加、以及频率精度的降低，并且，有可能在不增加功耗的情况下生成具有高精度的高频输出信号S2。

将对振荡器电路1的每个构成元件进行描述。如图3中所示，振荡器2由下述部件构成：用于通过缓和控制信号S1的电压改变来生成缓和控制信号S6的缓和信号生成器电路7；和用于生成输出信号S2的输出信号生成器电路8，其中输出信号S2的频率与缓和控制信号S6的电压相对应。

缓和信号生成器电路7由gm控制电路构成。更具体地，电阻器R1连接在晶体管TR1和TR2的源极之间，恒流电路I1和I2连接在晶体管TR1和TR2的源极与接地端GND之间，以流过相等的电流。

并且，在缓和信号生成器电路7中，电源端VDD连接到晶体管TR1的漏极，而具有恒定电压的电压源E1连接到晶体管TR1的栅极。电源端VDD经由连接成二极管的晶体管TR3而连接到晶体管TR2的漏极，而积分器6连接到晶体管TR2的栅极，以将控制信号S1施加到栅极。晶体管TR3从短接的栅极和漏极输出缓和控制信号S6。

如图3中所示，缓和信号生成器电路7进行操作，以消除控制信号S1的电压和电压源E1的电压之间的电压差。在此情况下，连接在形成差动对(differential pair)的晶体管TR1和TR2的源极之间的电阻器R1缓和了控制信号S1的电压变化，以生成缓和控制信号S6，该缓和控制信号S6在电压源E1的电压附近缓慢改变。图4中，为了比较的目的，用虚线指示在包含缓和信号生成器电路7的情况下的控制信号S1和输出信号S2，而用实线示出了在不包含缓和信号生成器电路7的情况下的控制信号S1和输出信号S2。

输出信号生成器电路8由下述部件构成：公知的电压/电流转换器9，用于将缓和控制信号S6的电压转换为作为电流信号的中间信号S7；以及公知的环形振荡器10，用于输出具有与中间信号S7的电流相对应的频率的输出信号S2。

如上所述，振荡器2具有用于通过缓和控制信号S1的电压改变来生成缓和控制信号S6的缓和信号生成器电路7、以及用于生成以与缓和控制信号S6相对应的频率振荡的输出信号的输出信号生成器电路8。因此，包含在控制信号S1中的噪声分量被缓和，使得输出信号S2难以被噪声分量影响，并且，可稳定地生成高频输出信号S2。

如图2中所示，构成振荡器电路1的频率/电压转换器3由开关电容器电路构成。更具体地，反相器IN1对输出信号S2进行反相，以生成反相输出信号，由输出信号S2导通和关断的开关SW1连接到电源端VDD，由反相输出信号导通和关断的开关SW2串联连接到开关SW1，充电/放电电容器C1连接在这些开关SW1和SW2的连接点和接地端GND之间，电阻器R2连接在开关SW2和接地端GND之间，并且，辅助电容器C2与电阻器R2并联连接。

在频率/电压转换器3中，由输出信号S2和反相输出信号交替导通或关断两个开关SW1和SW2，以对电容器C1进行充电和放电，并且，电阻器R2将从电容器C1放电的电荷量的改变转换为电压，以生成具有与输出信号S2的频率相对应的电压的检测信号S3。

如上所述，频率/电压转换器3具有响应于输出信号S2而重复充电和放电的电容器C1、以及用于将通过电容器C1的充电或放电而生成的电流转换为检测信号S3的电压的电阻器R2。

因此，可简化频率/电压转换器3的电路结构，以便可使电路规模很小。

此外，在频率/电压转换器3中，辅助电容器C2与电阻器R2并联连接。

因此，在频率/电压转换器3中，即使在电容器C1的充电/放电期间检测信号S3改变、并且在电容器C1中累积的电荷变得过多或不足，也可从辅助电容器C2补充该过多或不足的电荷。因此，有可能在电容器C1的充电/放电期间缓和检测信号S3的改变，从而振荡器电路1可稳定地生成输出信号S2。

