JP3019340B2 - 可変容量装置 - Google Patents

可変容量装置

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Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、半導体集積回路上に形成された可変容量コ
ンデンサに関し、特に高精度の温度補償型水晶発振回路
の周波数調整用可変容量コンデンサに関する。
〔従来の技術〕
従来の可変容量コンデンサは、特開昭62−76801の様
にメモリからの出力を直並列変換し、その出力を充放電
回路により大きな時定数をもたせてコンデンサアレイを
スイッチングするものであった。これにより発振器出力
の純度（C/N比）を改善しようとするものであった。
〔発明が解決しようとする課題〕
しかし前述の従来技術では、半導体集積回路上に大き
な時定数をもった充放電回路を作ることは難しく、また
高精度化のためにコンデンサアレイの各容量を小さく
し、数を増やしてゆくとFETスイッチに寄生する容量
が、コンデンサアレイの容量値に対して無視できなくな
り、コンデンサアレイのオン／オフ時の容量比が小さく
なっていた。この結果、広い温度範囲で発振周波数を調
整できないという問題点を有する。またコンデンサアレ
イの数を増やせば、それに応じて補正メモリ容量が増大
し、コストアップになるという問題点を有する。そこで
本発明では、このような問題点を解決するもので、その
目的とするところは、コンデンサアレイの切換えスイッ
チングノイズが少なく、一方容量のオン／オフ比が大き
く、しかも少ないメモリ容量で微調ができる可変容量コ
ンデンサを提供することにある。
〔発明が解決するための手段〕
本発明の可変容量装置は、それぞれ一方の電極が電気
的に共通に接続された複数のコンデンサを有するコンデ
ンサ群と、前記各々の複数のコンデンサの他方の電極と
電源との間に各々接続されるスイッチ素子と、複数の前
記スイッチ素子の導通状態を制御する制御手段とを有
し、前記スイッチ素子により選択されたコンデンサの総
和により総容量が決定される可変容量装置であって、 前記制御手段は、前記スイッチ素子の導通インピーダ
ンスを任意に制御する導通インピーダンス設定手段を有
することを特徴とする。
また、前記制御手段は、前記複数のコンデンサに対応
したスイッチ素子のうち、導通状態を変化させるべき任
意のスイッチ素子を一つ選択し、前記選択されたスイッ
チ素子の導通インピーダンスを設定するものであること
を特徴とする。
また、前記制御手段は、各々接続された前記スイッチ
素子のゲート電位を制御する手段であって、前記スイッ
チ素子に印加する電位として前記スイッチ素子のスレッ
ショルド電圧近傍の電位を印加することを特徴とする。
また、前記スレッショルド電圧近傍の電位を与える回
路はCR回路であることを特徴とする。
さらに、前記CR回路は、定電流源と、電圧分割抵抗
と、前記中間電位電源の寄生容量とにより構成されたこ
とを特徴とする。
〔作 用〕 本発明の上記の構成によれば、スイッチ素子のオンと
オフ状態の間に半導通（中間インピーダンス）の状態を
設けることができるので、コンデンサ群の電極電位が急
激に変化しないため、コンデンサのスイッチングがなめ
らかに行われることになる。
〔実 施 例〕
第１図は、本発明の可変容量コンデンサを水晶発振回
路のドレイン容量として用いた場合の一例を示す図であ
る。また第４図は、第１図の主要部の具体的実施例を示
したもので、同じ構成要素に対しては、同一番号を付け
てある。第４図は、相補型MOSトランジスタ（CMOS）を
用いた半導体集積回路を前提に図示しているが、本発明
はこれに限定されるものではない。本発明が従来技術と
大きく異なるところは、コンデンサスイッチであるFET
スイッチのゲートにD/Aコンバータを介して、複数の電
位を与える点にある。これについて第１図に基づいて説
明する。
ディジタル形温度補償水晶発振器としては、温度セン
サ１の出力を何らかのA/D変換器２を介して、ディジタ
ル化された温度情報を得る必要がある。このA/D変換器
出力の上位ビット31は、温度補償情報が格納されている
記憶回路３のアドレス信号として入力され、下位ビット
32は反転回路６を介してD/A変換器７に入力される。記
憶回路３の出力33は、（BCD）デコーダ４を介してリニ
ア変換器５に与えられる。メモリ容量を減らすために記
憶回路３は、各補正温度における補正データをバイナリ
・コードで記憶している。これを入力するデコーダ４の
出力は、どれか１つのアクティブ状態となるものであ
る。ちなみにデコーダ４やリニア変換器５は、出力33が
第１図におけるデコーダ４やリニア変換器の出力と等価
なものであれば、省略できるものである。デコーダ４の
出力で直接FETスイッチをオン／オフしたので、コンデ
ンサアレイは、重み付けした容量値をとる必要がある。
そこで本発明では、リニア変換回路を設けて、コンデン
サアレイの各容量値は等しくても、重ね付け制御ができ
