JP2005244546A - Crystal oscillation circuit - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、相補型電界効果型トランジスタ(CMOSFETという)から構成する増幅部で発振容量と水晶振動子とを有する共振部を励振する水晶発振回路の構成に関する。 The present invention relates to a configuration of a crystal oscillation circuit that excites a resonance unit having an oscillation capacitor and a crystal resonator in an amplification unit composed of a complementary field effect transistor (referred to as CMOSFET).
一般的に電子時計に用いられる水晶発振回路の構成と動作について図8を用いて説明する。9は水晶発振回路、10は共振部、11は第1の発振容量、12は第2の発振容量、13は水晶振動子、21は第1のMOSFET、22は第2のMOSFET、23は帰還抵抗、120は増幅部、123aは入力端子、123bは出力端子、130は発振回路、90は定電圧手段、91は基準電位、92はレギュレート電圧、93は電源電圧である。 A configuration and operation of a crystal oscillation circuit generally used in an electronic timepiece will be described with reference to FIG. 9 is a crystal oscillation circuit, 10 is a resonance unit, 11 is a first oscillation capacitor, 12 is a second oscillation capacitor, 13 is a crystal resonator, 21 is a first MOSFET, 22 is a second MOSFET, and 23 is feedback. Resistor, 120 is an amplifying unit, 123a is an input terminal, 123b is an output terminal, 130 is an oscillation circuit, 90 is a constant voltage means, 91 is a reference potential, 92 is a regulated voltage, and 93 is a power supply voltage.
図8に示す水晶発振回路9は、増幅部120と共振部10とを有する発振回路130と定電圧手段90とから構成されている。
なお、この水晶発振回路9は、電池などの電源電圧93を定電圧手段90によってレギュレート電圧92に降圧し、それを電源としている。
The crystal oscillation circuit 9 shown in FIG. 8 includes an
The crystal oscillation circuit 9 uses a constant voltage means 90 to step down the
共振部10は、第1の発振容量11と第2の発振容量12と水晶振動子13とからなり、その共振周波数を32.768kHzになるように調整している。
増幅部120は、第1のMOSFET21と第2のMOSFET22と帰還抵抗23とからなり、第1のMOSFET21と第2のMOSFET22とでCMOSFETを構成し、その入出力間に帰還抵抗23を接続している。
水晶振動子13の機械振動の減衰量を増幅部120によって増幅し、共振部10と増幅部120間とで正帰還をかけることによって発振が継続するものである。
The
The amplifying
Oscillation is continued by amplifying the mechanical vibration attenuation amount of the
腕時計など携帯型機器の電源には、1.2Vから3.0V程度の電圧範囲の銀電池またはリチウムイオン電池が使用される。
特に駆動電力をできるだけ小さく抑え、電池寿命を延ばし、電池廃棄による環境破壊低減や、使用者に対しての電池交換回数低減が望まれるため、発振回路130や後段に接続される分周回路(図示しない)の電圧を、電池電圧から降圧する定電圧手段90を設けて、駆動電力を小さく抑える手法が取られる。
定電圧手段90は、基準電位91と電源電圧93とからレギュレート電圧92を発生させるものである。
A silver battery or a lithium ion battery having a voltage range of about 1.2 V to 3.0 V is used as a power source for a portable device such as a wristwatch.
In particular, since the driving power is kept as small as possible, the battery life is extended, the environmental destruction is reduced by discarding the battery, and the battery replacement frequency is reduced for the user, the
The constant voltage means 90 generates a regulated
しかし、電子時計が完全に停止している状態から駆動する場合や、正常駆動状態から何らかの外乱を受けて一時的に停止した状態が起こった場合、発振開始初期段階から定電圧手段90で駆動しようとすると、発振起動に時間がかかったり、発振が開始しないという現象が発生する。 However, when driving from a state where the electronic timepiece is completely stopped, or when a state where the electronic timepiece is temporarily stopped due to some disturbance from the normal driving state occurs, the constant voltage means 90 should be driven from the initial stage of oscillation start. Then, it takes time to start oscillation or a phenomenon that oscillation does not start occurs.
これは、増幅部120の入力端子123aと出力端子123bとの間に高抵抗である帰還抵抗23を接続しているため、常に電源電圧93の1/2に増幅部120の直流的なバイアスが決まる。
そのため、増幅部120を構成する第1のMOSFET21と第2のMOSFET22との閾値電圧の2倍程度の電圧が、発振回路130の電源として供給されないと動作し得ないことになる。
これは、MOSFETの動作特性として、電源電圧が閾値電圧よりも高い領域である、線形領域または飽和領域で動作することを意味する。
This is because the
Therefore, the operation cannot be performed unless a voltage about twice the threshold voltage of the
This means that the MOSFET operates in a linear region or a saturation region, where the power supply voltage is higher than the threshold voltage, as an operating characteristic of the MOSFET.