如图2中所示，在构成振荡器电路1的差分检波器5和积分器6中，频率/电压转换器3的输出端(电阻器R2和开关SW2之间的连接点)经由电阻器R3而连接到放大器AMP的反相输入端，电容器C3被插入到放大器AMP1的输出端和反相输入端之间的反馈路径中，并且，放大器AMP1的输出端连接到振荡器2。

如图2中所示，在构成振荡器电路1的参考电压源4中，两个串联连接的电阻器R4和R5连接在电源端VDD和接地端GND之间，并且，电阻器R4和R5之间的连接点连接到放大器AMP1的非反相输入端。

如上所述，在振荡器电路1中，将电源端VDD的电源电压Vdd施加到频率/电压转换器3的电容器C1，以对电容器C1充电，并通过用电阻器R4和R5对电源电压Vdd进行分压而生成参考信号S4。

因此，在振荡器电路1中，从整个电路的角度来看，可抵消电源电压Vdd的影响，从而可与电源电压Vdd的电压值和改变范围无关而稳定地生成输出信号S2。

也就是说，通过用c来表示电容器C1的电容值、而用V3来表示检测信号S3的电压，可将在电容器C1中充入的电荷Q表示为：

Q＝c·(Vdd-V3)

通过求该等式对时间t的导数，可将充电期间的电流表示为：

i1＝c·(Vdd-V3)/t

此电流i1是电容器C1的充电电流。在输出信号S2的一个周期内完成电容器C1的一个充电和放电周期。如果输出信号S2的占空比是50％，则在电容c中充入的电荷数等于从电容c中放电的电荷数。因此，在放电期间的电流等于在充电期间的电流。通过用T来表示充电时间和放电时间，则输出信号的一个周期为2T。因此：

i＝c·(Vdd-V3)/(2·T)

通过用f来表示输出信号S2的频率，则2·T被表示为：

2·T＝1/f

因此，在输出信号S2的一个周期期间流过的电流i可被表示为：

i＝c·(Vdd-V3)·f

因此，通过用r2来表示电阻器R2的电阻值，检测信号S3的电压V3可被表示为：

V3＝i·r2

通过代入上述等式，V3被表示为：

V3＝c·(Vdd-V3)·f·r2

如果检测信号S3的电压V3等于参考信号S4的电压V4，则：

V4＝c·(Vdd-V4)·f·r2

通过将其变换：

f＝V4/(c·(Vdd-V4)·r2)

通过将其进一步变换：

f＝1/(c·(Vdd/V4-1)·r2)

通过用r4和r5来表示电阻器R4和R5的电阻值，参考信号S4的电压V4可被表示为：

V4＝Vdd·r5/(r4+r5)

因此，通过将V4代入上述等式：

f＝1/(c·(Vdd/(Vdd·r5/(r4+r5))-1)·r2)

通过将其变换：

f＝r5/(c·r2·r4)

因此，在振荡器电路1中，通过将电源端VDD的电源电压Vdd施加到频率/电压转换器3的电容器C1、以对电容器C1充电，并通过用电阻器R4和R5对电源电压Vdd进行分压来生成参考信号S4，如由上述等式所指明的，输出信号S2的频率变为与电源电压Vdd无关，并且，通过可高精度地形成在半导体衬底上的电阻器R2、R4和R5以及电容器C1各自的电阻值r2、r4和r5以及电容c来确定输出信号S2的频率。

因此，在振荡器电路1中，从整个电路的角度来看，可消除电源电压Vdd的影响，从而可与电源电压Vdd的电压值和改变范围无关而稳定地生成输出信号S2。

尽管振荡器电路1具有如上所述的结构，但每个构成元件的具体结构不限于此，只要所述结构具有上述功能即可。

例如，参考电压源4并不仅限于生成始终具有恒定电压的参考信号S4。如图5中所示，通过使用外部信号S8和S9来生成具有多个电压的参考电压S4的结构是用来通过外部信号S8和S9来改变输出信号S2的频率。

