JP2016144128A - 発振器、電子機器及び移動体 - Google Patents

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Abstract

【課題】従来よりもデジタル信号のハイレベル入力の許容範囲が広い発振器を提供すること。
【解決手段】発振器1は、入力端子T3と、共振器7を共振させて発振信号Soutを出力する発振回路部4と、入力端子T3を介して、発振回路部4の発振周波数を制御するためのデジタル信号Sinが入力されるデジタル入力部2と、デジタル入力部2に基準電流Iref1を供給する定電流源52を含む第1のバイアス回路部5と、を含む。
【選択図】図2

Description

本発明は、発振器、電子機器及び移動体に関する。
特許文献1には、発振回路と論理回路(デジタル回路)が、それぞれ個々の電圧レギュレーターに接続され、発振回路と論理回路が異なる電源電圧で動作する半導体集積回路(半導体IC(Integrated Circuit))が記載されている。
特開平8−272463号公報
特許文献1に記載の半導体集積回路を用いた発振器を実現する場合、論理回路が生成する発振器の出力信号はその振幅レベルが規格で決まっているため(例えば、2.8V程度の振幅レベル)、レギュレーターに入力される電源電圧として、例えば、3.3V程度の比較的高い電源電圧が必要とされる場合がある。このような発振器において、発振周波数を制御するためのデジタル信号を外部から入力可能に構成する場合、当該デジタル信号の振幅を3.3Vppとし、発振器は、例えば、1.65Vを閾値として、当該デジタル信号が1.65Vよりも高ければハイレベル、1.65Vよりも低ければローレベルと判断する。
一方、昨今のプロセス微細化は著しく、微細プロセスで製造される半導体集積回路ほど、トランジスターの耐圧の制約のために動作電圧が低くなっている。発振器を制御する半導体集積回路(上記デジタル信号を出力する半導体集積回路)は、その回路規模が大きいために高集積化が必要であるために0.9Vや1.2Vなどの低電圧で動作する場合が多い。そのため、発振器を制御する半導体集積回路は、内部で生成した信号の振幅をレベルシフト回路で3.3Vppに変換し、上記デジタル信号を出力する必要が生じる。そうすると、当該半導体集積回路や発振器の消費電力が増加し、また、発振器が受ける雑音が入力されるデジタル信号の振幅の二乗に比例して大きくなるという問題が生じる。これに対して、発振器において、デジタル信号が入力されるデジタル入力部の電源電圧を当該デジタル信号の振幅に合わせた一定の電源電圧で動作するようにし、発振器を制御する半導体集積回路にレベルシフト回路を不要とすることも考えられる。しかしながら、このような発振器は、入力信号のハイ/ロー判定の閾値が固定されており、ハイレベル入力の許容範囲が狭いため、出力信号の振幅が異なる複数種類の半導体集積回路のいずれも接続可能とすることは難しく、汎用性に乏しい。すなわち、汎用性を満たすために、従来よりもデジタル信号のハイレベルの許容範囲が広い発振器が望まれていた。
本発明は、以上のような問題点に鑑みてなされたものであり、本発明のいくつかの態様によれば、従来よりもデジタル信号のハイレベル入力の許容範囲が広い発振器を提供することができる。また、本発明のいくつかの態様によれば、当該発振器を用いた電子機器及び移動体を提供することができる。
本発明は前述の課題の少なくとも一部を解決するためになされたものであり、以下の態様または適用例として実現することが可能である。
[適用例1]
本適用例に係る発振器は、入力端子と、共振器を共振させて発振信号を出力する発振回路部と、前記入力端子を介して、前記発振回路部の発振周波数を制御するためのデジタル信号が入力されるデジタル入力部と、前記デジタル入力部に基準電流を供給する定電流源を含む第1のバイアス回路部と、を含む。
本適用例に係る発振器によれば、第1のバイアス回路部からデジタル入力部に基準電流が供給されるので、デジタル入力部は、当該基準電流に基づいて、入力端子を介してデジタル入力部に入力されるデジタル信号の電圧を従来の発振器よりも低い閾値電圧と比較して、そのハイレベル/ローレベルの判定を行うことが可能となる。これにより、電源電圧と同程度の振幅のデジタル信号も入力可能であり、かつ、従来の発振器で許容される最小振幅よりも小さい振幅のデジタル信号も入力可能である、従来よりもデジタル信号のハイレベル入力の許容範囲が広い発振器を実現することができる。
[適用例2]
上記適用例に係る発振器は、前記発振回路部に電流及び電圧の少なくとも何れかを供給する第2のバイアス回路部を含んでもよい。
