JP4750582B2

JP4750582B2 - 三角波発振回路

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Publication number: JP4750582B2
Application number: JP2006050500A
Authority: JP
Inventors: 敏彰元結
Original assignee: Renesas Electronics Corp
Current assignee: Renesas Electronics Corp
Priority date: 2006-02-27
Filing date: 2006-02-27
Publication date: 2011-08-17
Anticipated expiration: 2026-02-27
Also published as: JP2007235188A; US20070273452A1; CN101030769B; US7626430B2; CN101030769A

Description

本発明は発振回路に関し、特に三角波を生成する三角波発振回路に関する。

従来における三角波発振回路９０のブロック図を図５に示す。従来の三角波発振回路では、外付けコンデンサ９５の端子Ｖｏから三角波を出力している。この外付けコンデンサ９５は、定電流源９３により充電され、定電流源９４により放電される。充放電電流設定回路９１は、カレントミラー構成を有し、定電流源９３、９４の充放電電流を設定している。

また、レベル監視回路９２は、三角波がＨレベル又はＬレベルに達したかどうかを判定している。三角波がＨレベルに達したときには、充電スイッチ９６をＯＦＦにし、放電スイッチ９７をＯＮにすることによって、外付けコンデンサ９５の放電を開始する。また、三角波がＬレベルに達したときには、放電スイッチ９７をＯＦＦにして、充電スイッチ９６をＯＮにすることによって、外付けコンデンサ９５への充電が開始される。このようにして三角波が形成される。

従来の三角波発振回路では、高い発振周波数を得るために外付けコンデンサ９５の容量を小さくすること、レベル監視装置内のコンパレータの遅延時間を小さくすることなどが行われている。充放電電流制御回路９１内のトランジスタには、寄生容量があるため、外付けコンデンサの容量を小さくするのには限界がある。また、レベル監視装置内の遅延を小さくするためには、コンパレータに対するバイアス電流を大きくしなければならず、消費電流が増加してしまう。そこで、特許文献１では、コンパレータの動作に応じてバイアス電流を制御する技術を開示している。
特開２００２−２１７６８７号公報

しかしながら、従来の三角波発振回路９０においては、定電流源９３、９４の電流値及び外付けコンデンサ９５の容量により、三角波の発振周波数が決定される。すなわち、この外付けコンデンサ９５の容量を変化させることによって、三角波の発振周波数を変化させていた。そのため、三角波の発振周波数を可変にするためには、コンデンサを三角波発振装置の内部に搭載することができなかった。

また、この際に使用される発振周波数が１００ＫＨｚ程度とすると、定電流源の電流値は数十μＡ、外付けコンデンサは数百ｐＦくらいであった。数百ｐＦのコンデンサは他の回路に比べて非常に大きく、三角波発振回路９０内に搭載することが不可能であった。

さらに、従来の三角波発振回路において、トランジスタの寄生容量による影響を低減する方法が用いられているが、定電流源のばらつきや外付けのコンデンサにおける容量のばらつきによって、三角波発振回路における発振周波数のばらつきが生じてしまう問題点があった。さらに、外付けコンデンサの容量が大きいため、定電流源の電流値が大きく、そのため消費電力が大きいという問題点もあった。

本発明の一つの態様に係る三角波発振装置は、出力端子を有している内蔵コンデンサと、前記内蔵コンデンサに充放電する定電流源と、前記定電流源の電流値を設定する電流設定回路と、前記内蔵コンデンサの電圧を検出することによって、前記内蔵コンデンサへの充電の切り替えと放電の切り替えとを行う監視回路と、所望の三角波の周波数の基準パルス信号を作成する基準クロック発生回路と、前記基準パルス信号の遷移するタイミングと、前記内蔵コンデンサが所定の電圧になったときに前記監視回路が前記電流調整部に出力する信号のタイミングとに基づいて、前記電流設定回路の設定する電流値を変化させる電流調整部と、を有するものである。このことによって、コンデンサを内蔵させながら、所望の周波数の三角波を安定して発振させることができる。

