JP6460458B2 - Digital temperature compensated oscillator - Google Patents
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Description
本発明は、リングオシレータで構成された温度電圧センサを組み込んだデジタル温度補償型発振器に関するものである。 The present invention relates to a digital temperature compensated oscillator incorporating a temperature voltage sensor composed of a ring oscillator.
近年、高機能携帯端末、例えば、スマートフォンなどのモバイル環境が、フェムトセル、ピコセル、マイクロセルというスモールセルになるのに応じて、それらの基地局側クロックの周波数安定度に対する要求が厳しくなっている。フェムトセルは、50ppb安定度のクロックが必要とされ、この周波数安定度を満足するには0.05℃を検知できる温度センサを搭載した温度補償発振器が必要になる。
特許文献1は、温度で変化する電流源で駆動されるリングオシレータと温度に対して安定な電流源で駆動されるリングオシレータを用い、温度に対して安定なリングオシレータをカウントクロックとして、他の温度変化するリングオシレータのクロックのパルス幅をカウントする方法で、温度をカウント値で一次近似している。また、温度センサを組み込んだデジタル温度補償型発振器は、例えば、特許文献2に記載されている。
In recent years, as mobile environments such as high-performance portable terminals such as smartphones become small cells such as femtocells, picocells, and microcells, requirements for frequency stability of base station side clocks have become strict. . The femtocell requires a 50 ppb stability clock, and a temperature compensated oscillator equipped with a temperature sensor capable of detecting 0.05 ° C. is required to satisfy this frequency stability.
なお、出願人は、先に温度補償型発振器として「ディジタル温度補償発振器」(特願2014−026219)を出願した。これは、1つのリングオシレータを温度センサ(感温発振器)として用い、その周波数カウント用基準クロックとして電圧制御型発振器のクロックを用いる。そして、温度補償発振器の温度補償回路をデジタル回路で構成し、温度補償デジタルデータをD/A変換し、電圧制御型発振器に電圧を印加する回路部をΔΣモジュレータとパッシブLPF(ローパスフィルタ)で構成する。さらに、温度補償回路の入力のデジタル温度データをリングオシレータからなる温度センサ(感温発振器)とそれに続く温度変換回路から得ている。このような構成により、この温度補償発振器は、高分解能で経年劣化や温度ドリフトによる出力周波数の変動が長期間に亘って生じないデジタル温度補償発振器が得られる。 The applicant previously filed a “digital temperature compensated oscillator” (Japanese Patent Application No. 2014-026219) as a temperature compensated oscillator. This uses one ring oscillator as a temperature sensor (temperature-sensitive oscillator), and uses a clock of a voltage-controlled oscillator as a reference clock for frequency counting. The temperature compensation circuit of the temperature compensated oscillator is composed of a digital circuit, the circuit unit for converting the temperature compensated digital data to D / A and applying a voltage to the voltage controlled oscillator is composed of a ΔΣ modulator and a passive LPF (low pass filter). To do. Furthermore, digital temperature data input to the temperature compensation circuit is obtained from a temperature sensor (temperature-sensitive oscillator) composed of a ring oscillator and a subsequent temperature conversion circuit. With such a configuration, this temperature compensated oscillator can obtain a digital temperature compensated oscillator that has high resolution and that does not cause fluctuations in output frequency due to aging or temperature drift over a long period of time.
特許文献1で用いられるリングオシレータは、電源電圧が変動すると電流源も変動するため、その出力周波数が電圧依存性を有し、したがって、電源電圧が変動した場合には正確な温度を測定できない。
また、出願人が提案した先のディジタル温度補償発振器は、D/A変換器の経年劣化及び温度ドリフトによる周波数変動を改善することができる。また、温度センサにリングオシレータを使うことによって水晶振動子以外は、半導体ICチップ内の回路で実現できるようになった。しかし、このディジタル温度補償発振器に用いられる温度センサのリングオシレータも発振周波数に電圧依存性があり、精度の高い温度計測は困難が伴うものであった。
本発明は、このような事情によりなされたもので、デジタル温度補償型発振器は、精度の高い温度測定ができる温度センサを有しており、測定された温度情報を基にした補償電圧(発振器に対する制御電圧信号)により高い周波数安定度を実現することができる温度補償発振器を提供する。また、この温度センサを用いることで、温度測定と同時に逐次変動する電源電圧の測定も行うことができるため、測定した電源電圧の情報を加味して上記補償電圧を生成することによって更に安定な発振周波数を維持する温度補償発振器を提供する。
In the ring oscillator used in
Further, the previous digital temperature compensated oscillator proposed by the applicant can improve the frequency fluctuation due to the aging and temperature drift of the D / A converter. In addition, by using a ring oscillator for the temperature sensor, it can be realized by a circuit in a semiconductor IC chip other than a crystal resonator. However, the ring oscillator of the temperature sensor used in this digital temperature compensated oscillator also has voltage dependency on the oscillation frequency, and it has been difficult to measure temperature with high accuracy.
The present invention has been made under such circumstances, and a digital temperature compensated oscillator has a temperature sensor capable of measuring a temperature with high accuracy, and a compensation voltage based on the measured temperature information (with respect to the oscillator). A temperature compensated oscillator capable of realizing high frequency stability by a control voltage signal is provided. In addition, by using this temperature sensor, it is possible to measure the power supply voltage that fluctuates sequentially at the same time as the temperature measurement, so that more stable oscillation can be achieved by generating the compensation voltage in consideration of the information on the measured power supply voltage. A temperature compensated oscillator that maintains frequency is provided.
本発明は、携帯電話基地局のフェムトセル(50ppb程度のクロック精度)等向けの高精度温度補償型発振器(TCXO)用の高精度温度電圧センサを外部温度センサ部品を外付けせず、全て半導体IC(チップ)上の回路で実現可能とし、高精度で、小型化されたデジタル温度補償型発振器を得る。なお、水晶発振器(水晶振動子)は、もともと半導体ICに外付けされているものである。
本発明のデジタル温度補償型発振器は、以下の温度センサを用いて得られた温度のデジタル情報を基に温度補償データを作成し、発振周波数の温度補償を行うことを特徴としている。温度センサは、半導体IC上に形成した温度に敏感で温度特性の異なる2つのリングオシレータの発振周波数(f1、f2)を 同一の温度(T)、電圧(V)環境にて、温度安定性の良い基準周波数f0(水晶発振クロック等)で計測し、予め各リングオシレータの発振周波数(f1、f2)を温度T、電圧Vを変えて測定したデータから計算で求めた2つのT、Vの2元の高次多項式近似式:f1(T,V)及びf2(T,V)の係数を使って、T、Vを未知数とする2つのリングオシレータの2元連立方程式からT、Vを半導体IC上の演算回路で解くことを特徴としている。
The present invention provides a high-accuracy temperature voltage sensor for a high-accuracy temperature-compensated oscillator (TCXO) for femtocells of mobile phone base stations (clock accuracy of about 50 ppb) and the like without using external temperature sensor components externally. A digital temperature-compensated oscillator that can be realized by a circuit on an IC (chip) and is highly accurate and miniaturized is obtained. The crystal oscillator (crystal oscillator) is originally externally attached to the semiconductor IC.
The digital temperature-compensated oscillator of the present invention is characterized in that temperature compensation data is created based on temperature digital information obtained by using the following temperature sensor, and temperature compensation of the oscillation frequency is performed. The temperature sensor uses two ring oscillators with different temperature characteristics that are sensitive to the temperature formed on the semiconductor IC. The oscillation frequency (f1, f2) is stable in the same temperature (T) and voltage (V) environment. Measured at a good reference frequency f0 (crystal oscillation clock, etc.), and calculated in advance from the data obtained by measuring the oscillation frequency (f1, f2) of each ring oscillator by changing the temperature T and the voltage V. Original high-order polynomial approximation: Using the coefficients of f1 (T, V) and f2 (T, V), T and V are calculated from the two simultaneous equations of two ring oscillators with T and V as unknowns. It is characterized by solving with the above arithmetic circuit.