本適用例に係る発振器によれば、デジタル入力部に基準電流を供給する第1のバイアス回路部と、発振回路部に電流及び電圧の少なくとも何れかを供給する第2のバイアス回路部とが分離されているので、デジタル入力部で発生する雑音が発振回路部に伝搬し、当該雑音により発振信号が変調されるおそれを低減させることができる。
[適用例3]
上記適用例に係る発振器において、前記デジタル入力部は、MOSトランジスターを含んでもよい。
[適用例4]
上記適用例に係る発振器において、前記デジタル入力部は、前記デジタル信号の電圧を変換するレベルシフト回路を含んでもよい。
[適用例5]
上記適用例に係る発振器は、前記デジタル入力部からの出力信号に基づいて、前記発振回路部の発振周波数を制御するための信号を生成するデジタル演算部を含んでもよい。
[適用例6]
上記適用例に係る発振器は、前記デジタル演算部に電力を供給するレギュレーターを含んでもよい。
本適用例によれば、デジタル演算部を電源電圧よりも低い電圧で動作させ、消費電力を低減させることができる。
[適用例7]
本適用例に係る電子機器は、上記のいずれかの発振器を備えている。
[適用例8]
本適用例に係る移動体は、上記のいずれかの発振器を備えている。
これらの適用例によれば、従来よりもデジタル信号のハイレベル入力の許容範囲が広い
発振器を用いるので、発振器に振幅の小さいデジタル信号を入力することで雑音の増大を抑制し、信頼性の高い電子機器及び移動体を実現することができる。
本実施形態の発振器の斜視図。 第1実施形態の発振器の構成を示す図。 第1実施形態における第1のバイアス回路部の構成例を示す図。 第1実施形態におけるデジタル入力部の構成例を示す図。 第1実施形態におけるデジタル入力部の他の構成例を示す図。 デジタル入力部の入出力波形の一例を示す図。 デジタル演算部の構成例を示す図。 発振回路部の構成例を示す図。 デジタル信号の入力レベルの仕様の一例の説明図。 第2実施形態の発振器の構成を示す図。 第2実施形態における第1のバイアス回路部及びレギュレーターの構成例を示す図。 第2実施形態におけるデジタル入力部の構成例を示す図。 第2実施形態におけるデジタル入力部の他の構成例を示す図。 デジタル入力部の変形例を示す図。 本実施形態の電子機器の構成の一例を示す機能ブロック図。 本実施形態の移動体の一例を示す図。
以下、本発明の好適な実施形態について図面を用いて詳細に説明する。なお、以下に説明する実施の形態は、特許請求の範囲に記載された本発明の内容を不当に限定するものではない。また以下で説明される構成の全てが本発明の必須構成要件であるとは限らない。
1.発振器
1−1.第1実施形態
図1は、本実施形態の発振器の斜視図である。また、図2は、第1実施形態の発振器の構成を示す図である。第1実施形態の発振器1は、外部端子から入力されるデジタル信号によって発振周波数が制御可能なデジタル制御発振器であり、図1及び図2に示すように、デジタル入力部2、デジタル演算部3、発振回路部4、第1のバイアス回路部5、第2のバイアス回路部6及び共振器7、並びに、これらの各構成要素が搭載されているパッケージ(容器)10を含んで構成される。デジタル入力部2、デジタル演算部3、発振回路部4、第1のバイアス回路部5及び第2のバイアス回路部6は、1つの集積回路(IC:Integrated Circuit)で構成されていてもよいし、複数の集積回路(IC)に分かれて構成されていてもよいし、一部がディスクリート部品で構成されていてもよい。集積回路(IC)は、例えば、CMOSプロセスやBiCMOSプロセスにより製造される。なお、本実施形態の発振器1は、図2に示す構成要素の一部を省略又は変更し、あるいは、他の構成要素を付加した構成としてもよい。
発振器1は、パッケージ10の外面に設けられた高電源端子T1及び低電源端子T2からなる一対の電源端子間の電圧を電源電圧として動作する。高電源端子T1には電源電位VDDが供給され、低電源端子T2には基準電位VSSが供給される。本実施形態では、低電源端子T2には基準電位VSSとしてグランド電位(0V)が供給され、高電源端子T1と低電源端子T2との間の電圧VDDが電源電圧となる。
第1のバイアス回路部5は、電源電圧VDDを基に基準電流Iref1を生成し、デジタル入力部2に供給する。第1のバイアス回路部5は、例えば、電流レギュレーターであ
る。
デジタル入力部2は、電源電圧VDD及び第1のバイアス回路部5からの基準電流Iref1が供給され、パッケージ10の外面に設けられた入力端子T3を介して、発振器1の外部から発振回路部4の発振周波数を制御するためのデジタル信号Sinが入力され、デジタル信号S1を出力する。デジタル入力部2は、基準電流Iref1を基にデジタル信号Sinのハイレベル/ローレベルを判定し、ハイレベルの電圧値を電源電圧VDDにレベルシフトしてデジタル信号S1を生成する。なお、デジタル信号Sinは複数のデジタル信号で構成されていてもよく、この場合、複数のデジタル信号の各々は互いに異なる複数の入力端子から入力される。デジタル信号Sinは、例えば、シリアルデータ信号とクロック信号によって構成されていてもよいし、シリアルデータ信号、クロック信号及びチップセレクト信号によって構成されていてもよい。
