(57)【要約】      （修正有）【課題】パルス幅を固定しつつ、周波数のみが可変である発振回路を提供する。【解決手段】発振回路１００は、パルス信号Ｓｏｕｔを生成する。充放電回路１０は、キャパシタＣ１を充電する充電状態と放電する放電状態が切り換えられる。第１比較器２０〜第３比較器２４はそれぞれ、キャパシタ電圧Ｖ１を第１電圧ＶＨ〜第３電圧ＶＭと比較し、比較結果に応じた第１信号Ｓ１〜第３信号Ｓ３を生成する。制御部３２は、第１信号Ｓ１に応じて充放電回路１０を放電状態に切り換え、第２信号Ｓ２に応じて充電状態に切り換える。パルス生成部３４は、第１信号Ｓ１、第２信号Ｓ２のいずれか一方と、充電状態の第３信号Ｓ３とにもとづいて、ハイレベルとローレベルが切り替わるパルス信号Ｓｏｕｔを生成する。充放電回路１０は、充電電流Ｉ１を固定したままで放電電流Ｉ２を調節可能に構成される。【選択図】図１
2009010623.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
キャパシタと、
前記キャパシタを充電する充電状態と前記キャパシタを放電する放電状態が切り換えられる充放電回路と、
前記キャパシタの電圧を第１電圧と比較し、比較結果に応じた第１信号を生成する第１比較器と、
前記キャパシタの電圧を前記第１電圧より低い第２電圧と比較し、比較結果に応じた第２信号を生成する第２比較器と、
前記キャパシタの電圧を前記第１、第２電圧の間の第３電圧と比較し、比較結果に応じた第３信号を生成する第３比較器と、
前記第１、第２信号を受け、前記第１信号に応じて前記充放電回路を放電状態に切り換え、前記第２信号に応じて前記充放電回路を充電状態に切り換える制御部と、
前記第１、第２信号のいずれか一方と、前記充電状態の前記第３信号とにもとづいて、ハイレベルとローレベルが切り替わるパルス信号を生成するパルス生成部と、
を備え、前記充放電回路は、充電電流を固定したままで放電電流を調節可能に構成されることを特徴とする発振回路。
【請求項２】
キャパシタと、
前記キャパシタを充電する充電状態と前記キャパシタを放電する放電状態が切り換えられる充放電回路と、
前記キャパシタの電圧を第１電圧と比較し、比較結果に応じた第１信号を生成する第１比較器と、
前記キャパシタの電圧を前記第１電圧より低い第２電圧と比較し、比較結果に応じた第２信号を生成する第２比較器と、
前記キャパシタの電圧を前記第１、第２電圧の間の第３電圧と比較し、比較結果に応じた第３信号を生成する第３比較器と、
前記第１、第２信号を受け、前記第１信号に応じて前記充放電回路を放電状態に切り換え、前記第２信号に応じて前記充放電回路を充電状態に切り換える制御部と、
前記第１、第２信号のいずれか一方と、前記放電状態の前記第３信号とにもとづいて、ハイレベルとローレベルが切り替わるパルス信号を生成するパルス生成部と、
を備え、前記充放電回路は、放電電流を固定したままで充電電流を調節可能に構成されることを特徴とする発振回路。
【請求項３】
周波数を設定する信号を受け、調節可能な放電電流または充電電流を、設定された周波数に応じた電流値に設定する周波数設定部をさらに備えることを特徴とする請求項１または２に記載の発振回路。
【請求項４】
キャパシタの充放電を繰り返すことにより三角波信号を生成するステップと、
前記三角波信号の上りスロープまたは下りスロープのいずれか一方の途中に設定される２つのスライスレベルと、前記三角波信号との電圧レベルを比較するステップと、
前記三角波信号の電圧レベルが、第１のスライスレベルに達してから第２のスライスレベルに達するまでの間、所定レベルとなるパルス信号を生成するステップと、
前記キャパシタに対する充電電流または放電電流のいずれか変化させて、前記２つのスライスレベルが設定されない残りのスロープの傾きを変化させるステップと、
を備えることを特徴とするパルス信号の生成方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、パルス信号を生成する発振回路に関する。
【背景技術】
【０００２】
