JP2012199610A - Crystal oscillation circuit - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、水晶発振回路に係り、特に、インバータと、前記インバータに並列接続された帰還抵抗と、前記インバータに並列に接続された水晶振動子と、前記水晶振動子の一端と電源との間に接続された第1キャパシタと、前記水晶振動子の他端と電源との間に接続された第2キャパシタと、を有する水晶発振回路に関するものである。 The present invention relates to a crystal oscillation circuit, and in particular, an inverter, a feedback resistor connected in parallel to the inverter, a crystal resonator connected in parallel to the inverter, and one end of the crystal resonator and a power source. And a second capacitor connected between the other end of the quartz crystal resonator and a power source.
従来、上述した水晶発振回路として、例えば図6に示されたようなものが提案されている。図6(A)に示すように、水晶発振回路1は、水晶振動子Qzと、発振回路2と、から構成されている。上記発振回路2は、インバータとしてのCMOSインバータIVcと、帰還抵抗Rfと、第1キャパシタ及び第2キャパシタとしてのキャパシタCG及びCDと、から構成されている。上記水晶振動子Qz、CMOSインバータIVc及び帰還抵抗Rfは、互いに並列接続されている。そして、キャパシタCGは、CMOSインバータIVcの入力と電源の−側である電源VSSとの間に設けられている。キャパシタCDは、CMOSインバータIVcの出力と電源VSSとの間に設けられている。なお、キャパシタCG及びCDは、CMOSインバータIVcと電源の+側である電源VDDとの間に設けても良い。
Conventionally, as the above-described crystal oscillation circuit, for example, the one shown in FIG. 6 has been proposed. As shown in FIG. 6A, the
図6(B)に示すように、CMOSインバータIVcは、電源の+側である電源VDDに接続されたp型のMOSトランジスタTp2と、このMOSトランジスタTp2と電源VSSとの間に接続されたn型のMOSトランジスタTn2と、から構成されている。これらMOSトランジスタTp2及びTn2は、電源VDD−電源VSS間に互いに直列に接続されている。上記CMOSインバータIVcは、入力電圧Vinが反転電位VTHを超えると、MOSトランジスタTp2がオフ、MOSトランジスタTn2がオンして出力電圧Voutが電源VSSと等しくなる。これに対して、入力電圧Vinが反転電位VTHを下回ると、MOSトランジスタTp2がオン、MOSトランジスタTn2がオフして出力電圧Voutが電源VDDと等しくなる。 As shown in FIG. 6B, the CMOS inverter IVc is connected between the p-type MOS transistor Tp 2 connected to the power supply VDD that is the positive side of the power supply, and between the MOS transistor Tp 2 and the power supply VSS. N-type MOS transistor Tn 2 . The MOS transistors Tp 2 and Tn 2 are connected in series between the power supply VDD and the power supply VSS. In the CMOS inverter IVc, when the input voltage Vin exceeds the inversion potential VTH, the MOS transistor Tp 2 is turned off and the MOS transistor Tn 2 is turned on so that the output voltage Vout becomes equal to the power supply VSS. On the other hand, when the input voltage Vin falls below the inversion potential VTH, the MOS transistor Tp 2 is turned on, the MOS transistor Tn 2 is turned off, and the output voltage Vout becomes equal to the power supply VDD.
上述したCMOSインバータIVcは、図7に示すように構成されている。上述したMOSトランジスタTp2及びTn2は、p型シリコン基板Spと、このp型シリコン基板Spにイオン注入して形成したn型シリコン基板Snと、を備えている。上記MOSトランジスタTp2は、n型シリコン基板Snに高濃度の不純物をイオン注入して形成したp+領域Apd、Apsと、n型シリコン基板Sn上に形成したゲート酸化膜fと、p+領域Apd、Aps上に設けられたドレイン電極Mpd及びソース電極Mpsと、ゲート酸化膜f上に設けられたゲート電極Mpgと、を備えている。p+領域Apd、Apsは、長さ方向に互いに間隔を空けて設けられている。上記ゲート電極Mpgは、このp+領域Apd及びAps間のゲート酸化膜f上に設けられている。 The above-described CMOS inverter IVc is configured as shown in FIG. The MOS transistors Tp 2 and Tn 2 described above include a p-type silicon substrate Sp and an n-type silicon substrate Sn formed by ion implantation into the p-type silicon substrate Sp. The MOS transistor Tp 2 includes p + regions Apd and Aps formed by ion-implanting high-concentration impurities into an n-type silicon substrate Sn, a gate oxide film f formed on the n-type silicon substrate Sn, and p + regions Apd, A drain electrode Mpd and a source electrode Mps provided on Aps, and a gate electrode Mpg provided on the gate oxide film f are provided. The p + regions Apd and Aps are provided to be spaced from each other in the length direction. The gate electrode Mpg is provided on the gate oxide film f between the p + regions Apd and Aps.
また、n型のMOSトランジスタtn2は、p型シリコン基板Spに高濃度の不純物をイオン注入して形成したn+領域And、Ansと、p型シリコン基板Sp上に形成したゲート酸化膜fと、n+領域And、Ans上に設けられたドレイン電極Mnd及びソース電極Mnsと、ゲート酸化膜f上に設けられたゲート電極Mngと、を備えている。n+領域And、Adsは、長さ方向に互いに間隔を空けて設けられている。上記ゲート電極Mngは、このn+領域And、Ads間のゲート酸化膜f上に設けられている。 The n-type MOS transistor tn 2 includes n + regions And and Ans formed by ion-implanting high-concentration impurities into a p-type silicon substrate Sp, a gate oxide film f formed on the p-type silicon substrate Sp, A drain electrode Mnd and a source electrode Mns provided on the n + regions And and Ans, and a gate electrode Mng provided on the gate oxide film f are provided. The n + regions And and Ads are provided to be spaced from each other in the length direction. The gate electrode Mng is provided on the gate oxide film f between the n + regions And and Ads.
