CN103034276B - 振荡装置 - Google Patents
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Abstract
本发明提供能实现低消耗电流的恒压电路及采用该恒压电路的石英振荡电路。恒压电路具备温度特性调整元件，从而能够使恒压对温度变化为负的倾斜度、与石英振荡电路中能振荡的最低动作电压对温度变化为负的倾斜度之差极小，因此能够减小石英振荡电路的消耗电流，进而通过减小恒压电路生成的恒流，能够减小恒压电路的消耗电流，并能减小振荡装置全体的消耗电流。
Description
技术领域
本发明涉及具备石英（水晶）振荡电路的振荡装置，具体涉及能实现石英振荡电路的低消耗电流化的恒压电路。
背景技术
现有的振荡装置包括生成恒压的恒压电路、和利用所生成的恒压来使石英振动器振荡的石英振荡电路。这种振荡装置广泛用于时计、便携电话、个人计算机终端等，要求抑制消耗电流。
为了抑制消耗电流，振荡装置中极力减小用于驱动石英振荡电路的电压变得很重要。另一方面，石英振荡电路具有取决于石英振动器的振荡特性、振荡逆变器、负载电容等的振荡停止电压。众所周知，振荡停止电压在一般的动作温度范围（例如，－40℃～85℃）内随着温度的上升而以某个确定的倾斜度线性下降。因而，恒压电路输出的电压有必要在动作保证温度范围内设定为高于振荡停止电压。
在此，在动作保证温度范围内，使恒压对温度变化的倾斜度与振荡停止电压对温度变化的倾斜度相同的技术，为人所知（例如，参照专利文献1）。图7是示出现有的恒压电路的图。如果为了减小石英振荡电路的消耗电流，而减小恒压对温度变化的倾斜度与振荡停止电压对温度变化的倾斜度之差，则恒压电路的消耗电流会反而增大。因此，通过将PMOS晶体管MP2的电流和恒压电路的消耗电流最优化，能够在动作保证温度范围内极力减小振荡装置全体的消耗电流。
专利文献
专利文献1：日本特开2008－236629号公报。
然而，在现有技术中，恒压对温度变化的倾斜度与振荡停止电压对温度变化的倾斜度之差和恒压电路的消耗电流处于权衡（trade-off）关系。因此，即便能减小恒压电路的消耗电流也还是需要为100nA左右。例如，在现有技术中，恒压电路中用生成恒流的恒流源来生成基准电压的基准电压电路的消耗电流需要约为20～48nA，而在恒压电路全体的消耗电流需要约为75～110nA。
发明内容
本发明鉴于上述课题而构思，其目的在于提供一种恒压电路及用该恒压电路的石英振荡电路，以消除恒压对温度变化的倾斜度与振荡停止电压对温度变化的倾斜度之差、和恒压电路的消耗电流的权衡关系，能够实现数nA的低消耗电流，并减小振荡装置全体的消耗电流。
为了解决上述课题，本发明是具备以恒压电路输出的恒压来驱动的石英振荡电路的振荡装置，其特征在于，恒压电路具备：基准电压电路，其具备恒流源、和用恒流源的恒流输出基准电压的第一MOS晶体管；差动放大电路，输入基准电压和反馈电压；第二MOS晶体管，通过差动放大电路的输出而向恒压电路的输出端子输出恒压；温度特性调整元件，其与输出端子连接；以及第三MOS晶体管，在温度特性调整元件与接地之间连接并输出反馈电压，恒压电路生成的恒压对于温度变化具有第一倾斜度，石英振荡电路的振荡停止电压对于温度变化具有第二倾斜度，石英振荡电路的消耗电流与第一倾斜度和第二倾斜度之差具有相关，用温度特性调整元件调整第一倾斜度，使第一倾斜度与第二倾斜度之差极小。
在本发明中，恒压电路具备温度特性调整元件，从而能够使恒压对温度变化成为负的倾斜度，与石英振荡电路中能振荡的最低动作电压对温度变化成为负的倾斜度之差极小，因此能够减小石英振荡电路的消耗电流，进而通过将恒压电路生成的恒流减小，能够使恒压电路的消耗电流减小，从而能减小振荡装置全体的消耗电流。
附图说明
图1是示出本实施方式的振荡装置的概略图；
图2是示出本实施方式的振荡装置的恒压电路的内部结构的电路图；
