CN102655392A

CN102655392A - 振荡电路及搭载有振荡电路的电子设备

Info

Publication number: CN102655392A
Application number: CN2012100595234A
Authority: CN
Inventors: 相马弘之
Original assignee: Seiko Instruments Inc
Current assignee: Jinggong Electronic Crystal Technology Co., Ltd.
Priority date: 2011-03-01
Filing date: 2012-03-01
Publication date: 2012-09-05
Also published as: US20120223783A1; TW201249105A; JP2012182663A; US8558630B2

Abstract

本发明的目的是，提供这样的振荡电路及搭载其的电子设备：即使石英振荡电路的驱动电流变得非常小至100nA以下，石英振荡电路的输出变小至0.1Vpp以下，也产生与石英振荡电路的输出连接的下一级的各种电路正常动作的输出信号。将放大石英振荡电路的输出的放大电路与石英振荡电路的输出侧连接，使石英振荡电路的输出电压和石英振荡电路的CMOS反相器的输入电压的差放大。例如，将差分放大器与石英振荡电路的输出侧连接，以石英振荡电路的输出电压和CMOS反相器的输入电压作为差分放大器的输入。或者，将由3个运算放大器构成的仪表放大器与石英振荡电路的输出侧连接，使石英振荡电路的输出电压信号和石英振荡电路的CMOS反相器的输入电压信号的差放大。

Description

振荡电路及搭载有振荡电路的电子设备

技术领域

本发明涉及包括放大电路的振荡电路及搭载有振荡电路的电子设备。

背景技术

在钟表或便携电话等便携设备中，出于该设备的无充电的长时间动作或所搭载的电池的充电频度降低化的要求，更加要求装入有该设备所使用的石英(水晶)振动器(振動子)等压电元件的振荡电路的驱动功率的降低或振荡电路的待机时(振荡电路振荡的状态且无负载状态时)的超低功耗化。

图3是使用石英振动器的典型的振荡电路，具有作为反相放大器的CMOS反相器IV01、连接于CMOS反相器IV01的输入端子XCIN与输出端子XCOUT之间的石英振动器X2、构成连接于CMOS反相器IV01的输入端子XCIN与接地电位的电源端子Vss之间的负载电容Cg的电容元件及构成连接于CMOS反相器IV01的输出端子XCOUT与接地电位的电源端子Vss之间的负载电容Cd的电容元件。

另外，CMOS反相器IV01由CMOS反相器和反馈电阻Rf构成，该CMOS反相器由串联连接于供给电源电压Vdd的第1电源端子与供给接地电位的第2电源端子之间的PMOS晶体管PM11和NMOS晶体管NM11构成。

在CMOS反相器IV01的PMOS晶体管PM11的源极与第1电源端子之间及CMOS反相器IV01的NMOS晶体管NM11与第2电源端子之间，连接有限制激振石英振动器X2的驱动电流的驱动电流调整用电阻元件r1及r2。

近年来要求搭载于便携设备等的振荡电路低功耗化，因此，需要使振荡电路中的石英振动器的驱动电流下降，因此，考虑减小振荡电路中的CMOS反相器的互导Gm。然而，如果减小Gm，则存在着使振荡电路的振荡余量下降的情况。

振荡电路的振荡余量M由下式(1)给出。

M＝|-Gm|/{(ω²Cg·Cd)*(1/R1(max))}＝RL/R1(max)...(1)

ω是振荡频率的角频率，RL是负电阻，R1(max)是石英振动器的有效电阻R1的最大值，要求振荡余量M为5以上的值。

由于石英振动器的有效电阻R1是根据石英振动器的小型化的要求而决定的值，因而不大能够减小。因此，得知：为了即使减小Gm也维持振荡电路的振荡余量M，降低构成外置于CMOS反相器的负载电容的电容器的负载电容值Cg和/或Cd即可。因此，为了实现此，要求振荡电路的石英振动器具有与针对所装入的微计算机等的IC而要求的低功耗化的规格相称的负载电容CL。即，针对作为一直以来使用的石英振动器的负载电容CL的12.5pF，申请人已提出负载电容CL的降低，即低CL化(3pF～5pF)(专利文献1)。

然而，如果减小负载电容CL，则负载电容CL的电容容差和振荡频率的频率偏差Δf的问题变得显著。例如，负载电容CL变化作为通常的电容容差的范围的ΔC(±5％)的情况的振荡频率的稳定性Δf(ppm)，在负载电容CL为12.5pF时，Δc为1.25pF，振荡频率的稳定性Δf成为7.3ppm，在负载电容CL为6pF时，Δc为0.6pF，振荡频率的稳定性Δf成为13.2ppm，在负载电容CL为3pF时，ΔC为0.3pF，振荡频率的稳定性Δf成为20.5ppm。