上述した構成の水晶振動子Qz及び発振回路2は、図8に示すような等価回路で表すことができる。即ち、水晶振動子Qzは、互いに直列に接続された抵抗R1、キャパシタC1及びインダクタンスL1と、これら抵抗R1、キャパシタC1及びインダクタンスL1に並列接続されたキャパシタC0と、に等価することができる。また、発振回路2は、互いに直列接続された負荷抵抗−RLと、キャパシタCLと、に等価することができる。なお、上記負性抵抗−RLは、下記の式(1)で表される。
−RL=−gm/(ω2・CG・CD) …(1)
gmは、MOSトランジスタTp2、Tn2の相互コンダクタンスであり、後述する。ωは、発振角周波数である。
The crystal resonator Qz and the
-RL = -gm / (ω 2 · C G · C D) ... (1)
gm is the mutual conductance of the MOS transistors Tp 2 and Tn 2 , which will be described later. ω is the oscillation angular frequency.
上記水晶振動子Qzは、インダクタンスL1、キャパシタC1及びC0で決まる周波数で振動する。熱などで発生した水晶振動子Qzの微少振動はそのままでは抵抗R1によって減衰する。しかしながら、上記微少振動がCMOSインバータIVcに増幅されて再び水晶振動子Qzに供給されることにより水晶振動子Qzの発振が維持される。即ち、抵抗R1が振動エネルギーを減衰させる抵抗であるのに対して発振回路2の負性抵抗−RLは振動エネルギーを補充する抵抗であると考えられる。よって、下記の式(2)に示すように、負性抵抗−RLが抵抗R1より大きければ水晶振動子Qzの発振が持続する。
|R1|<|−RL| …(2)
The crystal resonator Qz vibrates at a frequency determined by the inductance L1 and the capacitors C1 and C0. The minute vibration of the quartz resonator Qz generated by heat or the like is attenuated by the resistor R1 as it is. However, the micro vibration is amplified by the CMOS inverter IVc and supplied to the crystal resonator Qz again, whereby the oscillation of the crystal resonator Qz is maintained. That is, the resistor R1 is a resistor that attenuates vibration energy, whereas the negative resistance -RL of the
| R1 | <| -RL | (2)
しかしながら、上述した従来のCMOSインバータIVcを用いた水晶発振回路1は下記に示すような問題があった。まず、CMOSインバータIVcの反転電圧VTHが電源VDDに依存して変動してしまう、という問題があった。この反転電圧VTHについて求めて見る。一般的なMOSトランジスタのドレイン−ソース間に流れる電流Idsは下記の式(3)、(4)で表すことができる。
上記CMOSインバータIVcの出力が反転するときは、下記の式(5)に示すように、MOSトランジスタTp2、Tn2に流れる電流Idsp、Idsnが等しくなる。
Idsp=−Idsn …(5)
When the output of the CMOS inverter IVc is inverted, the currents Idsp and Idsn flowing in the MOS transistors Tp 2 and Tn 2 become equal as shown in the following equation (5).
Idsp = −Idsn (5)
このとき、CMOSインバータIVcの出力VoutはVin−Vthn≦Vout≦Vin−|Vthp|の範囲内となるため、反転時の電流Idsp、Idsnは、上記式(4)を用いて下記の式(6)、(7)で表すことができる。
上記式(6)、(7)を上記式(5)に代入したときの入力電圧Vinが反転電圧VTHとなる。よって、反転電圧VTHは下記の式(8)で表すことができる。
また、従来のCMOSインバータIVcを用いた水晶発振回路1では、負性抵抗−RLが電源VDDに依存して変動してしまう、という問題もあった。この負性抵抗−RLは、上記式(1)に示すようにgmに比例する。このgmについて求めて見る。gmはMOSトランジスタTp2の相互コンダクタンスgmp、MOSトランジスタTn2の相互コンダクタンスgmnを用いて下記の式(9)で表すことができる。
また、上記gmp、gmnは下記の式(10)、(11)で表すことができる。
さらに、水晶発振回路1の発振周波数f0も電源に依存して変動してしまう、という問題があった。発振周波数f0は下記の式(12)で表すことができる。
上記CMOSインバータIVcには、図示しないダイオードを用いたESD保護回路が設けられている。このため、図6に示すように、上記ESD保護回路で用いられるダイオードによって付く寄生ダイオードDG、DCが、キャパシタCG、CDに並列に発生してしまう。寄生ダイオードDG、DCは、無電位の場合は、その接合面において電位障害が発生し、逆方向の電圧が加えられると障害が増加する。この障害は外部からは容量として見え、この寄生ダイオードDG、DCの容量が等価回路の直列容量CLに追加される。そして、この寄生ダイオードDG、DCの容量は、反転電位VTH、即ち電源VDDに依存して変化してしまうため、発振周波数f0も変化してしまう。 The CMOS inverter IVc is provided with an ESD protection circuit using a diode (not shown). Therefore, as shown in FIG. 6, parasitic diodes D G and D C attached by the diode used in the ESD protection circuit are generated in parallel with the capacitors C G and C D. When the parasitic diodes D G and D C are non-potential, a potential failure occurs at the junction surface, and the failure increases when a reverse voltage is applied. This failure appears as a capacitance to the outside, and the capacitances of the parasitic diodes D G and D C are added to the series capacitance CL of the equivalent circuit. Since the capacitances of the parasitic diodes D G and D C change depending on the inversion potential VTH, that is, the power supply VDD, the oscillation frequency f0 also changes.