デジタル演算部3は、電源電圧VDDが供給され、デジタル入力部2から出力されるデジタル信号S1に基づいて、発振回路部4の発振周波数を制御するための制御信号S2を生成し、発振回路部4に出力する。例えば、発振回路部4に複数の可変容量素子と複数のスイッチとを含んで構成される可変容量アレイが設けられており、デジタル演算部3は、デジタル信号S1に基づいて、当該複数のスイッチのオン/オフを制御するためのデジタル信号である制御信号S2を出力してもよい。また、例えば、デジタル演算部3は、デジタル信号S1に基づく信号をアナログ信号に変換するD/A変換回路(DAC:Digital to Analog Converter)を含み、発振回路部4に設けられている可変容量素子の端子間に、当該アナログ信号に基づく制御信号S2の電圧が印加されるようにしてもよい。
第2のバイアス回路部6は、第1のバイアス回路部5とは別に設けられており、電源電圧VDDを基に基準電流Iref2を生成し、発振回路部4に供給する。第2のバイアス回路部6は、例えば、電流レギュレーターである。ただし、第2のバイアス回路部6は、電源電圧VDDを基に基準電圧を生成して発振回路部4に供給する電圧レギュレーターであってもよい。あるいは、第2のバイアス回路部6は、電源電圧VDDを基に基準電流と基準電圧を生成して発振回路部4に供給してもよい。
発振回路部4は、電源電圧VDD及び第2のバイアス回路部6からの基準電流Iref2(及び基準電圧の少なくとも何れか)が供給され、デジタル演算部3が出力する制御信号S2が入力され、共振器7を共振させて制御信号S2に応じた周波数の発振信号Soutを生成し、当該発振信号Soutを、パッケージ10の外面に設けられた出力端子T4を介して発振器1の外部に出力する。発振回路部4は、例えば、共振器7から出力される信号を増幅して共振器7に帰還させる増幅回路と、増幅回路が増幅した信号から発振信号Soutを生成して出力する出力回路とを含んで構成されてもよい。
共振器7は、電気的な共振回路でもよいし、電気機械的な共振子等であってもよい。共振器7は、例えば、振動子であってもよい。振動子は、例えば、圧電振動子、SAW(Surface Acoustic Wave)共振子、MEMS(Micro Electro Mechanical Systems)振動子等であってもよい。また、振動子の基板材料としては、水晶、タンタル酸リチウム、ニオブ酸リチウム等の圧電単結晶や、ジルコン酸チタン酸鉛等の圧電セラミックス等の圧電材料、又はシリコン半導体材料等を用いることができる。振動子の励振手段としては、圧電効果によるものを用いてもよいし、クーロン力による静電駆動を用いてもよい。また、共振器7は、アルカリ金属等を内部に収容したガスセルとアルカリ金属等の原子と相互作用する光を用いた光共振器、マイクロ波領域で共振する空洞型共振器や誘電体共振器、LC共振器等であってもよい。
発振回路部4と共振器7により、例えば、ピアース発振回路、インバーター型発振回路
、コルピッツ発振回路、ハートレー発振回路などの種々の発振回路が構成されてもよい。
図1では、発振器1の電源端子対(図2では、高電源端子T1と低電源端子T2の対)は、1つのみである。これにより、発振器1を小型化することができるとともに、発振器1に1系統の電源電圧のみを供給すれば発振信号Soutを出力させることができるので、この発振器1をシステムのクロック源として利用することができる。ただし、本実施形態の発振器1は、2つ以上の電源端子対を備えていてもよい。
また、本実施形態の発振器1は、入力端子T3を介して入力されるデジタル信号Sinに応じて、出力端子から出力される発振信号Soutの周波数(発振周波数)が変化するデジタル制御発振器であり、外部のICから設定値が時々刻々変化するデジタル信号Sinが供給されることにより発振周波数が動的に変化するシステムにおいて使用される。
図3は、第1のバイアス回路部5の構成例を示す図である。図3の例では、第1のバイアス回路部5は、バイアス電圧生成回路51と定電流源52とを含んで構成されている。バイアス電圧生成回路51は、電源電圧VDDを基に一定のバイアス電圧を生成し、定電流源52は、バイアス電圧生成回路51が生成するバイアス電圧に応じた基準電流Iref1を出力する。なお、第2のバイアス回路部6の構成も図3と同様であってもよい。
