JP2013090188A - Crystal oscillator circuit - Google Patents

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益央 奥田
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a crystal oscillator circuit which eliminates the effects of harmonic noise caused by a through current by using a differential circuit, and because the harmonic noise caused by operative other circuits may affect the oscillation output of the crystal oscillator circuit, which also reduces influences attributable to fluctuations in the power supply voltage and thereby restrains a jitter in the oscillation output.SOLUTION: The crystal oscillator circuit comprises: a resonance circuit which includes a crystal resonator; a signal inversion circuit, connected to the resonance circuit, which includes a differential pair; a current source circuit which supplies a bias current to the differential pair; and a low-pass filter circuit, connected between a voltage line supplying power to the signal inversion and the current source circuits and the signal inversion circuit, whose cutoff frequency is lower than the oscillation frequency of the crystal resonator.

Description

本発明は、水晶発振回路に関する。   The present invention relates to a crystal oscillation circuit.

ラジオ受信機等を初めとした電子機器や、信号の測定器などに水晶発振回路が用いられる場合が多い。水晶発振回路は周波数安定度が高いためである。構成の容易さ、周波数特性などが考慮され、水晶発振回路はCMOS(Complementary Metal Oxide Semiconductor)インバータを使用して構成されることが多い。   Quartz oscillation circuits are often used in electronic devices such as radio receivers and signal measuring instruments. This is because the crystal oscillation circuit has high frequency stability. Considering the ease of configuration, frequency characteristics, and the like, the crystal oscillation circuit is often configured using a CMOS (Complementary Metal Oxide Semiconductor) inverter.

水晶発振回路を、CMOSインバータを用いて構成すると、CMOSインバータへの入力信号が反転する際に、CMOSインバータを構成するPチャンネル型MOSトランジスタ及びNチャンネル型MOSトランジスタが、同時にON状態となる瞬間がある。すると、電源電圧から接地電圧間へ流れる貫通電流が生じる。貫通電流が発生することにより、電源電圧が変動し、高調波ノイズが電源電圧線及び接地電圧線に重畳する。この高調波ノイズが、水晶発振回路の出力だけではなく、水晶発振回路以外の回路に対しても影響を与える。   When the crystal oscillation circuit is configured using a CMOS inverter, when the input signal to the CMOS inverter is inverted, there is a moment when the P channel type MOS transistor and the N channel type MOS transistor constituting the CMOS inverter are simultaneously turned on. is there. Then, a through current flowing from the power supply voltage to the ground voltage is generated. When the through current is generated, the power supply voltage fluctuates, and harmonic noise is superimposed on the power supply voltage line and the ground voltage line. This harmonic noise affects not only the output of the crystal oscillation circuit but also circuits other than the crystal oscillation circuit.

ここで、特許文献1において、信号反転回路に差動回路を使用した水晶発振回路が開示されている。特許文献1が開示する水晶発振回路は、差動回路に接続された複数のスイッチを備えており、これらのスイッチを適宜切り替えることで、出力振幅と消費電力を抑制し、高調波ノイズを低減している。   Here, Patent Document 1 discloses a crystal oscillation circuit using a differential circuit as a signal inversion circuit. The crystal oscillation circuit disclosed in Patent Document 1 includes a plurality of switches connected to a differential circuit, and by appropriately switching these switches, output amplitude and power consumption are suppressed, and harmonic noise is reduced. ing.

また、特許文献2において、感温センサを応用した制御回路等の温度特性を線形又は任意の傾斜に補正し、正確かつ安定した動作の保証できる温度特性補償装置が開示されている。   Further, Patent Document 2 discloses a temperature characteristic compensator that corrects the temperature characteristic of a control circuit or the like to which a temperature sensor is applied to a linear or arbitrary slope and can guarantee an accurate and stable operation.

さらに、特許文献3において、低電源電圧で動作し、消費電力が低く、増幅度が大きい差動増幅器を実現する技術が開示されている。   Further, Patent Document 3 discloses a technique for realizing a differential amplifier that operates with a low power supply voltage, consumes low power, and has a large amplification degree.

特開2008−263312号公報JP 2008-26312 A 特開2003−273654号公報JP 2003-273654 A 特開平10−303658号公報JP-A-10-303658

なお、上記先行技術文献の各開示を、本書に引用をもって繰り込むものとする。以下の分析は、本発明の観点からなされたものである。   Each disclosure of the above prior art document is incorporated herein by reference. The following analysis has been made from the viewpoint of the present invention.

特許文献1で開示された水晶発振回路に含まれる信号反転回路は、差動回路によって構成されている。特許文献1で開示された水晶発振回路は差動回路を使用し、CMOSインバータを使用していない。CMOSインバータを使用していないため、上述の貫通電流による電源電圧(又は、接地電圧)の変動は発生せず、高調波ノイズは抑制される。   The signal inversion circuit included in the crystal oscillation circuit disclosed in Patent Document 1 is configured by a differential circuit. The crystal oscillation circuit disclosed in Patent Document 1 uses a differential circuit and does not use a CMOS inverter. Since a CMOS inverter is not used, fluctuations in the power supply voltage (or ground voltage) due to the above-described through current do not occur, and harmonic noise is suppressed.