上記問題を解決するために、例えば、定電圧回路を追加して電源VDDに変動がないようにしていた。しかしながら、定電圧回路を追加する必要があるため、大型化及びコストアップを招く、という問題があった。 In order to solve the above problem, for example, a constant voltage circuit is added so that the power supply VDD does not fluctuate. However, since it is necessary to add a constant voltage circuit, there has been a problem of increasing the size and cost.
また、上記CMOSインバータIVcは、少なくともMOSトランジスタが2段必要であった。上記定電圧回路にMOSトランジスタと用いると3つのMOSトランジスタを直列に接続する必要があり、高い動作電圧が必要になる、という問題があった。さらに、CMOSインバータIVcの出力電圧Voutが電源VDDと電源VSSとの間に大きくふれるため、水晶振動子QZに流れる電流が増大する、という問題もあった。 Further, the CMOS inverter IVc requires at least two MOS transistors. When the constant voltage circuit is used as a MOS transistor, there is a problem that three MOS transistors need to be connected in series, and a high operating voltage is required. Furthermore, since the output voltage Vout of the CMOS inverter IVc greatly varies between the power supply VDD and the power supply VSS, there is a problem that the current flowing through the crystal resonator QZ increases.
そこで、本発明は、反転電圧VTH、負性抵抗−RL、発振周波数f0が電源VDDの影響を受けることがなく、定電圧回路を追加する必要がなく、しかも、動作電圧も低くなり、水晶振動子に流れる電流も小さくすることができる発振回路を提供することを課題とする。 Therefore, in the present invention, the inversion voltage VTH, the negative resistance -RL, and the oscillation frequency f0 are not affected by the power supply VDD, and it is not necessary to add a constant voltage circuit. It is an object of the present invention to provide an oscillation circuit capable of reducing the current flowing through a child.
上述した課題を解決するためになされた請求項1記載の発明は、インバータと、前記インバータに並列接続された帰還抵抗と、前記インバータに並列に接続された水晶振動子と、前記インバータの入力と電源との間に接続された第1キャパシタと、前記インバータの出力と電源との間に接続された第2キャパシタと、を有する水晶発振回路において、前記インバータが、電源の+側に接続された定電流回路と、前記定電流回路と電源の−側との間に接続されたn型のMOSトランジスタと、から構成されていることを特徴とする水晶発振回路に存する。
The invention according to
請求項2記載の発明は、インバータと、前記インバータに並列接続された帰還抵抗と、前記インバータに並列に接続された水晶振動子と、前記インバータの入力と電源との間に接続された第1キャパシタと、前記インバータの出力と電源との間に接続された第2キャパシタと、を有する水晶発振回路において、前記インバータが、電源の−側に接続された定電流回路と、前記定電流回路と電源の+側との間に接続されたp型のMOSトランジスタと、から構成されていることを特徴とする水晶発振回路に存する。 According to a second aspect of the present invention, there is provided an inverter, a feedback resistor connected in parallel to the inverter, a crystal resonator connected in parallel to the inverter, and a first connected between an input of the inverter and a power source. A crystal oscillation circuit having a capacitor and a second capacitor connected between the output of the inverter and a power supply, wherein the inverter is connected to a negative side of the power supply, and the constant current circuit; The crystal oscillation circuit is characterized by comprising a p-type MOS transistor connected between the positive side of the power supply.
請求項3記載の発明は、前記MOSトランジスタのゲート長を0.8μm以下とすることを特徴とする請求項1又は2に記載の水晶発振回路に存する。 A third aspect of the present invention resides in the crystal oscillation circuit according to the first or second aspect, wherein the gate length of the MOS transistor is 0.8 μm or less.
請求項4記載の発明は、前記MOSトランジスタのゲート長を0.5μ以下とすることを特徴とする請求項1又は2に記載の水晶発振回路に存する。 According to a fourth aspect of the present invention, there is provided the crystal oscillation circuit according to the first or second aspect, wherein the gate length of the MOS transistor is 0.5 μm or less.