図4は、デジタル入力部2の構成例を示す図である。図4の例では、デジタル入力部2は、差動入力回路21、閾値電圧生成回路22、レベルシフト回路23、CMOSインバーター回路24を含んで構成されている。図4に示すように、デジタル入力部2は、MOSトランジスターを含む。すなわち、差動入力回路21、閾値電圧生成回路22、レベルシフト回路23、CMOSインバーター回路24は、MOSトランジスターを用いて構成されている。
差動入力回路21は、基準電流Iref1が供給され、差動入力対をなす2つのPMOSトランジスターのゲート端子にそれぞれ入力されるデジタル信号Sinの電圧と閾値電圧Vthとを比較し、比較結果を示す差動信号をレベルシフト回路23に出力する。
閾値電圧生成回路22は、電流源とNMOSトランジスターを用いて、電源電圧VDDを基に一定の閾値電圧Vthを生成する回路である。閾値電圧Vthは、NMOSトランジスターのゲートサイズ(W/L)や電流源の電流値に応じた所望の電圧、例えば、VDD/2よりも低い電圧に設定される。
レベルシフト回路23は、差動入力回路21による比較結果を示す差動信号に基づき、電源電位VDDをハイレベル、基準電位VSS(0V)をローレベルとする信号を生成する。具体的には、レベルシフト回路23は、デジタル信号Sinの電圧が閾値電圧Vthよりも高い時はローレベル(基準電位VSS(0V))、デジタル信号Sinの電圧が閾値電圧Vthよりも低い時はハイレベル(電源電位VDD)となるデジタル信号を生成し、CMOSインバーター回路24に出力する。
CMOSインバーター回路24は、レベルシフト回路23の出力信号の極性を反転させて出力する。具体的には、CMOSインバーター回路24は、レベルシフト回路23の出力信号がハイレベルの時はローレベル(基準電位VSS(0V))、レベルシフト回路23の出力信号がローレベルの時はハイレベル(電源電位VDD)となるデジタル信号S1を出力する。
このように構成されたデジタル入力部2は、デジタル信号Sinの電圧が閾値電圧Vthよりも高い時はハイレベル(電源電位VDD)、デジタル信号Sinの電圧が閾値電圧
Vthよりも低い時はローレベル(基準電位VSS(0V))となるデジタル信号S1を出力する。従って、デジタル信号Sinの振幅が閾値電圧Vthよりも大きく電源電圧VDD以下であれば、デジタル信号Sinのハイレベル/ローレベル判定を正しく行うことができるので、デジタル信号Sinの振幅の制約を小さくすることができる。また、差動入力回路21に一定の基準電流Iref1が常時流れるので、デジタル信号Sinの極性が変化する時に電源端子T1,T2に流れるピーク電流が小さく、ピーク電流によって発振回路部4に伝搬する雑音による発振信号Soutの変調のおそれを低減させることができる。
図5は、デジタル入力部2の他の構成例を示す図である。図5の例では、デジタル入力部2は、インバーター回路25、インバーター回路26、レベルシフト回路23、CMOSインバーター回路24を含んで構成されている。図5に示すように、デジタル入力部2は、MOSトランジスターを含む。すなわち、インバーター回路25、インバーター回路26、レベルシフト回路23、CMOSインバーター回路24は、MOSトランジスターを用いて構成されている。
インバーター回路25は、基準電流Iref1が供給され、NMOSトランジスターのゲート端子に入力されるデジタル信号Sinの電圧に応じて電圧(NMOSトランジスターのドレイン電圧)が変化する信号を出力する。具体的には、インバーター回路25は、デジタル信号Sinの電圧が高いほど、低い電圧の信号を出力する。
インバーター回路26は、NMOSトランジスターのゲート端子に入力されるインバーター回路25の出力電圧に応じて電圧(NMOSトランジスターのドレイン電圧)が変化する信号を出力する。具体的には、インバーター回路26は、インバーター回路25の出力電圧が高いほど、低い電圧の信号を出力する。
そして、デジタル信号Sinが閾値電圧Vthよりも高い場合は、インバーター回路25の出力信号の電圧がインバーター回路26の出力信号の電圧よりも低く、デジタル信号Sinが閾値電圧Vthよりも低い場合は、インバーター回路25の出力信号の電圧がインバーター回路26の出力信号の電圧よりも高くなる。閾値電圧Vthは、インバーター回路25のNMOSトランジスターのゲートサイズ(W/L)、インバーター回路26のNMOSトランジスターのゲートサイズ(W/L)や電流源の電流値に応じた所望の電圧、例えば、VDD/2よりも低い電圧に設定される。