本発明に係る三角波発振回路によれば、コンデンサを内蔵させることができながら、所望の周波数の三角波を安定して発振させることができる。

以下、本発明を適用した具体的な実施の形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。この実施の形態は、本発明を三角波発振回路に適用したものである。本実施の形態にかかる三角波発振回路においては、コンデンサを内蔵させ、充放電電流の電流値を調整する電流調整ＤＡＣ（Ｄ／Ａ変換器）及び発振周波数を決定する基準クロックを用いることによって、安定した発振周波数の三角波を発振させることができる三角波発振回路を作成することができる。また、本実施の形態に係る三角波発振回路においては、コンデンサを内蔵させながら、所望の周波数の三角波を安定して発振させることができる。

図１に本実施の形態に係る三角波発振回路のブロック図を示す。図１に示される三角波発振回路においては、内蔵コンデンサ１６の出力端子Ｖｏから三角波が発振されることになる。充放電電流設定回路１１は、充電用定電流源１２及び放電用定電流源１３に接続されている。充放電電流設定回路１１は、充電用定電流源１２及び放電用定電流源１３における電流量を設定している。また、充電用定電流源１２と放電用定電流源１３は、それぞれ充電スイッチ１４又は放電スイッチ１５が設けられている。充電用定電流源１２や放電用定電流源１３は、充電スイッチ１４や放電スイッチ１５を介して内蔵コンデンサ１６と接続されている。このことによって、このスイッチがＯＮになることによって、内蔵コンデンサ１６に充電又は内蔵コンデンサ１６から放電が行われる。

また、レベル監視回路１７は、内蔵コンデンサ１６と接続されている。レベル監視回路１７は、内蔵コンデンサ１６の電圧（出力端子Ｖｏの電圧）がＨレベル又はＬレベルに達したかどうかを判定している。このＨレベルとは、三角波の最大電圧であり、Ｌレベルとは三角波の最小電圧である。

レベル監視回路１７は、充電スイッチ１４及び放電スイッチ１５にも接続されている。レベル監視回路１７は、出力端子Ｖｏの電圧がＨレベルに達した場合、充電スイッチ１４をＯＦＦにすることによって、内蔵コンデンサ１６への充電をストップする。また、内蔵コンデンサ１６の電圧がＬレベルに達した場合には、レベル監視回路１７は、放電スイッチ１５をＯＦＦにすることによって、内蔵コンデンサ１６への放電をストップする。すなわち、レベル監視回路１７は、出力端子Ｖｏの電圧によって、充電スイッチ１４又は放電スイッチ１５をＯＦＦにすることによって、充電又は放電をストップさせている。

また、レベル監視回路１７は、後述する電流調整ＤＡＣ１８にも接続されている。レベル監視回路１７は、出力端子Ｖｏの電圧がＨレベルに達したときにワンショットパルスを、電流調整ＤＡＣ１８に入力している。

ここで、レベル監視回路１７を詳細に説明した例を図２に示す。レベル監視回路１７は、ショットパルス発生装置２０とコンパレータ２１、２２を有している。内蔵コンデンサ１６は、コンパレータ２１、２２に接続されている。さらに、基準クロック発生回路１９は、基準パルス信号をコンパレータ２１、２２の出力に接続している。

コンパレータ２１、２２は、非反転入力端子に入力された電圧と反転入力端子に入力された電圧とを比較するための素子である。非反転入力端子に入力された電圧が反転入力端子に入力された電圧以上の場合にはコンパレータからの出力は、Ｈレベルとなる。それに対して、非反転入力端子に入力された電圧が反転入力端子に入力された電圧よりも低い場合にはコンパレータからの出力は、Ｌレベルとなる。

また、コンパレータ２１は、反転入力端子にＨレベルの電圧が印加されており、非反転入力端子は内蔵コンデンサ１６と接続されている。内蔵コンデンサ１６の電圧がＨレベルのときは、非反転入力端子に入力された電圧と反転入力端子に入力された電圧とが等しくなるため、Ｈレベルの信号が出される。Ｈレベルの信号がコンパレータ２１からショットパルス発生装置２０に出力されると、ワンショットパルスがショットパルス発生装置２０にて作成され、電流調整ＤＡＣ１８に出力される。コンパレータ２１から充電スイッチ１４にＨレベルの信号が出力されると、充電スイッチ１４がＯＦＦになる。

