JP2000056853A - 集積回路を動作させる方法 - Google Patents

集積回路を動作させる方法

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JP2000056853A
JP2000056853A JP11208394A JP20839499A JP2000056853A JP 2000056853 A JP2000056853 A JP 2000056853A JP 11208394 A JP11208394 A JP 11208394A JP 20839499 A JP20839499 A JP 20839499A JP 2000056853 A JP2000056853 A JP 2000056853A
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    • H03L7/06Automatic control of frequency or phase; Synchronisation using a reference signal applied to a frequency- or phase-locked loop
    • H03L7/08Details of the phase-locked loop
    • H03L7/0807Details of the phase-locked loop concerning mainly a recovery circuit for the reference signal
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    • Y10STECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
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  • Inductance-Capacitance Distribution Constants And Capacitance-Resistance Oscillators (AREA)
  • Stabilization Of Oscillater, Synchronisation, Frequency Synthesizers (AREA)
  • Semiconductor Integrated Circuits (AREA)

Abstract

(57)【要約】 【課題】 生成された基準クロック48の検出された動
作周波数に基づいて、一つまたはそれ以上のデジタル信
号50を電流源26に与える周波数検出回路22を有す
る集積回路11を提供する。 【解決手段】 信号50により、電流源26は2つまた
はそれ以上のディスクリートな電流出力レベルの間で動
作状態をデジタル制御方式で変更できる。信号50を利
用することにより、スタートアップ・モード時に、電流
源により高電流出力レベルを選択して、外部発振器回路
16に供給でき、集積回路11が最適な短縮された時間
期間でスタートアップできることを保証する。スタート
アップ動作が完了すると、信号50を利用して、電流源
26を低電流動作モードに切り換えることができ、それ
によりスタートアップ後に生じる通常動作モード時に、
電磁障害(EMI)影響は低減される。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は、一般に、集積回路に関
し、さらに詳しくは、集積回路の性能を改善するため、
発振器増幅器の利得がディスクリートな利得の間で切り
換えることができるような、デジタル利得制御を有する
発振器増幅器に関する
【0002】
【従来の技術】集積回路(IC)業界では、集積回路
は、ソフトウェアを実行し、他の有用な動作を行うため
に方形波の反復的なクロック信号を必要とする。これら
のクロック信号の生成を可能にするため、集積回路は、
水晶発振器回路に接続される外部端子を有する。水晶発
振器回路は、一般に、キャパシタ,抵抗器などの一つま
たはそれ以上の受動素子とともに、水晶発振器素子を内
蔵する。この水晶発振器回路は、IC方形波クロックが
生成でき、かつIC内の全ての機能回路に送出できるよ
うに、正弦波反復信号をICに与える。発振器回路のキ
ャパシタを充電して、水晶発振器を起動するためには、
電気信号(例えば、電流)が集積回路から外部発振器回
路に一般に伝えられる。水晶発振器と、この水晶発振器
に結合されるキャパシタの動作時の固有な性質のため、
安定した水晶発振およびクロック生成は、ICの「スタ