图3是示出振荡装置的温度特性的概略图；
图4是示出本实施方式的振荡装置的恒压电路的一例的电路图；
图5是示出恒流源的温度特性的概略图；
图6是示出本实施方式的振荡装置的恒压电路的其它例的电路图；
图7是示出现有的振荡装置的恒压电路的电路图。
具体实施方式
以下，参照附图，对本发明的实施方式进行说明。
图1是示出本实施方式的振荡装置的概略图。振荡装置100包含：生成恒压的恒压电路10；和利用所生成的恒压来使石英振动器振荡的石英振荡电路20。
图2是示出本实施方式的振荡装置的恒压电路的内部结构的电路图。恒压电路10具备：基准电压电路101、差动放大电路102、PMOS晶体管MP1及MP2、NMOS晶体管MN5、及温度特性调整元件30。
基准电压电路101由恒流源11和NMOS晶体管MN1构成。NMOS晶体管MN1的源极接地，栅极与本身的漏极连接。
差动放大电路102的结构包括：NMOS晶体管MN2、电容C1、构成差动对的NMOS晶体管MN3和MN4、构成电流镜的PMOS晶体管MP3和MP4。
差动放大电路102中，基准电压VREF输入到反相输入端子即NMOS晶体管MN3的栅极，NMOS晶体管MN5的漏极电压，即反馈电压FB输入到非反相输入端子即NMOS晶体管MN4的栅极。在与NMOS晶体管MN1构成电流镜的NMOS晶体管MN2，有恒流IREF流动，成为动作电流。电容C1使基准电压VREF稳定。
PMOS晶体管MP1中，源极与电源端子连接，栅极与差动放大电路102的输出即PMOS晶体管MP3的漏极连接，漏极与恒压电路10的输出端子VREG连接。PMOS晶体管MP2中，源极与温度特性调整元件30连接，栅极与本身的漏极连接，向差动放大电路102的非反相输入端子即NMOS晶体管MN4输入。温度特性调整元件30在PMOS晶体管MP1的漏极与PMOS晶体管MP2的源极之间连接。NMOS晶体管MN5中，栅极与NMOS晶体管MN1的栅极及漏极连接，而源极接地。在与NMOS晶体管MN1构成电流镜的NMOS晶体管MN5中有恒流IREF流动。电容C2在差动放大电路102的输出与输出端子VREG之间连接。电容C3在输出端子VREG与接地之间连接。作为相位补偿电容具备电容C2，作为恒压VREG的稳定化电容具备电容C3。
接着，对本实施方式的振荡装置的恒压电路的动作进行说明。
通过使恒流IREF 从恒流源11流到NMOS晶体管MN1，基准电压电路101生成基准电压VREF。
差动放大电路102的输出向PMOS晶体管MP1的栅极输入，因此控制PMOS晶体管MP1的漏极电流，以使基准电压VREF和电压FB相等。因而，从PMOS晶体管MP1的漏极输出的恒压VREG，成为相加基准电压VREF和PMOS晶体管MP2的源极－漏极电压和温度特性调整元件30的电压降的电压。
图3是示出本实施方式的恒压电路及石英振荡电路的温度特性的概略图。
石英振荡电路20的振荡停止电压VDOS取决于石英振动器的特性、振荡逆变器的特性、负载电容，对于温度变化线性下降。
若恒压VREG小于振荡停止电压VDOS，则石英振荡电路20的振荡动作会停止，因此在动作保证温度范围内，需要设定恒压VREG始终为振荡停止电压VDOS以上。此外，若恒压VREG过大，则石英振荡电路20的消耗电流会变大。
因而，为了实现低消耗电流的同时在动作保证温度范围内始终进行稳定的振荡动作，要求从恒压电路10供给的恒压VREG始终大于石英振荡电路20的振荡停止电压VDOS，且，恒压VREG与振荡停止电压VDOS之差尽量少。
因此，如图3（c）所示，如果恒压VREG和振荡停止电压VDOS的温度特性的倾斜度相同，其差异较少，则能够在动作保证温度范围内始终进行稳定的动作。
在此，恒压VREG的温度特性依赖于NMOS晶体管MN1的阈值电压Vtnm、PMOS晶体管MP2的阈值电压Vtpm、恒流IREF、和温度特性调整元件30的温度特性。