るようにした。こうすることにより、コンデンサアレイ
の総容量値が最小化でき、スイッチングノズルの低位均
一化、補正の自由度を拡大することができる。
D/A変換器７の出力は、スイッチ制御回路８を介して
リニア変換器の出力で補正する値の中間を補間するもの
である。本発明では、中間補間する際に、FETスイッチ
のオン抵抗を変化させ、結果としてドレイン配線28とGN
D間のCR時定数を変化させるものである。
第４図において、信号D0、D1、D2、信号d0、d1、信号
D/uは、第１図の出力33、32、34に対応する。出力33、3
2のビット数は増減が可能である。さて図において、水
晶振動子25は、発振増幅器27のゲート・ドレイン間に接
続される。さらにドレイン配線には、固定コンデンサ23
とコンデンサアレイ20、21、22が接続され、コンデンサ
アレイはスイッチ制御回路からの信号によりGNDとの接
続をオン／オフされ、容量値を可変させる。コンデンサ
・アレイのスイッチングは、一例として３ビット入力の
デコーダ４の出力とD/A変換器７の出力とを組合せて行
われる。デコーダ４の出力は、リニア変換回路５に入力
され、コンデンサ・アレイ10〜12の物理的配置に従っ
て、コンデンサ・アレイがオン・オフしている境界が必
ず１つになるように変換される。すなわち入力D0〜D2の
状態に従って、デコーダ４の出力はどれか１つが“L"に
なり、他の“H"となる。これがリニア変換器５に入力さ
れると図では、デコーダ４の出力が“L"になっていると
ころに該当するコンデンサ・アレイを境界として、その
コンデンサ・アレイとその左側のコンデンサ・アレイは
オン（GNDと導通され）し、右側のコンデンサ・アレイ
はオフする。
前述したようにデコーダ４やA/D変換器２の入力は、
温度センサ回路から供給される。すなわち水晶振動子や
半導体センサからの出力を電圧−周波数変換器やA/D変
換器を介して、アナログ量をデジタル量に変換する。こ
の変換されたディジタル情報のうち上位ビットを温度補
正情報が格納されている記憶回路（ROM）３のアドレス
信号31として与え、下位ビット32をD/A変換器７の入力
として与える。この下位ビット32は、水晶振動子の温度
特性が二次曲線や三次曲線を描くので、この変曲点でな
めらかな補正を行うために下位ビットの順次を反転する
必要がある。これを実現するため信号d0、d1は反転回路
６を介してD/A変換器７に与えられる。EX−OR61、62で
構成される反転回路６の反転制御信号D/uは、記憶回路
３もしくは記憶回路の出力を演算した結果として与えら
れる。
第４図では、コンデンサ・アレイの制御回路は、Ａ、
Ｂ、Ｃの破線枠で示されるように規則正しい回路ユニッ
トとして構成される。以下ではこのユニットＢに関して
説明する。ゲート84、85、86、トランスファゲート18
4、185、186から構成されるスイッチ制御回路は、デコ
ーダ42とゲート53、54で構成されるリニア制御回路の出
力を受けて、ＮチャネルMOSトランジスタからなるFETス
イッチ11のゲート電位を制御する。スイッチ制御回路
は、オフ電位（GND）とオン電位（VDD）及びオフ電位と
オン電位の中間電位VEE2を伝える３つのトランスファゲ
ートとそのゲート制御回路からなる。デコーダ42の出力
が“L"（アクティブ）になっている場合は、D/A変換器
の出力である中間電位VEE2を伝え、その左側のアレイＡ
では、トランスファゲート181によりオン電位VDDを、右
側のアレイＣ′ではトランスファゲート188によりオン
電位GNDを伝える。これにより本発明ではFETスイッチ1
0、11、12は、可変抵抗として働くので、コンデンサ・
アレイ部分の等価回路は、第２図のようになる。図にお
いてCXは寄生容量、RSはFETスイッチの抵抗、CAはアレ
イコンデンサであり、ドレイン28からみた等価容量Ｃ
は、 で表わされ、FETスイッチのゲート電位Vgに対して、 であるので、第３図に示す関係がある。ここで注目すべ
きことは、等価容量ＣがFETスイッチのスレッショルド
電圧VTH近辺で急激に変化することである。このため単
純な時定数回路でFETスイッチを制御したのでは、等価
容量Ｃは急激に変化し、ドレイン28の電位がジャンプす
るため、コンデンサカップリングによるスイッチングノ
イズが出力28に発生する。そこで本発明では、第３図に
示す等価容量が急激に変化する領域のゲート電圧を第１
図のD/A変換器７を用いて発生する。第４図において、F
ETスイッチトランジスタと同じチャネル長をもち同じ導
電型のMOSトランジスタ161をスレッショルド電圧近くで
定電流動作させ、その電圧をν０電位として使い、ν０
からわずかに高い電位ν１、ν２は拡散抵抗もしくはポ
リシリコン抵抗等の受動抵抗162、163とMOS抵抗164を用
いて発生させる。最高電位ν３は、電源VDDに近い電位
に設定する。電位ν０〜ν３は、アナログスイッチ171
〜178により選択され、中間電位VEE1、VEE2としてトラ
ンスファゲートに与えられる。電位ν０〜ν３は高抵抗
