JP2005057478A - 発振回路および半導体集積回路装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 外部部品として接続される水晶発振子またはＲＣ回路に対応してクロック信号をより安定して発振することを可能とした発振回路を提供する。
【解決手段】 水晶発振子を用いてクロック信号を発振させるための水晶発振用回路と、ＲＣ回路を用いてクロック信号を発振させるためのＲＣ発振用回路と、リセット信号の入力により外部部品の一方の端子を接地電位にする制御信号発生回路と、第１の信号を受信すると水晶発振用回路を水晶発振子と並列に接続し、第２の信号を受信するとＲＣ発振用回路をＲＣ回路の抵抗素子と並列に接続する切換スイッチと、リセット信号の入力により外部部品の他方の端子に接続され、外部部品に流れる電流が所定の値よりも小さい場合には第１の信号を切換スイッチに送信し、その電流が所定の値以上である場合には第２の信号を切換スイッチに送信する選択信号発生回路とを有する構成である。
【選択図】 図１

Description

本発明は、水晶発振子またはＲＣ回路を用いてクロック信号を発振させるための発振回路、およびそれを備えた半導体集積回路装置に関する。

従来、マイクロコンピュータ（以下、「マイコン」と称する）などの半導体集積回路装置（以下、「半導体デバイス」と称する）において、クロック信号を利用する回路にクロック信号を供給するために、半導体デバイスの外部部品として水晶発振子を使用する場合と、外部部品としてＲＣ（抵抗素子およびコンデンサ素子）回路を使用する場合とがある。このように、発振器のタイプとして水晶発振子を使用した水晶発振器とＲＣ回路を使用したＲＣ発振器に大別できる。水晶発振器は、発振周波数精度が高いという利点があるが、高価な水晶発振子を外部部品として取り付ける必要があるため価格が高くなる。これに対して、ＲＣ発振器は、水晶発振子の代わりにＲＣ回路を用いることで価格が安くなるが、発振周波数精度は低い。

各発振器には上述のような特徴があるため、半導体デバイスのユーザとしては使用する目的に応じて発振器を選択できることが望ましい。しかし、各発振器は発振原理が異なるため、発振器を動作可能にするためには専用の発振用回路が必要となる。この対応のためには、以下の２つの方法が考えられる。

第１の方法は、発振器の種類に対応した半導体デバイスを製造することである。この場合には、２品種製造する必要がある。

第２の方法は、各発振器に対応した発振用回路を１つの半導体デバイスに内蔵し、何らかの方法でどちらかの発振器を選択できるようにすることである。この場合、１品種製造するだけでよいことになる。

開発工数、開発期間、およびコスト等の面からは、開発製品の種類が少ない第２の方法が第１の方法よりも望ましい。第２の方法の場合で問題になるのが、どのようにして発振器を選択するかという点である。簡単な方法として、発振器の動作に必要な素子を接続するための接続端子を備え、その接続端子に接続された素子に応じて半導体デバイスが発振器を選択する構成が考えられる。

しかし、この方法では外部部品を接続するための２本の接続端子の他に、外部部品に対応して発振用回路を動作させる信号を入力するために接続端子がさらに１本必要になり、接続端子となるピンの数が少ないパッケージを使用する場合、この方法は望ましくない。そのため、使用する接続端子の数を必要最低限の２本に抑えて、２つの発振器のうち一方を選択できる方法が強く望まれる。その方法を実施するための発振回路の一例が開示されている（例えば、特許文献１参照）。

上記従来の発振回路について説明する。

図９は従来の発振回路の一構成例を示す回路図である。

図９に示すように、発振回路は、外部部品として水晶発振子またはＲＣ回路を接続するための接続端子１０ａ、１０ｂと、水晶発振子を動作させる水晶発振用回路１２と、ＲＣ回路を用いてクロック信号を発振するためのＲＣ発振用回路１８と、制御信号を出力する制御信号用トランジスタ（Ｔｒ−Ａ）１４と、外部部品の違いに対応して発振用回路を選択するための信号である発振器選択信号を出力するコンパレータ１６とを有する。また、コンパレータ１６から出力される発振器選択信号に対応して、水晶発振用回路１２またはＲＣ発振用回路１８を接続端子１０ａ、１０ｂに接続するためのゲート７１〜７４およびインバータ７５を備えている。なお、以下では、接続端子１０ａおよび１０ｂに接続されるＲＣ回路の抵抗素子を外付け抵抗素子と称する。

コンパレータ１６には、制御信号用トランジスタ１４のドレイン電極と接続端子１０ａとが接続された点の電位が入力電位Ｖ１として入力される。この入力電位Ｖ１の値は、外部部品が水晶発振子の場合とＲＣ回路の場合とで異なる。

コンパレータ１６は、入力電位Ｖ１が予め設定された電圧である基準電圧ＳＶに比べて大きいか否かを判定し、入力電位Ｖ１の方が小さければ「Ｈｉｇｈレベル（Ｈ）」の発振器選択信号を出力し、反対に入力電位Ｖ１の方が大きければ「Ｌｏｗレベル（Ｌ）」の発振器選択信号を出力する。コンパレータ１６から出力された発振器選択信号が「Ｈ」であると、ゲート７１および７２がオンして水晶発振用回路１２を接続端子１０ａ、１０ｂに接続させる。コンパレータ１６から出力された発振器選択信号が「Ｌ」であると、発振器選択信号がインバータ７５を経由することで、「Ｈ」の信号がゲート７３および７４に入力される。そして、ゲート７３および７４がオンしてＲＣ発振用回路１８を接続端子１０ａ、１０ｂに接続させる。