ートアップ」手順中にかなりの時間を費やす。
【0003】従来技術では、「スタートアップ」時に外
部発振器回路に給電する、集積回路内部の電流源は静的
に構成される。この従来技術実施例の一形態では、内部
電流源は、常に(すなわち、集積回路のスタートアップ
時およびICの通常動作モード時の両方で)高電流を供
給するように静的に構成される。この電流源が高電流を
常に供給する場合、より高い電流が速いレートで外部発
振器に給電するので、集積回路のスタートアップ時間は
最小限に抑えられるか、あるいは最適化される。しか
し、ICが静的な高発振器電流を利用する場合には、電
磁障害(EMI:electromagnetic interference)が一
般に高くなりすぎ、そのため隣接回路の電気動作が阻害
される。
【0004】第2の形態では、集積回路の内部電流源
は、常に低電流を供給するように静的に設定される。こ
の低電流設計を利用する場合、集積回路は電磁障害(E
MI)を低減するが、ほとんどのシステムでは許容でき
ないような長いスタートアップ時間を有するのが一般的
である。従って、発振器回路用の静的に構成された高電
流源および/または静的に構成された低電流源は、ほと
んどの現代の用途では不利である。
【0005】上記の欠点を克服するため、今では集積回
路は、自動レベル制御(ALC:automatic level cont
rol)回路ともいう自動利得制御(AGC:automatic g
aincontrol)回路で設計される。このAGCおよび/ま
たはALC回路は、上記の静的に構成された電流源に取
って代わる複雑なアナログ回路である。AGCまたはA
LCは、発振器信号の振幅を監視して、ICデバイスに
ついて最適な発振器振幅が得られるまで発振器増幅器の
電流を連続的に調整するアナログ回路である。AGC/
ALC回路は、従来技術のようにディスクリートかつ静
的な電流レベルを有さず、発振器信号の振幅に基づいて
電流レベルを変更する。AGCまたはALC回路は、集
積回路のかなりのサイズを占め、設計・製造するのが高
価な回路である。さらに、AGCおよびALC回路は本
質的にアナログなので、環境やプロセス変化がこれらの
回路の性能および動作に影響を及ぼすことがある。ほと
んどのAGC/ALC回路はプロセス拡張性がない。こ
れらのAGC/ALC回路は複雑で、より高価で、それ
ほど拡張性がなく、かなりのシリコン表面積を費やす
が、これらの回路は、EMI影響を低減しつつ、スター
トアップ時間が幾分改善されるように、発振器回路の連
続的な電流制御を可能にする。
【0006】
【発明が解決しようとする課題】従って、EMI影響を
低減し、スタートアップ時間を改善し、しかも同時に、
従来のアナログ対策に比べてあまり表面積を費やさず、
かつよりコスト効率的な複雑でない対策を提供する改善
されたクロック生成回路が業界において必要とされる。
【0007】
【実施例】一般に、本発明は、周波数トリガ型デジタル
・プログラマブル電流源を利用して外部発振器回路を駆
動するための集積回路(IC)システムおよび方法であ
る。集積回路は、外部発振器の発振を常に監視する周波
数検出器またはクロック損(LOC:loss of clock)検
出器を含む。「スタートアップ」手順中、あるいはクロ
ックが適正動作していない期間中に、クロック損(LO
C)検出器は第1バイナリ状態の制御信号を出力する。
この制御信号の第1バイナリ状態は、集積回路内の電流
源に与えられ、それにより電流源はこの第1バイナリ状
態に応答して高電流出力状態に構成される。従って、
「スタートアップ」,リセットまたは「復元(recover
y)」動作が開始されると、発振器増幅器の電流は、発振
器回路の高速スタートアップおよび/または復元を促進
するためにデジタルかつディスクリート方式で増加でき
る。
【0008】クロックが通常動作モードで適正機能して
いる期間中は、クロック損(LOC)周波数検出器は、
制御信号を介して第2バイナリ状態を電流源に伝える。
この第2バイナリ状態は、発振器増幅器の電流源を低電
流モードに切り換え、それにより低い電流が外部発振器
回路に供給される。この低い電流は、集積回路システム
に対して電磁障害(EMI)影響が低減されることを保
証するために必要な低い電流を供給しつつ、外部発振器
回路を動作状態に維持する。
【0009】従って、発振器増幅器内のディスクリート
・デジタル・プログラム式電流源は、従来技術の自動利
得制御(AGC)および自動レベル制御(ALC)アナ
ログ対策よりも大幅に簡略化される。さらに、本明細書
で開示される対策は、複雑さが低減し、回路サイズが小