如图4所示，本实施方式的恒压电路的恒流源11由耗尽型PMOS晶体管MD1构成。耗尽型PMOS晶体管MD1在栅极下掺杂高浓度的杂质，因此，即便栅极－源极间电压Vgs为0V，在栅极下也已经形成沟道。然后，耗尽型PMOS晶体管MD1中栅极和源极连接，因此不依赖电源电压而能够始终以栅极－源极间电压Vgs＝0V动作，在饱和区域中漏极－源极间电流Ids＝IREF几乎不依赖于电源电压，因此，成为即便电源电压发生变动也能使一定的电流流过的恒流源。
图5是示出采用耗尽型PMOS晶体管的恒流源的温度特性的概略图。
耗尽型PMOS晶体管MD1的阈值电压Vtpd随着温度上升而变得更大。耗尽型PMOS晶体管MD1的温度特性是随着温度上升而漏极－源极间电流Ids的倾斜度变小。
在此，耗尽型PMOS晶体管MD1的漏极－源极间电流｜Ids｜对栅极－源极间电压Vgs曲线，在某一点上即便温度发生变化也几乎没有变动。已知该点是温特平坦点。调整耗尽型PMOS晶体管MD1的阈值电压Vtpd，使栅极－源极间电压Vgs＝0V来到漏极－源极间电流Ids随着温度不发生变化的点，即温特平坦点时，能得到不依赖于温度特性的恒流源。
此外，调整耗尽型PMOS晶体管MD1的阈值电压Vtpd，使温特平坦点来到栅极－源极间电压Vgs为负的电压区域时，恒流源、即栅极－源极间电压Vgs＝0V时的温度特性，随着温度上升而漏极－源极间电流Ids＝IREF变大。相反地，调整耗尽型PMOS晶体管MD1的阈值电压Vtpd，使温特平坦点来到栅极－源极间电压Vgs为正的电压区域时，恒流源、即栅极－源极间电压Vgs＝0V时的温度特性，随着温度上升而漏极－源极间电流Ids＝IREF变小。
如此，通过调整耗尽型PMOS晶体管MD1的阈值电压Vtpd，能够改变恒流IREF对温度变化的倾斜度，能够调整依赖于恒流IREF的恒压VREG对温度变化的倾斜度。
因而，通过使恒压VREG与振荡停止电压VDOS对温度变化的倾斜度之差极小，减小石英振荡电路20的消耗电流时，能够通过调整耗尽型PMOS晶体管MD1的阈值电压Vtpd来实现。
在此，通过恒压VREG对温度变化的倾斜度与振荡停止电压VDOS对温度变化的倾斜度的差异，调整耗尽型PMOS晶体管MD1的阈值电压Vtpd的方法，可考虑以下两种情况。
当恒压VREG对温度变化的倾斜度比振荡停止电压VDOS对温度变化的倾斜度陡峭时，通过调整耗尽型PMOS晶体管MD1的阈值电压Vtpd，使温特平坦点来到负的电压区域。即，通过使恒流源11的恒流IREF对温度变化为正的倾斜度，能够调整恒压VREG对温度变化的倾斜度。
相反地，当恒压VREG对温度变化的倾斜度比振荡停止电压VDOS对温度变化的倾斜度平缓时，通过调整耗尽型PMOS晶体管MD1的阈值电压Vtpd，使温特平坦点来到正的电压区域。即，通过使恒流源11对温度变化为负的倾斜度，能够调整恒压VREG对温度变化的倾斜度。
此外，本实施方式的恒压电路的温度特性调整元件30，如图4所示能够用电阻R1实现。将电阻R1连接在PMOS晶体管MP1的漏极与PMOS晶体管MP2的源极之间，由此从PMOS晶体管MP1的漏极输出的恒压VREG，被设定为相加基准电压VREF和PMOS晶体管MP2的源极－漏极电压、以及电阻R1的电压降的值。
在使恒压VREG和振荡停止电压VDOS对温度变化的倾斜度之差极小而减小石英振荡电路20的消耗电流时，能够通过调整电阻R1对温度变化的倾斜度来实现。
在此，通过恒压VREG对温度变化的倾斜度和振荡停止电压VDOS对温度变化的倾斜度的差异，调整倾斜度的电阻R1的温度特性，可考虑以下两种情况。
当恒压VREG对温度变化的倾斜度比振荡停止电压VDOS对温度变化的倾斜度陡峭时，使电阻R1对温度变化为正的倾斜度。由此，能够调整为使恒压VREG对温度变化的倾斜度与振荡停止电压VDOS对温度变化的倾斜度匹配。
相反地，当恒压VREG对温度变化的倾斜度比振荡停止电压VDOS对温度变化的倾斜度平缓时，使电阻R1对温度变化为负的倾斜度。由此，能够调整为使恒压VREG对温度变化的倾斜度与振荡停止电压VDOS对温度变化的倾斜度匹配。