制御信号用トランジスタ１４のＯＮ抵抗値をＲｎ、外付け抵抗素子の抵抗値をＲｂ、水晶発振用回路１２のフィードバック抵抗ＲＡの抵抗値をＲａとすると、抵抗値Ｒｎ、ＲｂおよびＲａの関係は一般的にＲｎ＜＜Ｒｂ＜Ｒａとなる。

次に、上記構成の発振回路の動作について説明する。なお、以下では、図９に示したＲＣ発振用回路１８およびゲート７１〜７４の構成は同様であるため、図に示すことを省略する。

図１０（ａ）は、水晶発振器を動作させるために外部部品として水晶発振子を接続した場合の発振回路の動作を説明するための図である。

図１０（ａ）に示すように、外部部品として水晶発振子Ｑを接続端子１０ａ、１０ｂに接続して、制御信号用トランジスタ１４をオンすると、Ｒｎ＜＜Ｒａの関係から図８に示すコンパレータ１６への入力電位Ｖ１は接地電位ＧＮＤ（以下、単にＧＮＤと称する）レベルと同等で、基準電圧ＳＶより小さくなる。そのため、コンパレータ１６から出力される発振器選択信号は「Ｈ」となる。ゲート７１、７２は、発振器選択信号「Ｈ」を受信するとオンして水晶発振用回路１２を接続端子１０ａ、１０ｂに接続させ、水晶発振用回路１２が動作する。

図１０（ｂ）は、ＲＣ発振器を動作させるために外部部品としてＲＣ回路を接続した場合の発振回路の動作を説明するための図である。

図１０（ｂ）に示すように、外部部品としてＲＣ回路の外付け抵抗素子ＲＢを接続端子１０ａ、１０ｂに接続する。また、コンデンサＣの一方の端子を接続端子１０ａに接続し、その他方の端子をＧＮＤに接続する。その後、制御信号用トランジスタ１４をオンさせると、Ｒｎ＜＜Ｒｂの関係から入力電位Ｖ１はＧＮＤレベルに近くなるが、Ｒｂ＜Ｒａであるため外付け抵抗素子ＲＢに電流パスが生じ、水晶発振子Ｑを外部部品として接続した場合に比べて入力電位Ｖ１の値は基準電圧ＳＶよりも大きくなる。そのため、コンパレータ１６から出力される発振器選択信号は「Ｌ」になる。ゲート７３、７４は、インバータ７５を経由した信号を受信するとオンして、ＲＣ発振用回路１８を接続端子１０ａ、１０ｂに接続させ、ＲＣ発振用回路１８が動作する。

このようにして、外部部品として水晶発振子Ｑを接続した場合とＲＣ回路を接続した場合とでコンパレータ１６からの発振器選択信号が異なるように基準電圧ＳＶを設定することで、各発振器の選択が可能となる。
特開平１−２６１００７号公報

外部部品の違いによるコンパレータへの入力電位の違いは、半導体デバイスへの外部部品の実装レベルにおける電位誤差を考慮すると非常に小さい。その上、どちらの場合の入力電位もＧＮＤレベル近辺であるため、わずかな入力電位のずれで間違った発振器選択信号がコンパレータから出力されてしまうおそれがあった。

また、従来技術の判定方法では、外付け抵抗素子の抵抗値も考慮する必要があり、ユーザが任意の外付け抵抗素子を使用することできないという問題があった。以下、一般的な外付け抵抗素子の抵抗値Ｒｂを例に挙げてコンパレータ入力電位の値を説明する。なお、制御信号用トランジスタ１４のＯＮ抵抗値Ｒｎは数ｋΩであり、水晶発振用回路１２のフィードバック抵抗の抵抗値Ｒａは数ＭΩである。また、比較のために外部部品として水晶発振子を接続した場合の入力電位の値を示す。さらに、コンデンサＣは容量値が一定であるものとする。

表１は、Ｒｎを５ｋΩ、Ｒｂを５００ｋΩ、Ｒａを５０００ｋΩとした場合のコンパレータ入力電位と、水晶発振子を接続した場合のコンパレータ入力電位とを示している。

表１に示すように、動作電圧を５Ｖにしても、入力電位の差は５０−５＝４５ｍＶである。

次に、外付け抵抗素子のＲｂを小さくした場合について説明する。表２は、Ｒｎを５ｋΩ、Ｒａを５０００ｋΩとし、Ｒｂを２００ｋΩとした場合のコンパレータ入力電位と、水晶発振子を接続した場合のコンパレータ入力電位とを示している。

表２に示すように、動作電圧５Ｖの場合で、入力電位の差は、１２２−５＝１１７ｍＶとなり、外付け抵抗素子の抵抗値Ｒｂが５００ｋΩの場合よりも２倍以上大きくなる。

次に、外付け抵抗素子のＲｂをさらに小さくした場合について説明する。表３は、Ｒｎを５ｋΩ、Ｒａを５０００ｋΩとし、Ｒｂを１００ｋΩとした場合のコンパレータ入力電位と、水晶発振子を接続した場合のコンパレータ入力電位とを示している。

表３に示すように、動作電圧５Ｖの場合で、入力電位の差は、２３８−５＝２３３ｍＶとなり、外付け抵抗素子の抵抗値Ｒｂが５００ｋΩの場合よりも５倍以上大きくなり、Ｒｂが２００ｋΩの場合の約２倍になる。

上記表１〜３に示したように、外付け抵抗素子の抵抗値が小さくなるほど入力電位の差は大きくなる。このことから、コンパレータでの判定をより容易にするには外付け抵抗素子の抵抗値を小さくすればよいが、水晶発振用回路１２内のインバータ２０の閾値電圧の関係上、以下に示す理由からある値よりも小さくすることができない。