本発明のデジタル温度補償型発振器の一態様は、環境温度の変化に対して周波数が変化する第1の発振周波数を生成すると共に制御電圧によって前記第1の発振周波数の制御が可能な発振信号を生成する電圧制御型発振器と、前記環境温度の変化に対して前記第1の発振周波数よりも変化率が大きい第2の発振周波数を生成する第1のリングオシレータと、前記環境温度の変化に対して前記第1の発振周波数よりも変化率が大きく且つ前記第2の発振周波数とは温度特性が異なる第3の発振周波数を生成する第2のリングオシレータと、前記第1の発振周波数に基づいて設定されるカウント時間での前記第2及び第3の発振周波数の計測により、得られる周波数カウントデータに対して、温度及び電圧の2元の2次以上の多項式近似式を設定した上で、予め前記温度及び電源電圧を変えて測定した前記周波数カウントデータを基に算出した前記第1のリングオシレータ及び前記第2のリングオシレータの前記多項式近似式における第1の係数セット及び第2の係数セットを記憶する係数記憶部と、同一の温度及び電源電圧の環境にて動作する前記第1のリングオシレータ及び前記第2のリングオシレータの第2及び第3の発振周波数を、前記カウント時間で計測することにより、そのときの発振周波数に対応する第1の周波数カウントデータ及び第2の周波数カウントデータを生成する周波数カウンタと、前記第1の周波数カウントデータと前記第1の係数セットを前記多項式近似式に適用した第1の方程式と、前記第2の周波数カウントデータと前記第2の係数セットを前記多項式近似式に適用した第2の方程式による連立2元方程式から、前記第1及び第2の周波数カウントデータを生成した時の温度及び電源電圧を演算により求める温度電圧変換部と、前記温度電圧変換部によって得られた温度に基づいて前記第1の発振周波数の環境温度に対する変化を補償するための温度補償デジタルデータを生成する温度補償回路と、ΔΣモジュレータと受動素子からなる受動型多段ローパスフィルタによって構成されて前記温度補償デジタルデータをアナログ電圧で表わされる前記制御電圧に変換するD/A変換器とを備えることを特徴としている。 According to one aspect of the digital temperature compensated oscillator of the present invention, an oscillation signal that generates a first oscillation frequency that changes in frequency with respect to a change in environmental temperature and that can control the first oscillation frequency with a control voltage is provided. A voltage-controlled oscillator to be generated; a first ring oscillator that generates a second oscillation frequency having a rate of change greater than the first oscillation frequency with respect to a change in the environmental temperature; and a change in the environmental temperature. A second ring oscillator that generates a third oscillation frequency having a rate of change larger than the first oscillation frequency and having a temperature characteristic different from that of the second oscillation frequency, and based on the first oscillation frequency. By measuring the second and third oscillation frequencies at the set count time, a quadratic or higher-order polynomial approximation expression of temperature and voltage is set for the obtained frequency count data. In addition, the first coefficient set and the first coefficient set in the polynomial approximation formula of the first ring oscillator and the second ring oscillator calculated based on the frequency count data measured by changing the temperature and the power supply voltage in advance A coefficient storage unit that stores two coefficient sets, and the second and third oscillation frequencies of the first ring oscillator and the second ring oscillator that operate in an environment of the same temperature and power supply voltage. By measuring with time, a frequency counter that generates first frequency count data and second frequency count data corresponding to the oscillation frequency at that time, the first frequency count data, and the first coefficient set The first equation applied to the polynomial approximation formula, the second frequency count data, and the second coefficient set are the polynomial. From simultaneous binary equations with a second equation applied to the approximate expression, a temperature voltage converter to obtain the temperature and power supply voltage when generating the first and second frequency count data by calculation, the temperature-voltage converter A temperature compensation circuit for generating temperature compensation digital data for compensating for the change of the first oscillation frequency with respect to the environmental temperature based on the temperature obtained by the above, and a passive multistage low-pass filter comprising a ΔΣ modulator and a passive element. And a D / A converter for converting the temperature compensation digital data into the control voltage represented by an analog voltage.
前記温度補償回路は、温度補償に関わるデジタルデータ及び電圧補償に関わるデジタルデータをそれぞれ出力し、前記温度補償に関わるデジタルデータは、前記D/A変換器に入力し、前記電圧補償に関わるデジタルデータは、前記電圧制御型発振器の電源電圧を供給する安定化電源を制御する電源電圧制御回路に入力するようにしても良い。
前記温度補償回路は、前記温度電圧変換部によって得られた温度及び電源電圧の両方に基づいた補償データを前記温度補償デジタルデータとして出力し、前記D/A変換器に入力するようにしても良い。
The temperature compensation circuit outputs digital data related to temperature compensation and digital data related to voltage compensation, respectively. The digital data related to temperature compensation is input to the D / A converter, and digital data related to voltage compensation is output. May be input to a power supply voltage control circuit that controls a stabilized power supply that supplies the power supply voltage of the voltage controlled oscillator.
The temperature compensation circuit may output compensation data based on both the temperature and the power supply voltage obtained by the temperature voltage conversion unit as the temperature compensation digital data, and input the compensation data to the D / A converter. .
本発明のデジタル温度補償型発振器は、精度の高い温度測定ができる温度センサを有しており、その温度データを基にした補償電圧(発振器に対する制御電圧信号)により高い周波数安定度を実現することができる。また、温度測定と同時に逐次変動する電源電圧の測定も行うことができるため、その電圧データを加味して上記補償電圧を生成することによって更に安定な発振周波数を維持することができる。また、前記電圧データを基に安定化電源の出力電圧を補償することもでき、これによっても安定な発振周波数を維持することができる。 The digital temperature compensated oscillator of the present invention has a temperature sensor capable of measuring temperature with high accuracy, and realizes high frequency stability by a compensation voltage (control voltage signal for the oscillator) based on the temperature data. Can do. In addition, since the power supply voltage that sequentially changes can be measured simultaneously with the temperature measurement, a more stable oscillation frequency can be maintained by generating the compensation voltage in consideration of the voltage data. Also, the output voltage of the stabilized power supply can be compensated based on the voltage data, and a stable oscillation frequency can be maintained by this.
以下、実施例を参照して発明の実施の形態を説明する。 Hereinafter, embodiments of the invention will be described with reference to examples.