しかし、水晶発振回路にも電源供給が必要であり、他の回路に供給する電源電圧と共通して供給されることも多い。この電源電圧が、他の回路が動作することにより変動する場合がある。他の回路でCMOSインバータが使用されていれば、貫通電流が発生するためである。この電源電圧の変動は、水晶発振回路に影響する。具体的には、電源電圧の変動は、差動回路の反転信号出力に伝播し、差動回路の発振出力にジッタが生じてしまうという問題が発生する。そのため、電源電圧が変動したことによる影響を軽減し、発振出力のジッタを抑制した水晶発振回路が、望まれる。   However, the crystal oscillation circuit also requires power supply, and is often supplied in common with the power supply voltage supplied to other circuits. This power supply voltage may fluctuate due to the operation of other circuits. This is because if a CMOS inverter is used in another circuit, a through current is generated. This fluctuation in the power supply voltage affects the crystal oscillation circuit. Specifically, the fluctuation of the power supply voltage propagates to the inverted signal output of the differential circuit, causing a problem that jitter occurs in the oscillation output of the differential circuit. Therefore, a crystal oscillation circuit that reduces the influence of fluctuations in the power supply voltage and suppresses oscillation output jitter is desired.

本発明の第1の視点によれば、水晶振動子を含む共振回路と、前記共振回路と接続され、差動対を含む信号反転回路と、前記差動対にバイアス電流を供給する電流源回路と、前記信号反転回路及び前記電流源回路に電源を供給する電圧線と前記信号反転回路の間に接続され、前記水晶振動子の固有の発振周波数より低い遮断周波数を持つローパスフィルタ回路と、を備える水晶発振回路が提供される。   According to a first aspect of the present invention, a resonance circuit including a crystal resonator, a signal inversion circuit including a differential pair connected to the resonance circuit, and a current source circuit for supplying a bias current to the differential pair A low-pass filter circuit connected between a voltage line for supplying power to the signal inverting circuit and the current source circuit and the signal inverting circuit, and having a cutoff frequency lower than a specific oscillation frequency of the crystal resonator, A crystal oscillation circuit is provided.

本発明の第1の視点によれば、電源電圧が変動したことによる影響を軽減し、発振出力のジッタを抑制した水晶発振回路が、提供される。   According to the first aspect of the present invention, there is provided a crystal oscillation circuit that reduces the influence of fluctuations in the power supply voltage and suppresses the jitter of the oscillation output.

本発明の一実施形態の概要を説明するための図である。It is a figure for demonstrating the outline | summary of one Embodiment of this invention. 本発明の第1の実施形態に係る水晶発振回路1の内部構成の一例を示す図である。It is a figure which shows an example of the internal structure of the crystal oscillation circuit 1 which concerns on the 1st Embodiment of this invention. 水晶発振回路に電源ノイズを印加した場合の出力周波数解析波形の一例を示す図である。It is a figure which shows an example of the output frequency analysis waveform at the time of applying power supply noise to a crystal oscillation circuit. 図2に示す水晶発振回路1に図3と同様の電源ノイズを印加した場合の出力周波数解析波形の一例を示す図である。FIG. 4 is a diagram showing an example of an output frequency analysis waveform when power supply noise similar to that in FIG. 3 is applied to the crystal oscillation circuit 1 shown in FIG. 2. 本発明の第2の実施形態に係る水晶発振回路2の内部構成の一例を示す図である。It is a figure which shows an example of the internal structure of the crystal oscillation circuit 2 which concerns on the 2nd Embodiment of this invention. 図5に示す水晶発振回路2に図3と同様の電源ノイズを印加した場合の出力周波数解析波形の一例を示す図である。FIG. 6 is a diagram showing an example of an output frequency analysis waveform when power supply noise similar to that in FIG. 3 is applied to the crystal oscillation circuit 2 shown in FIG. 5. 本発明の第3の実施形態に係る水晶発振回路3の内部構成の一例を示す図である。It is a figure which shows an example of the internal structure of the crystal oscillation circuit 3 which concerns on the 3rd Embodiment of this invention.

初めに、図1を用いて一実施形態の概要について説明する。なお、この概要に付記した図面参照符号は、理解を助けるための一例として各要素に便宜上付記したものであり、本発明を図示の態様に限定することを意図するものではない。   First, an outline of an embodiment will be described with reference to FIG. Note that the reference numerals of the drawings attached to this summary are attached to the respective elements for convenience as an example for facilitating understanding, and are not intended to limit the present invention to the illustrated embodiment.

上述のように、差動回路を使用することで、貫通電流に起因した高調波ノイズの影響を排除した水晶発振回路を構成することができる。しかし、他の回路が動作することによって生じた高調波ノイズが、水晶発振回路の発振出力に影響を与える場合がある。そのため、電源電圧が変動したことによる影響を軽減し、発振出力のジッタを抑制した水晶発振回路が、望まれる。   As described above, by using the differential circuit, it is possible to configure a crystal oscillation circuit that eliminates the influence of harmonic noise caused by the through current. However, harmonic noise generated by the operation of other circuits may affect the oscillation output of the crystal oscillation circuit. Therefore, a crystal oscillation circuit that reduces the influence of fluctuations in the power supply voltage and suppresses oscillation output jitter is desired.

そこで、一例として図1に示す水晶発振回路を提供する。図1に示す水晶発振回路は、水晶振動子を含む共振回路100と、共振回路100と接続され、差動対を含む信号反転回路200と、差動対にバイアス電流を供給する電流源回路300と、信号反転回路200及び電流源回路300に電源を供給する電圧線と信号反転回路200の間に接続され、水晶振動子の固有の発振周波数より低い遮断周波数を持つローパスフィルタ回路400と、を備えている。   Therefore, as an example, the crystal oscillation circuit shown in FIG. 1 is provided. The crystal oscillation circuit shown in FIG. 1 includes a resonance circuit 100 including a crystal resonator, a signal inverting circuit 200 connected to the resonance circuit 100 and including a differential pair, and a current source circuit 300 that supplies a bias current to the differential pair. A low-pass filter circuit 400 connected between the voltage line for supplying power to the signal inverting circuit 200 and the current source circuit 300 and the signal inverting circuit 200 and having a cutoff frequency lower than the inherent oscillation frequency of the crystal resonator. I have.