即，关于负载电容CL(3pF)，频率偏差比现有的12.5pF的情况还大2.8倍，所以为了实现负载电容CL的低电容化(低CL化)，需要提高振荡频率相对于负载电容CL的电容容差的稳定性。

在图4中示出图3中的输入输出端子间XCIN及XOUT间的石英振动器侧的等效电路。负载电容CL串联连接至石英振动器X2，石英振动器表示为这样的电路：电极间电容C0并联连接至等效地表示由于压电效应而产生的机械谐振的电感L1、电容C1、电阻R1的串联谐振电路。另外，在输入输出端子间XCIN及XCOUT间，由于CMOS半导体衬底或信号布线等而存在着各种杂散电容，如果这些(合成)杂散电容为Cs，则如图5所示，负载电容CL成为与和杂散电容Cs串联连接的外部(外置)电容Cg及Cd的并联连接。

因此，成为：

CL＝Cs+Cg*Cd/(Cg+Cd)...(2)。

如果以满足(2)的关系那样的CL值(2pF～6pF)的方式选择与振荡频率匹配那样的外置电容元件Cg及Cd，则能够提高振荡频率的稳定性。即，由于负载电容CL是杂散电容Cs和外部电容元件(电容器)Cext{＝Cg*Cd/(Cg+Cd)}的和，所以如果以成为负载电容CL和杂散电容Cs的差的方式选定外部电容元件Cext的值，则满足(2)式，意味着石英振动器的负载电容CL与从石英振动器看到的振荡电路侧的负载电容匹配(matching、整合)。

图6是示出石英振荡电路中的驱动电流和负载电容CL的关系的图。得知：如果负载电容变小，则驱动电流显著变小。例如，现有使用的负载电容12.5pF的驱动电流为约1.5μA，而负载电容2.2pF的驱动电流成为0.073μA，驱动电流降低至约5％。这样，降低负载电容CL能够大大有助于石英振荡电路的低功耗化，一定能够大大有助于使用该石英振荡电路的电子设备的低功率化。

专利文献1：日本特开2008-205658号公报

发明内容

如果石英振荡电路的驱动电流小于0.1μA(100nA)，则输出电压(Vout)成为电源电压(Vpp)的10％以下(Vout＜0.1Vpp)，由于电源电压为约1V～3V左右，所以输出电压(Vout)成为0.1V～0.3V以下。图7示出连接有比较器作为与石英振荡电路的输出连接的电路的例子。图7所示的石英振荡电路侧的电路是基本上与图3同样的图，11是石英振动器，12是CMOS反相器，13是恒流源。石英振荡电路的输出Vout1是模拟信号(接近正弦波)，而通过比较器14变换为数字信号(矩形波信号)输出Vout2。在石英振荡电路的输出Vout1为0.1V～0.3V以上时，比较器14也正常动作，以与石英振荡电路的输出频率(f0)相对应的频率(f0)产生比较器输出。然而，如果成为约0.1V以下，则比较器中的2个输入电压的差变小，存在着未生成正常的比较器输出Vout2的时钟信号的情况。即，由于石英振荡电路的输出为低振幅，所以在与其连接的电路中，不能针对石英振荡电路的输出信号进行正确的信息传递。特别是如果使负载电容进一步低CL化，石英振荡电路的驱动电流成为50nA左右，则石英振荡电路的输出Vout1进一步成为低振幅波形，成为约0.05Vpp左右，所以完全不产生来自比较器14的输出时钟信号Vout2。

因此，本发明提供这样的电路：即使石英振荡电路的驱动电流变得非常小至100nA以下，石英振荡电路的输出变小至约0.1Vpp以下，也产生与石英振荡电路的输出连接的下一级的各种电路正常动作的输出信号。即，涉及包括放大电路的振荡电路及搭载有振荡电路的电子设备。

为了达成上述目的，在本发明中，将差分放大器与石英振荡电路的输出侧连接，以石英振荡电路的输出电压和CMOS反相器的输入电压作为差分放大器的输入。或者，将由3个运算放大器构成的仪表放大器(instrumentation amplifier)与石英振荡电路的输出侧连接，使石英振荡电路的输出电压信号和石英振荡电路的CMOS反相器的输入电压信号的差放大。