図１１は外部部品としてＲＣ回路を接続した場合について、コンパレータ１６の入力電位を説明するための図である。

外付け抵抗素子ＲＢの抵抗値が小さく、入力電位Ｖ１の電圧を大きくしすぎてインバータ２０の閾値電圧を越えてしまうと、インバータ２０の出力信号が「Ｌ」となる。その結果、入力電位Ｖ１の電圧がほぼＧＮＤレベルになり、コンパレータ１６からの発振器選択信号が「Ｈ」になる。このようにして、外部部品としてＲＣ回路を接続しているにもかかわらず、水晶発振用回路１２を動作させるための発振器選択信号がコンパレータ１６から出力されてしまう。そのため、ＲＣ回路を接続した場合、入力電位Ｖ１がインバータ２０の閾値電圧を越えないようにしなければならない。

上述のことから発振回路に実装する外付け抵抗素子ＲＢの抵抗値に下限を設けるとともに、コンパレータ１６の基準電圧が以下に示す３つの条件を満たす必要がある。

図１２はコンパレータの基準電圧の設定条件を示すグラフである。縦軸は電圧である。

図１２に示すように、第１の条件として、基準電圧Ｖｂはインバータ２０の閾値電圧Ｖ２０よりも小さい。第２の条件として、基準電圧Ｖｂは外付け抵抗素子を接続した際に発生するコンパレータ１６への入力電位Ｖｒよりも小さい。第３の条件として、基準電圧Ｖｂは水晶発振子を接続した際に発生するコンパレータ１６への入力電位Ｖｑよりも大きい。

また、半導体デバイス内部の電圧は、チップシュリンク、消費電流削減、およびノイズ低減などの目的のため低電圧化する傾向にある。そのため、ＧＮＤとインバータ２０の閾値電圧Ｖ２０とが狭まる傾向にあり、基準電圧の設定精度がますます要求され、種々の規格の外部部品を半導体デバイスに実装することがさらに難しくなる。

ここで、基準電圧の設定値についての一例を示す。表４は外部部品として水晶発振子またはＲＣ回路を接続した場合の動作電圧に対する入力電位の範囲を示す一例である。なお、基準電圧の設定値は外付け抵抗素子の抵抗値を最適化した値(インバータ２０の閾値電圧を越えない最大値)である。また、「２値の電圧範囲」とは図９に示す入力電位Ｖ１の範囲をいう。インバータ２０の閾値電圧を（動作電圧／２）±１０％とする。

表４に示すように、動作電圧が５Ｖのとき、インバータ２０の閾値電圧が２．５Ｖ±０．２５Ｖとなり、２値の電圧範囲はＧＮＤレベル（≒０Ｖ）からインバータ２０の閾値電圧の最小値２．２５Ｖまでとなる。そして、基準電圧の設定値は２値の電圧範囲の中心をとって１．１２５Ｖとなり、設定値の誤差は±数％となる。他の動作電圧についても同様である。

表４に示した例のように２値の電圧範囲を大きくするには、外付け抵抗素子の抵抗値を最適化した値に近づけなければならない。また、外付け抵抗素子の抵抗値を最適化して２値の電圧範囲を大きくしても、基準電圧はその範囲の所定の電圧でなければならない。

本発明は上記したような従来の技術が有する問題点を解決するためになされたものであり、外部部品として接続される水晶発振子またはＲＣ回路に対応してクロック信号をより安定して発振することを可能とした発振回路、およびそれを備えた半導体集積回路装置を提供することを目的とする。

上記目的を達成するための本発明の発振回路は、外部部品として、抵抗素子およびコンデンサ素子からなるＲＣ回路、または水晶発振子が接続され、該ＲＣ回路または該水晶発振子を用いてクロック信号を発振させるための発振回路であって、
前記水晶発振子を用いてクロック信号を発振させるための、該水晶発振子と並列接続される水晶発振用回路と、
前記ＲＣ回路を用いてクロック信号を発振させるための、前記抵抗素子と並列接続されるＲＣ発振用回路と、
リセット信号の入力により前記外部部品の一方の端子を接地電位にする制御信号発生回路と、
前記水晶発振用回路を動作させるための選択信号となる第１の信号を受信すると該水晶発振用回路を前記水晶発振子と並列に接続し、前記ＲＣ発振用回路を動作させるための選択信号となる第２の信号を受信すると該ＲＣ発振用回路を前記抵抗素子と並列に接続する切換スイッチと、
前記リセット信号の入力により前記外部部品の他方の端子に接続され、前記外部部品に流れる電流が所定の値よりも小さい場合には前記第１の信号を前記切換スイッチに送信し、該電流が該所定の値以上である場合には前記第２の信号を前記切換スイッチに送信する選択信号発生回路と、
を有する構成である。

本発明では、リセット信号の入力により外部部品の一方が接地電位になり、他方が選択信号発生回路に接続されるため、選択信号発生回路から外部部品を介して接地電位までの電流経路が形成される。外部部品が水晶発振子であれば、外部部品にほとんど電流が流れないため電流が所定の値よりも小さくなり選択信号発生回路が第１の信号を切換スイッチに送信し、切換スイッチは第１の信号を受信すると水晶発振用回路を水晶発振子と並列に接続し、水晶発振器が動作可能となる。一方、外部部品がＲＣ回路であれば、抵抗素子に流れる電流が所定の値以上となるため選択信号発生回路が第２の信号を切換スイッチに送信し、切換スイッチは第２の信号を受信するとＲＣ発振用回路を抵抗素子と並列に接続し、ＲＣ発振器が動作可能となる。

また、上記本発明の発振回路において、前記選択信号発生回路は、
ドレイン電極に電源電位が印加され、ソース電極が前記外部部品の他方に接続され、ゲート電極が該ソース電極に接続された第１のトランジスタと、
ドレイン電極に前記電源電位が印加され、ソース電極が前記切換スイッチに接続され、ゲート電極が前記第１のトランジスタのゲート電極に接続された第２のトランジスタと、
ドレイン電極が前記第２のトランジスタのソース電極に接続され、ソース電極が前記接地電位に接続され、オンするための電圧となる基準電圧がゲート電極に印加された第３のトランジスタと、
を有することとしてもよい。