増幅部120による信号の増幅率が最大になるのは、第1のMOSFET21と第2のMOSFET22とがハイレベルからローレベル、ローレベルからハイレベルへと相補的に切り替わる動作状態近傍であり、その動作領域である飽和領域は電源電圧に比例して増幅率が増加する。
この第1のMOSFET21と第2のMOSFET22とが相補的に切り替わる動作状態を直流的なバイアス点という。
つまり、発振回路130の発振開始初期段階で発振起動に時間がかかったり、発振しないという現象は、第1のMOSFET21と第2のMOSFET22との増幅率が小さいことが起因している。
The amplification factor of the signal by the amplifying
The operation state in which the
That is, the phenomenon that it takes time to start oscillation or does not oscillate at the initial stage of oscillation start of the
そこで、発振回路130の発振が停止している時は、第1のMOSFET21と第2のMOSFET22との増幅率を増加する手段をとることがある。
これは、発振回路130の発振と非発振とを検出し、発振が停止しているときは電源電圧93で回路を動作し、定常的に発振しているときは、消費電力を抑えるため電源電圧93から定電圧手段90でレギュレート電圧92に降圧して回路を駆動する。
Therefore, when the oscillation of the
This detects the oscillation and non-oscillation of the
しかしながら、図8に示す発振回路130は、前述のように直流的なバイアス点が電源電圧93の1/2に決まるため、安定した発振動作を得るには、発振回路130に印加する電源電圧93を第1のMOSFET21と第2のMOSFET22との閾値電圧以下に設定することはできない。その為、低電力駆動で発振回路130を発振させるには限界がある。
However, in the
さらに、発振回路130を発振起動時には電源電圧とし、定常発振時には定電圧手段90によってレギュレート電圧92に降圧すると、発振起動時から定常発振時への電圧降下時に、定電圧手段90の周波数に対する応答性不足からレギュレート電圧92の変動が起こり、発振が停止したり、発振が安定しないという不具合が起こる。
定電圧手段90の周波数に対する応答性を上げるには、定電圧手段90の駆動電流を増加させ周波数特性を向上させればよいが、これでは、水晶発振回路9全体の消費電流が増加してしまい、低電力駆動には不利である。
この電源変動は、電源電圧93とレギュレート電圧92との電圧差が大きいほど顕著になって現れる。
また、一般に集積回路を構成するPMOSFETとNMOSFETとは、周囲温度や製造的な変動によって加工寸法誤差が生じ、レギュレート電圧92や増幅部120の特性が変動するため安定した発振特性を得ることができない。
Further, when the
In order to improve the frequency response of the constant voltage means 90, the drive current of the constant voltage means 90 may be increased to improve the frequency characteristics. However, this increases the current consumption of the entire crystal oscillation circuit 9. It is disadvantageous for low power drive.
This power supply variation becomes more noticeable as the voltage difference between the
In general, PMOSFETs and NMOSFETs constituting an integrated circuit have a processing dimension error due to ambient temperature and manufacturing fluctuations, and the characteristics of the
この課題を解決する一例として、筆者が先に発明した発振回路がある(例えば、特許文献1参照)。 As an example for solving this problem, there is an oscillation circuit invented by the author first (for example, see Patent Document 1).
特許文献1に示した従来の技術を図9を用いて説明する。8は水晶発振回路、10は共振部、11は第1の発振容量、12は第2の発振容量、13は水晶振動子、20は増幅部、21は第1のMOSFET、22は第2のMOSFET、23aは入力端子、23bは出力端子、24は第1のバイアス抵抗、25は第2のバイアス抵抗、26は第1のカップリング容量、27は第2のカップリング容量、30は発振回路、41は制御用のPMOSFET、42は第1の基準抵抗、43は第2の基準抵抗、43aは接続点、44は基準電流制御手段、45はPMOSFET、46はNMOSFET、47はPMOSFET、48はNMOSFET、49は第1のカラム、50は第2のカラム、50aは出力、51は基準電流源、52は基準電流発生手段、60は制御信号発生手段、91は基準電位、93は電源電圧である。
The conventional technique shown in
この水晶発振回路8は、基準電流源51と発振回路30と制御信号発生手段60とから
構成している。
この回路の特徴は、直流バイアスを電源電圧に関係なく決めることができるため、図8に示した従来の技術の水晶発振回路9と比べて、低電圧で動作させることができる。
図8に示した従来の技術の水晶発振回路9では、電源電圧93が、増幅部120を構成するMOSFETの閾値電圧の2倍程度必要であったのに対して、特許文献1に示した従来の技術は、閾値電圧の2倍以下でも発振することができる。これは、閾値電圧以下のゲート電圧領域での動作領域で、サブスレッショルド領域と呼ばれる動作領域で発振することができるからである。
MOSFETにおけるサブスレッショルド領域での増幅率は、バイポーラトランジスタの特性と同様に、電源電圧やMOSFETのサイズによらず、MOSFETに流れる電流のみに比例して増加する。
特許文献1に示した従来の技術は、その特性を利用し、発振初期段階では発振起動時間を速く、定常発振時には駆動電力を下げるという方法を採用している。
The
The feature of this circuit is that the DC bias can be determined regardless of the power supply voltage, so that it can be operated at a lower voltage than the conventional crystal oscillation circuit 9 shown in FIG.
In the conventional crystal oscillation circuit 9 shown in FIG. 8, the
The amplification factor in the subthreshold region of the MOSFET increases in proportion to only the current flowing through the MOSFET, regardless of the power supply voltage and the size of the MOSFET, similarly to the characteristics of the bipolar transistor.