請求項5記載の発明は、前記第1キャパシタを電源の+側及び−側のうち一方に接続し、前記第2キャパシタを電源の+側及び−側のうち他方に接続したことを特徴とする請求項1〜4何れか1項に記載の水晶発振回路に存する。
The invention according to
以上説明したように請求項1記載の発明によれば、インバータを定電流回路とn型のMOSトランジスタとで構成することにより、反転電圧VTH、負性抵抗−RLが電源VDDの変動の影響を受けることがない。また、定電流回路とn型のMOSトランジスタとを直列接続して構成したインバータは、その反転電圧VTHが定電流値とn型のMOSトランジスタとで決定されるため、寄生ダイオードの値が変動しにくくなりその結果、発振周波数f0が電源VDDの影響を受けることがないので、従来のように定電圧回路を設ける必要がない。しかも、インバータを構成するMOSトランジスタが1つでよい。定電流回路にMOSトランジスタを用いたとしても2つのMOSトランジスタを電源間に直列接続すればよく、電源間に直列接続するMOSトランジスタの数を減らしてMOSトランジスタの動作電圧も低くすることができる。また、水晶振動子には定電流回路からの定電流が流れるため、この定電流の設定によって低水晶電流化と水晶発振から出る電磁波の低減も図ることができる。 As described above, according to the first aspect of the present invention, the inverter is composed of the constant current circuit and the n-type MOS transistor, so that the inversion voltage VTH and the negative resistance -RL are affected by the fluctuation of the power supply VDD. I do not receive it. In addition, in an inverter configured by connecting a constant current circuit and an n-type MOS transistor in series, the inverted voltage VTH is determined by the constant current value and the n-type MOS transistor, so that the value of the parasitic diode varies. As a result, since the oscillation frequency f0 is not affected by the power supply VDD, it is not necessary to provide a constant voltage circuit as in the prior art. In addition, only one MOS transistor may be included in the inverter. Even if a MOS transistor is used in the constant current circuit, two MOS transistors may be connected in series between the power supplies, and the number of MOS transistors connected in series between the power supplies can be reduced to reduce the operating voltage of the MOS transistors. In addition, since a constant current from the constant current circuit flows through the crystal resonator, the crystal current can be reduced and the electromagnetic wave emitted from the crystal oscillation can be reduced by setting the constant current.
請求項2記載の発明によれば、インバータを定電流回路とp型のMOSトランジスタとで構成することにより、反転電圧VTH、負性抵抗−RLが電源VDD基準で決定される為、電源VDDの変動の影響を受けることがない。また、p型のMOSトランジスタと定電流回路とを直列接続して構成したインバータは、その反転電圧VTHが定電流値とp型のMOSトランジスタとで決定されるため、寄生ダイオードの値が変動しにくくなりその結果、発振周波数f0が電源VDDの影響を受けることがないので、定電圧回路を設ける必要がない。しかも、少なくとも1つのMOSトランジスタにより構成されているため、MOSトランジスタの動作電圧も低くすることができる。また、水晶振動子には定電流回路からの定電流が流れるため、この定電流の設定によって低水晶電流化と水晶発振から出る電磁波の低減も図ることができる。 According to the second aspect of the present invention, since the inverter is composed of a constant current circuit and a p-type MOS transistor, the inversion voltage VTH and the negative resistance -RL are determined based on the power supply VDD. Unaffected by fluctuations. In addition, in an inverter configured by connecting a p-type MOS transistor and a constant current circuit in series, the inverted voltage VTH is determined by the constant current value and the p-type MOS transistor, so that the value of the parasitic diode varies. As a result, the oscillation frequency f0 is not affected by the power supply VDD, and there is no need to provide a constant voltage circuit. In addition, since it is composed of at least one MOS transistor, the operating voltage of the MOS transistor can be lowered. In addition, since a constant current from the constant current circuit flows through the crystal resonator, the crystal current can be reduced and the electromagnetic wave emitted from the crystal oscillation can be reduced by setting the constant current.
請求項3記載の発明によれば、CMOSインバータ、帰還抵抗、第1キャパシタ及び第2キャパシタを内蔵した1つのICチップの大きさを0.8mm×0.8mm、CMOSインバータのゲート長を1μm以下とした従来品と同等の大きさ(=0.8mm×0.8mm)で同等の特性(即ち同等のドレイン−ソース電流、gm)にすることができる。
According to the invention described in
請求項4記載の発明によれば、CMOSインバータ、帰還抵抗、第1キャパシタ及び第2キャパシタを内蔵した1つのICチップの大きさを0.8mm×0.8mm、CMOSインバータのゲート長を1μm以下とした従来品と同等の特性(即ち同等のドレイン−ソース電流、負性抵抗−RL)で、ICチップの大きさを0.72mm×0.72mm以内に抑えることができる。 According to the fourth aspect of the present invention, the size of one IC chip incorporating a CMOS inverter, feedback resistor, first capacitor and second capacitor is 0.8 mm × 0.8 mm, and the gate length of the CMOS inverter is 1 μm or less. The size of the IC chip can be suppressed to 0.72 mm × 0.72 mm with the same characteristics as the conventional product (that is, equivalent drain-source current, negative resistance-RL).
請求項5記載の発明によれば、電源オン直後に定電流回路の動作が遅れてもインバータの入力と出力とを反転させることができ、電源オン直後の発振を安定させることができる。 According to the fifth aspect of the present invention, even if the operation of the constant current circuit is delayed immediately after the power is turned on, the input and output of the inverter can be inverted, and the oscillation immediately after the power is turned on can be stabilized.