本発明では、外部部品が水晶発振子であると、水晶発振子は電気的には極めて大きい抵抗となるため、第１のトランジスタに電流パスが生じない。そのため第２のトランジスタのソース電極の電位はＯＮ状態の第３のトランジスタに引っ張られて接地電位側に近い電位となり、選択信号発生回路は接地電位に近い電位の第１の信号を切換スイッチに送信する。一方、外部部品がＲＣ回路であると、抵抗素子は水晶発振子に比べて抵抗値が小さいため、第１のトランジスタに電流パスが生じる。第１のトランジスタに電流パスが生じると、第２のトランジスタは第１のトランジスタと同じ値の電流を流そうとする。そのため、第３のトランジスタのドレイン電極の電位は第２のトランジスタに引っ張られ電源電位側に近い電位となり、選択信号発生回路は電源電位に近い電位の第２の信号を切換スイッチに送信する。

また、上記本発明の発振回路において、前記基準電圧は前記第３のトランジスタの閾値電圧以上の値であることとしてもよい。

本発明では、第３のトランジスタのゲート電極に印加される基準電圧が閾値電圧以上であればよいため、従来よりも基準電圧の設定マージンが向上する。

また、上記本発明の発振回路において、前記選択信号発生回路と前記切換スイッチとの間に前記選択信号を保持するためのラッチ回路を備えたこととしてもよい。

本発明では、選択信号発生回路と切換スイッチとの間に選択信号を保持するためのラッチ回路を設けているので、リセット信号がオフしても、ラッチ回路から出力される選択信号により切換スイッチが動作して、外部部品に対応した発振器が動作可能となる。

また、上記本発明の発振回路において、前記クロック信号を利用する回路であるクロック信号利用回路の動作に対して該クロック信号が安定するまで待機時間を設けるためのタイマを備えたこととしてもよい。

本発明では、水晶発振子を用いた水晶発振器、またはＲＣ回路を用いたＲＣ発振器が動作を開始した後、クロック信号が安定するまでクロック信号利用回路を動作させないようにするため、クロック信号利用回路の誤動作の発生が抑制される。

また、上記本発明の発振回路において、前記タイマは、
前記外部部品が前記水晶発振子と前記ＲＣ回路とで異なる待機時間の設定カウント値が格納され、受信した選択信号に対応して該設定カウント値を特定するタイマ設定回路と、
前記クロック信号のカウント数を求めるカウンタと、
前記カウント数と前記設定カウント値とが一致するか否かを調べ、該設定カウント値と該カウント数とが一致すると、前記クロック信号利用回路に動作を開始させるための信号を送信する比較器と、
を有することとしてもよい。

本発明では、タイマ設定回路は水晶発振子を用いた水晶発振器とＲＣ回路を用いたＲＣ発振器とで異なる設定カウント値のうち受信した選択信号に対応して設定カウント値を特定し、比較器は、特定された設定カウント値とカウント数とを比較し、発振器が安定する待機時間になると設定カウント値とカウント数とが一致するため、クロック信号利用回路に動作を開始させるための信号を送信する。

さらに、上記本発明の発振回路において、前記設定カウント値は、
前記選択信号が前記第１の信号である場合の方が前記選択信号が前記第２の信号である場合よりも大きいこととしてもよい。

本発明では、ＲＣ回路を用いたＲＣ発振器に比べて水晶発振子を用いた水晶発振器の方が発振波形が安定するまでの時間を長く必要とするため、設定カウント値についてＲＣ発振器の場合に比べて水晶発振器の場合の方を長くすることで、ＲＣ発振器の場合に余分な待機時間を設ける必要がない。

一方、上記目的を達成するための本発明の半導体集積回路装置は、上記いずれかの発振回路と、
前記外部部品を接続するための接続端子と、
を備えた構成である。

本発明では、上記いずれかの発振回路と、外部部品を接続するための接続端子とを備えているため、外部部品に対応した発振器が安定に動作し、半導体集積回路装置内でクロック信号利用回路について、誤動作の発生がより抑制される。

本発明は以上説明したように構成されているので、以下に記載する効果を奏する。

本発明では、発振器を選択するための基準電圧の設定マージンが大きくなるため、基準電圧の設定が容易になり、発振回路の誤動作の発生がより低減する。

また、半導体デバイスの動作電圧と基準電圧範囲の関係について、従来では動作電圧が低電圧化すると実装が困難になるのに対し、本発明では基準電圧の範囲が広いため、動作電圧の低電圧化にも対応可能である。

本発明の発振回路は、外部部品として水晶発振子およびＲＣ回路のうちいずれが接続されているかを電流パスが有るか無いかで判定可能としたことを特徴とする。

本発明の発振回路の構成について説明する。なお、従来と同様の構成については同一の符号を付し、その詳細な説明を省略する。

図１は本発明の発振回路の一構成例を示す回路図である。

図１に示すように発振回路は、発振用回路を選択するためのリセット信号を発生する制御信号発生回路１と、発振器を動作させるための発振動作回路２と、リセット信号により発振用回路を選択するための信号である発振器選択信号を発生する選択信号発生回路３とを有する構成である。