まず、図1乃至図6、図8乃至図11を参照して実施例1を説明する。この実施例におけるデジタル温度補償型発振器は、図1に示される温度センサが用いられ、その概略構成は図2のブロック図に示す通りである。また、図2のブロック図に対応した更に詳細な構成が図11のブロック図に示されている。図2に示した通り、この温度補償型発振器は、水晶発振器(水晶振動子)を外付けし、発振回路を内蔵した半導体IC(チップ)から構成される。
この実施例において用いられる温度センサは、温度に敏感で温度特性の異なる2つのリングオシレータ2a、2bの発振周波数(f1、f2)を、同一の温度(T)、電圧(V)環境で、温度安定性の良い基準周波数f0(基準クロック信号)で計測し、予め各リングオシレータ2a、2bの発振周波数(f1、f2)を温度T、電圧Vを変えて測定したデータから計算で求めた2つのT、Vの2元の高次多項式近似式(f1(T、V)、f2(T、V))の係数を使って、T、Vを未知数とする2つのリングオシレータ2a、2bの2元連立方程式からT、Vを半導体IC(チップ)に形成された演算回路で解くことを特徴としている。
First,
The temperature sensor used in this embodiment uses the oscillation frequencies (f1, f2) of two
そして、温度センサの構成は、「課題を解決するための手段」に記載されているように(図1参照)、温度に敏感で温度特性の異なる2つの発振周波数の温度特性、電圧特性が異なる第1のリングオシレータ2a及び第2のリングオシレータ2bと、前記第1のリングオシレータ2a及び前記第2のリングオシレータ2bのそれぞれの発振周波数f1、f2を計測するためのカウント時間(Tosc)を設定する基準クロック信号f0を供給する基準周波数供給部(基準クロック源)1と、前記カウント時間Toscで前記それぞれの発振周波数f1、f2の計測により得られる周波数のカウントデータに対して温度T及び電源電圧Vの2元の2次以上の多項式近似式を設定した上で、予め前記温度T及び前記電源電圧Vを変えて測定した前記周波数のカウントデータを基に算出した前記第1のリングオシレータ2a及び前記第2のリングオシレータ2bの前記多項式近似式における第1の係数セット及び第2の係数セットを記憶する係数記憶部(ROM)34と、同一の温度及び電源電圧の環境にて動作する前記第1のリングオシレータ2a及び前記第2のリングオシレータ2bの発振周波数f1、f2を、前記カウント時間Toscで計測することにより、そのときの発振周波数に対応する第1の周波数カウントデータF1及び第2の周波数カウントデータF2を生成する周波数カウンタ(Counter)32と、前記第1の周波数カウントデータF1と前記第1の係数セットを前記多項式近似式に適用した第1の方程式と、前記第2の周波数カウントデータF2と前記第2の係数セットを前記多項式近似式に適用した第2の方程式による連立2元方程式から、前記第1及び第2の周波数カウントデータを生成した時の温度及び電源電圧を演算により求める温度電圧変換部33とを有する。
As described in “Means for Solving the Problems” (see FIG. 1), the temperature sensor has different temperature characteristics and voltage characteristics of two oscillation frequencies that are sensitive to temperature and have different temperature characteristics. The count time (Tosc) for measuring the oscillation frequencies f1 and f2 of the first ring oscillator 2a and the
基準周波数供給部(基準クロック源)1は、前記第1のリングオシレータ2a及び前記第2のリングオシレータ2bのそれぞれの発振周波数f1、f2を計測するためのカウント時間(Tosc)を設定する基準クロック信号f0を供給する回路であるが、この実施例(図11)では、温度センサが温度補償型発振器に含まれるので、基準周波数供給部1は、温度補償型発振器を構成する電圧制御型発振器1とする。この電圧制御型発振器1は、環境温度の変化に対して周波数が変化する第1の発振周波数を生成すると共に制御電圧によって前記第1の発振周波数の制御が可能な発振信号を生成する。
A reference frequency supply unit (reference clock source) 1 sets a reference clock for setting a count time (Tosc) for measuring the oscillation frequencies f1 and f2 of the first ring oscillator 2a and the
ここで、電圧制御型発振器1が生成する発振周波数は、第1の発振周波数とし、第1のリングオシレータ2aの発振周波数f1を第2の発振周波数とし、第2のリングオシレータ2bの発振周波数f2を第3の発振周波数とする。
Here, the oscillation frequency generated by the voltage controlled
また、デジタル温度補償型発振器は、「課題を解決するための手段」に記載されているように(図11参照)、温度センサに加えて、環境温度の変化に対して周波数が変化する第1の発振周波数を生成すると共に制御電圧によって前記第1の発振周波数の制御が可能な発振信号を生成する電圧制御型発振器1と、第1及び第2の周波数カウントデータを生成したときの前記同一の温度に基づいて第1の発振周波数の環境温度に対する変化を補償するための温度補償デジタルデータを生成する温度補償回路4と、ΔΣモジュレータ5及び受動素子からなる受動型多段ローパスフィルタ6によって構成されて温度補償デジタルデータをアナログ電圧で表わされる前記制御電圧に変換するD/A変換器7とを備えている。
Further, as described in “Means for Solving the Problems” (see FIG. 11), the digital temperature compensated oscillator has a first frequency that changes in response to a change in environmental temperature in addition to the temperature sensor. And the same frequency when the first and second frequency count data are generated, and the voltage controlled
図3において、図3(a)は、この実施例における第1及び第2のリングオシレータ2a、2bの発振周波数f1、f2の温度特性及び電圧特性を示すものであり、図3(b)は、温度及び電圧特性の他の例である。図3(c)は、発振周波数f1、f2の温度特性の他の例であり、発振周波数f1が正特性、他方のf2が負特性を有している。
図4には、第1及び第2のリングオシレータの出力f1、f2と基準クロックf0が記載されており、基準クロックf0で設定されるカウント時間Toscでそれぞれの周波数をカウントして周波数カウントデータF1、F2を得るものである。周波数を計測するには波形の立ち上がりエッジをカウントする。
3, FIG. 3 (a) shows the temperature characteristics and voltage characteristics of the oscillation frequencies f1, f2 of the first and
FIG. 4 shows the outputs f1 and f2 of the first and second ring oscillators and the reference clock f0. Each frequency is counted by the count time Tosc set by the reference clock f0, and the frequency count data F1. , F2 is obtained. To measure the frequency, count the rising edge of the waveform.
図5及び図6は、温度電圧センサを構成するリングオシレータ2を表している。リングオシレータは、外部から電源2cが供給される2つのリングオシレータ2a、2bから構成されている。これらは、それぞれRO1、RO2と表記する。2つのリングオシレータは、それぞれリング状に接続された複数(N個)のインバータ(図6)から構成されている。第1のリングオシレータ(RO1)2aは、入力が電流源に接続されて電流駆動し、発振周波数f1を出力する(図6(a))。発振周波数f1は、温度T、電圧Vの関数であり、f1(T,V)で表記される。第2のリングオシレータ(RO2)2bは、入力が電源2cに接続されて電圧駆動し、発振周波数f2を出力する(図6(b))。発振周波数f2は、温度T、電圧Vの関数であり、f2(T,V)で表記される。リングオシレータの発振周波数(f)は、インバータの数(N)と遅延時間(td)で決まり、遅延時間(td)は、温度(T)に依存する。即ち、発振周波数fは、1/(2N・td(T))で表される。
図5は、共通の電源2cを用いて電流駆動のリングオシレータと電圧駆動のリングオシレータを説明している。リングオシレータの電源ラインをリングオシレータの回路とは別に形成した電流源(カレントソース)に接続して電流駆動(RO1)とする。実際の回路の一例は、図7(c)、(d)に記載されている。
5 and 6 show the
FIG. 5 illustrates a current-driven ring oscillator and a voltage-driven ring oscillator using a
以下、この実施例の2つのリングオシレータによる温度センサを用いた温度検出方法を説明する。
半導体ICに形成されるリングオシレータの発振周波数は、温度依存性を有する以外に電圧依存性を有している。フェムトセルの要求するクロック精度(50ppb程度)温度補償発振器の温度補償回路で実現する場合に必要な温度センサに要求される温度精度は、温度補償発振器に使われる温度センサの特性から計算して約0.05℃が必要とされる。このリングオシレータの電源電圧をレギュレータによって安定化することも考えられるが、−50〜125℃などの広範囲でその電源電圧を温度精度0.05℃に相当する電圧変動以内(1mVより遥かに下である)に安定化することは容易ではない。この実施例によって説明される発明は、このような課題を解決するものである。
Hereinafter, a temperature detection method using the temperature sensor by the two ring oscillators of this embodiment will be described.
The oscillation frequency of the ring oscillator formed in the semiconductor IC has voltage dependence in addition to temperature dependence. Clock accuracy required by the femtocell (about 50 ppb) The temperature accuracy required for the temperature sensor required for the temperature compensation circuit of the temperature compensation oscillator is calculated from the characteristics of the temperature sensor used in the temperature compensation oscillator. 0.05 ° C is required. Although it is conceivable to stabilize the power supply voltage of this ring oscillator with a regulator, the power supply voltage within a wide range of −50 to 125 ° C. is within a voltage fluctuation corresponding to a temperature accuracy of 0.05 ° C. (much below 1 mV). It is not easy to stabilize. The invention described by this embodiment solves such a problem.
1つのリングオシレータの発振周波数fは、温度(T)、電圧(V)単独、T・V項の多項式近似式f(T,V)(式1)で表すことができる。式1は、図8に記載する。この近似式において、m、n、p、q、M、N、P、Qはすべて自然数であり、am、bn、cpq、c0は係数である。ここで第1のリングオシレータは、RO1、第2のリングオシレータは、RO2と表記する。この実施例では、近似式をTに関する4次、Vに関する2次、T・Vに関する1次の項の線形結合からなるものとする。
The oscillation frequency f of one ring oscillator can be expressed by a polynomial approximation formula f (T, V) (Equation 1) of temperature (T), voltage (V) alone, and T · V terms.