即ち、信号反転回路200に差動対を用いることで、信号反転回路200自身がノイズ発生源となることを防止する。さらに、信号反転回路200に供給する電源電圧をフィルタリングするローパスフィルタ回路400を備えることで、電源電圧の変動による影響を除去する。ここで、ローパスフィルタ回路400の遮断周波数を水晶振動子の固有の発振周波数よりも低い周波数に設定する。その結果、水晶振動子の発振周波数よりも高い周波数を持つ高周波ノイズの除去が可能になる。さらに、ローパスフィルタ回路400の遮断周波数は、水晶振動子の発振周波数よりも低い周波数であれば十分であり、ローパスフィルタ回路400の遮断周波数を過剰に低くする必要はない。そのため、ローパスフィルタ回路400を構成する素子が占有する面積が過剰となることもない。以上のような構成により、水晶発振回路の発振出力のジッタを抑制することができる。   That is, by using a differential pair for the signal inverting circuit 200, the signal inverting circuit 200 itself is prevented from becoming a noise generation source. Furthermore, the low-pass filter circuit 400 that filters the power supply voltage supplied to the signal inverting circuit 200 is provided, thereby removing the influence of fluctuations in the power supply voltage. Here, the cutoff frequency of the low-pass filter circuit 400 is set to a frequency lower than the inherent oscillation frequency of the crystal resonator. As a result, it is possible to remove high frequency noise having a frequency higher than the oscillation frequency of the crystal resonator. Furthermore, it is sufficient that the cutoff frequency of the low-pass filter circuit 400 is lower than the oscillation frequency of the crystal resonator, and the cutoff frequency of the low-pass filter circuit 400 does not need to be excessively lowered. Therefore, the area occupied by the elements constituting the low-pass filter circuit 400 does not become excessive. With the configuration as described above, the jitter of the oscillation output of the crystal oscillation circuit can be suppressed.

本発明において下記の形態が可能である。   In the present invention, the following modes are possible.

[形態1]上記第1の視点に係る水晶発振回路のとおりである。   [Mode 1] The crystal oscillation circuit according to the first aspect.

[形態2]前記共振回路は、前記水晶振動子と直列に接続された第1の容量と、前記水晶振動子と並列に接続された帰還抵抗と、を含み、前記信号反転回路に含まれる前記差動対は、第1のMOSトランジスタと第2のMOSトランジスタから構成され、前記第1のMOSトランジスタは、ゲートがバイアス電圧源に、ドレインが第1の抵抗の一端に、それぞれ接続され、前記第2のMOSトランジスタは、ゲートが前記帰還抵抗の一端に、ドレインが前記帰還抵抗の他の一端及び第2の抵抗の一端に、それぞれ接続され、前記第1及び第2のMOSトランジスタのソースは、それぞれ共通接続されると共に前記電流源回路と接続され、前記第1及び第2の抵抗の他の一端は、前記ローパスフィルタ回路と接続され、前記電流源回路は、第3のMOSトランジスタと第4のMOSトランジスタと、定電流源と、を含み、前記第3及び第4のMOSトランジスタのゲートが互いに接続され、前記第3及び第4のMOSトランジスタのソースは接地電圧に接続され、前記第3のMOSトランジスタのドレインは前記第3のMOSトランジスタのゲートに接続されると共に、前記定電流源に接続され、前記第4のMOSトランジスタのドレインは、前記第1及び第2のMOSトランジスタのソースと接続され、前記ローパスフィルタ回路は、第3の抵抗と第2の容量を含み、前記第3の抵抗の一端は電源を供給する前記電圧線に接続され、他の一端が前記第2の容量及び前記信号反転回路に含まれる前記第1及び第2の抵抗と接続され、前記第2の容量の他の一端は接地電圧に接続されていることが好ましい。   [Mode 2] The resonance circuit includes a first capacitor connected in series with the crystal resonator, and a feedback resistor connected in parallel with the crystal resonator, and is included in the signal inverting circuit. The differential pair includes a first MOS transistor and a second MOS transistor. The first MOS transistor has a gate connected to a bias voltage source and a drain connected to one end of a first resistor. The second MOS transistor has a gate connected to one end of the feedback resistor, a drain connected to the other end of the feedback resistor and one end of the second resistor, and the sources of the first and second MOS transistors are Are connected in common and connected to the current source circuit, the other ends of the first and second resistors are connected to the low-pass filter circuit, and the current source circuit is connected to the third current source circuit. Including a MOS transistor, a fourth MOS transistor, and a constant current source, wherein the gates of the third and fourth MOS transistors are connected to each other, and the sources of the third and fourth MOS transistors are connected to a ground voltage The drain of the third MOS transistor is connected to the gate of the third MOS transistor and to the constant current source, and the drain of the fourth MOS transistor is connected to the first and second MOS transistors. Connected to the source of the MOS transistor, the low-pass filter circuit includes a third resistor and a second capacitor, one end of the third resistor is connected to the voltage line for supplying power, and the other end is The second capacitor and the first and second resistors included in the signal inverting circuit are connected, and the other end of the second capacitor is connected to the ground voltage. Rukoto is preferable.

[形態3]前記水晶発振回路は、一端が前記電圧線に接続される第4の抵抗と、ドレインが前記第4の抵抗の他の一端と接続され、ゲートが前記第3のMOSトランジスタのゲート及びドレインに接続され、ソースが接地電圧に接続される第5のMOSトランジスタと、を含む基準電圧生成回路と、非反転入力ノードが前記第2のMOSトランジスタのドレインと接続され、反転入力ノードが前記第5のMOSトランジスタのドレインと接続される差動回路と、を備えることが好ましい。   [Mode 3] The crystal oscillation circuit includes a fourth resistor having one end connected to the voltage line, a drain connected to the other end of the fourth resistor, and a gate connected to the gate of the third MOS transistor. A reference voltage generating circuit including a fifth MOS transistor connected to the drain and a source connected to the ground voltage, a non-inverting input node connected to the drain of the second MOS transistor, and an inverting input node And a differential circuit connected to the drain of the fifth MOS transistor.