在图5中所示的参考电压源4中，五个电阻器R6至R10串联连接在电源端VDD和接地端GND之间，开关(开关晶体管)SW3至SW6的输入端连接到电阻器R6至R10之间的连接点，而用于对2比特的外部信号S8和S9进行解码的解码器11连接到开关SW3至SW6中的每个的控制端，以从开关SW3至SW6的输出端输出参考信号S4。

如图6中所示，频率/电压转换器3可以由分频器12和检测信号生成器13构成，其中，分频器12用于通过对输出信号S2进行1/n分频来生成具有输出信号S2频率的1/n的频率的分频输出信号S10，检测信号生成器13用于生成具有与分频输出信号S10的频率相对应的电压的检测信号S3。检测信号生成器13可具有与图2中所示的频率/电压转换器3的电路结构相似的电路结构。

如上所述，通过提供具有分频器12并具有检测信号生成器13的频率/电压转换器3，可降低要输入到检测信号生成器13的分频输出信号S10的频率，其中，所述分频器12用于通过对输出信号S2进行分频来生成分频输出信号S10，所述检测信号生成器13用于生成具有与分频输出信号S10的频率相对应的电压的检测信号S3。因此，可以通过频率/电压转换器3将具有较高频率的输出信号S2转换为检测信号S3，从而可展宽能够由频率/电压转换器3转换为检测信号S3的频率范围，并且，可生成宽带输出信号S2。

在图6中所示的振荡器电路1中，不会直接输出输出信号S2。相反，作为中间输出信号S11而从开关14输出该输出信号S2和通过分频器12对输出信号S2进行分频而得到的分频输出信号S10中的一个，并且，通过分频器15对该中间输出信号进一步进行1/m分频，以生成要输出的最终输出信号S12。

在此情况下，可以通过开关14的切换而输出具有多个频率的最终输出信号S12。

在图7中所示的振荡器电路1中，控制信号生成器16生成具有作为用于预定格式的调制的参考的波形的控制信号S13，根据该控制信号S13，电压信号源4生成具有作为用于预定格式的调制的参考的波形的参考信号S4，并且，通过比较参考信号S4与检测信号S3来施加负反馈。

因此，振荡器电路1可与参考信号S4相对应地生成以预定格式调制的输出信号S2。

如上所述，在图7中所示的振荡器电路1中，通过使用以预定格式调制的信号作为参考信号S4，可输出以预定格式调制的信号作为输出信号S2。由于有可能生成以与用预定格式调制的参考信号S4的格式相同的格式调制的输出信号S2，所以，很容易生成以预定格式调制的输出信号S2。

在图8中所示的振荡器电路1中，使用具有并联连接的两个电容器C1和C1′的多级结构电路，作为响应于输出信号S2而重复充电和放电的开关电容器电路。

也就是说，如图8中所示，振荡电路1的频率/电压转换器3由两级开关电容器电路构成。更具体地，两级开关电容器电路具有与图2中所示的振荡器电路1的基础结构相似的基础结构，要由作为反相后的输出信号S2的反相输出信号导通和关断的开关SW2′连接到电源端VDD，要由输出信号S2导通和关断的开关SW1′串联连接到开关SW2′，充电/放电电容器C1′连接在开关SW1′和SW2′之间的连接点与接地端GND之间，并且，开关SW1′连接到电阻器R2。

在频率/电压转换器3中，输出信号S2和反相输出信号交替地导通或关断两对开关SW1和SW2、SW1′和SW2′，以使一对电容器C1和C1′交替地充电和放电，通过电阻器R2将从电容器C1或C1′放电的电荷量的改变转换为电压，从而生成具有与输出信号S2的频率相对应的电压的检测信号S3。

如上所述，在图8中所示的振荡器电路1中，两个电容器C1和C1′被交替地充电或放电，以始终流过来自电容器C1和C1′的放电电流。因此，可使从电容器C1和C1′的放电的电流的改变很小，以使振荡器电路1的振荡频率稳定。

本领域的技术人员应理解，在所附的权利要求或其等效内容的范围内，可以根据设计需求和其它因素做出各种修改、组合、次组合以及变更。

本发明包含2004年9月17日在日本专利局提交的日本专利申请JP2004-271989所涉及的主题，其全部内容作为参考被包含在本文中。