2つのリングオシレータの発振周波数f1、f2を図1に示すカウンタ32で測定した値をF1(T,V)、F2(T,V)とする。
RO1の周波数カウント値F1は、式2で表される。
F1(T,V)=a41T4+a31T3+a21T2+a11T+b21V2+b11V+c11TV+c01 (式2)
a41、a31、a21、a11、b21、b11、c11、c01は、各項の係数である。
また、RO2の周波数カウント値F2は、式3で表される。
F2(T,V)=a42T4+a32T3+a22T2+a12T+b22V2+b12V+c12TV+c02 (式3)
a42、a32、a22、a12、b22、b12、c12、c02は、各項の係数である。
The values obtained by measuring the oscillation frequencies f1 and f2 of the two ring oscillators with the
The frequency count value F1 of RO1 is expressed by
F1 (T, V) = a 41 T 4 + a 31 T 3 + a 21 T 2 + a 11 T + b 21 V 2 + b 11 V + c 11 TV + c 01 (Formula 2)
a41, a31, a21, a11, b21, b11, c11, c01 are coefficients of each term.
Further, the frequency count value F2 of RO2 is expressed by Expression 3.
F2 (T, V) = a 42
a42, a32, a22, a12, b22, b12, c12, c02 are coefficients of each term.
次に、RO1、RO2を恒温槽などの同一の温度環境で温度を可変しつつ、電源電圧も変えながら、RO1、RO2の周波数カウント値F1、F2データをそれぞれ採取する。測定ポイント数は、最小二乗法によって、未知数である係数を計算できる最小数以上のポイント数を設定する。そして、RO1の測定から得られたデータを[F1(Ti,Vj),Ti,Vj](i=1〜m、j=1〜n)とし、RO2の測定から得られたデータを[F2(Ti,Vj),Ti,Vj](i=1〜m、j=1〜n)とする。但し、i、j、m、nは全て自然数である。ここで使用するm、nは図8に記載した式1のm、nとは無関係である。
Next, the frequency count values F1 and F2 data of the RO1 and RO2 are respectively collected while changing the power supply voltage while changing the temperature of the RO1 and RO2 in the same temperature environment such as a thermostat. The number of measurement points is set to a point number equal to or greater than the minimum number at which a coefficient that is an unknown number can be calculated by the least square method. Then, the data obtained from the measurement of RO1 is [F1 (Ti, Vj), Ti, Vj] (i = 1 to m, j = 1 to n), and the data obtained from the measurement of RO2 is [F2 ( Ti, Vj), Ti, Vj] (i = 1 to m, j = 1 to n). However, i, j, m, and n are all natural numbers. M and n used here are irrelevant to m and n in
これら測定によって得られたRO1に関するデータから、最小二乗法によって、RO1に関する未知数[a41、a31、a21、a11、b21、b11、c11、c01]を計算し、同様にして、測定によって得られたRO2に関するデータから、最小二乗法によって、RO2に関する未知数[a42、a32、a22、a12、b22、b12、c12、c02]を計算する。なお、この最小二乗法による計算は、半導体ICの出荷テスト時やユーザによる製品組み込み時に行うものであり、半導体ICからデータを採取し、外部のパソコンなどの演算装置で計算することができる。
このような処理によって求められた係数は、温度電圧センサが形成された半導体ICの係数メモリに書き込まれている。係数メモリは、図1のメモリ(ROM)34に相当する。係数メモリにはEPROM、EEPROM、フラッシュメモリなどの不揮発性メモリが適当である。
From the data relating to RO1 obtained by these measurements, unknowns [a41, a31, a21, a11, b21, b11, c11, c01] relating to RO1 are calculated by the method of least squares, and similarly RO2 obtained by the measurements. The unknowns [a42, a32, a22, a12, b22, b12, c12, c02] related to RO2 are calculated from the data related to (2) by the least square method. The calculation by the least square method is performed at the time of shipping test of the semiconductor IC or at the time of product incorporation by the user. Data can be collected from the semiconductor IC and can be calculated by an arithmetic device such as an external personal computer.
The coefficient obtained by such processing is written in the coefficient memory of the semiconductor IC in which the temperature voltage sensor is formed. The coefficient memory corresponds to the memory (ROM) 34 in FIG. As the coefficient memory, a nonvolatile memory such as an EPROM, an EEPROM, or a flash memory is appropriate.
次に、RO1及びRO2は、それぞれの係数が、半導体IC内のメモリに書き込まれている状態で、同一の温度環境に置かれ、同一の電源電圧が印加されている。そして、RO1、RO2の周波数カウント値がF1(T,V)、F2(T,V)であり、この2値から未知数T、Vを計算する。即ち、RO1とRO2のF1、F2に関する係数が既知であるので、次式(式4及び式5)の2元(T、V)の連立4次方程式を解くことによって、未知数T、Vが計算される。
F1=a41T4+a31T3+a21T2+a11T+b21V2+b11V+c11TV+c01 (式4)
F2=a42T4+a32T3+a22T2+a12T+b22V2+b12V+c12TV+c02 (式5)
しかしながら、2元(T,V)の4次連立方程式の解は、2次方程式のように定式化されていないために、ニュートン−ラフソン法を用いて、漸化式による繰り返し演算によって解を求める。
Next, RO1 and RO2 are placed in the same temperature environment with the respective coefficients written in the memory in the semiconductor IC, and the same power supply voltage is applied. The frequency count values of RO1 and RO2 are F1 (T, V) and F2 (T, V), and unknowns T and V are calculated from these two values. That is, since the coefficients relating to F1 and F2 of RO1 and RO2 are known, the unknowns T and V are calculated by solving the binary (T, V) simultaneous quaternary equations of the following equations (
F1 = a 41 T 4 + a 31 T 3 + a 21 T 2 + a 11 T + b 21 V 2 + b 11 V + c 11 TV + c 01 (Formula 4)
F2 = a 42 T 4 + a 32 T 3 + a 22 T 2 + a 12 T + b 22 V 2 + b 12 V + c 12 TV + c 02 (Formula 5)
However, since the solution of the binary (T, V) quaternary simultaneous equation is not formulated like the quadratic equation, the solution is obtained by iterative calculation using a recurrence formula using the Newton-Raphson method. .
まず、式4の右辺から左辺を引いた値をY1(T,V)とし、同様に、式5の右辺から左辺を引いた値をY2(T,V)とする。Y1、Y2は、式6及び式7として表される。
Y1(T,V)=a41T4+a31T3+a21T2+a11T+b21V2+b11V+c11TV+c01−F1 (式6)
Y2(T,V)=a42T4+a32T3+a22T2+a12T+b22V2+b12V+c12TV+c02−F2 (式7)
First, a value obtained by subtracting the left side from the right side of
Y1 (T, V) = a 41
Y2 (T, V) = a 42
また、式6及び式7において、その微分値は、式8乃至式11に表される。
∂Y1/∂T=4a41T3+3a31T2+2a21T+a11+c11V (式8)
∂Y2/∂T=4a42T3+3a32T2+2a22T+a12+c12V (式9)
∂Y1/∂V=2b21V+b11+c11T (式10)
∂Y2/∂V=2b22V+b12+c12T (式11)
これらの式から、T、Vの変化分ΔT、ΔVは、図9に記載された式12及び式13で表される。
Further, in Expression 6 and Expression 7, the differential values are expressed in
∂Y1 / ∂T = 4a 41 T 3 + 3a 31 T 2 + 2a 21 T + a 11 + c 11 V (Formula 8)
∂Y2 / ∂T = 4a 42 T 3 + 3a 32 T 2 + 2a 22 T + a 12 + c 12 V (Formula 9)
∂Y1 / ∂V = 2b 21 V + b 11 + c 11 T (Formula 10)
∂Y2 / ∂V = 2b 22 V + b 12 + c 12 T (Formula 11)
From these equations, the changes ΔT and ΔV of T and V are expressed by
次に、式12から、ΔT、ΔVは、次式で表される。
ΔT=−(Y1*∂Y2/∂V−Y2*∂Y1/∂V)/det
(式14)
ΔV=(Y1*∂Y2/∂T−Y2*∂Y1/∂T)/det
(式15)
ここで示したΔT、ΔVの計算式を用いてニュートン−ラフソン法による漸化式は、次式で表される。
Tn+1=Tn+ΔT (式16)
Vn+1=Vn+ΔV (式17)
計算の最初は、式16、式17のTn、Vnのn=0に相当するT0、V0を初期値として与える必要がある。このT0、V0には想定されるT、Vの変動範囲のほぼ中心値を与えることもできる。
Next, from
ΔT = − (Y1 * ∂Y2 / ∂V−Y2 * ∂Y1 / ∂V) / det
(Formula 14)
ΔV = (Y1 * ∂Y2 / ∂T−Y2 * ∂Y1 / ∂T) / det
(Formula 15)
The recurrence formula by the Newton-Raphson method using the calculation formulas of ΔT and ΔV shown here is expressed by the following formula.