The conventional technique shown in
すなわち、発振回路30の出力端子23bの状態を制御信号発生手段60で検出し、その結果に応じた信号を出力して基準電流源51に流れる電流を可変する。
基準電流源51に流れる電流によって、基準電流源51の出力50aの電圧が変化し、発振回路30の第1のMOSFET21のゲート電圧を変化させる。
第1のMOSFET21のゲート電圧が変化することは、第1のMOSFET21に流れる電流が変化することになるので、サブスレッショルド領域での増幅率を変化させることができる。
That is, the state of the
The voltage of the output 50a of the reference
When the gate voltage of the
制御信号発生手段60が、発振回路30の出力端子23bから発振停止信号を受けると、制御信号発生手段60はローレベルの信号を出力して、基準電流源51の制御用のPMOSFET41をオンにする。
この時、第1の基準抵抗42を第2の基準抵抗43に比べて1桁程度、低抵抗に設定しておく。制御用のPMOSFET41がオンであるので、第1の基準抵抗42と第2の基準抵抗43との合成抵抗は、ほぼ第1の基準抵抗42で決まる。
基準抵抗の値が低くなると、基準電流源51に流れる電流が増加、基準電流源51の出力50aの電圧は、より電源電圧93に近い電圧を出力して、増幅部20の第1のMOSFET21に流れる電流を増加させる。
つまり、発振停止時には、発振回路30の増幅率が増加することになる。
When the control signal generating means 60 receives the oscillation stop signal from the
At this time, the first reference resistor 42 is set to a low resistance of about one digit compared to the
When the value of the reference resistance decreases, the current flowing through the reference
That is, when the oscillation is stopped, the amplification factor of the
しだいに発振振幅が増加して、制御信号発生手段60が、発振回路30の出力端子23bから発振信号を検出すると、制御信号発生手段60の出力はハイレベルを出力し、基準電流源51の制御用のPMOSFET41をオフさせる。
制御用のPMOSFET41がオフになると、制御用のPMOSFET41のオフ抵抗は無限大になり、第2の基準抵抗43との合成抵抗は、ほぼ第2の基準抵抗43で決まるようになる。
第2の基準抵抗43は、最低限発振に必要な電流が第1のMOSFET21に流れるように設定する。
基準電流源51に流れる電流が減少すると、出力50aの電圧は、発振停止時に比べて、基準電位91側にシフトし、第1のMOSFET21に流れる電流を減少させる。
つまり、第1のMOSFET21の増幅率が低下する。
When the oscillation amplitude gradually increases and the control signal generating means 60 detects an oscillation signal from the
When the control PMOSFET 41 is turned off, the off-resistance of the control PMOSFET 41 becomes infinite, and the combined resistance with the
The
When the current flowing through the reference
That is, the amplification factor of the
このように、特許文献1に示した従来の技術では、電源電圧とは独立して直流バイアスを設定でき、MOSFETのサブスレッショルド領域で水晶発振回路が動作するように構成されている。
サブスレッショルド領域での増幅率は、MOSFETに流れる電流のみに比例することから、発振停止状態と発振状態を検出して増幅率を可変するようにした。
このような構成をもつ水晶発振回路は、安定した発振起動性と定常発振を実現する一つの方法である。
As described above, in the conventional technique shown in
Since the amplification factor in the subthreshold region is proportional only to the current flowing through the MOSFET, the amplification factor is varied by detecting the oscillation stop state and the oscillation state.
The crystal oscillation circuit having such a configuration is one method for realizing stable oscillation startability and steady oscillation.
特許文献1に示す従来の技術の水晶発振回路8は、第1のMOSFET21に流れる電流を基準電流源51によって決定し、その電流に応じて第2のMOSFET22のゲート電圧が自己的に決定するようになっている。
つまり、第1のMOSFET21に流れる一定電流に対して、ゲート−ドレイン間が第2のバイアス抵抗25によって接続された第2のMOSFET22のダイオード特性とが交差した点がこの発振回路の直流バイアスとなる点である。
直流バイアスの点は、第1のMOSFET21の直線領域から飽和領域に移行するピンチオフ点となる。
直流バイアスの制御性という点では、第1のMOSFET21に流れる電流だけを決めれば、第2のMOSFET22のゲート電圧も決定することから非常に安定した構成である。
In the conventional
That is, the point at which the diode characteristic of the
The point of the direct current bias is a pinch-off point that shifts from the linear region of the
In terms of DC bias controllability, if only the current flowing through the
しかし、定常発振時においては、第1のMOSFET21と第2のMOSFET22との増幅率が等しく、直流バイアスは電源電圧の1/2近傍に設定されるのがより安定した発振を可能とする。
インバータの増幅率は、PMOSFETとNMOSFETとの平均値であり、直流バイアスが、基準電位もしくは電源電位に偏っているということは、互いのMOSFETの増幅率のバランスが崩れていることを意味している。
However, at the time of steady oscillation, the
The amplification factor of the inverter is the average value of the PMOSFET and NMOSFET, and the fact that the DC bias is biased to the reference potential or the power supply potential means that the balance of the amplification factors of the MOSFETs is lost. Yes.
解決しようとする問題点は、バランスの崩れた直流バイアスによって何らかの外乱などの影響を受け発振特性が低下してしまう点と、発振回路の増幅部を構成するMOSFETの特性を最大限引き出すことができないという点とである。 The problems to be solved are that the oscillation characteristics deteriorate due to the influence of some disturbance due to the unbalanced DC bias, and the characteristics of the MOSFETs constituting the amplification part of the oscillation circuit cannot be maximized. This is the point.
上記課題を解決するために、本発明は次のような構成を採用する。 In order to solve the above problems, the present invention adopts the following configuration.
共振部と増幅部とを有し、増幅部は第1のMOSFETと第2のMOSFETとを有し、第1のMOSFETを基準電流源によって定電流バイアスし、第2のMOSFETを自己バイアスさせ、交流的に両方のMOSFETに発振振幅を入力する水晶発振回路において、
第2のMOSFETの基板電位を基板電位制御手段により任意の電位に制御することを特徴とする。
A resonance unit and an amplification unit, and the amplification unit includes a first MOSFET and a second MOSFET, the first MOSFET is constant-current biased by a reference current source, and the second MOSFET is self-biased, In a crystal oscillation circuit that inputs oscillation amplitude to both MOSFETs in an alternating current manner,
The substrate potential of the second MOSFET is controlled to an arbitrary potential by the substrate potential control means.
基板電位制御手段は、任意電圧発生回路であることを特徴とする。 The substrate potential control means is an arbitrary voltage generation circuit.
任意電圧発生回路は、基準電位と電源電位との間の電位を任意の抵抗比で分割する抵抗手段を有することを特徴とする。 The arbitrary voltage generation circuit includes a resistance unit that divides a potential between a reference potential and a power supply potential by an arbitrary resistance ratio.
任意電圧発生回路は、バンドギャップリファレンス型の定電圧源と差動増幅回路とアクチュエータとを有する定電圧発生回路であることを特徴とする。 The arbitrary voltage generation circuit is a constant voltage generation circuit having a band gap reference type constant voltage source, a differential amplifier circuit, and an actuator.
基板電位制御手段は、第2のMOSFETの閾値電圧を設計値に対して高くする方向に制御することを特徴とする。 The substrate potential control means controls the threshold voltage of the second MOSFET to be higher than the design value.