第1実施形態
次に、第1実施形態における本発明の水晶発振回路について図1及び図2を参照して以下説明する。図1に示すように、水晶発振回路1は、水晶振動子Qzと、発振回路2と、増幅回路3と、から構成されている。上記発振回路2は、インバータとしてのNMOSインバータIVnと、帰還抵抗Rfと、第1キャパシタ及び第2キャパシタとしてのキャパシタCG及びCDと、から構成されている。上記水晶振動子Qz、NMOSインバータIVn及び帰還抵抗Rfは、互いに並列接続されている。そして、キャパシタCGは、NMOSインバータIVnの入力と電源Vの−側である電源VSSとの間に設けられている。キャパシタCDは、NMOSインバータIVnの出力と電源VSSとの間に設けられている。
First Embodiment Next, a crystal oscillation circuit according to a first embodiment of the present invention will be described below with reference to FIGS. As shown in FIG. 1, the
上記NMOSインバータIVnは、電源Vの+側である電源VDDに接続された定電流回路Inと、定電流回路Inと電源Vの−側である電源VSSとの間に接続されたn型のMOSトランジスタTnと、から構成されている。MOSトランジスタTnは、ドレインが電源VDD側に接続され、ソースが電源VSS側に接続されている。これら定電流回路In及びMOSトランジスタTnは互いに直列接続され、MOSトランジスタTnのゲートがNMOSインバータIVnの入力となり、定電流回路InとMOSトランジスタTnのドレインとの接続点がNMOSインバータIVnの出力となる。 The NMOS inverter IVn includes an n-type MOS connected between the constant current circuit In connected to the power supply VDD on the positive side of the power supply V and the power supply VSS on the negative side of the power supply V with the constant current circuit In. Transistor Tn. The MOS transistor Tn has a drain connected to the power supply VDD side and a source connected to the power supply VSS side. The constant current circuit In and the MOS transistor Tn are connected in series, the gate of the MOS transistor Tn serves as the input of the NMOS inverter IVn, and the connection point between the constant current circuit In and the drain of the MOS transistor Tn serves as the output of the NMOS inverter IVn. .
上記定電流回路Inとしては、例えば図2(A)に示すようにカレントミラー回路21から構成されたものや、図2(B)に示すように抵抗R2から構成されたものや、図2(C)に示すように、トランジスタTから構成されたものなど公知のものが用いられる。
As the constant current circuit In, for example, a
上記NMOSインバータIVnは、入力電圧VinがMOSトランジスタTnのしきい値電圧Vthnを超えると、MOSトランジスタTnがオンして出力電圧Voutが電源VSSと等しくなる(Loレベル)。これに対して、入力電圧Vinがしきい値電圧Vthnを下回ると、MOSトランジスタTnがオフして、出力電圧Voutが電源VDDと等しくなる(Hiレベル)。 In the NMOS inverter IVn, when the input voltage Vin exceeds the threshold voltage Vthn of the MOS transistor Tn, the MOS transistor Tn is turned on and the output voltage Vout becomes equal to the power supply VSS (Lo level). On the other hand, when the input voltage Vin falls below the threshold voltage Vthn, the MOS transistor Tn is turned off and the output voltage Vout becomes equal to the power supply VDD (Hi level).
増幅回路3は、NMOSインバータIVnの出力と、基準電圧Vrefと、が供給されたオペアンプ31から構成されている。上記基準電圧Vrefは、電源V間に互いに直列接続された定電流回路I1とn型のMOSトランジスタTn1との接続点の電圧である。定電流回路I1は、上記定電流回路Inと同じ構成で設けられている。MOSトランジスタTn1は、上記MOSトランジスタTnと同じ構成で設けられ、ゲートが電源VDDに接続されている。よって、基準電圧Vrefは、NMOSインバータIVnの反転電位VTHの出力と等しくなる。オペアンプ31は、NMOSインバータIVnの出力と基準電圧Vrefとの差分を増幅して出力することによりNMOSインバータIVnの出力を増幅する。
The
次に、上述した構成の水晶発振回路1の反転電圧VTHについて求めて見る。上記定電流回路Inからの定電流をIcとする。背景技術でも示したように、NMOSインバータIVnの出力が反転するときは、MOSトランジスタTnのドレイン−ソース間に流れる電流Idsnは下記の式(13)で表すことができる。
また、NMOSインバータIVnが反転するときは、下記の式(14)に示すように、電流Idsnと定電流Icとが等しくなる。
Idsn=Ic …(14)
上記式(14)を上記式(13)に代入したときの入力電圧Vinが反転電圧VTHとなる。よって、反転電圧VTHは下記の式(15)で表すことができる。
Idsn = Ic (14)
The input voltage Vin when the above equation (14) is substituted into the above equation (13) becomes the inverted voltage VTH. Therefore, the inversion voltage VTH can be expressed by the following equation (15).
次に、上記水晶発振回路1の負性抵抗−RLについて求めて見る。負性抵抗−RLは背景技術でも説明したようにgmに比例する。第1実施形態の水晶発振回路1においては、gmはMOSトランジスタTnの相互コンダクタンスgmnと等しくなり、下記の式(16)に示すように電流Idsnに依存する値である。
よって、上記水晶発振回路1によれば、NMOSインバータIVnを定電流回路Inとn型のMOSトランジスタTnとで構成することにより、反転電圧VTH、負性抵抗−RLが電源VDDの変動の影響を受けることがない。また、寄生ダイオードDG、DD(図6参照)(VSS側)にかかる電圧が変動しないため、その容量が変動せずその結果、発振周波数f0が電源VDDの影響を受けることないので、従来のように定電圧回路を設ける必要がない。
Therefore, according to the
しかも、上記NMOSインバータIVnは、MOSトランジスタTnが1つでよい。上記定電流回路InにMOSトランジスタと用いたとしても2つのMOSトランジスタを電源V間に直列接続すればよく、電源間に直列接続するMOSトランジスタの数を減らしてMOSトランジスタの動作電圧も低くすることができる。また、水晶振動子Qzには定電流回路Inからの定電流Icが流れるため、この定電流Icの設定によって低水晶電力化と水晶発振からでる電磁波の低減も図ることができる。 In addition, the NMOS inverter IVn needs only one MOS transistor Tn. Even if the constant current circuit In is used as a MOS transistor, two MOS transistors may be connected in series between the power supplies V, and the number of MOS transistors connected in series between the power supplies is reduced to reduce the operating voltage of the MOS transistors. Can do. In addition, since the constant current Ic from the constant current circuit In flows through the crystal resonator Qz, the setting of the constant current Ic can reduce the power consumption of the crystal and reduce the electromagnetic wave generated from the crystal oscillation.