Tn + 1 = Tn + ΔT (Formula 16)
Vn + 1 = Vn + ΔV (Formula 17)
At the beginning of the calculation, it is necessary to give T0 and V0 corresponding to Tn of Expression 16 and Expression 17 and n = 0 of Vn as initial values. As T0 and V0, it is also possible to give the approximate center value of the assumed fluctuation range of T and V.
ニュートン−ラフソン法では漸化式による計算を繰り返すので、所望の誤差以内の結果が得られた場合には、計算を中止し、その段階のTn、Vnを計算結果として出力する。
具体的には、下記の式18、式19に表すように、ΔT、ΔVが予め設定した誤差範囲Et、Ev未満になったときに収束したと判断する。
ABS(ΔT)<Et (式18)
ABS(ΔV)<Ev (式19)
なお、ABS(X)は、Xの絶対値を表す。
また、下記の式20に示すように、計算回数(Nctv)がリミット回数(Mtv)を超える場合には時間オーバーとして計算を中止し、その時点での最終結果を出力する。もしくは、問題のないディフォルト値を出力する事もあり得る。
Nctv>Mtv (式20)
Since the Newton-Raphson method repeats the calculation based on the recurrence formula, if a result within a desired error is obtained, the calculation is stopped and Tn and Vn at that stage are output as the calculation results.
Specifically, as shown in the following equations 18 and 19, it is determined that the convergence has occurred when ΔT and ΔV are less than preset error ranges Et and Ev.
ABS (ΔT) <Et (Formula 18)
ABS (ΔV) <Ev (Equation 19)
ABS (X) represents the absolute value of X.
Further, as shown in the following equation 20, when the number of calculations (Nctv) exceeds the limit number (Mtv), the calculation is stopped as time is over, and the final result at that time is output. Or, it is possible to output a default value without any problem.
Nctv> Mtv (Formula 20)
また、式14、式15に記載された(1/det)の計算には割り算が必要であるが、この計算自体もニュートン−ラフソン法を用いることができる。
以上のニュートン−ラフソン法による計算は、半導体IC上に搭載されたデジタル演算回路と演算シーケンス(プログラム)によって実現可能である。このプログラムは半導体ICに形成されたメモリに記憶される。
Further, division is necessary for the calculation of (1 / det) described in Expressions 14 and 15, but the calculation itself can also use the Newton-Raphson method.
The above calculation by the Newton-Raphson method can be realized by a digital arithmetic circuit and an arithmetic sequence (program) mounted on the semiconductor IC. This program is stored in a memory formed in the semiconductor IC.
次に、図10を参照して、周波数カウント値(F1、F2)から温度(T)、電圧(V)を計算する方法を説明する。
事前に、RO1用係数(a41、a31、a21、a11、b21、b11、c11、c01、4a41、3a31、2a21、2b21)、RO2用係数(a42、a32、a22、a12、b22、b12、c12、c02、4a42、3a32、2a22、2b22)、det逆数計算用係数(2)、温度(T)用誤差リミット値(Et)、電圧(V)用誤差リミット値(Ev)、det逆数用誤差リミット値(Edet)、T及びV用計算回数リミット値(Mtv)、det逆数用計算回数リミット値(Mdet)が図1に示すメモリ(ROM)(係数記憶部)34に書き込まれている。
計算方法は、2つのフローに分かれており、左側のフロー(図10(a))がメインフロー、右側のフロー(図10(b))がサブフローであり、Idet(=1/det)を計算するものである。
Next, a method for calculating the temperature (T) and the voltage (V) from the frequency count values (F1, F2) will be described with reference to FIG.
The coefficients for RO1 (a41, a31, a21, a11, b21, b11, c11, c01, 4a41, 3a31, 2a21, 2b21), the coefficients for RO2 (a42, a32, a22, a12, b22, b12, c12, c02, 4a42, 3a32, 2a22, 2b22), det reciprocal coefficient (2), temperature (T) error limit value (Et), voltage (V) error limit value (Ev), det reciprocal error limit value (Edet), T and V calculation count limit values (Mtv), and det reciprocal calculation count limit values (Mdet) are written in the memory (ROM) (coefficient storage section) 34 shown in FIG.
The calculation method is divided into two flows. The left flow (FIG. 10A) is the main flow, the right flow (FIG. 10B) is the sub flow, and Idet (= 1 / det) is calculated. To do.
まず、メインフローを説明する。
[計算開始] 計算が開始されると、RO1及びRO2の周波数カウントデータF1、F2を取得する。このカウントデータは、通常は、カウンタ(図1の32)から取得したデータをレジスタなどに記憶しているので、レジスタから取得するとしても良い。
[初期値設定] つぎに、ニュートン−ラフソン法で計算する場合の温度データT、電圧データVの初期値として、T0、V0を与える。初期値は、予めメモリ(図1の34)に記憶しておき、このメモリから読み出すこともできる。
[カウンタリセット] 次に、ニュートン−ラフソン法の演算繰り返し回数のカウンタをリセットする(即ち、計算回数(Nctv)を0とする)。そして、既に与えた初期値T0、V0を式6、式7のT、Vに代入して、Y1(T、V)、Y2(T、V)を計算する。
First, the main flow will be described.
[Start Calculation] When the calculation is started, the frequency count data F1 and F2 of RO1 and RO2 are acquired. The count data is normally acquired from a register because data acquired from the counter (32 in FIG. 1) is stored in a register or the like.
[Initial Value Setting] Next, T0 and V0 are given as initial values of temperature data T and voltage data V in the case of calculation by the Newton-Raphson method. The initial value can be stored in advance in a memory (34 in FIG. 1) and read out from this memory.
[Counter Reset] Next, the counter of the number of repetitions of the Newton-Raphson method is reset (that is, the calculation number (Nctv) is set to 0). Then, Y1 (T, V) and Y2 (T, V) are calculated by substituting the already given initial values T0, V0 into T, V in Expressions 6 and 7.
次に、同様にして、Y1(T、V)、Y2(T、V)のT、Vに関する1階微分のdY1T、dY2T、dY1V、dY2V(略記号)を式8乃至式11により計算する。これら略記号は、以下に示すように、式21乃至式24で表される。
dY1T=∂Y1/∂T (式21)
dY2T=∂Y2/∂T (式22)
dY1V=∂Y1/∂V (式23)
dY2V=∂Y2/∂V (式24)
次に、detを計算する。detを表す式13に式8乃至式11を代入して計算する。
Next, dY1T, dY2T, dY1V, and dY2V (abbreviated symbols) of first-order derivatives with respect to T and V of Y1 (T, V) and Y2 (T, V) are similarly calculated by
dY1T = ∂Y1 / ∂T (Formula 21)
dY2T = ∂Y2 / ∂T (Formula 22)
dY1V = ∂Y1 / ∂V (Formula 23)
dY2V = ∂Y2 / ∂V (Formula 24)
Next, det is calculated. Calculation is performed by substituting
つぎに、式12から導き出されたΔT、ΔVは、式14及び式15に表されるが、これらにdetを積算した値は、式25、式26に示される。そして、ΔT*det、ΔV*detに相当する2式の右辺を計算する。
ΔT*det=−(Y1*∂Y2/∂V−Y2*∂Y1/∂V)
(式25)
ΔV*det=(Y1*∂Y2/∂T−Y2*∂Y1/∂T)
(式26)
上記で計算したY1、Y2、dY1T、dY2T、dY1V、dY2V、det、ΔT*det、ΔV*detの計算結果は、計算後一時記憶レジスタに保管される。
次に、Idet(=1/det)の計算を説明するが、詳細は、サブフロー(図10(b))でするので、ここではIdetが計算されたものとして、説明を進める。
Next, ΔT and ΔV derived from
ΔT * det = − (Y1 * ∂Y2 / ∂V−Y2 * ∂Y1 / ∂V)
(Formula 25)
ΔV * det = (Y1 * ∂Y2 / ∂T−Y2 * ∂Y1 / ∂T)
(Formula 26)
The calculation results of Y1, Y2, dY1T, dY2T, dY1V, dY2V, det, ΔT * det, and ΔV * det calculated above are stored in the temporary storage register after calculation.