[形態4]前記第4の抵抗の抵抗値は可変であることが好ましい。   [Mode 4] The resistance value of the fourth resistor is preferably variable.

以下に具体的な実施の形態について、図面を参照してさらに詳しく説明する。   Hereinafter, specific embodiments will be described in more detail with reference to the drawings.

[第1の実施形態]
本発明の第1の実施形態について、図面を用いてより詳細に説明する。
[First Embodiment]
The first embodiment of the present invention will be described in more detail with reference to the drawings.

図2は、本実施形態に係る水晶発振回路1の内部構成の一例を示す図である。   FIG. 2 is a diagram illustrating an example of an internal configuration of the crystal oscillation circuit 1 according to the present embodiment.

水晶発振回路1は、電流源回路10と、信号反転回路20と、共振回路30から構成されている。   The crystal oscillation circuit 1 includes a current source circuit 10, a signal inverting circuit 20, and a resonance circuit 30.

電流源回路10は、Nチャンネル型MOSトランジスタN01及びN02と、定電流源CS01から構成されている。   The current source circuit 10 includes N-channel MOS transistors N01 and N02 and a constant current source CS01.

信号反転回路20は、Nチャンネル型MOSトランジスタN03及びN04と、抵抗R01〜R03と、容量C01から構成されている   The signal inverting circuit 20 includes N-channel MOS transistors N03 and N04, resistors R01 to R03, and a capacitor C01.

共振回路30は、水晶振動子31と、抵抗R04と、容量C02及びC03から構成されている。   The resonance circuit 30 includes a crystal resonator 31, a resistor R04, and capacitors C02 and C03.

Nチャンネル型MOSトランジスタN01のゲートとドレインは共通接続され、Nチャンネル型MOSトランジスタN02のゲートと接続されている。Nチャンネル型MOSトランジスタN01のソースは接地電圧VSSに接続され、ゲート及びドレインは定電流源CS01の一端に接続されている。Nチャンネル型MOSトランジスタN02のゲートは、Nチャンネル型MOSトランジスタN01のゲート及びドレインに接続されている。Nチャンネル型MOSトランジスタN02のソースは接地電圧VSSに接続され、ドレインはNチャンネル型MOSトランジスタN03及びN04のソースに共通接続されている。電流源回路10に含まれるNチャンネル型MOSトランジスタN01及びN02によって、カレントミラー回路を構成している。   The gate and drain of the N-channel MOS transistor N01 are connected in common, and are connected to the gate of the N-channel MOS transistor N02. The source of the N-channel MOS transistor N01 is connected to the ground voltage VSS, and the gate and drain are connected to one end of the constant current source CS01. The gate of the N-channel MOS transistor N02 is connected to the gate and drain of the N-channel MOS transistor N01. The source of the N-channel MOS transistor N02 is connected to the ground voltage VSS, and the drain is commonly connected to the sources of the N-channel MOS transistors N03 and N04. The N-channel MOS transistors N01 and N02 included in the current source circuit 10 constitute a current mirror circuit.

信号反転回路20に含まれるNチャンネル型MOSトランジスタN03のゲートはバイアス電圧源Vbに接続され、ドレインが抵抗R01の一端に接続されている。Nチャンネル型MOSトランジスタN04のゲートは、信号反転回路20の入力端子Vinに接続されている。Nチャンネル型MOSトランジスタN04のドレインは、信号反転回路20の出力端子Voutに接続されると共に、抵抗R02の一端に接続されている。抵抗R01及びR02の他の一端は、抵抗R03の一端及び容量C01の一端に共通接続されている。   The gate of the N-channel MOS transistor N03 included in the signal inverting circuit 20 is connected to the bias voltage source Vb, and the drain is connected to one end of the resistor R01. The gate of the N-channel MOS transistor N04 is connected to the input terminal Vin of the signal inverting circuit 20. The drain of the N-channel MOS transistor N04 is connected to the output terminal Vout of the signal inverting circuit 20 and to one end of the resistor R02. The other ends of the resistors R01 and R02 are commonly connected to one end of the resistor R03 and one end of the capacitor C01.

抵抗R03の他の一端は電源電圧VDDに接続され、容量C01の他の一端は接地電圧VSSに接続されている。即ち、抵抗R03及び容量C01でローパスフィルタ(上述のローパスフィルタ回路400に相当)を構成しており、抵抗R01及びR02は、ローパスフィルタを介して電源電圧VDDに接続されている。   The other end of the resistor R03 is connected to the power supply voltage VDD, and the other end of the capacitor C01 is connected to the ground voltage VSS. That is, the resistor R03 and the capacitor C01 form a low-pass filter (corresponding to the above-described low-pass filter circuit 400), and the resistors R01 and R02 are connected to the power supply voltage VDD via the low-pass filter.

また、信号反転回路20のバイアス電流はNチャンネル型MOSトランジスタN02により定まる。Nチャンネル型MOSトランジスタN03に接続されたバイアス電圧源Vbから所定の電圧及び電源電圧VDDを供給すると、出力端子Voutから水晶振動子31の直列共振周波数に比例した発振信号が出力される。   The bias current of the signal inverting circuit 20 is determined by the N-channel MOS transistor N02. When a predetermined voltage and a power supply voltage VDD are supplied from the bias voltage source Vb connected to the N-channel MOS transistor N03, an oscillation signal proportional to the series resonance frequency of the crystal resonator 31 is output from the output terminal Vout.