レベルシフト回路23は、インバーター回路25の出力信号とインバーター回路26の出力信号に基づき、電源電位VDDをハイレベル、基準電位VSS(0V)をローレベルとする信号を生成する。具体的には、レベルシフト回路23は、インバーター回路25の出力電圧がインバーター回路26の出力電圧よりも低い時(デジタル信号Sinの電圧が閾値電圧Vthよりも高い時)はローレベル(基準電位VSS(0V))、インバーター回路25の出力電圧がインバーター回路26の出力電圧よりも高い時(デジタル信号Sinの電圧が閾値電圧Vthよりも低い時)はハイレベル(電源電位VDD)となるデジタル信号を生成し、CMOSインバーター回路24に出力する。
CMOSインバーター回路24は、レベルシフト回路23の出力信号の極性を反転させて、ハイレベルが電源電位VDD、ローレベルが基準電位VSS(0V)のデジタル信号S1を出力する。
このように構成されたデジタル入力部2は、デジタル信号Sinの電圧が閾値電圧Vthよりも高い時はハイレベル(電源電位VDD)、デジタル信号Sinの電圧が閾値電圧Vthよりも低い時はローレベル(基準電位VSS(0V))となるデジタル信号S1を
出力する。従って、デジタル信号Sinの振幅が閾値電圧Vthよりも大きく電源電圧VDD以下であれば、デジタル信号Sinのハイレベル/ローレベル判定を正しく行うことができるので、デジタル信号Sinの振幅の制約を小さくすることができる。また、差動入力回路21に一定の基準電流Iref1が常時流れるので、デジタル信号Sinの極性が変化する時に電源端子T1,T2に流れるピーク電流が小さく、ピーク電流によって発振回路部4に伝搬する雑音による発振信号Soutの変調のおそれを低減させることができる。さらに、図5の構成のデジタル入力部2は、図4の構成のデジタル入力部2と比較して、より少ない素子数で実現されるため、小型化に有利である。
図6(A)〜図6(C)は、閾値電圧VthがVDD/2よりも低い値に設定されている場合の、デジタル信号Sin(デジタル入力部2の入力信号)とデジタル信号S1(デジタル入力部2の出力信号)の波形の一例を示す図である。
図6(A)の例では、デジタル信号SinのハイレベルはVDD/2よりも高く、VDDよりも低い所定の電圧であり、デジタル信号Sinのローレベルは0Vである。また、図6(B)の例では、デジタル信号SinのハイレベルはVthよりも高く、VDD/2よりも低い所定の電圧であり、デジタル信号Sinのローレベルは0Vである。図6(C)の例では、デジタル信号SinのハイレベルはVDDであり、デジタル信号Sinのローレベルは0Vである。図6(A)〜図6(C)のいずれの例でも、デジタル信号S1のハイレベルはVDDであり、デジタル信号S1のローレベルは0Vとなる。
図7は、図2のデジタル演算部3の構成例を示す図である。図7の例では、デジタル演算部3は、ともに、VDDを電源電位、VSSを基準電位として動作するシリアルインターフェース回路32とD/A変換回路34とを含んで構成されている。
シリアルインターフェース回路32は、デジタル入力部2が出力するデジタル信号S1が入力され、デジタル信号S1に含まれるシリアルデータ信号をNビットのデータ信号にシリアル/パラレル変換し、D/A変換回路34に出力する。シリアルインターフェース回路32は、例えば、デジタル信号S1としてシリアルデータ信号とクロック信号が入力されるインターフェース回路(例えば、IC(Inter-Integrated Circuit)バス対応のインターフェース回路)であってもよいし、デジタル信号S1としてシリアルデータ信号、クロック信号及びチップセレクト信号が入力されるインターフェース回路(例えば、SPI(Serial Peripheral Interface)バス対応のインターフェース回路)であってもよい。
D/A変換回路34は、シリアルインターフェース回路32が出力するNビットのデータ信号をアナログ信号に変換して出力する。そして、デジタル演算部3は、D/A変換回路34の出力信号を制御信号S2として出力する。D/A変換回路34としては、よく知られている、抵抗分圧型(電圧分配型、抵抗ストリング型、あるいは電圧ポテンショメータ型とも呼ばれる)、抵抗ラダー型(R−2Rラダー型等)、容量アレイ型、デルタ・シグマ型などの種々のタイプのものを用いることができる。
図8は、図2の発振回路部4の構成例を示す図である。図8の例では、発振回路部4は、VSSを基準電位として第2のバイアス回路部6から供給される基準電流Iref2に応じて動作する増幅回路42と、VDDを電源電位、VSSを基準電位として動作する出力回路44とを含んで構成されている。
増幅回路42は、例えば、基準電流Iref2により動作するバイポーラトランジスターによって共振器7から出力される信号を増幅し、増幅した信号を共振器7に帰還させることで共振器7を共振させる。増幅回路42は、共振器7の負荷容量として機能する不図