Next, calculation of Idet (= 1 / det) will be described, but since the details are a sub-flow (FIG. 10B), the description will be given here assuming that Idet has been calculated.
次に、既に式25、式26で計算したΔT*det、ΔV*detにIdetを掛けることにより、ΔT、ΔVを計算する。
ΔT=Idet*(ΔT*det) (式27)
ΔV=Idet*(ΔV*det) (式28)
次に、式16、式17により、T=T1、V=V1を計算する。具体的にはn=0とした次の式29、式30にあらわされる。
T1=T0+ΔT (式29)
V1=V0+ΔV (式30)
[収束判断] 次に、計算された結果がニュートン−ラフソン法でいう収束に相当するかどうかを判断するために、ABS(ΔT)<EtとABS(ΔV)<Vtの大小比較を計算する。その結果がYesであれば上記で計算したT1、V1を計算結果として出力し、計算終了となる。
Next, ΔT * det and ΔV * det that have already been calculated in Expressions 25 and 26 are multiplied by Idet to calculate ΔT and ΔV.
ΔT = Idet * (ΔT * det) (Formula 27)
ΔV = Idet * (ΔV * det) (Equation 28)
Next, T = T1 and V = V1 are calculated by Expression 16 and Expression 17. Specifically, it is expressed by the following formulas 29 and 30 where n = 0.
T1 = T0 + ΔT (Formula 29)
V1 = V0 + ΔV (Formula 30)
[Convergence Determination] Next, in order to determine whether or not the calculated result corresponds to the convergence referred to in the Newton-Raphson method, a magnitude comparison between ABS (ΔT) <Et and ABS (ΔV) <Vt is calculated. If the result is Yes, T1 and V1 calculated above are output as calculation results, and the calculation ends.
一方、もしその結果がNo(未収束)であれば、再度計算を繰り返すために、計算回数カウント数Nctvを1つカウントアップする。Nctvが初期リセットされている場合は、カウントアップしてNctv=1となる。
次に、計算回数カウントNctvが計算回数リミット値Mtvを超えていないかを計算する。超えている場合(Yes)には、T、V計算結果出力を行い、計算終了となり、超えない場合(No)には、Y1、Y2の計算から計算の繰り返しを行う。
On the other hand, if the result is No (unconvergence), the calculation count Nctv is incremented by one to repeat the calculation again. When Nctv is initially reset, Nctv = 1 is counted up.
Next, it is calculated whether the calculation count Nctv exceeds the calculation count limit value Mtv. If it exceeds (Yes), the T and V calculation results are output, and the calculation ends. If not (No), the calculation is repeated from the calculation of Y1 and Y2.
次に、サブフローを説明する。ここではIdetの逆数計算フローを説明する。
[計算開始] まず、ニュートン−ラフソン法を用いて、detの逆数を計算する方法を説明する。
例えば、数値aの逆数をxとした場合、式31のように、f(x)=0を解けばx=1/aが求められる。f(x)の微分値は、式32に示される。
f(x)=(1/x)−a (式31)
f′(x)=−1/x2 (式32)
これらの式を用いて、式33に示す漸化式が得られる。漸化式は、式33のように表される。
xn+1=xn−f(xn)/f′(xn)=xn(2−axn)
(式33)
まず、メインフローの途中でレジスタに保管されたdetデータを取得する。
Next, the subflow will be described. Here, the reciprocal calculation flow of Idet will be described.
[Calculation Start] First, a method for calculating the inverse of det using the Newton-Raphson method will be described.
For example, when the reciprocal of the numerical value a is x, x = 1 / a can be obtained by solving f (x) = 0 as shown in
f (x) = (1 / x) −a (Equation 31)
f ′ (x) = − 1 / x 2 (Formula 32)
Using these equations, the recurrence equation shown in
xn + 1 = xn-f (xn) / f '(xn) = xn (2-axn)
(Formula 33)
First, det data stored in a register is acquired during the main flow.
[初期値設定] 初期値Idet0を図1に示すメモリ(ROM)から読み出し、Idet初期値として設定する。
[カウンタリセット] 次に、計算回数カウンタNcdetをリセットする(Ncdet=0)。そして、式33に従って、Idetを計算する。その際、ROMのdet逆数計算用係数(2)を使用する。
[収束判断] 次に、計算された結果がニュートン−ラフソン法でいう収束に相当するかどうかを判断するために、ABS(ΔIdet)<Edetであるか否かを計算する。ΔIdetは、式33では、「xn+1−xn」のことである。ABS(ΔIdet)<EdetがYes(収束)であれば、上記で計算したIdetを計算結果として出力して計算終了となる。一方、もし、その結果がNo(未収束)であれば、再度計算を繰り返すために、計算回数カウント数Ncdetを1つカウントアップする。Ncdetが初期リセットされていれば、カウントアップしてNcdet=1となる。
次に、計算回数カウントNcdetが計算回数リミット値Mtvを越えていないかを計算する。超えている場合(Yes)には、Idet計算結果出力を行い、計算終了となる。超えていない場合(No)には、Idetの計算から計算繰り返しを行う。
[Initial Value Setting] The initial value Idet0 is read from the memory (ROM) shown in FIG. 1 and set as the Idet initial value.
[Counter Reset] Next, the calculation number counter Ncdet is reset (Ncdet = 0). Then, Idet is calculated according to
[Convergence Determination] Next, in order to determine whether or not the calculated result corresponds to the convergence referred to in the Newton-Raphson method, it is calculated whether or not ABS (ΔIdet) <Edet. ΔIdet is “xn + 1−xn” in
Next, it is calculated whether the calculation number count Ncdet exceeds the calculation number limit value Mtv. If it exceeds (Yes), the Idet calculation result is output and the calculation is completed. When it does not exceed (No), the calculation is repeated from the calculation of Idet.