在将差分放大电路及仪表放大器等放大电路与石英振荡电路的输出侧连接时，能够使石英振荡电路的输出电压V2和石英振荡电路的CMOS反相器的输入电压V1的差放大。即，放大电路的输出成为V0＝α(V1-V2)(α≥1)。由于V2≈-V1，所以V0≈2αV1，能够使输出电压成为石英振荡电路的输出电压V2的2倍以上。因此，即使石英振荡电路的驱动电流变得非常小至100nA以下，石英振荡电路的输出电压变小至约0.1Vpp以下，来自放大电路的输出也较大，所以能够将比较器等连接至放大电路的下一级而生成正常的矩形波信号。而且，通过调整构成这些放大电路的电阻比率，也能够提高放大率，所以即使石英振荡电路的输出电压进一步下降，也能够使用比较器等来生成与石英振荡电路的输出相对应的正常的矩形波。

附图说明

图1是示出本发明的包括差分放大电路的振荡电路的图。

图2是示出本发明的包括仪表电路的振荡电路的图。

图3是示出使用石英振动器的振荡电路的图。

图4是示出图3中的输入输出端子间XCIN及XOUT间的石英振动器侧的等效电路的图。

图5是示出构成负载电容CL的电容的图。

图6是示出石英振荡电路中的驱动电流和负载电容CL的关系的图。

图7是示出连接有比较器作为与石英振荡电路的输出连接的电路的例子的图。

附图标记说明

5放大电路；11石英振动器；12CMOS反相器；13低电流源；14比较器；15运算放大器；21运算放大器；22运算放大器；23运算放大器。

具体实施方式

本发明的目的是，提供这样的电路：即使石英振荡电路的驱动电流变得非常小至100nA以下，石英振荡电路的输出变得非常小至0.1Vpp以下，也正常动作。具体而言，将放大石英振荡电路的输出的放大电路与石英振荡电路的输出侧连接，使石英振荡电路的输出电压和石英振荡电路的CMOS反相器的输入电压的差放大。即，在石英振荡电路的输出电压为V1且石英振荡电路的CMOS反相器的输入电压为V2时，由与石英振荡电路的输出侧连接的放大电路检测V2和V1的差，放大电路的输出V3成为V3＝α(V1-V2)。成为(α≥1)。作为这样的放大电路，存在着例如差分放大(放大器)电路、仪表放大器电路。

图1是示出本发明的一个实施方式的图。在本发明的石英振荡电路，附设有放大电路5，该放大电路5是具有4个电阻(R1、R2、R3、R4)的运算放大器，即差分放大器。即，图1示出连接有差分放大电路的石英振荡电路。石英振荡电路侧是与图3及图7所示同样的电路。在差分放大电路5的输出侧连接有比较器14，但也可以是其他元件(例如，反相器)。在连接有图1所示的差分放大电路的石英振荡电路中，石英振荡电路的反相器的输入(电压V1)经由电阻R1输入至运算放大器15的-端子，石英振荡电路的输出(电压V2，也是石英振荡电路的反相器的输出)经由电阻R3输入至运算放大器15的+端子。运算放大器(差分放大器)15的输出的一部分经由电阻R2反馈至运算放大器15的-端子。另外，运算放大器15的+端子经由电阻R4接地至地。

如果运算放大器15的输入端子的电压为Vin-(-输入端子)、Vin+(+输入端子)，则

Vin-＝(R2V1+R1V0)/(R1+R2)，

Vin+＝R4V2/(R3+R4)

由虚短Vin-＝Vin+，

R1V0/(R1+R2)＝R4V2/(R3+R4)-R2V1/(R1+R2)...(3)

在此，如果使R1＝R3，R2＝R4，则运算放大器(差分放大器)15的输出V0成为：

V0＝(R2/R1)*(V1-V2)...(4)，

成为取V1和V2的差而进行放大的电路。

如果R2＝R1，则成为V0＝V1-V2，通过使用差分放大器，能够输出石英振荡电路的输出和石英振荡电路的反相器的输入的差(|V1-V2|)。由于可以考虑V2＝-V1，所以能够产生通常的石英振荡电路中的输出V2的2倍的输出。另外，如果R2≠R1，则通过对连接至运算放大器15的电阻比(R2/R1)进行适当地设定(R2/R1＞1)，还能够进一步放大(R2/R1倍)。即，能够产生通常的石英振荡电路中的输出V2的2*(R2/R1)倍的输出。