半導体集積回路において、回路ブロック間の動作を同期するためのクロック信号として、パルス信号が利用される。また、スイッチングレギュレータやチャージポンプ回路などの電源装置では、スイッチング素子のオン、オフを切り換えるためにパルス信号が利用される。
【０００３】
特許文献１には、キャパシタに対する充電と放電を交互に繰り返すことにより三角波形信号を生成し、この三角波形信号を所定のレベルでスライスすることにより、その交点にもとづいてパルス信号を生成する発振回路が開示される。
【特許文献１】特開平１−２４３７０７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
本発明はかかる状況においてなされたものであり、その包括的な目的は、パルス幅を固定しつつ、周波数のみが可変である発振回路の提供にある。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明のある態様の発振回路は、キャパシタと、キャパシタを充電する充電状態とキャパシタを放電する放電状態が切り換えられる充放電回路と、キャパシタの電圧を第１電圧と比較し、比較結果に応じた第１信号を生成する第１比較器と、キャパシタの電圧を第１電圧より低い第２電圧と比較し、比較結果に応じた第２信号を生成する第２比較器と、キャパシタの電圧を第１、第２電圧の間の第３電圧と比較し、比較結果に応じた第３信号を生成する第３比較器と、第１、第２信号を受け、第１信号に応じて充放電回路を放電状態に切り換え、第２信号に応じて充放電回路を充電状態に切り換える制御部と、第１、第２信号のいずれか一方と、充電状態の第３信号とにもとづいて、ハイレベルとローレベルが切り替わるパルス信号を生成するパルス生成部と、を備える。充放電回路は、充電電流を固定したままで放電電流を調節可能に構成される。
【０００６】
別の態様において、パルス生成部は、第１、第２信号のいずれか一方と、放電状態の第３信号とにもとづいて、ハイレベルとローレベルが切り替わるパルス信号を生成してもよい。このとき充放電回路は、放電電流を固定したままで充電電流を調節可能に構成される。
【０００７】
これらの態様では、第１電圧をピーク、第２電圧をボトムとする三角波信号が生成される。充電電流または放電電流のいずれか一方を調節することにより、三角波信号の上昇スロープの傾きまたは低下スロープの傾きのみが調節されて、周期時間、すなわち周波数を変化させることができる。このとき、充電電流または放電電流のいずれか一方を調節し、他方を固定しておくことにより、パルス信号を生成するためのスロープの傾きを一定とできるため、パルス幅を固定することができる。
【０００８】
ある態様の発振回路は、周波数を設定する信号を受け、調節可能な放電電流または充電電流を、設定された周波数に応じた電流値に設定する周波数設定部をさらに備えてもよい。
【０００９】
この態様によると、パルス幅を固定しながら任意に周波数を変化させることができるため、パルス周波数変調（ＰＦＭ）、パルス密度変調（ＰＤＭ）などに好適に利用できる。
【００１０】
本発明のさらに別の態様は、パルス信号の生成方法に関する。この方法は、キャパシタの充放電を繰り返すことにより三角波信号を生成するステップと、三角波信号の上りスロープまたは下りスロープのいずれか一方の途中に設定される２つのスライスレベルと、三角波信号との電圧レベルを比較するステップと、三角波信号の電圧レベルが、第１のスライスレベルに達してから第２のスライスレベルに達するまでの間、所定レベルとなるパルス信号を生成するステップと、キャパシタに対する充電電流または放電電流のいずれか変化させて、２つのスライスレベルが設定されない残りのスロープの傾きを変化させるステップと、を備える。
２つのスライスレベルの一方は、三角波信号のピーク電圧またはボトム電圧を設定するしきい値電圧であってもよい。
【００１１】
なお、以上の構成要素の任意の組合せ、本発明の表現を、方法、装置などの間で変換したものもまた、本発明の態様として有効である。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によれば、パルス幅を固定しつつ、周波数のみを可変なパルス信号を生成できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