ここで、Nチャンネル型MOSトランジスタN01に流れる電流をIaとすれば、Nチャンネル型MOSトランジスタN02に流れる電流もIaである。さらに、Nチャンネル型MOSトランジスタN03及びN04で差動対を構成しているため、Nチャンネル型MOSトランジスタN03及びN04(抵抗R01及びR02)には、電流Iaの1/2の電流値をもつ電流(以下、電流Ibとする)が流れ得る。従って、抵抗R03の抵抗値が、抵抗R02の抵抗値に比べて極めて小さく、その電圧降下を考慮しなければ、信号反転回路20の出力電圧(出力端子Voutの電圧)のコモンレベルは、抵抗R02と電流Ibにより定まる。   Here, if the current flowing through the N-channel MOS transistor N01 is Ia, the current flowing through the N-channel MOS transistor N02 is also Ia. Further, since the N-channel MOS transistors N03 and N04 form a differential pair, the N-channel MOS transistors N03 and N04 (resistors R01 and R02) have a current having a current value ½ of the current Ia. (Hereinafter referred to as current Ib) may flow. Therefore, if the resistance value of the resistor R03 is extremely small compared to the resistance value of the resistor R02 and the voltage drop is not taken into consideration, the common level of the output voltage of the signal inverting circuit 20 (voltage of the output terminal Vout) is the resistance R02. And the current Ib.

上述のように、抵抗R03と容量C01でローパスフィルタを構成しているため、電源電圧VDDに重畳したノイズ成分が除去される。即ち、ローパスフィルタから供給される電圧が、信号反転回路20の第2の電源電圧として作用する。ローパスフィルタの遮断周波数fcを水晶発振回路の発振周波数fosc以下(fc<<fosc)に設定することで、発振周波数より高い周波数の高調波ノイズ成分を除去することができる。なお、遮断周波数は、fc=1/(2πR03×C01)と表すことができる。   As described above, since the resistor R03 and the capacitor C01 form a low-pass filter, the noise component superimposed on the power supply voltage VDD is removed. That is, the voltage supplied from the low pass filter acts as the second power supply voltage of the signal inverting circuit 20. By setting the cutoff frequency fc of the low-pass filter to be equal to or lower than the oscillation frequency fosc of the crystal oscillation circuit (fc << fosc), harmonic noise components having a frequency higher than the oscillation frequency can be removed. The cut-off frequency can be expressed as fc = 1 / (2πR03 × C01).

図3は、図2に示すローパスフィルタを備えていない水晶発振回路に電源ノイズを印加した場合の出力周波数解析波形の一例を示す図である。   FIG. 3 is a diagram illustrating an example of an output frequency analysis waveform when power supply noise is applied to a crystal oscillation circuit that does not include the low-pass filter illustrated in FIG.

図4は、本実施形態に係る水晶発振回路1に図3と同様の電源ノイズを印加した場合の出力周波数解析波形の一例を示す図である。   FIG. 4 is a diagram illustrating an example of an output frequency analysis waveform when power supply noise similar to that in FIG. 3 is applied to the crystal oscillation circuit 1 according to the present embodiment.

図3に示すように、ローパスフィルタを備えていない水晶発振回路では、その発振出力に、電源ノイズ成分が重畳されている。しかし、図4に示すように、本実施形態に係る水晶発振回路1に図3と同様の電源ノイズを印加しても、ノイズ成分は除去される。   As shown in FIG. 3, in a crystal oscillation circuit that does not include a low-pass filter, a power supply noise component is superimposed on the oscillation output. However, as shown in FIG. 4, even if the same power supply noise as in FIG. 3 is applied to the crystal oscillation circuit 1 according to the present embodiment, the noise component is removed.

ここで、波形解析実施の条件の一例として、水晶発振回路1の発振周波数を8MHz、電源ノイズを周波数10MHz、振幅±10mVのスパイクノイズとする場合を考える。この場合には、ローパスフィルタを備えていない水晶発振回路では、発振出力に10MHzのノイズ成分が重畳される。一方、本実施形態に係る水晶発振回路1では、発振周波数8MHzより高い電源ノイズの影響が除去されることになる。   Here, as an example of the conditions for performing the waveform analysis, consider a case where the oscillation frequency of the crystal oscillation circuit 1 is 8 MHz, the power supply noise is a spike noise having a frequency of 10 MHz, and an amplitude of ± 10 mV. In this case, in a crystal oscillation circuit that does not include a low-pass filter, a noise component of 10 MHz is superimposed on the oscillation output. On the other hand, in the crystal oscillation circuit 1 according to this embodiment, the influence of power supply noise higher than the oscillation frequency of 8 MHz is removed.

このように、抵抗R03と容量C01で構成されるローパスフィルタにより、他の回路を動作させたことなどによって発生する高調波ノイズを除去することができる。従って、本実施形態に係る水晶発振回路1において、高調波ノイズ(電源ノイズ)が印加されたとしても、発振出力の低ジッタ化が実現できる。   As described above, the low-pass filter including the resistor R03 and the capacitor C01 can remove harmonic noise generated by operating other circuits. Therefore, in the crystal oscillation circuit 1 according to the present embodiment, even if harmonic noise (power supply noise) is applied, low oscillation output jitter can be realized.

[第2の実施形態]
続いて、第2の実施形態について図面を参照して詳細に説明する。
[Second Embodiment]
Next, a second embodiment will be described in detail with reference to the drawings.

図5は、本実施形態に係る水晶発振回路2の内部構成の一例を示す図である。図5において図2と同一構成要素には、同一の符号を表し、その説明を省略する。なお、信号反転回路20の出力端子Voutを出力端子Vout1と置き換えて表記している。   FIG. 5 is a diagram illustrating an example of an internal configuration of the crystal oscillation circuit 2 according to the present embodiment. In FIG. 5, the same components as those in FIG. 2 are denoted by the same reference numerals, and the description thereof is omitted. Note that the output terminal Vout of the signal inverting circuit 20 is replaced with the output terminal Vout1.