基板電位制御手段は、第2のMOSFETの直流バイアスを基準電位と電源電位との間の1/2の電位に制御することを特徴とする。 The substrate potential control means controls the DC bias of the second MOSFET to a half potential between the reference potential and the power supply potential.
本発明の水晶発振回路は、発振回路の増幅部を構成する第2のMOSFETの基板電位を基板電位制御手段を用いて任意の電位に制御するものである。このような構成にすることによって、MOSFETの特性を低下させることなく電源電圧とは独立して直流バイアスを設定することができる。
本発明の水晶発振回路は、最も発振起動時間が速く、定常発振が安定するように直流バイアスを設定することができるという利点がある。しかも、発振初期段階から定常発振に至るまで、直流バイアスを適正な位置に設定することによって発振回路を構成するPMOSFETとNMOSFETとの増幅率のバランスがとれることにより、安定性が高く信頼性に優れた発振特性を得ることができるとともに、極低電圧動作も併せ持つという従来にはない優れた効果を有するのである。
The crystal oscillation circuit of the present invention controls the substrate potential of the second MOSFET constituting the amplification unit of the oscillation circuit to an arbitrary potential using the substrate potential control means. With such a configuration, the DC bias can be set independently of the power supply voltage without deteriorating the characteristics of the MOSFET.
The crystal oscillation circuit of the present invention has an advantage that the DC bias can be set so that the oscillation start time is the fastest and steady oscillation is stabilized. In addition, from the initial stage of oscillation to steady oscillation, by setting the DC bias at an appropriate position, the amplification factor of the PMOSFET and NMOSFET constituting the oscillation circuit can be balanced, resulting in high stability and excellent reliability. In addition to providing excellent oscillation characteristics, the present invention has an unprecedented excellent effect of having an extremely low voltage operation.
以下、図面を用いて本発明の実施形態における水晶発振回路の構成について説明する。図1は、本発明の水晶発振回路のブロック図を示したものである。
8は水晶発振回路、10は共振部、11は第1の発振容量、12は第2の発振容量、13は水晶振動子、20は増幅部、21は第1のMOSFET、22は第2のMOSFET、23aは入力端子、23bは出力端子、24は第1のバイアス抵抗、25は第2のバイアス抵抗、26は第1のカップリング容量、27は第2のカップリング容量、30は発振回路、43は基準抵抗、43aは接続点、45はPMOSFET、46はNMOSFET、47はPMOSFET、48はNMOSFET、49は第1のカラム、50は第2のカラム、50aは出力、51は基準電流源、52は基準電圧発生手段、90は定電圧手段、91は基準電位、93は電源電位、101は基準電位制御手段である。
Hereinafter, the configuration of a crystal oscillation circuit according to an embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings. FIG. 1 is a block diagram of a crystal oscillation circuit according to the present invention.
8 is a crystal oscillation circuit, 10 is a resonance unit, 11 is a first oscillation capacitor, 12 is a second oscillation capacitor, 13 is a crystal resonator, 20 is an amplification unit, 21 is a first MOSFET, and 22 is a second oscillation capacitor. MOSFET, 23a is an input terminal, 23b is an output terminal, 24 is a first bias resistor, 25 is a second bias resistor, 26 is a first coupling capacitor, 27 is a second coupling capacitor, and 30 is an
図1に示す水晶発振回路は、基準電流源51と発振回路30と定電圧手段90と基板電位制御手段101とから構成している。
定電圧手段90は、全ての駆動電源である電池などの電源電圧93の電圧を降圧するためのもので、基準電流源51と発振回路30とは、定電圧手段90の出力を電源として動作する。
一般的に腕時計などの携帯端末機器では、電池電圧などをそのまま電源にしないと動作しない回路ブロック以外の回路ブロックは、消費電力を下げるため電池電圧などを降圧して用いている。
The crystal oscillation circuit shown in FIG. 1 includes a reference
The constant voltage means 90 is for stepping down the voltage of the
In general, in a portable terminal device such as a wristwatch, circuit blocks other than a circuit block that does not operate unless the battery voltage or the like is directly used as a power source are used by reducing the battery voltage or the like in order to reduce power consumption.
基準電流源51は、バンドギャップリファレンス型の定電圧回路で、発振回路30の第1のMOSFET21に流れる電流を決定するものであり、基準電流源51の出力電圧に応じた電圧が第1のMOSFET21のゲート電圧として印加される。
基準電流源51が定常動作している場合は、出力点50aは、常に一定の電圧を出力する。
The reference
When the reference
基準電流源51の出力点50aが一定電圧を出力すれば、その電圧は、第1のMOSFET21のゲート電圧であるので、第1のMOSFET21には、一定の電流が流れることになる。
第1のMOSFET21に流れる電流は、第1のMOSFET21とPMOSFET47とがカレントミラー接続されているので、両者のMOSFETのサイズ比W/LとPMOSFET47に流れる電流とで決まる。
第2のMOSFET22のゲート電圧は、第1のMOSFET21に流れる電流が決ま
れば自動的に決まるものである。
特許文献1に示した従来の技術で説明したように、第1のMOSFET21に定電流を流し、第2のMOSFET22を自己バイアスするとその直流バイアスは、第1のMOSFET21の定電流特性と第2のMOSFET22のダイオード特性とが交差した点に決まる。
If the output point 50 a of the reference
The current flowing through the
The gate voltage of the
As described in the conventional technique shown in
本発明の特徴は、第2のMOSFET22の基板電位を基板電位制御手段101によって制御し、発振回路30の直流バイアスを自由に設定できる点にある。
The feature of the present invention is that the substrate potential of the
次に、基板電位制御手段101を任意の電圧を発生する回路とした場合の実施例を図2を用いて説明する。図2は、本発明の実施例1における水晶発振回路8の構成を示した図である。
94は第1の定電圧発生回路、102は任意電圧発生回路である。102aと102bとは任意電圧発生回路102を構成する抵抗である。なお、水晶発振回路8、基準電流源51、発振回路30とそれらを構成する要素と基準電位91、電源電圧93は、図1と同じ構成であり、同じ符合をつけてあるため、その説明を省略する。
図2に示す水晶発振回路8は、基準電流源51と発振回路30と第1の定電圧発生回路94と任意電圧発生回路102とから構成している。
ここでは、任意電圧発生回路102として抵抗を用いた場合について説明する。また、MOSFETの導電型、電源電圧の正負、回路を作製するシリコン結晶基板の導電型などの組み合わせが一意で決まらないので、以後、次のような条件であるとして説明する。
第1のMOSFETはPMOSFET、第2のMOSFETはNMOSFETとする。基準電位は0V、電源電位は負電圧とする。回路は、N型導電型のシリコン結晶基板に作製するものとする。
Next, an embodiment in which the substrate potential control means 101 is a circuit that generates an arbitrary voltage will be described with reference to FIG. FIG. 2 is a diagram showing a configuration of the
The
Here, a case where a resistor is used as the arbitrary
The first MOSFET is a PMOSFET, and the second MOSFET is an NMOSFET. The reference potential is 0 V and the power supply potential is a negative voltage. The circuit is fabricated on an N-type conductivity type silicon crystal substrate.