さらに、コンパレータ２２は、非反転入力端子にＬレベルの電圧が印加されており、反転入力端子は内蔵コンデンサ１６と接続されている。内蔵コンデンサ１６の電圧がＬレベルのときは、非反転入力端子に入力された電圧と反転入力端子に入力された電圧とが等しくなるため、Ｈレベルの信号が出される。コンパレータ２２から放電スイッチ１５にＨレベルの信号が出力されると、放電スイッチ１５がＯＦＦになる。

本実施の形態に係る三角波発振回路は電流調整ＤＡＣ１８及び発振周波数を決定する基準クロック発生回路１９を設けている。電流調整ＤＡＣ１８は、基準クロック発生回路１９に接続されている。電流調整ＤＡＣ１８は、基準クロック発生回路１９から基準パルス信号が入力されることによって、出力値を１ＬＳＢ（最小有効ビット）変化させるように設定されている。

また、電流調整ＤＡＣ１８は、充放電電流設定回路１１にも接続されている。電流調整ＤＡＣ１８の出力は、充放電電流設定回路１１に入力される。充放電電流設定回路１１は、電流調整ＤＡＣ１８の出力値に応じて設定される。電流調整ＤＡＣ１８の出力が上昇するに応じて、充放電電流設定回路１１において設定電流値を１単位小さくしている。例えば、電流調整ＤＡＣ１８の出力を２ビット、すなわち４段階に分けられているとすると、充放電電流設定回路１１においても４段階に分けられて設定電流が決定されている。そして、電流調整ＤＡＣの出力が１段階上昇するに従って、充放電電流設定回路１１において設定される設定電流値が１段階減少するようになっている。

さらに、電流調整ＤＡＣ１８は、レベル監視回路１７にも接続されている。レベル監視回路１７から出力されるワンショットパルスと、基準クロック発生回路１９から出力される基準パルス信号とによって、充放電電流設定回路１１における設定電流が基準パルス信号の周波数における三角波発生に適正な値になったかどうかを判定している。この手法の詳細は後述する。

基準クロック発生回路１９は、レベル監視回路１７と電流調整ＤＡＣ１８に接続されている。基準クロック発生回路１９は、基準パルス信号を発生させる回路である。ＩＣ内の論理回路では基準パルス信号を容易に作成することができる。基準パルス信号はＨレベルとＬレベルとの二つの電圧による矩形波である。また、基準パルス信号の周波数は、三角波として発振させたい周波数になっている。

レベル監視回路１７は、入力される基準パルス信号に従って、充電スイッチ１４又は放電スイッチ１５のＯＮを行っている。すなわち、基準パルス信号のレベルがＬレベルからＨレベルに切り替わったときには、充電スイッチ１４をＯＮにして内蔵コンデンサ１６への充電を開始する。また、基準パルス信号のレベルがＨレベルからＬレベルに切り替わったときには、放電スイッチ１５をＯＮにして内蔵コンデンサ１６からの放電を開始する。

図２に示すようなレベル監視回路１７の場合、コンパレータ２１、２２の出力に基準パルス信号は入力される。このとき、内蔵コンデンサ１６の電圧がＬレベルに到達し、基準クロックがＬレベルからＨレベルになったときに充電スイッチ１４はＯＮされる。また、内蔵コンデンサ１６の電圧がＨレベルに到達し、基準クロックがＨレベルからＬレベルになったときに放電スイッチはＯＮされる。

また、電流調整ＤＡＣ１８は、レベル監視回路１７からのワンショットパルスが、基準パルス信号がＬレベルのときに入力されると、電流調整ＤＡＣ１８からの出力値を変化させない。すなわち、基準パルス信号がＬレベルのときに、ワンショットパルスが入力された後には、電流調整ＤＡＣ１８における出力値は、基準パルス信号が電流調整ＤＡＣ１８に入力されても変化しなくなる。