次に、以上において説明した温度センサを同じ半導体ICに組み込んだデジタル温度補償型発振器(段落0017参照)を用いて発振器の温度補償及び電圧補償の方法を説明する。(図11参照)
この実施例は、電圧制御型発振器(VCO)1の温度補償と共に、PWM出力回路57の電源電圧の電圧補償をΔΣモジュレータ5及び受動型多段ローパスフィルタ6によって構成されたD/A変換器7で行う方法である。D/A変換器7のデジタル出力の最終段にあるPWM出力は、その電源電圧に直接左右される。そのため、電源電圧を固定する必要があるが完全に安定化することは困難である。そこで、この実施例では、温度電圧センサ出力の電圧データを使って、温度補償量以外に電圧補償量も計算し、両方の補償量を加算して、D/A変換器7に入力するものである。
Next, a method for temperature compensation and voltage compensation of an oscillator will be described using a digital temperature compensated oscillator (see paragraph 0017) in which the temperature sensor described above is incorporated in the same semiconductor IC. (See Figure 11)
In this embodiment, the temperature compensation of the voltage controlled oscillator (VCO) 1 and the voltage compensation of the power supply voltage of the
次に、図11において、1は電圧制御型発振器(VCO)、2a、2bは温度特性の異なるリングオシレータ1及びリングオシレータ2、3は温度電圧デジタルデータ生成部、4は温度補償回路、5はΔΣモジュレータ、6は受動型LPF(ローパスフィルタ)、7はD/A変換回路、8はバッファ、9は分周回路、10は出力バッファである。
電圧制御型発振器1は、半導体ICに外付けされた水晶振動子(水晶発振器)11及び電圧制御発振回路12を有しており、環境温度の変化に対して周波数が変化する発振周波数(第1の発振周波数)を生成すると共に、受動型4段LPF6から出力される制御電圧によって第1の発振周波数の制御が可能な発振信号を生成するものである。この生成された第1の発振周波数を有する発振信号は、バッファ8に出力されて、分周回路9を経て温度電圧デジタルデータ生成部3の制御回路31に入力する一方、バッファ8から出力バッファ10を介して外部に出力される。
Next, in FIG. 11, 1 is a voltage controlled oscillator (VCO), 2a and 2b are
The voltage-controlled
温度補償回路4は、温度電圧補償演算回路41とメモリ42とからなる。
ΔΣモジュレータ5は、乗算器51と、加算器52a、52b、52cと、遅延回路53a、53b、53cと、乗算器54a、54bと、量子化器55と、PWM変調器56、PWM出力回路57とからなる。加算器52bにはディザ信号が入力される。ディザ信号は、リングオシレータの出力を受けたカウンタの出力の下位ビットのデータからなるものである。例えば、リングオシレータの出力を受けたカウンタの出力が18ビットのデータとすると、下位の4ビット程度のデータをディザ信号とすると好適である。
また、量子化器55は3値以上の多値量子化器であり、例えば、「00」、「01」、「10」、「11」の4つのレベルで量子化した4値のPDM信号をPWM変調器56 に出力するとともに、加算器52cに出力する。PWM変調器56は、3レベル以上の多レベルのパルス幅で2値のPWM信号を出力するもので、例えば、量子化器55 が4値(4レベル)であれば、同様に「0」、「1」、「2」、「3」の4つのレベルのパルス幅のうち、入力したPDM信号のレベルに対応するレベルのパルス幅を有する2値のPWM信号に変換し、PWM出力回路57にてバッファリングした後、受動型4段LPF6に出力する。一方、加算器52cには、量子化器55の出力とともに、加算器52bに入力する信号も入力し、前記加算器52cからは量子化器55による量子化誤差が出力される。
The
The ΔΣ modulator 5 includes a multiplier 51,
The
遅延回路53a、53b、53cは、量子化誤差を1サイクル、2サイクル、3サイクル遅延させる。遅延回路53aの出力は、乗算器54aによって所定の係数が乗じられたうえ、加算器52aに入力される。遅延回路53bの出力は、乗算器54bによって所定の係数が乗じられて加算器52aに入力される。一方、遅延回路53c の出力は、直接加算器52aに入力される。そして、加算器52aには、これらの各入力に加えて、乗算器51の出力が入力され、各入力が加算されて各加算器52b、52cに出力されるのである。
受動型4段LPF6は、抵抗素子と容量素子からなるLPFを4段で構成したものである。各抵抗素子の抵抗値は、例えば、抵抗値の総和が1GΩであり、1段目の抵抗素子が700MΩで、他の3個の抵抗素子はそれぞれ100MΩに設定している。また、各容量素子の容量値は、例えば、容量値の総和が100pFであり、最終段目である4段目の容量素子が70pFで、他の3個の容量素子はそれぞれ10pFに設定している。このように、1段目の抵抗値と、最終段目の容量値を他の抵抗値あるいは容量値よりも大きく設定すると、低周波域での減衰量を大きく取れる。PWM信号はこの受動型4段LPF6を通ることでアナログ信号に変換される。このアナログ信号は、制御電圧信号として電圧制御型発振器1の電圧制御発振回路12に入力される。
The delay circuits 53a, 53b, and 53c delay the quantization error by one cycle, two cycles, or three cycles. The output of the delay circuit 53a is multiplied by a predetermined coefficient by the
The passive four-stage LPF 6 is configured by four stages of LPFs composed of a resistance element and a capacitance element. For example, the total resistance value is 1 GΩ, the first-stage resistance element is 700 MΩ, and the other three resistance elements are each set to 100 MΩ. The capacitance value of each capacitive element is set, for example, such that the sum of the capacitance values is 100 pF, the capacitive element of the fourth stage as the final stage is 70 pF, and the other three capacitive elements are each set to 10 pF. Yes. In this way, if the first-stage resistance value and the final-stage capacitance value are set larger than other resistance values or capacitance values, the amount of attenuation in the low frequency region can be increased. The PWM signal is converted into an analog signal by passing through the passive four-stage LPF 6. This analog signal is input to the voltage controlled
外部電源を安定化させる安定化電源100からの電圧VAは、水晶発振器(XO)、PWM出力回路57、更に、感温センサであるリングオシレータ1(2a)及びリングオシレータ2(2b)などに印加される。電圧印加の記載のない回路ブロック等に関しては、必ずしも電圧値がVAである必要のないデジタル系回路ブロックである。
次に、温度電圧デジタルデータ生成部3に関して説明する。
リングオシレータ1(2a)及びリングオシレータ2(2b)の周波数情報をもつ出力は、それぞれ対応するカウンタ32a、32bにて周波数カウントデータF1、F2となる。これらのカウンタ32a、32bのカウント時間は、分周回路9の出力クロックを基準クロックとして制御回路31において発生される。
The voltage VA from the stabilized
Next, the temperature voltage digital data generation unit 3 will be described.
Outputs having frequency information of the ring oscillator 1 (2a) and the ring oscillator 2 (2b) become frequency count data F1 and F2 in the corresponding
制御回路31では、分周回路9の出力とリングオシレータ1、2の出力の異なる3つの非同期信号の同期並びに制御信号などが生成される。制御回路31を通じて出力されるリングオシレータ1、2のそれぞれに対応する周波数カウントデータF1、F2は温度電圧変換回路33で温度電圧データ(T、V)に演算によって変換される。メモリ34はその演算に必要とされる係数等を記憶する回路である。
前述した温度補償回路4を構成する温度電圧補償演算回路41は、温度電圧変換回路33からの温度データT、電圧データVを入力し、予めメモリ42に記憶されている電圧制御型発振器1の温度特性の補償特性、又はPWM出力回路57の電源電圧特性あるいは電圧制御型発振器1の電源電圧特性のいずれか、あるいは両方の補償特性に相当する係数を用いて、温度電圧補償用デジタルデータTVCを演算し、D/A変換器7に出力する。
In the
The temperature / voltage compensation calculation circuit 41 constituting the
以上、この実施例において、デジタル温度補償型発振器は、精度の高い温度測定ができる温度センサを有しており、その温度データを基にした補償電圧(発振器に対する制御電圧信号)であるため高い周波数安定度が実現される。また、温度測定と同時に逐次変動する電源電圧の測定も行っており、その電圧データを加味した上記補償電圧になっているため更に安定な発振周波数を維持することができる。 As described above, in this embodiment, the digital temperature-compensated oscillator has a temperature sensor that can measure temperature with high accuracy, and is a compensation voltage (control voltage signal for the oscillator) based on the temperature data. Stability is realized. In addition, the power supply voltage that sequentially varies at the same time as the temperature measurement is also measured. Since the compensation voltage is obtained by taking the voltage data into account, a more stable oscillation frequency can be maintained.
なお、この実施例1では、温度センサの測定によって得られた温度データT及び電圧データVの両方に基づいて補償電圧(発振器に対する制御電圧信号)を生成した例を説明したが、この形態に限られるものではない。すなわち、本発明における温度センサは、従来よりも精度の高い温度測定ができるので、温度データTのみを用いて補償電圧を生成しても良い。その場合、温度補償回路4は、予めメモリ42に記憶されている電圧制御発振器1の温度特性の補償に対応する係数を用いて温度補償用デジタルデータを演算し、D/A変換器に出力する。
In the first embodiment, the example in which the compensation voltage (control voltage signal for the oscillator) is generated based on both the temperature data T and the voltage data V obtained by the temperature sensor measurement has been described. It is not something that can be done. That is, the temperature sensor according to the present invention can perform temperature measurement with higher accuracy than before, so that the compensation voltage may be generated using only the temperature data T. In that case, the
次に、図12を参照して、実施例2を説明する。
この実施例は、PWM出力回路や電圧制御型発振器1の電源電圧VAを供給する安定化電源100の電圧補正を電源電圧制御回路110に入力することに特徴がある。
この実施例では、温度補償デジタルデータを生成する温度補償回路4を構成する温度電圧補償演算回路41の出力を温度補償に関わるデータTCと、電圧補償に関わるデータVCに分けて出力する。データTCは、実施例1(図11参照)と同じようにD/A変換器7に入力され、電圧制御型発振器1の温度補償を行う。一方、データVCは、温度電圧補償演算回路41から出力されて電源電圧制御回路110に入力され、その出力が安定化電源100の電圧補償を行う。電源電圧制御回路110は、デジタルデータであるデータVCをそのアナログ電圧値に変換し、安定化電源100へ出力するものである。
Next, Example 2 will be described with reference to FIG.