[基準電流源51の説明]
まず、始めに基準電流源51の構成について説明する。基準電流源51は、基準抵抗43と基準電流発生手段52とから構成している。
[Description of Reference Current Source 51]
First, the configuration of the reference
基準抵抗43は、基準電位91と接続点43a間に接続している。基準電流発生手段52は、第1のカラム49と第2のカラム50とで構成している。
第1のカラム49は、PMOSFET45とNMOSFET46とで構成し、第2のカラム50は、PMOSFET47とNMOSFET48とで構成している。
第1のカラム49と第2のカラム50とは、PMOSFET45とPMOSFET47及び、NMOSFET46とNMOSFET48とが各々対向するように位置している。
PMOSFET47およびNMOSFET46は、各々ゲートとドレインとを接続した、いわゆるダイオード接続になっている。
PMOSFET45のソースは、接続点43aを介して基準抵抗43に接続し、PMOSFET47のソースは基準電位91に接続している。
NMOSFET46のソースとNMOSFET48のソースとは、第1の低電圧発生回路94の出力に接続する。
The
The
The
Each of the PMOSFET 47 and the
The source of the
The source of the
この基準電流源51は、一般的に知られたバンドギャップリファレンス型の定電圧回路で、基準抵抗43によって基準電流源51に流れる電流を変化させ、出力端子50aの電圧を決定する。
この基準電流源51の出力電圧が発振回路30の第1のMOSFET21のゲート電圧となり、第1のMOSFET21に流れる電流を決定する。
これが定電流バイアスであり、発振回路30に印加される電源電圧(ここでは、電源電圧93から第1の定電圧発生回路94によって降圧された電圧)に関係なく常に一定の電
流が第1のMOSFET21に流れるのである。
This reference
The output voltage of the reference
This is a constant current bias, and a constant current is always constant regardless of the power supply voltage applied to the oscillation circuit 30 (here, the voltage stepped down from the
[発振回路30の説明]
続いて、図2に示す発振回路30の構成について説明する。発振回路30は、共振部10と増幅部20とから構成されている。共振部10は、第1の発振容量11と第2の発振容量12と水晶振動子13とから構成されている。
第1の発振容量11は、基準電位91と増幅部20の入力端子23a間に接続し、第2の発振容量12は基準電位91と増幅部20の出力端子23b間に接続している。
水晶振動子13は、増幅部20の入力端子23aと出力端子23b間に接続している。
[Description of Oscillation Circuit 30]
Next, the configuration of the
The first oscillation capacitor 11 is connected between the
The
増幅部20は、入力信号に対して相補的に動作する第1のMOSFET21と第2のMOSFET22と第1のバイアス抵抗24と第2のバイアス抵抗25と第1の結合容量26と第2の結合容量27とから構成している。
The amplifying
第1のバイアス抵抗24と第2のバイアス抵抗25とは、発振回路30の交流信号が基準電流源51にフィードバックしないように抵抗の温度係数と製造ばらつきを考慮し、数百MΩの抵抗値とする。
第1の結合容量26と第2の結合容量27とは、発振回路30で生成する交流成分を第1のMOSFET21と第2のMOSFET22とのゲートに伝達させるためのもので、ゲート容量との分圧比から、第1のMOSFET21と第2のMOSFET22とのゲート容量の10倍以上の容量値に設定する。例えば、ゲート容量を1pFとすれば、第1の結合容量26と第2の結合容量27とは10pFの設定とする。
The
The
第1の結合容量26と第2の結合容量27との一方の端子は、増幅部20の入力端子23aと接続し、第1の結合容量26の他方の端子は、第1のMOSFET21のゲートと接続し、第2の結合容量27の他方の端子は、第2のMOSFET22のゲートと接続している。
この第1の結合容量26と第2の結合容量27とによって、増幅部20の入力端子23aが湿度などで漏れ電流が流れるような場合に起こる入力端子23aの直流的なバイアス変動を小さくすることができる。
One terminal of the
The
第1のバイアス抵抗24は、基準電流源51の出力端子50aと第1のMOSFET21のゲートとの間に接続し、第2のバイアス抵抗25は、増幅部20の出力端子23bと第2のMOSFET22のゲートとの間に接続する。
これによって、第1のMOSFET21は、第1のバイアス抵抗24を介して基準電流源51によって定電流バイアスされ、第2のMOSFET22は、第2のバイアス抵抗25で直流的に電圧負帰還を与えることで、第1のMOSFET21でバイアスされた結果に応じて自己バイアスされる。
The
As a result, the
本発明の実施例1における発振回路の電源は、第1の定電圧発生回路94によって出力される電圧が印加される。
The voltage output from the first constant
[任意電圧発生回路102の説明]
次に、増幅部20を構成するNMOSFET22の基板電位を決定するための任意電圧発生回路102について説明する。
任意電圧発生回路102は、基準電位91と電源電圧94との間に直列に抵抗102a、102bを接続したものである。
この抵抗を任意の分割比で分割して、その分割点を第2のMOSFET22の基板電位端子に接続する。
[Description of Arbitrary Voltage Generation Circuit 102]
Next, the arbitrary
The arbitrary
This resistance is divided by an arbitrary division ratio, and the division point is connected to the substrate potential terminal of the
ここで、電源電圧93を−1.2Vとし、第1の定電圧発生回路94によって−1.2Vから−0.5Vに降圧するものとする。この時、基準電流源51と発振回路30とには、−0.5Vが印加されることになる。
基準電流源51から出力される電圧によって、第1のMOSFET21のゲートに−0.3Vが印加されると自己バイアスされる第2のMOSFET22のゲートには、約−0.15V程度の電圧が印加される。
この時の直流バイアスは、第1のMOSFET21の定電流特性に第2のMOSFET22のダイオード特性が交差する点、つまり第1のMOSFET21の直線領域から飽和領域に移行するピンチオフ点となる。
第1のMOSFET21に流れる電流を増加させても、第2のMOSFET22のダイオード特性と交差する点は、第1のMOSFET21のピンチオフ点となる。
このように、第1のMOSFET21に流れる電流を決めることで、自動的に直流バイアスの点が決まるが、その点が第1のMOSFET21のピンチオフ点であるので、電源電圧93に対して基準電位91側に偏っていることが理解できる。
つまり、発振回路の動作点としては非常にバランスの崩れた位置に設定されていると言える。
Here, it is assumed that the