第2実施形態
次に、第2実施形態について図3を参照して説明する。なお、同図において、上述した図1について第1実施形態で既に説明した部分と同等の部分には同一符号を付してその詳細な説明を省略する。第1実施形態と第2実施形態とで大きく異なる点は、インバータの構成である。第2実施形態では、NMOSインバータIVnに変わってPMOSインバータIVpを用いている。
Second Embodiment Next, a second embodiment will be described with reference to FIG. In the figure, the same parts as those already described in the first embodiment with respect to FIG. 1 described above are denoted by the same reference numerals, and detailed description thereof is omitted. A significant difference between the first embodiment and the second embodiment is the configuration of the inverter. In the second embodiment, a PMOS inverter IVp is used instead of the NMOS inverter IVn.
上記PMOSインバータIVpは、電源Vの+側である電源VDDに接続されたp型のMOSトランジスタTpと、MOSトランジスタTpと電源Vの−側である電源VSSとの間に接続された定電流回路Ipと、から構成されている。MOSトランジスタTpは、ドレインが電源VDD側に接続され、ソースが電源VSS側に接続されている。これら定電流回路Ip及びMOSトランジスタTpは互いに直列接続され、MOSトランジスタTpのゲートがPMOSインバータIVpの入力となり、定電流回路IpとMOSトランジスタTpのドレインとの接続点がPMOSインバータIVpの出力となる。 The PMOS inverter IVp is a constant current circuit connected between a p-type MOS transistor Tp connected to the power supply VDD which is the positive side of the power supply V and a power supply VSS which is the negative side of the MOS transistor Tp and the power supply V. Ip. The MOS transistor Tp has a drain connected to the power supply VDD side and a source connected to the power supply VSS side. The constant current circuit Ip and the MOS transistor Tp are connected in series, the gate of the MOS transistor Tp serves as the input of the PMOS inverter IVp, and the connection point between the constant current circuit Ip and the drain of the MOS transistor Tp serves as the output of the PMOS inverter IVp. .
上記PMOSインバータIVpは、入力電圧VinがMOSトランジスタTpのしきい値電圧Vthpを下回ると、MOSトランジスタTpがオンして出力電圧Voutが電源VDDと等しくなる(Hiレベル)。これに対して、入力電圧Vinがしきい値電圧Vthpを超えると、MOSトランジスタTpがオフして出力電圧Voutが電源VSSと等しくなる(Loレベル)。 In the PMOS inverter IVp, when the input voltage Vin falls below the threshold voltage Vthp of the MOS transistor Tp, the MOS transistor Tp is turned on and the output voltage Vout becomes equal to the power supply VDD (Hi level). On the other hand, when the input voltage Vin exceeds the threshold voltage Vthp, the MOS transistor Tp is turned off and the output voltage Vout becomes equal to the power supply VSS (Lo level).
また、オペアンプ31には、電源V間に互いに直列接続されたp型のMOSトランジスタTp1と定電流回路I2との接続点の電圧である基準電圧refが供給されている。MOSトランジスタTp1は、上記MOSトランジスタTpと同じ構成で設けられ、ゲートが電源VSSに接続されている。定電流回路I2は、上記定電流回路Ipと同じ構成で設けられている。よって、基準電圧Vrefは、PMOSインバータIVpの反転電位VTHの出力と等しくなる。オペアンプ31は、PMOSインバータIVpの出力と基準電圧Vrefとの差分を増幅して出力することによりPMOSインバータIVpの出力を増幅する。
The
次に、上述した構成の水晶発振回路1の反転電圧VTHについて求めて見る。上記定電流回路Ipからの定電流をIcとする。背景技術でも示したように、PMOSインバータIVpが反転するときは、MOSトランジスタTpのドレイン−ソース間に流れる電流Idnpは下記の式(17)で表すことができる。
また、PMOSインバータIVpが反転するときは、下記の式(18)に示すように、電流Idspと定電流Icとが等しくなる。
Idsp=Ic …(18)
上記式(18)を上記式(17)に代入したときの入力電圧Vinが反転電圧VTHとなる。よって、反転電圧VTHは下記の式(19)で表すことができる。
Idsp = Ic (18)
The input voltage Vin when the above equation (18) is substituted into the above equation (17) becomes the inverted voltage VTH. Therefore, the inversion voltage VTH can be expressed by the following equation (19).