示の可変容量素子を有しており、この可変容量素子の容量値は、デジタル演算部3が出力する制御信号S2によって制御される。そして、共振器7の発振周波数は、可変容量素子の容量値に応じて変化する。
出力回路44は、例えば、増幅回路42が増幅した信号(共振器7の入力信号)をバッファリングあるいはレベルシフトして発振信号Soutを生成し、出力する。出力回路44は、例えば、CMOSレベルの発振信号Soutを生成してもよいし、LVPECL(Low-Voltage Positive-referenced Emitter Coupled Logic)、LVDS(Low-Voltage Differential Signals)、HCSL(High-speed Current Steering Logic)等の規格のいずれかに対応した発振信号Soutを生成してもよい。
発振回路部4と共振器7によって構成される発振回路は、制御信号S2の電圧に応じた周波数の発振信号Soutを出力する電圧制御発振回路として機能する。
なお、本実施形態では、発振器1の用途等によって、電源電圧VDDは0.6V以上3.96V以下の範囲のいずれかの電圧である。一般的な降圧レギュレーター(降圧型コンバーター)が出力可能な電圧の下限値は0.6Vであり、本実施形態の発振器1は、この降圧レギュレーターの最小出力電圧(0.6V)を電源電圧VDDとして低消費電力動作し、例えばCMOSレベルの発振信号を出力する発振器であってもよい。従って、電源電圧VDDの下限値を0.6Vとしている。また、広く使用されている3.3V電源のうち出力電圧精度が3.3V±20%の電源の最大出力電圧(3.96V)を電源電圧VDDとして動作し、例えばLVPECLに対応した発振信号を出力する発振器であってもよい。従って、電源電圧VDDの上限値を3.96Vとしている。
以上に説明したように、第1実施形態の発振器1は、デジタル入力部2が、所定の基準電圧ではなく、第1のバイアス回路部5から供給される基準電流Iref1を基に、入力端子T3から入力されるデジタル信号Sinの電圧を閾値電圧Vthと比較し、デジタル信号Sinの電圧が閾値電圧Vthよりも高い時はローレベル、デジタル信号Sinの電圧が閾値電圧Vthよりも低い時はハイレベルと判定する。そして、閾値電圧VthをVDD/2よりも低い電圧にも設定可能であるため、発振器1の用途等によって決められた電源電圧VDDに対して、従来よりもデジタル信号Sinのハイレベル入力の許容範囲が広くなるように、その入力レベルの仕様を定義することが可能である。
図9は、デジタル信号Sinの入力レベルの仕様の一例について説明するための図である。本実施形態の発振器1では、デジタル信号Sinの入力レベルの仕様として、少なくとも、ハイレベルの最小入力電圧Hmin(ハイレベル入力として許容される下限電圧)とローレベルの最大入力電圧Lmax(ローレベル入力として許容される上限電圧)が規定される。図9の例では、ハイレベルの最小入力電圧Hminは、VDD/2よりも低く閾値電圧Vthよりも高い電圧値に規定され、ローレベルの最大入力電圧Lmaxは閾値電圧Vthよりも低い値に規定されている。
さらに、デジタル信号Sinの入力レベルの仕様として、ハイレベルの最大入力電圧Hmax(ハイレベル入力として許容される上限電圧)やローレベルの最小入力電圧Lmin(ローレベル入力として許容される下限電圧)が規定されてもよい。図9の例では、ハイレベルの最大入力電圧HmaxはVDDであり、ローレベルの最小入力電圧Lminは0Vである。
このように、本実施形態の発振器1では、デジタル信号Sinのハイレベルの入力範囲をVDD/2よりも低い所定の電圧以上VDD以下の範囲に規定することも可能であり、例えば、CMOS入力の発振器では0.7VDD以上VDD以下の範囲であるのと比較し
ても、その許容範囲を極めて広くすることができる。
従って、発振器1にデジタル信号Sinを出力するICが、Hminよりも高くVDD以下の電源電圧で動作する場合には、当該ICの内部においてレベルシフト回路によってデジタル信号Sinの振幅をVDDまで増大させる必要がないため、当該ICや発振器1の消費電力の増加や発振器1が受ける雑音の増加を抑制することができる。
なお、第1のバイアス回路部5が、外部のICの電源電圧と同じ電圧である基準電圧Vrefをデジタル入力部2に供給し、デジタル入力部2が、デジタル信号Sinの電圧のハイレベル/ローレベルを判定する回路構成にしても、当該ICの内部においてレベルシフト回路によってデジタル信号Sinの振幅をVDDまで増大させる必要がなくなるが、当該ICを電源電圧がVDDのICに置き換えることは、発振器1のデジタル入力部2における回路素子の破壊をもたらすおそれがあるため許容されない。これに対して、本実施形態の発振器1では、Hminよりも高くVDD以下の電源電圧で動作する任意のICを接続することができる。