A voltage of about −0.15 V is applied to the gate of the
The direct current bias at this time is a point where the constant current characteristic of the
Even if the current flowing through the
As described above, the DC bias point is automatically determined by determining the current flowing through the
In other words, it can be said that the operating point of the oscillation circuit is set at a very unbalanced position.
この直流バイアスを発振回路の動作点としてバランスのよい位置に設定するために、第2のMOSFET22の基板電位を電源電位側にシフトさせることが本発明の重要な点である。
第2のMOSFET22の電流特性を電源電位側にシフトさせるには、第2のMOSFET22の閾値電圧の絶対値を設計値に対して高くすることである。
本実施例の場合、第2のMOSFET22の閾値電圧を高くするには、第2のMOSFET22の基板電極に逆バイアスを印加してやればよい。
In order to set this DC bias to a well-balanced position as the operating point of the oscillation circuit, it is an important point of the present invention to shift the substrate potential of the
In order to shift the current characteristics of the
In the case of this embodiment, in order to increase the threshold voltage of the
本発明の実施例1の場合、基準電位を0V、発振回路に印加される電圧を−0.5Vとしている。また、水晶発振回路8は、N型導電型のシリコン基板を用いており、シリコン基板との電気的分離のためにシリコン基板に対して逆導電型、つまり、P型導電型のウェルと呼ばれる領域を作製している。すなわち、第2のMOSFET22の基板電極はP型導電型のウェル内に作製されている。
この場合、第2のMOSFET22の基板電極には、発振回路30に印加されている電圧よりも低い電圧をバイアスすることによってゲート側から見た閾値電圧が高くなるのである。
In the first embodiment of the present invention, the reference potential is 0V, and the voltage applied to the oscillation circuit is −0.5V. In addition, the
In this case, the threshold voltage viewed from the gate side is increased by biasing the substrate electrode of the
以上の説明で明らかなように、第2のMOSFET22の基板電極に印加するバイアスを発振回路30に印加する電圧に対して逆方向にバイアスするには、基準電位91と電源電圧93との間に抵抗を接続し、抵抗102a、102bを任意の分割比によって分割し、その分割点を第2のMOSFET22の基板電極に接続してやればよい。
抵抗を任意の分割比で分割することで、いかようにも第2のMOSFET22の閾値電圧を制御することができる。
As apparent from the above description, in order to bias the bias applied to the substrate electrode of the
By dividing the resistor by an arbitrary division ratio, the threshold voltage of the
次に、発振回路30の直流バイアスを基準電位91側から電源電圧93側にシフトさせていった場合の発振起動時間の変化について説明する。図3は、本測定を行った時の測定回路を示す回路図である。
110は第1の外部電源、111は第2の外部電源である。発振回路30を構成する共振部10、増幅部20およびその構成要素と基準電位91、電源電位93については、前述したものと同一であるのでその説明を省略する。
第1の外部電源110は、第1のバイアス抵抗24を介して第1のMOSFET21のゲートに印加する。
第2の外部電源は、第2のMOSFET22の基板電極に電源電圧93に対して低い電
圧を印加することができる。
基準電位91は0V、電源電圧93は−0.5Vとした。
第1のMOSFET21のゲートには、第1の外部電源110によって−0.3Vを印加している。その時の第1のMOSFET21のソースおよび基板電極は0Vである基準電位93とする。
第2のMOSFET22の基板電極は、第2の外部電源111によって電気的に分離されているP型導電型のウェルに逆バイアスする。
Next, a change in oscillation start time when the DC bias of the
110 is a first external power supply, and 111 is a second external power supply. Since the resonating
The first
The second external power supply can apply a voltage lower than the
The
A voltage of −0.3 V is applied to the gate of the
The substrate electrode of the
このような測定回路によって、第2のMOSFET22の基板電位に対する閾値電圧の変化と、第1の発振容量11と第2の発振容量12と水晶振動子13とで構成される共振部10とを接続したときの発振起動時間を測定した。
With such a measurement circuit, the change of the threshold voltage with respect to the substrate potential of the
まず、第2のMOSFET22の基板バイアスに対するゲートから見た閾値電圧の変化を図4に示す。
図4の横軸は、発振回路30に印加されている電圧と第2のMOSFET22の基板バイアスとの差分の電圧を表している。図4の縦軸は、第2のMOSFET22のゲートから見た閾値電圧を表し、図の下方に近づくほど閾値電圧が高くなることを示している。
図4に示すように、第2のMOSFET22の基板バイアスを増加させていくと、ゲートから見た閾値電圧が高くなることがわかる。
この場合、基板バイアスを増加するとは、第2のMOSFET22が形成されているP型導電型のウェルに対して逆バイアスを印加していくことである。
First, FIG. 4 shows a change in threshold voltage as viewed from the gate with respect to the substrate bias of the
The horizontal axis of FIG. 4 represents a voltage difference between the voltage applied to the