次に、上記水晶発振回路1の負性抵抗−RLについて求めて見る。負性抵抗−RLは背景技術でも説明したようにgmに比例する。第2実施形態の水晶発振回路1においては、gmはMOSトランジスタTpの相互コンダクタンスgmpと等しくなり、下記の式(20)に示すように電流Idspに依存する値である。
よって、上記水晶発振回路1によれば、PMOSインバータIVpを定電流回路Ipとp型のMOSトランジスタTpとで構成することにより、反転電圧VTH、負性抵抗−RLが電源VDDを基準として決定される値となるため電源VDDの変動の影響を受けることがない。また、定電流回路Ipとp型のMOSトランジスタTpとを直列接続して構成したPMOSインバータIVpは、従来のCMOインバータIVcのようにp型半導体とn型半導体とが一つの基板上に共存していない。このため、寄生ダイオード(VDD側)にかかる電圧が変動しないため、容量が変動せずその結果、発振周波数f0が電源VDDの影響を受けることないので、従来のように定電圧回路を設ける必要がない。
Therefore, according to the
しかも、上記PMOSインバータIVpは、MOSトランジスタTpが1つでよい。上記定電流回路IpにMOSトランジスタと用いたとしても2つのMOSトランジスタを電源V間に直列接続すればよく、電源間に直列接続するMOSトランジスタの数を減らしてMOSトランジスタの動作電圧も低くすることができる。また、水晶振動子Qzには定電流回路Ipからの定電流Icが流れるため、この定電流Icの設定によって低水晶電流化と水晶発振から出る電磁波の低減も図ることができる。 In addition, the PMOS inverter IVp needs only one MOS transistor Tp. Even if a MOS transistor is used for the constant current circuit Ip, two MOS transistors may be connected in series between the power supplies V, and the number of MOS transistors connected in series between the power supplies is reduced to reduce the operating voltage of the MOS transistors. Can do. In addition, since the constant current Ic from the constant current circuit Ip flows through the crystal resonator Qz, the setting of the constant current Ic can reduce the crystal current and reduce the electromagnetic wave emitted from the crystal oscillation.
ところで、第1実施形態及び第2実施形態においては、図4に示すように、上述した発振回路2は1つのICチップ5内に樹脂封止され、このICチップ5は水晶振動子Qzと共にケース6内に収容された1つのパッケージ7になっている。このパッケージ7のサイズは、A×B=3.2mm×2.5mmより小さくなってくると水晶振動子Qzの小型化によって水晶振動子Qzで消費される電力が制限されると共に、搭載されるICチップ5の大きさも制限される。
By the way, in the first and second embodiments, as shown in FIG. 4, the above-described
パッケージ7のサイズがA×B=3.2mm×2.5mmの場合は、ICチップ5の大きさはC×D=0.8mm×0.8mm以下にする必要がある。図6に示す従来のCMOSインバータIVcを用いた従来品では、ICチップ5の大きさがC×D=0.8mm×0.8mmのときにMOSトランジスタTp2、Tn2のゲート長Ln、Lpを1μm以下とするような特性(Idsとgmの値)に設計されている。
When the size of the
CMOSインバータIVcを用いた従来品では、gmはp型のMOSトランジスタTp2のgmpとn型のMOSトランジスタTp2とのgmnとの合成とになる。第1実施形態で説明したNMOSインバータIVnのgmはn型のMOSトランジスタTnのgmnと等しくなる。また、第2実施形態で説明したNMOSインバータIVnのgmはp型のMOSトランジスタTpのgmpと等しくなる。従って、従来品のICチップ5と同じ大きさで同等の特性を第1実施形態及び第2実施形態で得るためには、ゲート長Ln、Lpを小さくする必要がある。また、このICチップ5内に定電流回路In、Ipで用いられるMOSトランジスタも含めることを考慮すると、ICチップ5の大きさを変えずにこれと同じ特性に設計するためには、第1実施形態及び第2実施形態では、MOSトランジスタTn、Tpのゲート長Ln、Lpを0.8μm以下となるようにしている。
In the conventional product using a CMOS inverter IVc, gm becomes a combination of the gmn of the MOS transistor Tp 2 of gmp and n-type p-type MOS transistor Tp 2. The gm of the NMOS inverter IVn described in the first embodiment is equal to the gmn of the n-type MOS transistor Tn. Further, the gm of the NMOS inverter IVn described in the second embodiment is equal to the gmp of the p-type MOS transistor Tp. Therefore, in order to obtain the same size and equivalent characteristics as the
よって、ゲート長Ln、Lpを0.8μm以下とすることにより、従来品と同等の大きさ(C×D=0.8mm×0.8mm以下)で同等の特性(即ち同等のIds、gm)にすることができる。 Therefore, by setting the gate lengths Ln and Lp to 0.8 μm or less, they have the same size (C × D = 0.8 mm × 0.8 mm or less) and the same characteristics (ie, equivalent Ids, gm). Can be.
また、第1実施形態及び第2実施形態においてMOSトランジスタTn、Tpのゲート長Ln、Lpを0.5μm以下とすれば、従来品と同等の特性でICチップ5の大きさをC×D=0.72mm×0.72mm以内にすることができる。このC×D=0.72mm×0.72mmのICチップ5は、A×B=2.5mm×2.0mmのパッケー7に内蔵することができる。
In addition, if the gate lengths Ln and Lp of the MOS transistors Tn and Tp are 0.5 μm or less in the first and second embodiments, the size of the
第3実施形態
次に、第3実施形態について説明する。なお、同図において、上述した図1について第1実施形態で既に説明した部分と同等の部分には同一符号を付してその詳細な説明を省略する。第1実施形態と第3実施形態とで大きく異なる点は、キャパシタCD、CGの接続である。第1実施形態では、キャパシタCD、CGは両方とも電源VSSに接続されていた。これに対して、第3実施形態では、キャパシタCDは電源VSSに接続され、キャパシタCGは電源VDDに接続されている。
Third Embodiment Next, a third embodiment will be described. In the figure, the same parts as those already described in the first embodiment with respect to FIG. 1 described above are denoted by the same reference numerals, and detailed description thereof is omitted. The first embodiment greatly different in the third embodiment, a connection of the capacitors C D, C G. In the first embodiment, the capacitors C D and CG are both connected to the power source VSS. In contrast, in the third embodiment, the capacitor C D is connected to the power supply VSS, the capacitor C G is connected to the power supply VDD.