水晶発振回路1と水晶発振回路2の相違点は、リファレンス電圧Vrefを出力する基準電圧生成回路40と、差動回路50を追加している点である。   The difference between the crystal oscillation circuit 1 and the crystal oscillation circuit 2 is that a reference voltage generation circuit 40 that outputs a reference voltage Vref and a differential circuit 50 are added.

基準電圧生成回路40は、Nチャンネル型MOSトランジスタN05と、抵抗R05及びR06から構成される。Nチャンネル型MOSトランジスタN05のゲートは、Nチャンネル型MOSトランジスタN01及びN02のゲートと共通接続され、ソースは接地電圧VSSに接続され、ドレインは抵抗R05の一端に接続されている。Nチャンネル型MOSトランジスタN01及びN05は、カレントミラー回路を構成する。Nチャンネル型MOSトランジスタN05のドレインを出力端子Vout2とし、出力端子Vout2からリファレンス電圧Vrefを出力する。   The reference voltage generation circuit 40 includes an N-channel MOS transistor N05 and resistors R05 and R06. The gate of the N-channel MOS transistor N05 is commonly connected to the gates of the N-channel MOS transistors N01 and N02, the source is connected to the ground voltage VSS, and the drain is connected to one end of the resistor R05. N-channel MOS transistors N01 and N05 constitute a current mirror circuit. The drain of the N-channel MOS transistor N05 is used as the output terminal Vout2, and the reference voltage Vref is output from the output terminal Vout2.

抵抗R05及びR06は直列接続され、抵抗R06の一端は電源電圧VDDに接続されている。抵抗R05の抵抗値は、抵抗R01及びR02の抵抗値の2倍に設定され、抵抗R06の抵抗値は抵抗R03の抵抗値と等しく設定される。   The resistors R05 and R06 are connected in series, and one end of the resistor R06 is connected to the power supply voltage VDD. The resistance value of the resistor R05 is set to twice the resistance value of the resistors R01 and R02, and the resistance value of the resistor R06 is set equal to the resistance value of the resistor R03.

以上のような構成により、リファレンス電圧Vrefは、抵抗R05、抵抗R06及びNチャンネル型MOSトランジスタN05を流れる電流によって定まる。このリファレンス電圧Vrefと信号反転回路20の出力電圧(出力端子Vout1の電圧)のコモンレベルは同電圧となる。抵抗R03とR06の抵抗値は等しく、抵抗R05の抵抗値は抵抗R01及びR02の合成抵抗値と等しく、Nチャンネル型MOSトランジスタN02及びN05に流れる電流Iaも等しいためである。   With the above configuration, the reference voltage Vref is determined by the current flowing through the resistor R05, the resistor R06, and the N-channel MOS transistor N05. The common level of the reference voltage Vref and the output voltage of the signal inverting circuit 20 (voltage of the output terminal Vout1) is the same voltage. This is because the resistance values of the resistors R03 and R06 are equal, the resistance value of the resistor R05 is equal to the combined resistance value of the resistors R01 and R02, and the current Ia flowing through the N-channel MOS transistors N02 and N05 is also equal.

出力端子Vout1は、差動回路50の非反転入力及び共振回路30に接続され、出力端子Vout2は、差動回路50の反転入力端子に接続される。さらに、差動回路50の出力ノードを発振出力(出力端子Out)とする。出力端子Vout1及びVout2を差動回路50に接続することで、両端子に共通して重畳するノイズ成分(コモンモードノイズ)を除去することができる。   The output terminal Vout1 is connected to the non-inverting input of the differential circuit 50 and the resonance circuit 30, and the output terminal Vout2 is connected to the inverting input terminal of the differential circuit 50. Further, the output node of the differential circuit 50 is set as an oscillation output (output terminal Out). By connecting the output terminals Vout1 and Vout2 to the differential circuit 50, it is possible to remove noise components (common mode noise) superimposed on both terminals in common.

従って、実施形態1で説明したような高調波ノイズが電源電圧VDDに重畳したとしても、出力端子Vout1及びVout2から出力される波形に重畳するノイズをより低減することができる。即ち、出力端子Vout1及びVout2を差動回路50と接続することで、発振周波数より低いノイズ成分の除去が可能である(発振出力のさらなる低ジッタ化に寄与する)。なお、発振周波数よりも高いノイズ成分に関してはローパスフィルタにより除去できる。   Therefore, even if the harmonic noise as described in the first embodiment is superimposed on the power supply voltage VDD, the noise superimposed on the waveforms output from the output terminals Vout1 and Vout2 can be further reduced. That is, by connecting the output terminals Vout1 and Vout2 to the differential circuit 50, it is possible to remove a noise component lower than the oscillation frequency (contributes to further lowering the jitter of the oscillation output). Note that a noise component higher than the oscillation frequency can be removed by a low-pass filter.

図6は、本実施形態に係る水晶発振回路2に図3と同様の電源ノイズを印加した場合の出力周波数解析波形の一例を示す図である。図6には、電源ノイズを電源電圧VDDに重畳し、出力端子Vout1及びVout2、それぞれから出力される波形の差分が示されている。   FIG. 6 is a diagram illustrating an example of an output frequency analysis waveform when power supply noise similar to that in FIG. 3 is applied to the crystal oscillation circuit 2 according to the present embodiment. FIG. 6 shows the difference between waveforms output from the output terminals Vout1 and Vout2 by superimposing the power supply noise on the power supply voltage VDD.