また、本実施形態の発振器1によれば、デジタル入力部2に基準電流Iref1を供給する第1のバイアス回路部5と、発振回路部4に基準電流Iref2を供給する第2のバイアス回路部6とが分離されているので、デジタル入力部2で発生する雑音が発振回路部4に伝搬し、当該雑音により発振信号Soutが変調されるおそれを低減させることができる。
1−2.第2実施形態
第2実施形態の発振器は、第1実施形態と同様、外部端子から入力されるデジタル信号によって発振周波数が制御可能なデジタル制御発振器であり、第2実施形態の発振器において、第1実施形態と同様の構成要素には同じ符号を付し、以下では、重複する説明については省略し、第1実施形態との相違点を中心に説明する。図10は、第2実施形態の発振器の構成を示す図である。図10に示すように、第2実施形態の発振器1は、デジタル入力部2、デジタル演算部3、発振回路部4、第1のバイアス回路部5、第2のバイアス回路部6、レギュレーター8及び共振器7、並びに、これらの各構成要素が搭載されているパッケージ(容器)10を含んで構成される。デジタル入力部2、デジタル演算部3、発振回路部4、第1のバイアス回路部5、第2のバイアス回路部6及びレギュレーター8は、1つの集積回路(IC)で構成されていてもよいし、複数の集積回路(IC)に分かれて構成されていてもよいし、一部がディスクリート部品で構成されていてもよい。集積回路(IC)は、例えば、CMOSプロセスやBiCMOSプロセスにより製造される。なお、本実施形態の発振器1は、図10に示す構成要素の一部を省略又は変更し、あるいは、他の構成要素を付加した構成としてもよい。
第2実施形態の発振器1は、第1実施形態と同様に、パッケージ10の外面に設けられた高電源端子T1及び低電源端子T2からなる一対の電源端子間の電圧を電源電圧として動作する。高電源端子T1には電源電位VDDが供給され、低電源端子T2には基準電位VSSが供給される。
発振回路部4及び第2のバイアス回路部6の機能及び構成は、第1実施形態と同様である。
第1のバイアス回路部5は、電源電圧VDDを基に基準電流Iref1を生成し、デジタル入力部2に供給するとともに、基準電圧Vref1をレギュレーター8に供給する。
レギュレーター8は、第1のバイアス回路部5から供給される基準電圧Vref1に基
づき、電源電圧VDDから一定の電圧Vregを生成し、デジタル演算部3に出力する電圧レギュレーターである。
デジタル入力部2は、第1実施形態と同様に、電源電圧VDD及び第1のバイアス回路部5からの基準電流Iref1が供給され、パッケージ10の外面に設けられた入力端子T3を介して、発振器1の外部から発振回路部4の発振周波数を制御するためのデジタル信号Sinが入力され、デジタル信号S1を出力する。デジタル入力部2は、基準電流Iref1を基にデジタル信号Sinのハイレベル/ローレベルを判定し、ハイレベルの電圧値を電圧Vregにレベルシフトしてデジタル信号S1を生成する。
デジタル演算部3は、レギュレーター8から供給される電圧Vregを電源電圧(動作電圧)として、デジタル入力部2から出力されるデジタル信号S1に基づいて、発振回路部4の発振周波数を制御するための制御信号S2を生成し、発振回路部4に出力する。
図11は、第1のバイアス回路部5及びレギュレーター8の構成例を示す図である。図11の例では、第1のバイアス回路部5は、図3と同じ構成であり、バイアス電圧生成回路51に含まれるバイポーラトランジスターのベース電圧を基準電圧Vref1として出力する。また、レギュレーター8は、演算増幅器と抵抗による非反転増幅回路で構成されており、演算増幅器の出力電圧を一定電圧Vregとして出力する。
図12は、デジタル入力部2の構成例を示す図である。図12の例では、デジタル入力部2は、図4と同じく、差動入力回路21、閾値電圧生成回路22、レベルシフト回路23、CMOSインバーター回路24を含んで構成されている。差動入力回路21及び閾値電圧生成回路22の構成は図4と同じである。
レベルシフト回路23は、差動入力回路21による比較結果を示す差動信号に基づき、Vregをハイレベル、VSS(0V)をローレベルとする信号を生成する。具体的には、レベルシフト回路23は、デジタル信号Sinの電圧が閾値電圧Vthよりも高い時はローレベル(VSS(0V))、デジタル信号Sinの電圧が閾値電圧Vthよりも低い時はハイレベル(Vreg)となるデジタル信号を生成し、CMOSインバーター回路24に出力する。