型化し、コストが低減され、プロセス拡張性が改善さ
れ、またプロセス変化および/または環境変化に影響さ
れにくい。最後に、本明細書で開示される回路は、集積
回路のスタートアップ時間を大幅に改善し、しかも同時
に、電気システム内のさまざまな電磁障害(EMI)悪
影響も低減されることを保証する。
【0010】本発明は、図1および図2を参照してさら
に理解できよう。
【0011】図1は、集積回路11および外部発振器回
路16からなる電気システム10を示す。集積回路11
は、IC回路14に結合されたクロック生成回路12を
一般に含む。IC回路14は、クロック生成回路12以
外の任意の回路であり、回路12とともに単一ICパッ
ケージ内に集積できる。一例として、IC回路14は、
CPUコア,キャッシュ・コントローラ,スタティック
・ランダム・アクセス・メモリ(SRAM)や内蔵型ダ
イナミック・ランダム・アクセス・メモリ(DRAM)
や不揮発性メモリなどのさまざまなメモリ・デバイス,
A/Dコンバータ,D/Aコンバータ,タイマ,ゲート
・アレイ,トランスデューサ,パワー・デバイス,他の
周辺デバイス,ディスクリート素子,微細加工デバイス
(micromachined device)または他の種類の電子または電
気機械式デバイスのうち一つまたはそれ以上を内蔵して
もよい。回路14は、図1において回路12から出力さ
れる信号50,52,54を入力として受けるべく結合
される。
【0012】クロック生成回路12は、図1に示す4つ
の外部端子接続を有する。回路12は、電圧電源(VD
D)を受けるための端子36を有する。回路12は、発
振器出力信号を受けるための2つの外部端子34,32
を有する。具体的には、図1の端子34はXTAL端子
といい、図1の端子32はEXTAL端子といい、ここ
でこれら両方の端子は正弦波発振水晶信号を生成するた
めの手段となる。図1は、集積回路11の外部端子30
が接地信号(VSS)への接続を可能にするために設け
られることを示す。端子30〜36は、ICパッケージ
の外部端子(例えば、ピンまたは導電性バンプ)でもよ
く、あるいはマルチチップ・モジュール(MCM:mult
i-chip module)内の導電性相互接続でもよい。4つの端
子のほかに、クロック生成回路12は集積回路11内で
用いられる3つの出力信号を与える。具体的に、図1
は、水晶損信号(crystal loss signal)50,位相同期
ループ(PLL:phase-locked-loop)フィードバック
損信号52およびシステム・クロック(CLK)信号5
4を示す。
【0013】発振器増幅器18は、図1の回路12内に
ある。発振器増幅器18は、電流源26および利得デバ
イス28を含む。具体的には、図1のデバイス28は、
単一のNチャネル金属酸化物(NMOS)トランジスタ
である。ただし、図1のデバイス28は、反転論理ゲー
ト(例えば、NANDゲート),PMOSトランジス
タ,バイポーラ・デバイス,これら複数のデバイスな
ど、利得を与えることのできる任意の他のデバイスで置
き換えてもよい。
【0014】図1に示すように、NMOSデバイス28
のゲートは、EXTAL端子32から水晶信号を受ける
べく結合され、デバイス28の第1電流電極は、VSS
端子30を介して接地に結合され、デバイス28の第2
電流電極は、図1におけるXTAL端子34から水晶信
号を受けるべく結合される。図1の電流源26は、VD
D端子36とXTAL端子34との間で結合される。さ
らに、電流源26は、制御入力として水晶損信号50を
受けるべく結合される。図1において、水晶損信号50
は、少なくとも論理0または論理1のいずれかを伝える
単一のバイナリ導電ラインである。他の実施例では、水
晶損信号50は、2つまたはそれ以上のバイナリ導電ラ
インのバスでもよく、それにより電流源26は複数のデ
ジタル制御信号を受けることができる。この場合、電流
源26は、より複雑なバイナリ・デコーディングおよび
電流出力制御を行うより複雑なデコーダまたはD/Aコ
ンバータを内蔵する。
【0015】図1は、回路12が比較器20を内蔵する
ことを示す。比較器20は、XTAL端子34から信号
を受けるべく結合された正端子と、EXTAL端子32
から水晶発振器信号を受けるべく結合された負端子とを
有する。比較器20は、互いに180度位相がずれた正
弦波信号であるこれら2つの入力信号を受けて、図1に
おいてレール間(rail-to-rail)(VDDからVSS)の
方形波基準クロック信号48を駆動する。フル動作時
に、基準クロック48の周波数は、比較器20に与えら
れる2つの相補的な入力信号の周波数と同じ、あるいは