此外，本实施方式的恒压电路的温度特性调整元件30，如图6所示能够用PMOS晶体管MP5实现。PMOS晶体管MP5中，源极与PMOS晶体管MP1的漏极连接，栅极接地，漏极与PMOS晶体管MP2的源极连接。
PMOS晶体管MP5通过将栅极接地，使栅极－源极间电压Vgs大于阈值电压Vtpm，能处于能够始终动作的状态。此外，能够使PMOS晶体管MP5在线性区域动作，PMOS晶体管MP5中导通电阻占支配地位。即，PMOS晶体管MP5能作为电阻R1的代替而实现。
已知PMOS晶体管MP5的导通电阻对于温度变化具有正的倾斜度。因而，在恒压VREG对温度变化的倾斜度比振荡停止电压VDOS对温度变化的倾斜度陡峭时，为了使恒压VREG和振荡停止电压VDOS对温度变化的倾斜度之差极小，通过将栅极接地的PMOS晶体管MP5中具有正的温度特性的导通电阻，能够调整恒压VREG对温度变化的倾斜度。
其结果，在动作保证温度范围内恒压VREG始终处于振荡停止电压VDOS以上，因此能够减小石英振荡电路20的消耗电流。而且，由于消除了恒压VREG对温度变化的倾斜度与振荡停止电压VDOS对温度变化的倾斜度之差、和恒压电路10的消耗电流的权衡关系，所以能够将恒压电路10的恒流IREF减小到极限，恒压电路10能够实现数nA的低消耗电流。因而，也能减小振荡装置100全体的消耗电流。
以上，对本发明的实施方式进行了说明，但本发明并不局限于这些实施方式，在不超出其宗旨的范围内能以各种方式实施。
符号说明
100 振荡装置；10 恒压电路；11 恒流源；20 石英振荡电路；30 温度特性调整元件；101 基准电压电路；102 差动放大电路；MP1～MP5 PMOS晶体管；MN1～MN5 NMOS晶体管；MD1 耗尽型晶体管；C1～C3 电容；R1 电阻。
Claims (4)
1.一种振荡装置，具备以恒压电路输出的恒压来驱动的石英振荡电路，所述恒压电路具备：
差动放大电路，输入基准电压和反馈电压；
第二MOS晶体管，通过所述差动放大电路的输出，向所述恒压电路的输出端子输出所述恒压；以及
第三MOS晶体管，输出所述反馈电压，
所述恒压电路输出的恒压对于温度变化具有第一倾斜度，
所述石英振荡电路的振荡停止电压对于温度变化具有第二倾斜度，
所述石英振荡电路的消耗电流，与所述第一倾斜度和所述第二倾斜度之差具有相关，其特征在于：
所述恒压电路，还具备：
基准电压电路，其具有恒流源、和通过所述恒流源的恒流输出所述基准电压的第一MOS晶体管；以及
温度特性调整元件，其与所述输出端子连接，
所述第三MOS晶体管，连接在所述温度特性调整元件和接地之间，
用所述温度特性调整元件调整所述第一倾斜度，使所述第一倾斜度与所述第二倾斜度之差极小。
2.根据权利要求1所述的振荡装置，其特征在于，所述温度特性调整元件是具有正或负的温度特性的电阻。
3.根据权利要求1所述的振荡装置，其特征在于，所述温度特性调整元件是具有正或负的温度特性的第四MOS晶体管。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的振荡装置，其特征在于，
所述恒流源由耗尽型MOS晶体管构成，
通过改变所述耗尽型MOS晶体管的阈值电压，调整所述第一倾斜度。
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| CP01 | Change in the name or title of a patent holder | ||
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Granted publication date: 20150930 |
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