制御信号発生回路１は、従来技術の回路構成と同様に、電流パスを形成するために必要な制御信号用トランジスタ１４を備えている。

発振動作回路２は、水晶発振子用いて水晶発振器を動作させてクロック信号を発振させるための水晶発振用回路１２と、ＲＣ回路を用いてＲＣ発振器を動作させてクロック信号を発振させるためのＲＣ発振用回路１８と、水晶発振用回路１２またはＲＣ発振用回路１８を接続端子１０ａ、１０ｂに接続するための切換スイッチ３０、３１と、水晶発振用回路１２およびＲＣ発振用回路１８を回路から分離するためのスイッチ３２、３３とを有する。スイッチ３２、３３を備えるのは、水晶発振用回路１２のインバータからの出力信号が選択信号発生回路３の動作を妨げないようにし、かつフィードバック抵抗経由で電流パスを生じさせないためである。

切換スイッチ３０、３１は、選択信号用配線３６を介して選択信号発生回路３に接続されている。選択信号発生回路３から選択信号用配線３６を介して発振器選択信号「Ｌ」を受信すると水晶発振用回路１２を接続端子１０ａ、１０ｂに接続し、発振器選択信号「Ｈ」を受信するとＲＣ発振用回路１８を接続端子１０ａ、１０ｂに接続する。

選択信号発生回路３は、リセット信号入力期間中に発振動作回路２と接続するためのスイッチ３８と、発振器選択信号を発生するための第１のトランジスタ２１、第２のトランジスタ２２および第３のトランジスタ２３とを備えている。本実施例では、第１のトランジスタ２１〜第３のトランジスタ２３はＮｃｈ−Ｔｒ（トランジスタ）である。

第１のトランジスタ２１は、ソース電極がスイッチ３８に接続され、ドレイン電極に電源電位ＶＤＤ（以下、単にＶＤＤと称する）が印加されている。第２のトランジスタ２２は、ドレイン電極にＶＤＤが印加され、ソース電極が第３のトランジスタのドレイン電極および選択信号用配線３６に接続されている。第１のトランジスタ２１および第２のトランジスタ２２のゲート電極は第１のトランジスタ２１のソース電極に接続されている。第３のトランジスタ２３のソース電極はＧＮＤに接続されている。そして、第３のトランジスタ２３のゲート電極には基準電圧が印加される。

なお、第１のトランジスタ２１および第２のトランジスタ２２は第３のトランジスタ２３に比べて駆動能力が大きい。本実施例では、トランジスタ内でチャネルの流れる活性領域の幅を大きくすることで、駆動能力を大きくしている。

接続端子１０ａ、１０ｂに水晶発振子が接続されると、水晶発振子は電気的にはＬＣＲ(コイル、コンデンサおよび抵抗)が直列に接続された場合と等価であり抵抗値の極めて大きい抵抗となるため、選択信号発生回路３の第１のトランジスタ２１に電流パスがほとんど生じない。そのため電位Ｖ３はＯＮ状態の第３のトランジスタ２３に引っ張られＧＮＤ側に近い電位となり、選択信号発生回路３は発振器選択信号「Ｌ」を選択信号用配線３６を介して切換スイッチ３０、３１に送信する。

一方、接続端子１０ａ、１０ｂに外付け抵抗素子が接続され、接続端子１０ａとＧＮＤとの間にコンデンサＣが接続されると、外付け抵抗素子は水晶発振子に比べて抵抗値が小さいため、選択信号発生回路３の第１のトランジスタ２１に電流パスが生じ、所定の値以上の電流が流れる。第１のトランジスタ２１に電流パスが生じると、第２のトランジスタ２２は第１のトランジスタ２１と同じ値の電流を流そうとする。そのため、電位Ｖ３は第２のトランジスタ２２に引っ張られＶＤＤ側に近い電位となり、選択信号発生回路３は発振器選択信号「Ｈ」を選択信号用配線３６を介して切換スイッチ３０、３１に送信する。

このようにして、選択信号発生回路３は、外部部品が水晶発振子であるかＲＣ回路であるかの違いにより、ＧＮＤレベルの発振器選択信号「Ｌ」、またはＶＤＤレベルの発振器選択信号「Ｈ」を発生させる。

次に、水晶発振器を動作させるために外部部品として水晶発振子を接続した場合の上記発振回路の動作手順を説明する。

図２（ａ）はリセット信号入力時の発振回路の状態を示す模式図であり、図２（ｂ）は発振回路の動作手順を示すタイミングチャートである。また、図３（ａ）は水晶発振子を接続した場合の発振回路の動作を示す模式図である。なお、以下では、図１に示したＲＣ発振用回路１８および切換スイッチ３０、３１の構成は同様であるため、図に示すことを省略する。

外部部品として水晶発振子Ｑを接続端子１０ａ、１０ｂに接続した後、図２（ａ）および（ｂ）に示すように、操作者の操作によりリセット信号が入力されると、接続端子１０ｂと選択信号発生回路３とを接続するための信号Ｄがアクティブになり、信号Ｄで制御されるスイッチ３８がオンして第１のトランジスタ２１のソース電極が接続端子１０ｂと接続される。接続端子１０ａ、１０ｂに発振用回路を接続するための信号Ｂがインアクティブになり、信号Ｂで制御されるスイッチ３２、３３がオフして発振用回路を接続端子１０ａ、１０ｂから切り離す。そして、電流パスをつくるために、制御信号用トランジスタ１４がオンして接続端子１０ａがＧＮＤに近いレベルの電位になる。なお、図２（ｂ）に示す信号Ｂは図１に示した回路図の場合を示している。

外部部品として水晶発振子Ｑが接続されており、水晶発振子Ｑは抵抗値の極めて大きい抵抗であるため、ＶＤＤ→水晶発振子Ｑ→ＧＮＤの経路に電流パスが生じない。そのため、図３（ａ）に示すように、選択信号発生回路３の電位Ｖ３はＯＮ状態の第３のトランジスタ２３に引っ張られＧＮＤ側に近い電位となり、選択信号発生回路３は発振器選択信号「Ｌ」を選択信号用配線３６を介して切換スイッチ３０、３１に送信する。切換スイッチ３０、３１は、選択信号発生回路３から発振器選択信号「Ｌ」を受信すると水晶発振用回路１２を接続端子１０ａ、１０ｂに接続する。