を介して発生させるので、大きな時定数をもってFETス
イッチのゲートに与えられ、等価容量を一層なめらかに
変化させる。ところでコンデンサ・アレイのスイッチン
グが隣のアレイにシフトするときは、VEE電圧がν０か
らν３もしくはν３からν０に大きく変化するため、瞬
間的にトランスファゲート183、186、189を介してFETス
イッチのゲート電位を大きく変動させる場合がある。こ
れを防止するために本発明では、中間電位としてVEE1と
VEE2の２系統用意し、トランスファゲート183、186、18
9がオフしているときにν０とν３の電位変化をさせる
ようにデコーダ71の論理を構成してある。
なお、こうしたコンデンサ・アレイのスイッチング回
路のテストは、一般的なLSIテスターでは充分テストで
きない。そこで本発明では、リニア制御回路の出力とテ
スト信号TESTでオン／オフされるトランスファゲート91
〜96を各アレイに設け、モニター端子ＭからFETスイ
ッチのゲート電位をモニターできるようにした。EETス
イッチのゲート電位は、デコーダ４の出力がアクティブ
のユニットだけがMO端子に選択出力される。こうするこ
とによりFETスイッチを制御する回路の動作を確実にテ
ストできるので、信頼性の高いコンデンサアレイを得る
ことができる。
以上の説明では、コンデンサアレイを発振増幅器の出
力側に設けた例を示したが、入力側に設けても良いこと
は云うまでもない。さらに本発明は発振回路への応用に
限定されることなく、フィルタや同調装置等コンデンサ
を用いてその時定数を利用する用途、コンデンサ容量を
プログラマブルに微調する必要がある電子回路に広く応
用できるものである。
〔発明の効果〕
以上述べたように本発明によれば、コンデンサ・アレ
イは極めてなめらかに容量値が変化するので、これを用
いた発振回路はスイッチングによる急激な周波数変動が
なく、極めて純度の高い発振出力を得ることができる。
また従来に比べて数分の１のアレイ数で、しかも比較的
容量値の大きいコンデンサアレイで高分解能の微調整が
できるので、第２図に示す寄生容量CXを小さくできるた
め、発振回路に応用したとき、緩急範囲を広くとること
ができる。また半導体集積回路上大きな面積を占めるコ
ンデンサ領域を少なくすることができること、補正用の
メモリ容量を数分の１にできるので、より低コストの可
変容量アレイ集積回路を実現できる。
【図面の簡単な説明】
第１図は、本発明の可変容量コンデンサの一実施例を示
すブロック図。 第２図は、コンデンサアレイ部の等価回路を示す図。 第３図は、スイッチ素子のゲート電位に対する等価容量
の変化を示す図。 第４図は、第１図の具体的な回路例を示す図。 １……温度センサ ２……A/D変換器 ３……記憶回路 ４……デコーダ ５……リニア変換器 ６……反転回路 ７……D/A変換器 ８……スイッチ制御回路 10、11、12……スイッチ素子群 20、21、22……コンデンサ群
フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.7，ＤＢ名) H03B 5/30 - 5/42 H01G 7/00

Claims (5)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】それぞれ一方の電極が電気的に共通に接続
    された複数のコンデンサを有するコンデンサ群と、前記
    各々の複数のコンデンサの他方の電極と電源との間に各
    々接続されるスイッチ素子と、複数の前記スイッチ素子
    の導通状態を制御する制御手段とを有し、前記スイッチ
    素子により選択されたコンデンサの総和により総容量が
    決定される可変容量装置であって、 前記制御手段は、前記スイッチ素子の導通インピーダン
    スを任意に制御する導通インピーダンス設定手段を有す
    ることを特徴とする可変容量装置。
  2. 【請求項２】前記制御手段は、前記複数のコンデンサに
    対応したスイッチ素子のうち、導通状態を変化させるべ
    き任意のスイッチ素子を一つ選択し、前記選択されたス
    イッチ素子の導通インピーダンスを設定するものである
    ことを特徴とする請求項１記載の可変容量装置。
  3. 【請求項３】前記制御手段は、各々接続された前記スイ
    ッチ素子のゲート電位を制御する手段であって、前記ス
    イッチ素子に印加する電位として前記スイッチ素子のス
    レッショルド電圧近傍の電位を印加することを特徴とす
    る請求項１乃至２記載の可変容量装置。
  4. 【請求項４】前記スレッショルド電圧近傍の電位を与え
    る回路はCR回路であることを特徴とする請求項３記載の
    可変容量装置。
  5. 【請求項５】前記CR回路は、定電流源と、電圧分割抵抗
    と、前記中間電位電源の寄生容量とにより構成されたこ
    とを特徴とする請求項４記載の可変容量装置。
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