As shown in FIG. 4, it can be seen that as the substrate bias of the
In this case, increasing the substrate bias means applying a reverse bias to the P-type conductivity well in which the
次に、共振部10を接続したときの第2のMOSFET22の基板バイアスと発振起動時間との関係を図5に示す。
図5の横軸は、発振回路30に印加されている電圧と第2のMOSFET22の基板バイアスとの差分の電圧を表している。図5の縦軸は、電源投入後、水晶発振回路8の出力が検出されるまでの時間を表し、これを発振起動時間と定義する。
第2のMOSFET22の基板バイアスを増加していくと発振起動時間が速くなることがわかる。しかし、直流バイアスは、発振回路に印加している電圧の1/2を越えて電源電位側にシフトさせても発振起動時間は速くならない。
むしろ、第2のMOSFET22に流れる電流が減少する、または、直流バイアスが今度は電源電圧側にシフトし、動作点が逆にずれることによって発振起動性が悪化することを示している。
測定結果が示すように、第2のMOSFET22の基板電極への適正な印加電圧は、ある程度の幅を持っており、大まかには、基準電位91と発振回路30とに印加される電圧の1/2近傍に印加するとよいことがわかる。
Next, FIG. 5 shows the relationship between the substrate bias of the
The horizontal axis of FIG. 5 represents the voltage difference between the voltage applied to the
It can be seen that the oscillation start-up time becomes faster as the substrate bias of the
Rather, the current flowing through the
As the measurement result shows, the appropriate applied voltage to the substrate electrode of the
この測定結果により、図2に示す本発明の実施例1において基準電位91と電源電圧93との間に抵抗を接続し、任意の分割比で分割した構成を任意電圧発生回路102とした場合についての具体例をまとめると次のようなものである。
According to this measurement result, a case where a resistor is connected between the
抵抗は、基準電位91と電源電圧93との間に接続し、2つに分割した抵抗の分割点を第2のMOSFET22の基板電極に接続する。
抵抗が、基準電位91と電源電圧93との間に接続することになるので、常時一定の電流が流れてしまうため、水晶発振回路30の消費電流に対して1/10程度になるような高抵抗を設定する。
例えば、水晶発振回路8の消費電流が20nA程度とすると、この抵抗に流れる電流は2nA程度に抑えるようにする。
本発明の実施例1では、電源電圧93を−1.2Vとすると約600MΩ程度を設定する。このとき、この抵抗を介して電源に流れる電流は、2nAである。
The resistor is connected between the
Since the resistor is connected between the
For example, if the consumption current of the
In
前述の測定結果から、第2のMOSFET22の基板バイアスを−0.6Vにしたときが発振起動時間が最も速くなることから、抵抗600MΩの接続点の電圧が−0.6Vになるように抵抗の分割比を決める。
その結果、600MΩの1/2、つまり300MΩずつに分割し、その分割点を第2のMOSFET22の基板電極に接続する。
このように、設定した図2に示す水晶発振回路8は、基板バイアスを設定しない場合に比較して、5秒程度速く発振起動し、直流バイアスは、発振回路30に印加されている電源電圧側にシフトしたことによって、より最適な動作点で発振が継続するようになった。
From the above measurement results, when the substrate bias of the
As a result, it is divided into 1/2 of 600 MΩ, that is, 300 MΩ, and the division point is connected to the substrate electrode of the
As described above, the set
図6は、第2のMOSFET22の基板バイアスを印加しない場合と、実施例1で説明したように、基板バイアスを最適化した場合の発振回路30の直流バイアスの変化を示した図である。
201は曲線、201aは交点、202は曲線、202aは交点である。
発振回路30に印加する電圧に対して定電流特性を示しているのが、第1のMOSFET21の電流特性であり、ダイオード特性を示しているのが第2のMOSFET22の電流特性である。
曲線201は、第2のMOSFET22に基板バイアスを印加しない場合であり、曲線202は、最適な基板バイアスを印加した場合を示している。
図6に示すように、直流バイアスは、交点201aから交点202aと発振回路に印加されている電源電圧側にシフトする。
シフト位置は、発振回路30に印加されている電位のほぼ1/2近傍であることがわかる。
FIG. 6 is a diagram illustrating changes in the DC bias of the
201 is a curve, 201a is an intersection, 202 is a curve, and 202a is an intersection.
The constant current characteristics with respect to the voltage applied to the
A
As shown in FIG. 6, the DC bias is shifted from the intersection 201a to the intersection 202a and the power supply voltage applied to the oscillation circuit.
It can be seen that the shift position is approximately half the potential applied to the
このように、第2のMOSFET22の基板バイアスを、基準電位91と電源電位93との間に接続した任意電圧発生回路102の抵抗102a、102bを任意の分割比で分割することによって設定する方法は簡便であるが、LSI製造工程においては、高抵抗素子の形成は、特性バラツキを生じる。
本回路は、最適な直流バイアスが一意に決定するわけではなく、ある程度の幅を持っているため、最適な直流バイアス範囲に設定できる程度の抵抗バラツキは吸収することができる。
As described above, a method of setting the substrate bias of the
In this circuit, the optimum DC bias is not uniquely determined, and has a certain range, so that resistance variations that can be set in the optimum DC bias range can be absorbed.