実質的に同様である。一般に、出力48は、比較器20
への入力として閾値振幅または閾値パワーが得られるま
で、平流(flat-lined)または非発振である。
【0016】基準クロック48は、位相同期ループ(P
LL)回路21およびクロック損(LOC)検出器回路
22に結合される。位相同期ループ・コア21は、IC
回路14を含む集積回路11全体にシステム・クロック
(CLK)54を与えることを担う回路である。一般
に、アナログ位相同期ループ(PLL)回路は、フィー
ドバック経路(feedback path)からなる。フィードバッ
ク経路は、図1では、フィードバック信号46を与える
N分周回路24として図示される。一般に、位相同期ル
ープ回路21は、基準クロック48をフィードバック・
クロック46に同期させ、ここで基準クロック48およ
びフィードバック・クロック46は、同一またはほぼ同
一の周波数で、あるいはその付近で動作する。回路21
は、同期動作を行うだけでなく、同期信号をNだけ周波
数逓倍して、基準クロック48のN倍の周波数で動作す
る方形波システム・クロック54を出力する。基準クロ
ック48のN倍の周波数で動作するシステム・クロック
54はN分周され、図1において閉ループ・フィードバ
ック・クロック46を与え、これは基準クロック48と
同じ周波数である。
【0017】クロック損(LOC)検出器回路22は、
フィードバック・クロック46および基準クロック48
を入力として受ける。基準クロック48が何らかの理由
で失敗すると、水晶損出力信号50が論理1値にアサー
ト(assert)される。具体的には、回路22は閾値周波数
を認識するように設定される。マイクロコントローラ・
ユニット(MCU)用途では、閾値周波数は100kH
z〜250kHzの値に設定される。一般に、この閾値
周波数は、特定の用途に応じて任意の周波数に設定でき
る(すなわち、あるCPUは高周波数を必要とし、また
あるCPUはより低い周波数を必要とする)。基準クロ
ック48がこの基準周波数よりも低い周波数で動作して
いる、あるいは平流である(すなわち、信号がない、あ
るいはトライステートである(tri-stated))場合、水晶
損信号50は論理1にアサートされる。基準クロック4
8がこの閾値周波数で、あるいはそれ以上で動作してい
る場合、水晶損信号50は論理0にデアサート(deasser
t)される。さらに、クロック損検出回路22は、フィー
ドバック・クロック46についても同じ動作を行う。フ
ィードバック・クロック46が閾値周波数以下の周波数
で動作している場合、PLLフィードバック損信号52
がアサートされる。フィードバック・クロック46が閾
値周波数以上で動作している場合、PLLフィードバッ
ク損信号52がデアサートされる。
【0018】図1は、集積回路(IC)11に接続され
ている外部発振器回路16を示す。図1では、多くの異
なる発振器回路を利用できるが、回路16は、端子3
2,34両端で接続された抵抗器38を有する特定の発
振器回路を示す。この抵抗器または抵抗性デバイス38
と並列に、水晶40が接続される。キャパシタ42は、
発振器の第1端子と接地信号(VSS)との間で接続さ
れる。第2キャパシタ44は、発振器の第2端子と接地
信号(VSS)との間で接続される。一般に、抵抗器3
8は約1〜10MΩの範囲内の任意の抵抗器であり、水
晶発振器40は約2〜20MHz内の動作周波数を有す
る任意の水晶である。また、キャパシタ42,44は、
約2pF〜50pFの容量値を有するキャパシタであ
る。
【0019】図1は回路の構造を示すが、図2は、通常
動作モード時にEMI影響を低減しつつ、スタートアッ
プ時間を改善するために図1の回路がどのように動作す
るのかを示す。
【0020】図2は、ステップ100〜106を含むフ
ローチャートを示す。図2において、「スタートアッ
プ」イベント,集積回路リセット・コマンド,低パワー
復元イベントまたはクロック損(LOC)イベントのう
ちの一つまたはそれ以上の発生時に、基準クロック48
は閾値周波数よりも低い周波数で動作しているので、ク
ロック損検出器回路22は水晶損信号50について論理
1値を出力する。信号50を介して交信されるこの論理
1は、図2のステップ100のように、高電流を与える
ように図1の電流源を構成する。具体的には、発振器4
0が再起動されるとき、あるい発振器40がはじめてパ
ワー・オン状態にされるとき、基準クロック48は最初
は平流(flat line)信号である。基準クロック48が平
流信号のとき、クロック損(LOC)検出回路22はア
サートされた水晶損信号50を出力する。このアサート