図4と図6を比較すれば、水晶振動子31以外の高調波成分が改善されているのが分かる。このように、信号反転回路20の出力電圧(出力端子Vout1の電圧)とリファレンス電圧Vref(出力端子Vout2の電圧)を差動回路50で受けることで、電源ノイズに対して強い耐性をもつ水晶発振回路が実現できる。なお、水晶発振回路2が、ローパスフィルタ(抵抗R03及び容量C01)を備えておらず、出力端子Vout1及びVout2を用いる差動構成のみであっても、ノイズ低減の効果を得ることができる。   Comparing FIG. 4 and FIG. 6, it can be seen that the harmonic components other than the crystal resonator 31 are improved. As described above, the differential circuit 50 receives the output voltage of the signal inverting circuit 20 (voltage of the output terminal Vout1) and the reference voltage Vref (voltage of the output terminal Vout2), so that the crystal oscillation having a strong resistance to power supply noise. A circuit can be realized. Even if the crystal oscillation circuit 2 does not include a low-pass filter (resistor R03 and capacitor C01) and only has a differential configuration using the output terminals Vout1 and Vout2, an effect of noise reduction can be obtained.

[第3の実施形態]
続いて、第3の実施形態について図面を参照して詳細に説明する。
[Third Embodiment]
Next, a third embodiment will be described in detail with reference to the drawings.

図7は、本実施形態に係る水晶発振回路3の内部構成の一例を示す図である。図7において図5と同一構成要素には、同一の符号を表し、その説明を省略する。なお、図7にはおいて、共振回路30及び差動回路50の記載は省略している。   FIG. 7 is a diagram illustrating an example of an internal configuration of the crystal oscillation circuit 3 according to the present embodiment. In FIG. 7, the same components as those in FIG. 5 are denoted by the same reference numerals, and the description thereof is omitted. In FIG. 7, the description of the resonance circuit 30 and the differential circuit 50 is omitted.

水晶発振回路2と水晶発振回路3の相違点は、基準電圧生成回路40aにおいて、可変抵抗Rvを使用している点である。   The difference between the crystal oscillation circuit 2 and the crystal oscillation circuit 3 is that a variable resistor Rv is used in the reference voltage generation circuit 40a.

可変抵抗Rvを使用することで、出力端子Vout2から出力するリファレンス電圧Vrefを調整可能とする。   By using the variable resistor Rv, the reference voltage Vref output from the output terminal Vout2 can be adjusted.

第2の実施形態において説明したように、リファレンス電圧Vrefは、抵抗R05、抵抗R06、Nチャンネル型MOSトランジスタN05によって定まる電流に依存する。そのため、理論的には(理想値は)、リファレンス電圧Vrefは出力端子Voutから出力する電圧のコモンレベルと等しくなる。   As described in the second embodiment, the reference voltage Vref depends on the current determined by the resistor R05, the resistor R06, and the N-channel MOS transistor N05. Therefore, in theory (ideal value), the reference voltage Vref is equal to the common level of the voltage output from the output terminal Vout.

しかし、実際には、Nチャンネル型MOSトランジスタN02及びN03の相対的な精度が異なり、オフセット電流が生じる。さらに、抵抗R01及びR02と、抵抗R05の相対的な精度が異なることから、これらの抵抗値を設計値と一致させるのは困難である。これら半導体素子の精度(ばらつき)に起因した問題により、リファレンス電圧Vrefと信号反転回路20の出力電圧(出力端子Vout1の電圧)のコモンレベルに電圧差が生じ、低ジッタ化の実現に対する障害となり得る。そこで、抵抗R05に代えて、可変抵抗Rvを使用し、コモンレベルを調整する。その結果、よりノイズが低減された水晶発振回路3が実現できる。   However, actually, the relative accuracy of the N-channel MOS transistors N02 and N03 is different, and an offset current is generated. Furthermore, since the relative accuracy of the resistors R01 and R02 and the resistor R05 is different, it is difficult to make these resistance values coincide with the design values. Due to a problem caused by the accuracy (variation) of these semiconductor elements, a voltage difference occurs between the common level of the reference voltage Vref and the output voltage of the signal inverting circuit 20 (the voltage of the output terminal Vout1), which may be an obstacle to realizing low jitter. . Therefore, instead of the resistor R05, a variable resistor Rv is used to adjust the common level. As a result, the crystal oscillation circuit 3 with further reduced noise can be realized.

なお、引用した上記の特許文献等の各開示は、本書に引用をもって繰り込むものとする。本発明の全開示(請求の範囲を含む)の枠内において、さらにその基本的技術思想に基づいて、実施形態ないし実施例の変更・調整が可能である。また、本発明の請求の範囲の枠内において種々の開示要素(各請求項の各要素、各実施例の各要素、各図面の各要素等を含む)の多様な組み合わせ、ないし、選択が可能である。すなわち、本発明は、請求の範囲を含む全開示、技術的思想にしたがって当業者であればなし得るであろう各種変形、修正を含むことは勿論である。   Each disclosure of the cited patent documents and the like cited above is incorporated herein by reference. Within the scope of the entire disclosure (including claims) of the present invention, the embodiments and examples can be changed and adjusted based on the basic technical concept. Further, various combinations or selections of various disclosed elements (including each element of each claim, each element of each embodiment, each element of each drawing, etc.) are possible within the scope of the claims of the present invention. It is. That is, the present invention of course includes various variations and modifications that could be made by those skilled in the art according to the entire disclosure including the claims and the technical idea.