以下、本発明を好適な実施の形態をもとに図面を参照しながら説明する。各図面に示される同一または同等の構成要素、部材、処理には、同一の符号を付するものとし、適宜重複した説明は省略する。また、実施の形態は、発明を限定するものではなく例示であって、実施の形態に記述されるすべての特徴やその組み合わせは、必ずしも発明の本質的なものであるとは限らない。
【００１４】
図１は、本発明の実施の形態に係る発振回路１００の構成を示す回路図である。発振回路１００は、キャパシタＣ１、充放電回路１０、第１比較器２０、第２比較器２２、第３比較器２４、ロジック部３０、周波数設定部４０を備える。発振回路１００は、キャパシタＣ１に対する充放電を繰り返すことにより、三角波信号Ｖ１を生成する。さらに、三角波信号Ｖ１を所定のスライスレベルと比較することにより、パルス信号Ｓｏｕｔを生成する。
【００１５】
キャパシタＣ１は一端が接地され、その電位が固定されている。充放電回路１０は、キャパシタＣ１を充電する充電状態φ１と、放電する放電状態φ２が交互に切り換えられる。キャパシタＣ１が充電電流Ｉ１によって充電されると、キャパシタＣ１の他端の電圧Ｖ１が時間とともに上昇し、反対に放電電流Ｉ２によって放電されると、その電圧Ｖ１が時間とともに下降する。この充電状態φ１と放電状態φ２の繰り返しにより、キャパシタＣ１の電圧（以下、キャパシタ電圧Ｖ１という）は三角波となる。
【００１６】
充放電回路１０は、第１電流源１２、第２電流源１４、第１スイッチＳＷ１、第２スイッチＳＷ２を含む。第１電流源１２は充電電流Ｉ１を生成し、第２電流源１４は放電電流Ｉ２を生成する。第１スイッチＳＷ１、第２スイッチＳＷ２はそれぞれ、充電電流Ｉ１、放電電流Ｉ２の経路上に設けられる。第１スイッチＳＷ１、第２スイッチＳＷ２のオン、オフ状態は、後述する制御信号Ｓｃ、Ｓｄによって切り換えられる。第１スイッチＳＷ１、第２スイッチＳＷ２は、排他的に交互にオン、オフが制御される。
【００１７】
第１比較器２０は、キャパシタ電圧Ｖ１を第１電圧（以下、ピーク電圧ＶＨという）と比較し、比較結果に応じた第１信号Ｓ１を生成する。第１信号Ｓ１はキャパシタ電圧Ｖ１がピーク電圧ＶＨまで上昇したことを示す信号である。第２比較器２２は、キャパシタ電圧Ｖ１をピーク電圧ＶＨより低い第２電圧（以下、ボトム電圧ＶＬという）と比較し、比較結果に応じた第２信号Ｓ２を生成する。第２信号Ｓ２はキャパシタ電圧Ｖ１がボトム電圧ＶＬまで低下したことを示す信号である。第３比較器２４は、キャパシタ電圧Ｖ１をピーク電圧ＶＨ、ボトム電圧ＶＬの間の、第３電圧（スライス電圧ＶＭという）と比較し、比較結果に応じた第３信号Ｓ３を生成する。
【００１８】
ロジック部３０は、第１信号Ｓ１〜第３信号Ｓ３を受ける。ロジック部３０は、第１信号Ｓ１〜第３信号Ｓ３にもとづいて、充放電回路１０の充放電状態を切り換えるとともに、所定のパルス幅を有するパルス信号Ｓｏｕｔを出力する。
【００１９】
ロジック部３０は、制御部３２、パルス生成部３４を含む。制御部３２には、第１信号Ｓ１、第２信号Ｓ２が入力される。制御部３２は、第１信号Ｓ１によってキャパシタ電圧Ｖ１がピーク電圧ＶＨに達したことを検出すると、制御信号Ｓｃによって第１スイッチＳＷ１をオフし、制御信号Ｓｄにより第２スイッチＳＷ２をオンする。その結果、充放電回路１０が放電状態φ２に設定される。反対に制御部３２は、第２信号Ｓ２によってキャパシタ電圧Ｖ１がボトム電圧ＶＬまで低下したことを検出すると、制御信号Ｓｃによって第１スイッチＳＷ１をオンし、制御信号Ｓｄにより第２スイッチＳＷ２をオフする。その結果、充放電回路１０が充電状態φ１に設定される。その結果、キャパシタ電圧Ｖ１はピーク電圧ＶＨとボトム電圧ＶＬを頂点に有する三角波信号となる。
【００２０】
パルス生成部３４は、第１信号Ｓ１、第２信号Ｓ２のいずれか一方と、充電状態の第３信号Ｓ３とにもとづいて、ハイレベルとローレベルが切り替わるパルス信号Ｓｏｕｔを生成する。ここでのパルス生成部３４は、第１信号Ｓ１と第３信号Ｓ３とにもとづいてパルス信号Ｓｏｕｔを生成する。すなわちパルス生成部３４は、充電状態φ１においてキャパシタ電圧Ｖ１がスライス電圧ＶＭと交差する第１のタイミングと、キャパシタ電圧Ｖ１がピーク電圧ＶＨに達する第２のタイミングとで、レベルが遷移するパルス信号Ｓｏｕｔを生成する。