された水晶損信号50は、図1に示すように電流源26
にフィードバックされる。アサートされた信号50は、
高出力電流を与えるように図2のステップ100を介し
て電流源26を構成する。一実施例では、電流源26に
よって与えられる高電流は、約500マイクロアンペア
〜3ミリアンペアの範囲内のディスクリートな静的電流
である。
【0021】ステップ100においてデバイス26によ
って与えられる高電流は、キャパシタ42,44および
発振器40を充電させ、極めて短時間で(例えば、2〜
5ミリ秒以下)動作可能にできる。より高い「スタート
アップ」電流を可能にする周波数検出方式を介して回路
16を高速に再充電あるいは「スタートアップ」する必
要性を認識することにより、集積回路11の全体的なス
タートアップ時間は大幅に短縮できる。ライン48上で
適切な周波数または信号が検出されない限り、図2のス
テップ102に示すように、高電流はアサートされた信
号50を介してデバイス26から維持される。
【0022】発振器40が適正に機能/充電され、比較
器20が基準クロック48を適切に与えている場合、ス
テップ104においてクロックが適切に検出されている
ので、クロック損検出回路22は信号50をデアサート
する。信号が論理0に設定され、基準クロック48が適
切に機能している場合、電流源26は外部発振器回路1
6に低電流を与えるように構成される。この低電流は、
一般に100マイクロアンペア〜500マイクロアンペ
アの範囲内の電流である。従って、図2は、基準クロッ
ク48について閾値周波数が得られない場合、電流源2
6の高電流出力がステップ100,102を介して維持
されることを示す。しかし、基準クロック信号48につ
いて周波数が適切に得られると、水晶損信号50のデア
サートにより、電流源26の電流出力は、図2のステッ
プ104に示すように低出力電流にシフトする。水晶損
信号50がデアサートされ、電流源26が低電流モード
で動作すると、信号50および電流源26は、回路22
がステップ104を介してクロック損を再度検出するま
で、この状態で動作する。図2のステップ106におい
てこのクロック損(LOC)が検出されると、信号50
はステップ100を介して再アサートされ、電流源26
は再度高電流モードにシフトされる。
【0023】なお、周波数検出に基づいて電流のディス
クリートなレベルを出力するデジタル制御電流源26
は、従来技術において現在採用されている自動利得制御
(AGC)または自動レベル制御(ALC)設計に比べ
てはるかに簡単であることに留意されたい。この簡略化
により、設計の複雑さ,設計のサイズおよび設計のコス
トは大幅に低減される。さらに、回路22と電流源26
との間に設計制御が入るので、回路26は少ないアナロ
グ素子で製作でき、他のアナログ対策に影響を及ぼすプ
ロセス変化や環境変化の影響を受けにくい。さらに、図
1の設計のプロセス拡張性は従来技術に比べて改善され
る。
【0024】また、図1の設計では、電流源26はスタ
ートアップ時およびクロック損イベント時に高電流を供
給でき、それにより水晶40の復元および内部クロック
54(CLK)の起動を極めて時間効率的に行うことが
できる。デジタル・プログラマブル電流源26は、デジ
タル制御の高電流を介して集積回路11のスタートアッ
プ時間を改善するだけでなく、通常動作モード時に、周
波数検出に基づいて低電流を出力して、集積回路11が
周辺の電気システムおよびパワー・バスに及ぼす電磁障
害(EMI)影響を軽減する。
【0025】なお、図1および図2は一つの可能な実施
例を示すに過ぎないことに留意されたい。別の実施例で
は、周波数検出器22は、水晶損信号50として2つま
たはそれ以上のバイナリ信号を電流源26に与えること
ができる。この場合、高電流レベルおよび低電流レベル
だけでなく、複数のディスクリートな電流レベル(例え
ば、3つまたはそれ以上の電流レベル)を与えるより複
雑なデコード回路またはD/Aコンバータを電流源は内
蔵する。この種の機能は、異なるVDD電位で動作する
集積回路で有用である。5.0ボルトのVDD電位は、
3.3ボルト,2.5ボルト,1.8ボルトまたは低い
VDD電圧で動作する集積回路よりも高い電流レベルを
スタートアップ時に必要とする。回路22と電流源26
との間で、3つ以上の固有なバイナリ状態を有するより
複雑なデコーディング方式を設けることにより、集積回
路11は、再設計を必要とせずに、電源電圧VDDの変
化をインテリジェントに補償できる。この多重ビット周
波数制御方式では、回路は自動制御下で、あるいはあら
かじめプログラムされた選択により(例えば、デバイス