1〜3 水晶発振回路
10、300 電流源回路
20、200 信号反転回路
30、100 共振回路
31 水晶振動子
40、40a 基準電圧生成回路
50 差動回路
400 ローパスフィルタ回路
C01〜C03 容量
CS01 定電流源
N01〜N05 Nチャンネル型MOSトランジスタ
R01〜R06 抵抗
Rv 可変抵抗
1-3 Crystal oscillation circuit 10, 300 Current source circuit 20, 200 Signal inversion circuit 30, 100 Resonant circuit 31 Crystal resonator 40, 40a Reference voltage generation circuit 50 Differential circuit 400 Low-pass filter circuit C01-C03 Capacitor CS01 Constant current source N01 to N05 N-channel MOS transistors R01 to R06 Resistor Rv Variable resistor

Claims (4)

水晶振動子を含む共振回路と、
前記共振回路と接続され、差動対を含む信号反転回路と、
前記差動対にバイアス電流を供給する電流源回路と、
前記信号反転回路及び前記電流源回路に電源を供給する電圧線と前記信号反転回路の間に接続され、前記水晶振動子の固有の発振周波数より低い遮断周波数を持つローパスフィルタ回路と、
を備えることを特徴とする水晶発振回路。
A resonant circuit including a crystal unit;
A signal inverting circuit connected to the resonant circuit and including a differential pair;
A current source circuit for supplying a bias current to the differential pair;
A low-pass filter circuit connected between a voltage line for supplying power to the signal inversion circuit and the current source circuit and the signal inversion circuit, and having a cutoff frequency lower than a specific oscillation frequency of the crystal unit;
A crystal oscillation circuit comprising:
前記共振回路は、前記水晶振動子と直列に接続された第1の容量と、前記水晶振動子と並列に接続された帰還抵抗と、を含み、
前記信号反転回路に含まれる前記差動対は、第1のMOSトランジスタと第2のMOSトランジスタから構成され、
前記第1のMOSトランジスタは、ゲートがバイアス電圧源に、ドレインが第1の抵抗の一端に、それぞれ接続され、前記第2のMOSトランジスタは、ゲートが前記帰還抵抗の一端に、ドレインが前記帰還抵抗の他の一端及び第2の抵抗の一端に、それぞれ接続され、前記第1及び第2のMOSトランジスタのソースは、それぞれ共通接続されると共に前記電流源回路と接続され、前記第1及び第2の抵抗の他の一端は、前記ローパスフィルタ回路と接続され、
前記電流源回路は、第3のMOSトランジスタと第4のMOSトランジスタと、定電流源と、を含み、
前記第3及び第4のMOSトランジスタのゲートが互いに接続され、前記第3及び第4のMOSトランジスタのソースは接地電圧に接続され、前記第3のMOSトランジスタのドレインは前記第3のMOSトランジスタのゲートに接続されると共に、前記定電流源に接続され、前記第4のMOSトランジスタのドレインは、前記第1及び第2のMOSトランジスタのソースと接続され、
前記ローパスフィルタ回路は、第3の抵抗と第2の容量を含み、
前記第3の抵抗の一端は電源を供給する前記電圧線に接続され、他の一端が前記第2の容量及び前記信号反転回路に含まれる前記第1及び第2の抵抗と接続され、前記第2の容量の他の一端は接地電圧に接続されている請求項1の水晶発振回路。
The resonant circuit includes a first capacitor connected in series with the crystal resonator, and a feedback resistor connected in parallel with the crystal resonator,
The differential pair included in the signal inversion circuit includes a first MOS transistor and a second MOS transistor,
The first MOS transistor has a gate connected to a bias voltage source and a drain connected to one end of a first resistor. The second MOS transistor has a gate connected to one end of the feedback resistor and a drain connected to the feedback resistor. The other end of the resistor and one end of the second resistor are connected to each other, and the sources of the first and second MOS transistors are connected in common and connected to the current source circuit, respectively. The other end of the resistor 2 is connected to the low-pass filter circuit,
The current source circuit includes a third MOS transistor, a fourth MOS transistor, and a constant current source,
The gates of the third and fourth MOS transistors are connected to each other, the sources of the third and fourth MOS transistors are connected to a ground voltage, and the drain of the third MOS transistor is connected to the third MOS transistor. Connected to the gate and to the constant current source, the drain of the fourth MOS transistor is connected to the sources of the first and second MOS transistors,
The low-pass filter circuit includes a third resistor and a second capacitor,
One end of the third resistor is connected to the voltage line for supplying power, and the other end is connected to the first capacitor and the second resistor included in the second capacitor and the signal inverting circuit. 2. The crystal oscillation circuit according to claim 1, wherein the other end of the capacitor of 2 is connected to a ground voltage.
一端が前記電圧線に接続される第4の抵抗と、ドレインが前記第4の抵抗の他の一端と接続され、ゲートが前記第3のMOSトランジスタのゲート及びドレインに接続され、ソースが接地電圧に接続される第5のMOSトランジスタと、を含む基準電圧生成回路と、
非反転入力ノードが前記第2のMOSトランジスタのドレインと接続され、反転入力ノードが前記第5のMOSトランジスタのドレインと接続される差動回路と、
を備える請求項2の水晶発振回路。
A fourth resistor whose one end is connected to the voltage line, a drain is connected to the other end of the fourth resistor, a gate is connected to the gate and drain of the third MOS transistor, and a source is a ground voltage A reference voltage generation circuit including a fifth MOS transistor connected to
A differential circuit having a non-inverting input node connected to the drain of the second MOS transistor and an inverting input node connected to the drain of the fifth MOS transistor;
A crystal oscillation circuit according to claim 2.
前記第4の抵抗の抵抗値は可変である請求項3の水晶発振回路。   4. The crystal oscillation circuit according to claim 3, wherein a resistance value of the fourth resistor is variable.
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Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
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CN108390149A (en) * 2018-02-05 2018-08-10 广东欧珀移动通信有限公司 Harmonic suppression apparatus, antenna module and electronic device

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