【００２１】
なお、パルス生成部３４は第２信号Ｓ２と第３信号Ｓ３とにもとづいてパルス信号Ｓｏｕｔを生成してもよい。この場合、パルス生成部３４は、キャパシタ電圧Ｖ１がボトム電圧ＶＬまで低下した第１のタイミングと、充電状態φ１においてキャパシタ電圧Ｖ１がスライス電圧ＶＭと交差する第２のタイミングとで、レベルが遷移するパルス信号Ｓｏｕｔを生成してもよい。
【００２２】
図１の充放電回路１０は、充電電流Ｉ１を固定したままで放電電流Ｉ２を調節可能に構成される。すなわち、第１電流源１２は定電流源であり、第２電流源１４は可変電流源となる。なお第１電流源１２による充電電流Ｉ１も調節可能であってもよいが、この場合、第２電流源１４とは独立に調節可能に構成される必要がある。
【００２３】
周波数設定部４０は、外部から発振回路１００の発振周波数を設定する設定信号Ｓ４を受ける。周波数設定部４０は、調節可能な放電電流Ｉ２を、設定信号Ｓ４に応じた電流値に設定する。充電電流Ｉ１は設定された周波数にかかわらず一定値に固定される。
【００２４】
以上のように構成された図１の発振回路１００の動作を説明する。図２は、図１の発振回路１００の動作波形図である。時刻ｔ０に、充放電回路１０が充電状態φ１に設定され、キャパシタ電圧Ｖ１が上昇し始める。時刻ｔ１にキャパシタ電圧Ｖ１の上りスロープが、スライス電圧ＶＭと交差すると、第３信号Ｓ３がハイレベルとなる。このときの第３信号Ｓ３のポジティブエッジを受けて、パルス生成部３４はパルス信号Ｓｏｕｔをハイレベルとする。時刻ｔ２にキャパシタ電圧Ｖ１がピーク電圧ＶＨに達すると、第１信号Ｓ１がハイレベルとなる。これを受けて制御部３２は充放電回路１０を放電状態φ２に切り換える。同時にパルス生成部３４は、第１信号Ｓ１のポジティブエッジに応じてパルス信号Ｓｏｕｔをローレベルとする。時刻ｔ３にキャパシタ電圧Ｖ１がボトム電圧ＶＬまで低下すると、第２信号Ｓ２がハイレベルとなり、制御部３２は充放電回路１０を充電状態φ１に切り換える。
【００２５】
時刻ｔ０〜ｔ３を一周期として充放電動作を繰り返すことにより、パルス信号Ｓｏｕｔを生成することができる。図１の発振回路１００では、充電電流Ｉ１が固定されており、放電電流Ｉ２のみが調節可能となっている。放電電流Ｉ２のみを変化させると、図２の時刻ｔ０〜ｔ２の上りスロープの傾きは一定としつつ、時刻ｔ２〜ｔ３の下りスロープの傾きが調節される。したがって、時刻ｔ０〜ｔ１の期間ＴＬ１、時刻ｔ１〜ｔ２の期間ＴＨの時間は一定となり、時刻ｔ２〜ｔ３の期間ＴＬ２が放電電流Ｉ２に依存して変化する。
【００２６】
パルス信号Ｓｏｕｔの周期はＴＬ１＋ＴＬ２＋ＴＨであるから、放電電流Ｉ２を変化させることによって周波数を変化させることができる。一方、期間ＴＨは放電電流Ｉ２には依存しないから、パルス信号Ｓｏｕｔがハイレベルの期間は一定に保たれる。その結果、発振回路１００によれば、パルス幅ＴＨを固定しながら周波数を調節することができる。
【００２７】
この実施の形態は例示であり、それらの各構成要素や各処理プロセスの組合せにいろいろな変形例が可能なこと、またそうした変形例も本発明の範囲にあることは当業者に理解されるところである。以下例示する。
【００２８】
図１の回路では、パルス信号Ｓｏｕｔをキャパシタ電圧Ｖ１の上りスロープを利用して生成する場合を説明したが、本発明はこれに限定されず、キャパシタ電圧Ｖ１の下りスロープを利用して生成してもよい。この場合、パルス生成部３４は放電状態の第３信号Ｓ３、すなわち、図２における第３信号Ｓ３のネガティブエッジを利用してパルス信号Ｓｏｕｔを生成すればよい。あるいは、第３比較器２４の入力端子の極性を逆に設定してもよい。さらに、充放電回路１０を、放電電流Ｉ２を固定したままで充電電流Ｉ１を調節可能に構成すればよい。
【００２９】