次に、ＲＣ発振器を動作させるために外部部品としてＲＣ回路を接続した場合の上記発振回路の動作手順を説明する。

図３（ｂ）はＲＣ回路を接続した場合の発振回路の動作を示す模式図である。

外部部品としてＲＣ回路の外付け抵抗素子ＲＢを接続端子１０ａ、１０ｂに接続する。また、コンデンサＣの一方の端子を接続端子１０ａに接続し、その他方の端子をＧＮＤに接続する。その後、操作者の操作によりリセット信号が入力されると、水晶発振子Ｑを接続した場合と同様にして、信号Ｄで制御されるスイッチ３８がオンして第１のトランジスタ２１のソース電極と接続端子１０ｂとを接続し、信号Ｂで制御されるスイッチ３２、３３がオフして発振用回路を接続端子１０ａ、１０ｂから切り離す。そして、電流パスをつくるために、制御信号用トランジスタ１４がオンして接続端子１０ａがＧＮＤに近いレベルの電位になる。

外部部品としてＲＣ回路が接続されているため、図３（ｂ）に示すように、ＶＤＤ→外付け抵抗素子ＲＢ→ＧＮＤの経路に電流パスが生じ、選択信号発生回路３の電位Ｖ３がＶＤＤに近い電位に引き上げられる。その結果、選択信号発生回路３は発振器選択信号「Ｈ」を選択信号用配線３６を介して切換スイッチ３０、３１に送信する。切換スイッチ３０、３１は、選択信号発生回路３から発振器選択信号「Ｈ」を受信するとＲＣ発振用回路１８を接続端子１０ａ、１０ｂに接続する。

次に、基準電圧の値について従来の場合と本発明の場合で比較した結果について説明する。

表５は半導体デバイスの動作電圧に対する、基準電圧の範囲例を示す表である。表５には比較のために従来の基準電圧の設定値を示す。

表５に示すように、従来の基準電圧の設定値は範囲が狭いのに対し、本発明における基準電圧の設定値は第３のトランジスタ２３の閾値電圧より大きければよいことがわかる。

従来では、基準電圧が水晶発振用回路のインバータの閾値電圧より小さいこと、外付け抵抗素子を接続した際に発生する電圧より小さいこと、および、水晶発振子を接続した際に発生する電圧より大きいことの３つ条件を満たす必要があるのに対して、本発明では、上述のようにして、基準電圧を第３のトランジスタ２３の閾値電圧以上の値に設定すればよい。

本発明では、上述のことから、発振回路の選択信号発生回路３に印加する基準電圧の設定マージンが大きくなるため、基準電圧の設定が容易になり、発振回路の誤動作の発生がより低減する。

また、半導体デバイスの動作電圧と基準電圧の範囲の関係について、従来では動作電圧が低電圧化すると実装が困難になるのに対し、本発明では基準電圧の範囲が広いため、動作電圧の低電圧化にも対応可能である。

また、外部部品が水晶発振子とＲＣ回路のうちいずれであるかを判定させる際、水晶発振用回路のインバータを回路から切断しているため、インバータの閾値電圧を考慮する必要がない。

また、従来、ＲＣ回路の外付け抵抗素子の抵抗値により変化する電位をモニタして基準電圧と比較して発振器選択信号を決定していたため、使用可能な外付け抵抗素子の抵抗値の範囲が決められていた。本発明では、外部部品に電流パスが生じるか否かで発振器選択信号が決まり、発振器選択信号の決定に外付け抵抗素子の抵抗値の影響を受けないため、外付け抵抗素子の抵抗の範囲が従来よりも広くなる。

さらに、発振器選択信号の出力レベルが外付け抵抗素子の抵抗値によらずＶＤＤレベルまたはＧＮＤレベルであるため、誤動作の発生がより低減する。

本実施例は、実施例１のようにして発振器を選択した後、発振器の動作が安定するまでの間、発振器のクロック信号を利用する回路であるクロック信号利用回路を待機させるためのタイマを設けている。このタイマは、選択信号発生回路３からの発振器選択信号により発振器が動作を開始した後、発振器が安定するまでの待機時間を計測し、その待機時間の後に、動作を開始させるための信号である動作許可信号をクロック信号利用回路に送信するものである。

本実施例の発振回路の構成について説明する。

図４（ａ）は本実施例の発振回路の構成を示す回路図である。

図４（ａ）に示すように、発振回路は、図１に示した回路に上記タイマの一例としてインターバルタイマ４０を備えた構成である。インターバルタイマ４０は、選択信号用配線３６から分岐したタイマ用配線３７に接続されている。インターバルタイマ４０は、発振器選択信号をタイマ用配線３７を介して受信すると、発振器選択信号に対応して発振器が安定するまでの待機時間を計測した後、動作許可信号をクロック信号利用回路に送信する。なお、クロック信号利用回路は半導体デバイス内にあってもよいし、外部にあってもよい。

図４（ｂ）はインターバルタイマの一構成例を示すブロック図である。

図４（ｂ）に示すように、インターバルタイマ４０は、発振器毎に異なる待機時間である設定カウント値を保存するタイマ設定回路４２と、発振器から受信するタイマ用クロック信号のカウント数を求めるカウンタ４４と、カウント数と設定カウント値とが一致するか否かを調べる比較器４６とを有する。なお、実施例１で説明したようにして選択信号発生回路３が発振器選択信号を送信して切換スイッチ３０、３１が動作した後、選択された発振器が動作を開始して上記タイマ用クロック信号をインターバルタイマ４０に送信している。インターバルタイマ４０はタイマ用クロック信号を発振器が安定するまでの待機時間を計測するために利用しているが、予め待機時間を大きめに見積もっておくことで、このタイマ用クロック信号の発振波形は必ずしも安定していなくてもよい。