電源Vオン直後は定電流回路Inが動作を開始しないため、第1実施形態では、NMOSインバータIVnの入力及び出力とも電源VSSとなり、発振が安定していなかった。これに対して、第3実施形態では、電源Vオン直後に定電流回路Inの動作が遅れてもNインバータIVnの入力を電源VSS、出力を電源VDDにして入力と出力とを反転させることができ、電源Vオン直後の発振を安定させることができる。 Since the constant current circuit In does not start operation immediately after the power supply V is turned on, in the first embodiment, the input and output of the NMOS inverter IVn are both the power supply VSS, and the oscillation is not stable. On the other hand, in the third embodiment, even if the operation of the constant current circuit In is delayed immediately after the power supply V is turned on, the input of the N inverter IVn is set to the power supply VSS and the output is set to the power supply VDD to invert the input and the output. The oscillation immediately after the power supply V is turned on can be stabilized.
なお、第3実施形態では、キャパシタCDを電源VSSに接続し、キャパシタCGを電源VDDに接続していたが、本発明はこれに限ったものではない。逆に、キャパシタCDを電源VDDに接続し、キャパシタCGを電源VDDに接続してもよい。 In the third embodiment, the capacitor and C D is connected to the power supply VSS, and had connected a capacitor C G to power source VDD, and the present invention is not limited thereto. Conversely, to connect the capacitor C D to the power supply VDD, and may be connected to the capacitor C G to the power supply VDD.
また、上述した図3に示す第2実施形態のキャパシタCDを電源VSS、電源VDDの一方に接続し、キャパシタCGを電源VSS、電源VDDの他方に接続してもよい。 Also, connect the capacitor C D of the second embodiment shown in FIG. 3 described above supply VSS, one of the power supply VDD, and may be connected to the capacitor C G power VSS, the other power supply VDD.
また、前述した実施形態は本発明の代表的な形態を示したに過ぎず、本発明は、実施形態に限定されるものではない。即ち、本発明の骨子を逸脱しない範囲で種々変形して実施することができる。 Further, the above-described embodiments are merely representative forms of the present invention, and the present invention is not limited to the embodiments. That is, various modifications can be made without departing from the scope of the present invention.
1 水晶発振回路
CG キャパシタ(第1キャパシタ)
CD キャパシタ(第2キャパシタ)
In 定電流回路
Ip 定電流回路
Tn MOSトランジスタ
Tp MOSトランジスタ
IVn NMOSインバータ(インバータ)
IVp PMOSインバータ(インバータ)
Qz 水晶振動子
Rf 帰還抵抗
V 電源
1 Crystal oscillator circuit CG capacitor (first capacitor)
CD capacitor (second capacitor)
In constant current circuit Ip constant current circuit Tn MOS transistor Tp MOS transistor IVn NMOS inverter (inverter)
IVp PMOS inverter (inverter)
Qz Crystal resonator Rf Feedback resistance V Power supply
Claims (5)
前記インバータが、電源の+側に接続された定電流回路と、前記定電流回路と電源の−側との間に接続されたn型のMOSトランジスタと、から構成されている
ことを特徴とする水晶発振回路。 An inverter, a feedback resistor connected in parallel to the inverter, a crystal resonator connected in parallel to the inverter, a first capacitor connected between an input of the inverter and a power source, and an output of the inverter A crystal oscillation circuit having a second capacitor connected to a power source;
The inverter includes a constant current circuit connected to the + side of a power supply, and an n-type MOS transistor connected between the constant current circuit and the − side of the power supply. Crystal oscillator circuit.
前記インバータが、電源の−側に接続された定電流回路と、前記定電流回路と電源の+側との間に接続されたp型のMOSトランジスタと、から構成されている
ことを特徴とする水晶発振回路。 An inverter, a feedback resistor connected in parallel to the inverter, a crystal resonator connected in parallel to the inverter, a first capacitor connected between an input of the inverter and a power source, and an output of the inverter A crystal oscillation circuit having a second capacitor connected to a power source;
The inverter includes a constant current circuit connected to a negative side of a power supply, and a p-type MOS transistor connected between the constant current circuit and the positive side of the power supply. Crystal oscillator circuit.
ことを特徴とする請求項1又は2に記載の水晶発振回路。 The crystal oscillation circuit according to claim 1, wherein a gate length of the MOS transistor is 0.8 μm or less.
ことを特徴とする請求項1又は2に記載の水晶発振回路。 The crystal oscillation circuit according to claim 1, wherein a gate length of the MOS transistor is 0.5 μm or less.
前記第2キャパシタを電源の+側及び−側のうち他方に接続した
ことを特徴とする請求項1〜4何れか1項に記載の水晶発振回路。 Connecting the first capacitor to one of a + side and a-side of a power source;
The crystal oscillation circuit according to any one of claims 1 to 4, wherein the second capacitor is connected to the other of the + side and the-side of the power source.
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