においてEPROMビットを設定する)、スタートアッ
プ時に最適な高電流レベルで整定し、また通常動作モー
ド時に最適なEMIの少ない低電流レベルで整定する。
【0026】さらに、この別の実施例では、集積回路1
1は、動作周波数が数桁も変化しうる異なる発振器40
にいつでも接続できる。一般に、高周波数発振器40
は、スタートアップ時に電流源26から少ない電流しか
必要としない。回路22と26との間のより複雑な多重
ビット・デコーディング方式は、スタートアップ時間が
指定された最小許容範囲内となるように、発振器40の
周波数のこのような変化に対して、選択可能でプログラ
ム可能な方法で電流レベルを容易に変更できる。
【0027】別の実施例では、図1は単一のデバイス2
8に供給される電流(I)を変更することにより、発振
器増幅器18の利得を制御する方法を示す。なお、集積
回路の動作中に異なる時間で異なる利得に対処するた
め、デバイス28のアスペクト比に影響を及ぼすように
他のデバイス内および/または外で変更あるいは切り換
えるために信号50を利用しつつ、図1の回路18は電
流源26が一定の電流を供給するように変更できること
に留意されたい。
【0028】本発明について特定の実施例を参照して図
説してきたが、本発明はそれらの例示的な実施例に制限
されないものとする。当業者であれば、発明の精神およ
び範囲から逸脱せずに、修正および変形が可能なことが
理解されよう。従って、本発明は特許請求の範囲内に入
る一切の変形および修正を網羅するものとする。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明により作製された集積回路(IC)を示
す回路図である。
【図2】本発明により図1の集積回路を動作させる方法
を示すフローチャートである。
【符号の説明】
10 電気システム 11 集積回路 12 クロック生成回路 14 IC回路 16 外部発振器回路 18 発振器増幅器 20 比較器 21 位相同期ループ(PLL)回路 22 クロック損(LOC)検出器回路 24 N分周回路 26 電流源 28 利得デバイス 30,32,34,36 端子 38 抵抗器 40 水晶(発振器) 42,44 キャパシタ 46 フィードバック信号 48 方形波基準クロック信号 50 水晶損信号 52 位相同期ループ(PLL)フィードバック損信号 54 システム・クロック(CLK)信号
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.7 識別記号 FI テーマコート゛(参考) H03L 7/08 H03L 7/08 G

Claims (2)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 集積回路(11)を動作させる方法であ
    って:集積回路(11)を設ける段階であって、前記集
    積回路(11)は、発振器信号(XTALおよび/また
    はEXTAL)を受けるべく適応された発振器増幅器
    (18)を有する、段階;第1利得(100)を得るよ
    うに前記発振器増幅器(18)を構成する段階;前記第
    1利得に基づいて、基準クロック信号(48)を生成す
    る段階;前記基準クロック信号(48)が閾値発振器周
    波数よりもほぼ下である場合に、前記第1利得(10
    0)を前記発振器増幅器(18)内で維持する段階;お
    よび第1利得(104)を得るように前記発振器増幅器
    (18)を再構成する段階;によって構成されることを
    特徴とする方法。
  2. 【請求項2】 クロック出力信号を与えるべく適応され
    たクロック生成回路であって:発振器信号(XTALお
    よび/またはEXTAL)を受け、かつ基準クロック信
    号(48)を与えるべく適応された発振器増幅器(1
    8)であって、前記発振器増幅器(18)は、第1利得
    (100)を得るべく構成され、前記第1利得(10
    0)は、前記基準クロック信号(48)の周波数に基づ
    いて調整可能である、発振器増幅器(18);および前
    記基準クロック信号(48)を受けるべく適応された周
    波数検出器(22)であって、前記周波数検出器は、閾
    値周波数を検出し、かつフィードバック信号(46)を
    前記発振器増幅器(18)に与えるべく適応された、周
    波数検出器(22);によって構成されることを特徴と
    するクロック生成回路。
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