タイマ設定回路４２はＲＣ発振器および水晶発振器の各設定カウント値を予め格納している。発振器選択信号を受信した発振器選択信号が「Ｈ」であると、ＲＣ発振器の設定カウント値を比較器４６に送出し、発振器選択信号が「Ｌ」であると、水晶発振器の設定カウント値を比較器４６に送出する。なお、タイマ用配線３７を介して受信する発振器選択信号は設定カウント値を選択するための設定値選択信号となる。

比較器４６は、タイマ設定回路４２から受信した設定カウント値とカウンタ４４から受信したカウント数とが一致するか否かを調べ、設定カウント値とカウント数とが一致すると動作許可信号をクロック信号利用回路に送信する。

次に、上記構成のインターバルタイマ４０の動作について説明する。

図５（ａ）は本実施例の動作を示す模式図であり、図５（ｂ）はインターバルタイマの動作を説明するための図である。なお、タイマ設定回路４４はＲＣ発振器の設定カウント値「１０」と水晶発振器の設定カウント値「１０００」を予め格納している。

タイマ設定回路４４は、選択信号発生回路３からタイマ用配線３７を介して受け取った設定値選択信号が「Ｌ」の場合には設定カウント値として「１０００」を比較器４６に送出し、設定値選択信号が「Ｈ」の場合には設定カウント値として「１０」を比較器４６に送出する。また、カウンタ４４はタイマ用クロック信号を受信する毎にカウント数を増やしてカウント数を比較器４６に送出する。

図５（ａ）および（ｂ）に示すように、比較器４６はカウント数と設定カウント値とを比較する。設定値選択信号が「Ｈ」の場合には、カウント数が１０になると、カウント数と設定カウント値とが一致することになる。そのため、模式的に示したタイマ設定値と発振安定確保用タイマとが一致し、比較器４６は動作許可信号をクロック信号利用回路に送信する。一方、設定値選択信号が「Ｌ」の場合には、カウント数が１０００になると、カウント数と設定カウント値とが一致することになる。そのため、模式的に示したタイマ設定値と発振安定確保用タイマとが一致し、比較器４６は動作許可信号をクロック信号利用回路に送信する。

本実施例では、発振波形が十分安定するまでクロック信号利用回路を待機させ、発振波形が十分に安定してからクロック信号利用回路を動作させるために、上述のようにして、タイマにより待機時間を計測し、待機時間になるとクロック信号利用回路に動作を開始させている。そのため、発振波形の不安定なクロック信号がクロック信号利用回路に入力されることを防ぎ、半導体デバイスの誤動作がより抑制される。

一般的に、水晶発振器の方がＲＣ発振器に比べて発振成長が遅く、安定するまでの時間が長いことが知られている。そのため、上述のようにして、水晶発振器を選択する場合には待機時間を長くし、ＲＣ発振器を選択する場合には待機時間を短くすることで、ＲＣ発振器を選択したときに余分な待機時間を設ける必要がなく、クロック信号利用回路を含む半導体デバイスの動作開始までの時間を最適化できる。

本実施例は、実施例１で示した構成にラッチ回路を設け、発振器選択信号を保持するようにしたものである。

図６は本実施例の発振回路の構成を示す回路図である。

図６に示すように、発振回路は、発振器選択信号を保持するためのラッチ回路４８を実施例１の回路に備えた構成である。ラッチ回路４８は、図１に示した選択信号発生回路３と切換スイッチ３０、３１との間に設けられている。切換スイッチ３０、３１はラッチ回路４８から出力される発振器選択信号により動作し、発振器選択信号に対応して水晶発振用回路１２またはＲＣ発振用回路１８を接続端子１０ａ、１０ｂに接続する。

本実施例では、選択信号発生回路３が発振器選択信号をラッチ回路４８に送信した後、リセット信号がオフしても、ラッチ回路４８が発振器選択信号を保持しているため、切換スイッチ３０、３１が動作可能となり、発振器が選択される。そのため、ラッチ回路４８が発振器選択信号を受信するまでリセット信号がオンしていればよく、切換スイッチ３０、３１の動作タイミングとリセット信号をオフにするタイミングとを厳しく設定する必要がないため、回路設計の手間が軽減される。

本実施例は、実施例２のタイマおよび実施例３のラッチ回路を実施例１に適用したものである。

本実施例の発振回路の構成について説明する。なお、実施例１〜実施例３の構成と同様の構成については同一の符号を付し、その詳細な説明を省略する。

図７は本実施例の発振回路の構成を示す模式図である。

図７に示すように、発振回路は、図６に示した回路にインターバルタイマ４０を備えた構成である。インターバルタイマ４０は、ラッチ回路４８に接続された選択信号配線３６から分岐したタイマ用配線３７に接続されている。ラッチ回路４８は、保持した発振器選択信号を選択信号用配線３６を介して切換スイッチ３０、３１に送信し、設定値選択信号をタイマ用配線３７を介してインターバルタイマ４０に送信する。

本実施例では、選択信号発生回路３が発振器選択信号をラッチ回路４８に送信した後、リセット信号がオフしても、ラッチ回路４８が発振器選択信号を保持しているため、切換スイッチ３０、３１が動作可能となるだけでなく、タイマにより待機時間を設けることで、安定した出力波形のクロック信号が半導体デバイスに供給される。そのため、半導体デバイスの誤動作がさらに抑制される。

本実施例は、実施例１〜実施例４のうちいずれかの発振回路を半導体デバイスに適用したものである。半導体デバイスの一種としてマイコンについて、例えば、特開２０００−１１２９２１号公報に開示されている。