図１では、充放電回路１０の充電経路と放電経路の両方に、第１スイッチＳＷ１、第２スイッチＳＷ２を備える構成としたが、本発明はこれに限定されない。たとえば、第２スイッチＳＷ２を設けない構成とし、Ｉ１＞Ｉ２としてもよい。この場合、第１スイッチＳＷ１がオンのとき充電状態φ１となり、正味の充電電流は、Ｉ１−Ｉ２となる。逆に第１スイッチＳＷ１がオフのとき放電状態となり、正味の放電電流はＩ２となる。この構成において、充電電流Ｉ１のみを調節可能とし、キャパシタ電圧Ｖ１の下りスロープを利用してパルス信号Ｓｏｕｔを生成すれば、図１の回路と同様に、パルス幅を固定しつつ周波数のみを変化させることができる。逆に、第１スイッチＳＷ１を設けない構成として、Ｉ１＜Ｉ２に設定しておき、パルス信号Ｓｏｕｔをキャパシタ電圧Ｖ１の上りスロープを利用して生成してもよい。
【００３０】
実施の形態で説明した周波数の調節技術は、パルス変調のように周波数を積極的に変更するアプリケーションのみでなく、周波数のキャリブレーションに利用してもよい。すなわち、実施の形態に係る発振回路１００は、充電電流Ｉ１と放電電流Ｉ２が独立に調節可能であるから、まず、一方を調節することによりパルス幅を所望の値に設定した上で、残りの一方を調節して周波数を所望の値に近づけてもよい。
【００３１】
実施の形態では、パルス信号Ｓｏｕｔのハイレベルの期間をパルス幅として取り扱ったが、ローレベルの期間をパルス幅とし、このパルス幅を固定しつつ周波数を可変としてもよい。この場合、実施の形態と論理レベルを適宜反転すればよい。
【００３２】
図１の回路およびその変形例で説明したパルス生成技術を抽象化、または上位概念化すると、以下の技術思想を得る。この技術思想では、以下の処理が実行される。
（１）キャパシタの充放電を繰り返すことにより三角波信号を生成する。
（２）三角波信号の上りスロープまたは下りスロープのいずれか一方の途中に設定される２つのスライスレベルと、三角波信号との電圧レベルを比較する。なお、「途中」にはそのスロープの両端も含まれる。
（３）三角波信号の電圧レベルが、第１のスライスレベルに達してから第２のスライスレベルに達するまでの間、所定レベルとなるパルス信号を生成する。
（４）キャパシタに対する充電電流または放電電流のいずれか変化させて、２つのスライスレベルが設定されない残りのスロープの傾きを変化させる。
この技術思想によれば、パルス信号が所定レベルとなる期間（つまりパルス幅）を一定としつつ、周波数を変化させることができる。
【００３３】
この技術思想を図１の回路に対応づけると、三角波信号はキャパシタ電圧Ｖ１に対応する。２つのスライスレベルは、スライス電圧ＶＭおよび第１電圧ＶＨに対応する。図１の回路では、２つのスライスレベルの一方をキャパシタ電圧Ｖ１のピーク電圧ＶＨと共有することにより、回路を簡素化している。なお第１電圧ＶＨを、三角波信号のピーク電圧と共通とせずに、ＶＭとＶＨの間に別途設定してもよい。
【００３４】
図１の充放電回路１０では、充電電流Ｉ１、放電電流Ｉ２の経路上に、第１スイッチＳＷ１、第２スイッチＳＷ２を設ける構成としたが本発明はこれに限定されない。たとえば第１電流源１２、第２電流源１４を構成するトランジスタを強制的にオフさせることにより、充電状態φ１と放電状態φ２を切り換えてもよい。
【００３５】
実施の形態にもとづき、本発明を説明したが、実施の形態は、本発明の原理、応用を示しているにすぎず、実施の形態には、請求の範囲に規定された本発明の思想を離脱しない範囲において、多くの変形例や配置の変更が可能である。
【図面の簡単な説明】
【００３６】
【図１】本発明の実施の形態に係る発振回路の構成を示す回路図である。
【図２】図１の発振回路の動作波形図である。
【符号の説明】
【００３７】
１００…発振回路、Ｃ１…キャパシタ、１０…充放電回路、１２…第１電流源、１４…第２電流源、ＳＷ１…第１スイッチ、ＳＷ２…第２スイッチ、２０…第１比較器、２２…第２比較器、２４…第３比較器、３０…ロジック部、３２…制御部、３４…パルス生成部、４０…周波数設定部、Ｓ１…第１信号、Ｓ２…第２信号、Ｓ３…第３信号、Ｖ１…キャパシタ電圧、Ｉ１…充電電流、Ｉ２…放電電流。
【図１】
2009010623.tif 000003
【図２】
2009010623.tif 000004