これは、このときに基準パルス信号における周波数の三角波が発生したと考えられるからである。このことを説明するために、図３にそれぞれの信号のタイミングチャートを示す。横軸は時間であり、縦軸は電圧値又は電流値である。図３には上から基準パルス信号、内蔵コンデンサ１６の電圧、レベル監視回路１７からの出力信号、電流調整ＤＡＣ１８からの出力信号を示している。スタート時は、電流調整ＤＡＣ１８の出力レベルを最低レベルとする。

図３に示されるように、スタート時は、電流調整ＤＡＣ１８からの出力は最低レベルであるため、充放電電流設定回路１１で設定される電流値は最大となる。このため、内蔵コンデンサ１６の充放電は急激に行われる。このときの充放電時間は、基準クロックの周期よりも短いため、基準パルス信号がＨレベルになっているときに、レベル監視回路１７からワンショットパルスが出力される。このときの内蔵コンデンサ１６の電圧は、基準パルス信号がＬレベルになるまで、内蔵コンデンサ１６への充放電はストップするため一定となる。その後、基準パルス信号がＬレベルになったときに、放電が開始される。これらのことから、内蔵コンデンサ１６の電圧の波形は台形波となる。

次に基準パルス信号がＬレベルからＨレベルに上昇するときには、電流調整ＤＡＣ１８には基準パルス信号が一つ入った状態になるので、電流調整ＤＡＣ１８の出力値は、１ＬＳＢ分高くなる。このときの充放電電流設定回路１１で設定される電流値は、電流調整ＤＡＣ１８からの出力が最低レベルであるときより低くなる。そのため、このときの充電にかかる時間は、電流調整ＤＡＣ１８からの出力が最低レベルであるときよりかかることになる。

このようにして、電流調整ＤＡＣ１８からの出力信号は基準クロックごとに出力レベルを上げ、充放電電流設定回路１１で設定される電流値を徐々に減少させる。このため、充放電にかかる時間が徐々に増加していくことになる。このことから、内蔵コンデンサの電圧の波形は徐々に台形波から三角波に近づく。このときにおけるワンショットパルスは、基準パルス信号がＨレベルのときにレベル監視回路１７から出力されている。

そして、内蔵コンデンサ１６への充放電にかかる時間が基準パルスのパルス幅と同じ又は基準パルスのパルス幅より少し大きくなると、基準パルス信号がＬレベルのときに、レベル監視回路１７からワンショットパルスが出力される。このときの電流値が、この基準パルスの周波数における三角波を出力するために最適な電流値であると考えられる。そのため、充放電電流の電流値の調整が完了するように、電流調整ＤＡＣ１８の出力が一定値に固定される。その後は、上述の充放電電流値に固定した電流値によって、内蔵コンデンサ１６には基準クロック周期の三角波が発生する。

以上のように、本実施の形態に係る三角波発振回路においては、コンデンサを内蔵させ、充放電電流の電流値を調整する電流調整ＤＡＣ及び発振周波数を決定する基準クロックを用いることによって、安定した周波数の三角波を発振する。これは、基準クロック周波数で三角波が発振するように電流調整ＤＡＣが充放電電流を自動調整することによって、充放電のタイミングを基準クロックに同期させているため、発振周波数の精度が高いからである。

また、コンデンサを内蔵しているため、外付けコンデンサが不要となり、それに伴い外付けコンデンサ用の外部端子も不要となる。さらに、このコンデンサは外付けコンデンサに比べて小さい容量のコンデンサを用いることができるため、電力消費量を少なくすることができる。さらにまた、三角波の周期を変更するのには、基準クロック周波数を変更すればよく、周期の変更のために内蔵コンデンサの容量を変更する必要がない。

図４に自動調整開始から、自動調整完了を経て再スタートを行う全体動作確認シミュレーションを示す。横軸は時間であり、縦軸は三角波の電圧又は電流調整ＤＡＣ１８が設定した電流値である。上記の通り、スタート時は電流調整ＤＡＣ１８の出力値は最低レベルからスタートし、基準クロックごとに出力レベルを上げていく。そして、三角波が生成された後は固定値となる。さらに、再びリセットし再スタートした場合も同様に電流調整ＤＡＣ１８からの出力値は最低レベルからスタートする。