実施例１〜実施例４のうちいずれかの発振回路を備えたマイコンの構成について説明する。なお、マイコンの構成は、上記特開２０００−１１２９２１号公報に開示されているため、その詳細な説明を省略する。

図８はマイコンの一構成例を示すブロック図である。

図８に示すマイコン５０は、上記発振回路を含んだ発振器５２と、ＣＰＵ（Ｃｅｎｔｒａｌ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ Ｕｎｉｔ）を含むロジック部５４と、プログラムやデータを格納するためのメモリ部５６と、外部装置とのデータの送受信をするためのＩ／Ｏ部５８とを有する。ロジック部５４は上記クロック信号利用回路となる。

本実施例のように、実施例１〜実施例４のうちいずれかの発振回路をマイコン５０の発振器５２に適用することで、ロジック部５４の誤動作の発生がより抑制される。

本発明の発振回路の一構成例を示す回路図である。 本発明の発振回路の動作手順を説明するための図である。 水晶発振子／ＲＣ回路接続時の動作を示す模式図である。 実施例２の構成を示す回路図である。 実施例２の動作を説明するための模式図である。 実施例３の構成を示す回路図である。 実施例４の構成を説明するための模式図である。 実施例５の構成を示すブロック図である。 従来の発振回路の一構成例を示す回路図である。 図９に示した発振回路の動作を説明するための模式図である。 図９に示した発振回路における外付け抵抗素子とコンパレータ入力電位との関係を説明するための図である。 図９に示した発振回路の基準電圧設定条件を示すグラフである。

符号の説明

１ 制御信号発生回路
２ 発振動作回路
３ 選択信号発生回路
１０ａ、１０ｂ 接続端子
１２ 水晶発振用回路
１４ 制御信号用トランジスタ
１６ コンパレータ
１８ ＲＣ発振用回路
２０、７５ インバータ
２１ 第１のトランジスタ
２２ 第２のトランジスタ
２３ 第３のトランジスタ
３０、３１ 切換スイッチ
３２、３３、３８ スイッチ
３６ 選択信号用配線
３７ タイマ用配線
４０ インターバルタイマ
４２ タイマ設定回路
４４ カウンタ
４６ 比較器
４８ ラッチ回路
５０ マイクロコンピュータ（マイコン）
５２ 発振器
５４ ロジック部
５６ メモリ部
５８ Ｉ／Ｏ部
７１、７２、７３、７４ ゲート
Ｃ コンデンサ
Ｑ 水晶発振子
ＲＡ フィードバック抵抗
ＲＢ 外付け抵抗素子

Claims (8)

1. 外部部品として、抵抗素子およびコンデンサ素子からなるＲＣ回路、または水晶発振子が接続され、該ＲＣ回路または該水晶発振子を用いてクロック信号を発振させるための発振回路であって、
   前記水晶発振子を用いてクロック信号を発振させるための、該水晶発振子と並列接続される水晶発振用回路と、
   前記ＲＣ回路を用いてクロック信号を発振させるための、前記抵抗素子と並列接続されるＲＣ発振用回路と、
   リセット信号の入力により前記外部部品の一方の端子を接地電位にする制御信号発生回路と、
   前記水晶発振用回路を動作させるための選択信号となる第１の信号を受信すると該水晶発振用回路を前記水晶発振子と並列に接続し、前記ＲＣ発振用回路を動作させるための選択信号となる第２の信号を受信すると該ＲＣ発振用回路を前記抵抗素子と並列に接続する切換スイッチと、
   前記リセット信号の入力により前記外部部品の他方の端子に接続され、前記外部部品に流れる電流が所定の値よりも小さい場合には前記第１の信号を前記切換スイッチに送信し、該電流が該所定の値以上である場合には前記第２の信号を前記切換スイッチに送信する選択信号発生回路と、
   を有する発振回路。
2. 前記選択信号発生回路は、
   ドレイン電極に電源電位が印加され、ソース電極が前記外部部品の他方に接続され、ゲート電極が該ソース電極に接続された第１のトランジスタと、
   ドレイン電極に前記電源電位が印加され、ソース電極が前記切換スイッチに接続され、ゲート電極が前記第１のトランジスタのゲート電極に接続された第２のトランジスタと、
   ドレイン電極が前記第２のトランジスタのソース電極に接続され、ソース電極が前記接地電位に接続され、オンするための電圧となる基準電圧がゲート電極に印加された第３のトランジスタと、
   を有する請求項１記載の発振回路。
3. 前記基準電圧は前記第３のトランジスタの閾値電圧以上の値である請求項２記載の発振回路。
4. 前記選択信号発生回路と前記切換スイッチとの間に前記選択信号を保持するためのラッチ回路を備えた請求項１乃至３のいずれか１項記載の発振回路。
5. 前記クロック信号を利用する回路であるクロック信号利用回路の動作に対して該クロック信号が安定するまで待機時間を設けるためのタイマを備えた請求項１乃至４のいずれか１項記載の発振回路。
6. 前記タイマは、
   前記外部部品が前記水晶発振子と前記ＲＣ回路とで異なる待機時間の設定カウント値が格納され、受信した選択信号に対応して該設定カウント値を特定するタイマ設定回路と、
   前記クロック信号のカウント数を求めるカウンタと、
   前記カウント数と前記設定カウント値とが一致するか否かを調べ、該設定カウント値と該カウント数とが一致すると、前記クロック信号利用回路に動作を開始させるための信号を送信する比較器と、
   を有する請求項５記載の発振回路。
7. 前記設定カウント値は、
   前記選択信号が前記第１の信号である場合の方が前記選択信号が前記第２の信号である場合よりも大きい請求項６記載の発振回路。
8. 請求項１乃至７のいずれか１項記載の発振回路と、
   前記外部部品を接続するための接続端子と、
   を備えた半導体集積回路装置。
   
   

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