次に、本発明の実施例2として、本発明の実施例1とは異なる任意電圧発生回路102を説明する。任意電圧発生回路102を抵抗分割以外の方法によって基板バイアス電圧を発生し、第2のMOSFET22の基板バイアスを印加する方法である。図7は、本発明の実施例2を示した回路図である。
103は第2の定電圧発生回路である。水晶発振回路8、基準電流源51、発振回路30とその構成要素および第1の低電圧発生回路94と基準電位91、電源電圧93については前述しており、同一符合をつけているのでその説明を省略する。
Next, as a second embodiment of the present invention, an arbitrary
図7は、任意電圧発生回路102として、第2の定電圧発生回路103を第2のMOSFET22の基板バイアス設定に用いた例を示している。基準電流源51および発振回路30に印加されている第1の定電圧発生回路94とは別に設ける。
第1の定電圧発生回路94は、電池電圧−1.2Vから−0.5Vに降圧し出力する。同様に第2の定電圧発生回路103は、電池電圧−1.2Vから−0.6Vに降圧し出力する。
一般的な定電圧発生回路は、バンドギャップリファレンス型の定電圧回路と差動増幅回路と電流供給能力を持たせたアクチュエータとで構成している。
アクチュエータは、定電圧発生回路から出力される電圧で後段にどの程度の負荷を接続
するかによって能力を決定する。
定電圧発生回路の出力電圧は、バンドギャップリファレンス型の定電圧回路の設定値を変えることによって容易に変化させることができる。
このようにして、第2の定電圧発生回路103で生成した−0.6Vを第2のMOSFET22の基板電極に接続することによっても、本発明の実施例1と同様な効果が得られる。
FIG. 7 shows an example in which the second constant
The first constant
A general constant voltage generation circuit is composed of a band gap reference type constant voltage circuit, a differential amplifier circuit, and an actuator having a current supply capability.
The actuator determines the capacity depending on how much load is connected to the subsequent stage with the voltage output from the constant voltage generation circuit.
The output voltage of the constant voltage generating circuit can be easily changed by changing the set value of the band gap reference type constant voltage circuit.
In this way, the same effect as that of the first embodiment of the present invention can be obtained by connecting −0.6 V generated by the second constant
先に説明したとおり、本発明の実施例1および実施例2では、第1のMOSFET21をPMOSFET、第2のMOSFET22をNMOSFETとし、第1のMOSFET21の直流バイアスを基準電流源51によって設定して、第2のMOSFET22を自己バイアスする場合について述べたが、この設定が逆になっても本発明の趣旨が変わることはない。
さらに基準電位は0V、電源電位は負電圧、シリコン結晶基板はN型導電型の場合として説明したが、この設定も一例であることは言うまでもない。
As described above, in the first and second embodiments of the present invention, the
Further, the reference potential is 0 V, the power supply potential is a negative voltage, and the silicon crystal substrate is an N-type conductivity type, but it goes without saying that this setting is also an example.
本発明は、発振回路の増幅部の第1のMOSFETを定電流バイアスし、第2のMOSFETを自己バイアスする水晶発振回路において、第2のMOSFETの基板バイアスを制御する基板電位制御手段を有し、第2のMOSFETのゲートからみた閾値電圧を制御可能とした。
このような構成にすることによって、発振回路を構成するCMOSFETの閾値電圧の2倍以下の電源電圧でも発振可能となる水晶発振回路の直流バイアスの最適化が可能となった。これにより、発振起動時間の向上と、より安定した定常発振とを両立する水晶発振回路が可能となった。
The present invention has a substrate potential control means for controlling the substrate bias of the second MOSFET in a crystal oscillation circuit that constant-current biases the first MOSFET of the amplifying part of the oscillation circuit and self-biass the second MOSFET. The threshold voltage viewed from the gate of the second MOSFET can be controlled.
With this configuration, it is possible to optimize the DC bias of the crystal oscillation circuit that can oscillate even with a power supply voltage that is twice or less the threshold voltage of the CMOSFET that constitutes the oscillation circuit. This makes it possible to provide a crystal oscillation circuit that achieves both improved oscillation start-up time and more stable steady-state oscillation.
通常の電子機器、とくに時刻情報を取り扱う計時装置や時計における水晶発振回路は、一度電源が投入された後は、常に動作し続けるものでなくてはならない。そのため、水晶発振回路は、安定性と信頼性とを兼ね備えたものであることが望ましい。
本発明の水晶発振回路は、発振起動時間の向上と安定した定常発振とを両立しており、腕時計に代表される携帯型電子機器に搭載することができる。
A crystal oscillator circuit in a normal electronic device, in particular, a time measuring device or a timepiece that handles time information, must always operate once the power is turned on. Therefore, it is desirable that the crystal oscillation circuit has both stability and reliability.
The crystal oscillation circuit of the present invention achieves both improved oscillation start-up time and stable steady oscillation, and can be mounted on a portable electronic device typified by a wristwatch.
10 共振部
20 増幅部
30 発振回路
41 制御用のMOSFET
42 基準抵抗
44 基準電流制御手段
51 基準電流源
91 基準電位
92 レギュレート電圧
93 電源電圧
94 第1の定電圧発生回路
101 基板電位制御手段
102 任意電圧発生回路
102a 抵抗
102b 抵抗
103 第2の定電圧発生回路
DESCRIPTION OF
42 Reference resistance 44 Reference current control means 51 Reference
Claims (6)
前記第2のMOSFETの基板電位を基板電位制御手段により任意の電位に制御することを特徴とする水晶発振回路。 A resonance unit and an amplifying unit; the amplifying unit includes a first MOSFET and a second MOSFET; the first MOSFET is biased with a constant current by a reference current source; In a crystal oscillation circuit that biases and inputs oscillation amplitude to both MOSFETs in an alternating manner,
A crystal oscillation circuit, wherein the substrate potential of the second MOSFET is controlled to an arbitrary potential by substrate potential control means.
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