ここで、電流調整ＤＡＣ１８からの出力範囲、すなわち、充放電電流値の設定範囲を広げることで、設定可能な三角波の周期は広めることができる。また、電流調整ＤＡＣ１８内のビット数、すなわち、充放電電流設定値の分解能を上げることで、より周波数精度の良い三角波を生成できる。

以上のように、本実施の形態においては、内蔵コンデンサを有する三角波発生装置において、所望の周波数の三角波を安定した周波数で発生させるために、電流調整ＤＡＣと基準クロック発生回路を用いることによって、所望の周波数に最適の電流値を決定している。このことから、所望の周波数における三角波を発生することができ、定電流源のばらつきや外付けのコンデンサにおける容量のばらつきによる影響をなくすことができる。

また、内蔵コンデンサを用いているが基準パルス信号の周波数を変化させることによって、所望の三角波を出力することが可能である。さらに、内蔵コンデンサであるため、外付け用の端子も必要がなく端子数を低減することが可能となる。さらにまた、通常用いられている外付けのコンデンサでは大容量のコンデンサを用いている場合が多かったが、内蔵コンデンサにすることによって容量を小さくし、消費電力を低減させることができる。

なお、本発明は上述した実施の形態のみに限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲において種々の変更が可能であることは勿論である。また、本実施の形態においては、電流調整ＤＡＣ１８の出力値を上昇させる方法を用いたが、減少させる方法を用いても良い。さらに、上述の三角波発振装置においては、内蔵コンデンサ１６の電圧がＨレベルになるときを検出してワンショットパルスを電流調整ＤＡＣ１８に発振していたが、Ｌレベルになるときを検出してワンショットパルスを電流調整ＤＡＣ１８に発振しても良い。

実施の形態１に係る三角波発振回路のブロック構成図である。レベル監視回路を詳細に説明したブロック構成図である。実施の形態１に係る三角波発振回路におけるタイミングチャートである。実施の形態１に係る三角波発振回路における全体動作確認シミュレーション結果である。従来における三角波発振回路のブロック構成図である。

符号の説明

１１充放電電流設定回路１２充電用定電流源１３放電用定電流源
１４充電スイッチ１５放電スイッチ１６内蔵コンデンサ
１７レベル監視回路１８電流調整ＤＡＣ１９基準クロック発生回路
２０ショットパルス発生装置２１、２２コンパレータ
９０三角波発振回路９１充放電電流設定回路９２レベル監視回路
９３、９４定電流源９５外付けコンデンサ
９６充電スイッチ９７放電スイッチ

Claims

出力端子を有している内蔵コンデンサと、
前記内蔵コンデンサに充放電する定電流源と、
前記定電流源の電流値を設定する電流設定回路と、
前記内蔵コンデンサの電圧を検出することによって、前記内蔵コンデンサへの充電の切り替えと放電の切り替えとを行う監視回路と、
所望の三角波の周波数の基準パルス信号を作成する基準クロック発生回路と、
前記基準パルス信号の遷移するタイミングと、前記内蔵コンデンサが所定の電圧になったときに前記監視回路が前記電流調整部に出力する信号のタイミングとに基づいて、前記電流設定回路の設定する電流値を変化させる電流調整部と、を有する三角波発振回路。
前記基準パルス信号と前記内蔵コンデンサが所定の電圧になったときに前記監視回路が前記電流調整部に出力する信号とによって、前記定電流源の電流値を自動調整する、請求項１に記載の三角波発振回路。
前記電流調整部は、前記基準パルス信号が変化するときに、前記監視回路が前記電流調整部に出力する信号を受信することによって、前記自動調整を完了する、請求項１又は請求項２に記載の三角波発振回路。
前記電流調整部はＤ／Ａ変換器であって、前記電流設定回路の設定する電流値において前記電流調整部が変化させる量が最小単位である、請求項１乃至請求項３のいずれか一項に記載の三角波発振回路。
前記所定の電圧は、前記三角波の最高電圧又は最低電圧である、請求項１乃至請求項４のいずれか一項に記載の三角波発振回路。
前記監視回路が前記電流調整部に出力する信号はワンショットパルスである、請求項１乃至請求項５のいずれか一項に記載の三角波発振回路。