该放大电路的输出是与石英振荡电路的频率同步的模拟信号，所以如果连接至现有的比较器等，则能够比比较器的比较电压的容差(动作电压)大，所以能够生成期望的矩形波。另外，由于差分放大器检测2个输入电压差，所以即使一个电压比差分放大器的最低检测电压小，也只要2个输入电压差比最低检测电压大即可。

图2是示出本发明的另一实施方式的图。仅记载了图1所示的放大电路5的部分。该放大电路5由3个运算放大器(21、22、23)、7个电阻(R0、R1、R2、R3、R4、R5、R6)构成的、所以是被称为所谓的仪表放大器的放大电路。从运算放大器21来看，为A-B端子间的差分放大。由于A及B端子与运算放大器22及23的输出端子直接连结，所以基本上不受输入端子(V1、V2)的影响。如果R3＝R5且R4＝R6，则输出电压V0成为：

V0＝(R4/R3)*(VB-VA)...(5)。

如果使运算放大器22的-输入端子的电压为Vin-1，且运算放大器23的-输入端子的电压为Vin-2，则由虚短，Vin-1＝V1，Vin-2＝V2，从自点A通过电阻R1、R0、R2至点B的路径来看，

(VA-V1)/R1＝(V1-V2)/R0＝(V2-VB)/R2

因此，(VA-V1)＝(R1/R0)*(V1-V2)...(6)

(V2-VB)＝(R2/R0)*(V1-V2)...(7)

将(6)及(7)相加，

VA-VB-(V1-V2)＝(R1+R2/R0)*(V1-V2)

自此，VA-VB＝{1+(R1+R2)/R0}*(V1-V2)...(8)

根据(5)及(8)，

V0＝(R4/R3)*{1+(R1+R2)/R0}*(V2-V1)...(9)

如果使R1＝R2，则该放大电路具有完全对称性。

如从式(9)所得知的，通过使用该仪表放大器，能够使振荡电路的输出电压和所述反相器的输入电压的差为(R4/R3){1+(R1+R2)/R0}倍[(R4/R3){1+(R1+R2)/R0}≥1]。如果使全部电阻相等，则成为V0＝3*(V2-V1)，放大率为3倍。由于V1≈-V2，成为V0＝6*V2，所以成为石英振荡电路的输出V2的6倍的输出。

该电路的优点是，两个输入都是运算放大器直接连结的高输入电阻，所以倾向于微弱的输出，对低CL振荡电路的超低功耗型有用。另外，只要仅1个电阻R0可变，放大率就能够在大的范围内可变。

此外，需要注意到，在运算放大器的极限动作电压为Vd时，本发明的放大电路的差分放大器的检测极限为0.5Vd，所以在石英振荡电路的输出Vs为0.5Vd以下时，本发明的放大电路也未正常动作。在上述中，主要对使用石英振动器的振荡电路进行了说明，但在使用其他压电振动器(例如陶瓷振动器)等代替石英振动器的情况下，也能够适用本发明的包括放大电路的振荡电路。上述的本发明的包括放大电路的振荡电路，能够搭载并适用于使用石英振动器或其他压电振动器的振荡器或电子设备所使用的振荡电路的全部。例如，钟表、便携电话、便携终端、笔记个人电脑等电池驱动的电子设备。而且，还能够适用于要求节能或省电化的车载用电子设备、电视/冰箱/空调等家电制品等广泛的电子设备。

Claims

1.一种振荡电路，包括CMOS反相器，其特征在于：

在所述振荡电路的输出侧具有放大所述振荡电路的输出电压和所述CMOS反相器的输入电压的差的放大电路。

2.如权利要求1所述的振荡电路，其特征在于：

所述放大电路是差分放大电路，

以所述振荡电路的输出及所述振荡电路中的所述CMOS反相器的输入作为所述差分放大电路的输入，并且，

所述CMOS反相器的输入经由电路R1连接至差分放大器的(-)输入端子，所述振荡电路的输出经由电阻R3连接至所述差分放大器的(+)输入端子，所述差分放大器的输出的一部分经由电阻R2反馈至所述(-)输入端子，以及所述差分放大器的所述(+)输入端子经由电阻R4接地连接。

3.如权利要求2所述的振荡电路，其特征在于：

R2/R1≥1。

4.如权利要求1所述的振荡电路，其特征在于：

所述放大电路是由3个运算放大器构成的仪表放大器，

以所述振荡电路的输出及所述振荡电路中的所述CMOS反相器的输入作为所述仪表放大器的输入。

5.一种电子设备，搭载有权利要求1所述的振荡电路。