This embodiment is characterized in that voltage correction of the stabilized
In this embodiment, the output of the temperature voltage compensation calculation circuit 41 constituting the
このように電圧補償された安定化電源出力VAは、ΔΣモジュレータ5のPWM出力回路57、電圧制御型発振器1及び温度電圧センスを行うリングオシレータ1(2a)、リングオシレータ2(2b)に印加される。
以上、この実施例において、デジタル温度補償型発振器は、精度の高い温度測定ができると共に温度測定と同時に電源電圧変動の測定も行うことができる温度電圧センサを組み込むことによって、安定な発振周波数を維持することができる。
The stabilized power supply output VA thus compensated for voltage is applied to the
As described above, in this embodiment, the digital temperature compensated oscillator maintains a stable oscillation frequency by incorporating a temperature voltage sensor that can measure temperature with high accuracy and can also measure power supply voltage fluctuation at the same time. can do.
次に、図7を参照して実施例3を説明する。
この実施例では、この温度電圧センサに用いられるリングオシレータについて説明する。
リングオシレータは、通常、半導体プロセスの出来栄えを評価するモニタに使用されている回路であり、特に広く普及しているCMOSプロセスでは一般的に用いられている。また、CMOS回路では、回路ブロック内の温度測定や電圧降下の測定に使用されている。しかし、従来のリングオシレータによる温度測定は、せいぜい1次(線形)近似であり、本願発明が目的とするような高精度を狙ったものはない。
また、消費電流による電源ラインの電圧降下の測定にリングオシレータが使用された論文は公知であるが、リングオシレータを 使って、温度と電圧の両方をセンシングしたものは知られていない。
Next, Embodiment 3 will be described with reference to FIG.
In this embodiment, a ring oscillator used in this temperature / voltage sensor will be described.
The ring oscillator is a circuit that is usually used as a monitor for evaluating the performance of a semiconductor process, and is generally used in a CMOS process that is widely spread. Further, in a CMOS circuit, it is used for temperature measurement and voltage drop measurement in a circuit block. However, the temperature measurement by the conventional ring oscillator is at most a first-order (linear) approximation, and there is nothing aiming at the high accuracy as intended by the present invention.
In addition, papers that use ring oscillators to measure the power supply voltage drop due to current consumption are known, but those that sense both temperature and voltage using a ring oscillator are not known.
図7(a)は、NチャンネルMOSFETとPチャンネルMOSFETとからなるCMOS回路(C1、C2、・・・Cn)で構成されたリングオシレータである。リングオシレータは奇数段の反転増幅器をループ状に接続したものであり、3段が最低段数である。VDD(プラス電源)は、PMOSFETに接続され、VSS(接地電位)は、NMOSFETに接続されている。 FIG. 7A shows a ring oscillator composed of CMOS circuits (C1, C2,... Cn) composed of N-channel MOSFETs and P-channel MOSFETs. The ring oscillator is formed by connecting an odd number of inverting amplifiers in a loop, and three stages are the minimum number of stages. VDD (plus power supply) is connected to the PMOSFET, and VSS (ground potential) is connected to the NMOSFET.
図7(b)は、バイポーラトランジスタのNPNトランジスタ(B1、B2、B3)と抵抗(R1、R2、R3)から構成される反転増幅器をループ状に3段接続したリングオシレータである。各反転増幅器は、抵抗がVDD(プラス電源)に接続され、VSS(接地電位)がエミッタに接続されている。
素子の経年変化を比較した場合に、一般的にMOSトランジスタの重要な特性であるスレッショールド(閾値)電圧はドリフトする傾向がある。そのため、リングオシレータの発振周波数が経年変化して、その結果温度センサの特性が経年変化する ことを気にする場合には、CMOSリングオシレータよりもバイポーラによるリングオシレータの方が良い。
FIG. 7B shows a ring oscillator in which inverting amplifiers composed of NPN transistors (B1, B2, B3) and resistors (R1, R2, R3) as bipolar transistors are connected in a loop in three stages. Each inverting amplifier has a resistor connected to VDD (plus power supply) and VSS (ground potential) connected to an emitter.
When comparing aging of elements, a threshold (threshold) voltage, which is generally an important characteristic of a MOS transistor, tends to drift. Therefore, a bipolar ring oscillator is better than a CMOS ring oscillator when the oscillation frequency of the ring oscillator changes over time and the temperature sensor characteristics change over time.
実施例1で説明したように、2つのリングオシレータ(RO1、RO2)の温度特性を大きく変えるために、一方を電圧駆動にし、他方を電流駆動にする。具体的には、図7(a)、(b)に示したリングオシレータを直接VDD(プラス電源)に接続することにより電圧駆動とし、他方は、図7(c)、(d)に示したリングオシレータのように、リングオシレータの電源ラインをリングオシレータの回路とは別に形成した電流源(カレントソース)に接続して電流駆動とする(図5参照)。電流源は、図7(c)、(d)に記載された回路の左端に記載されたバイアス回路とカレントミラー回路とで構成される。このバイアス回路及びカレントミラー回路は、電源(VDD、VSS)間に設けられたPMOSトランジスタP1、抵抗R4及びバイポーラトランジスタB4、電源(VDD、VSS)間に設けられたPMOSトランジスタP2及びバイポーラトランジスタB5、そして、PMOSトランジスタP2とゲートが共通に接続されたPMOSトランジスタP3から構成されている。
As described in the first embodiment, in order to greatly change the temperature characteristics of the two ring oscillators (RO1, RO2), one is driven by voltage and the other is driven by current. Specifically, the ring oscillator shown in FIGS. 7A and 7B is directly connected to VDD (plus power supply) to drive the voltage, and the other is shown in FIGS. 7C and 7D. Like the ring oscillator, the power line of the ring oscillator is connected to a current source (current source) formed separately from the circuit of the ring oscillator for current driving (see FIG. 5). The current source includes a bias circuit and a current mirror circuit described at the left end of the circuits illustrated in FIGS. The bias circuit and the current mirror circuit include a PMOS transistor P1, a resistor R4 and a bipolar transistor B4 provided between power supplies (VDD, VSS), a PMOS transistor P2 and a bipolar transistor B5 provided between power supplies (VDD, VSS), The PMOS transistor P2 is composed of a PMOS transistor P3 having a gate connected in common.
1・・・基準周波数供給部(基準クロック源)、電圧制御型発振器
2・・・リングオシレータ
2a・・・第1のリングオシレータ(RO1)
2b・・・第2のリングオシレータ(RO2)
2c・・・電源
3・・・温度電圧デジタルデータ生成回路
4・・・温度補償回路
5・・・ΔΣモジュレータ
6・・・パッシブ型ローパスフィルタ(LPF)
7・・・D/A変換回路
8・・・バッファ
9・・・分周回路
10・・・出力バッファ
11・・・水晶発振器(水晶振動子)
12・・・電圧制御発振回路
31・・・制御回路
32a、32b・・・周波数カウンタ
33・・・温度電圧変換部(温度電圧変換回路)
34・・・係数記憶部(メモリ)
41・・・温度電圧補償演算回路
42・・・メモリ
100・・・安定化電源
110・・・電源電圧制御回路
DESCRIPTION OF
2b. Second ring oscillator (RO2)
2c ... Power supply 3 ... Temperature voltage digital
7 ... D / A
DESCRIPTION OF
34 ... Coefficient storage unit (memory)
41 ... Temperature voltage
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