CMOSインバーター回路24は、レベルシフト回路23の出力信号の極性を反転させて出力する。具体的には、CMOSインバーター回路24は、レベルシフト回路23の出力信号がハイレベルの時はローレベル(VSS(0V))、レベルシフト回路23の出力信号がローレベルの時はハイレベル(Vreg)となるデジタル信号S1を出力する。
このように構成されたデジタル入力部2は、デジタル信号Sinの電圧が閾値電圧Vthよりも高い時はハイレベル(Vreg)、デジタル信号Sinの電圧が閾値電圧Vthよりも低い時はローレベル(VSS(0V))となるデジタル信号S1を出力する。
図13は、デジタル入力部2の他の構成例を示す図である。図13の例では、デジタル入力部2は、図5と同じく、インバーター回路25、インバーター回路26、レベルシフト回路23、CMOSインバーター回路24を含んで構成されている。インバーター回路25及びインバーター回路26の構成は図5と同じである。
レベルシフト回路23は、インバーター回路25の出力信号とインバーター回路26の出力信号に基づき、Vregをハイレベル、VSS(0V)をローレベルとする信号を生成する。具体的には、レベルシフト回路23は、インバーター回路25の出力電圧がインバーター回路26の出力電圧よりも低い時(デジタル信号Sinの電圧が閾値電圧Vth
よりも高い時)はローレベル(VSS(0V))、インバーター回路25の出力電圧がインバーター回路26の出力電圧よりも高い時(デジタル信号Sinの電圧が閾値電圧Vthよりも低い時)はハイレベル(Vreg)となるデジタル信号を生成し、CMOSインバーター回路24に出力する。
CMOSインバーター回路24は、レベルシフト回路23の出力信号の極性を反転させて、ハイレベルがVreg、ローレベルがVSS(0V)のデジタル信号S1を出力する。
このように構成されたデジタル入力部2は、デジタル信号Sinの電圧が閾値電圧Vthよりも高い時はハイレベル(電源電位VDD)、デジタル信号Sinの電圧が閾値電圧Vthよりも低い時はローレベル(基準電位VSS(0V))となるデジタル信号S1を出力する。
第2実施形態の発振器1でも、第1実施形態と同様に、デジタル入力部2は、所定の基準電圧ではなく、第1のバイアス回路部5から供給される基準電流Iref1を基に、入力端子T3から入力されるデジタル信号Sinの電圧を閾値電圧Vthと比較し、デジタル信号Sinの電圧が閾値電圧Vthよりも高い時はローレベル、デジタル信号Sinの電圧が閾値電圧Vthよりも低い時はハイレベルと判定する。この閾値電圧Vthは、VDD/2よりも低い電圧にも設定可能であるため、デジタル信号Sinのハイレベルの最小入力電圧Hminを電源電圧VDDの1/2よりも低くすることもできる。すなわち、第2実施形態の発振器1によれば、第1実施形態と同様に、デジタル信号Sinのハイレベルの最大入力電圧HmaxをVDDにしながら、その最小入力電圧HminをVDD/2よりも低くすることができるため、デジタル信号Sinのハイレベル入力の許容範囲を広げることができる。
従って、第2実施形態の発振器1によれば、第1実施形態と同様に、Hminよりも高くVDD以下の電源電圧で動作する任意のICを接続することができ、当該ICの内部においてレベルシフト回路によってデジタル信号Sinの振幅をVDDまで増大させる必要がないため、当該ICや発振器1の消費電力の増加や発振器1が受ける雑音の増加を抑制することができる。
また、第2実施形態の発振器1によれば、第1実施形態と同様に、デジタル入力部2に基準電流Iref1を供給する第1のバイアス回路部5と、発振回路部4に基準電流Iref2を供給する第2のバイアス回路部6とが分離されているので、デジタル入力部2で発生する雑音が発振回路部4に伝搬し、当該雑音により発振信号Soutが変調されるおそれを低減させることができる。
また、第2実施形態の発振器1によれば、デジタル演算部3を電源電圧VDDよりも低い電圧Vregで動作させるので、第1実施形態よりも消費電力を低減させることができる。
1−3.変形例
第1実施形態又は第2実施形態の発振器1は、種々の変形実施が可能であり、以下に変形例の一部を示す。
例えば、上記の各実施形態の発振器1において、デジタル入力部2の構成例を示した図4又は図12の構成において、閾値電圧生成回路22をバンドギャップリファレンス(BGR:Band Gap Reference)回路を用いた構成にしてもよい。一例として、図14に、図14に示したデジタル入力部2において、閾値電圧生成回路22をバンドギャップリファ
レンス(BGR)回路を用いた構成に変更した構成を示す。図14において、差動入力回路21、レベルシフト回路23及びCMOSインバーター回路24の構成は、図4と同じである。
図14の例では、閾値電圧生成回路22は、電源電圧VDDを基にバンドギャップリファレンス(BGR)回路が生成した電圧を2つの抵抗で分圧しして閾値電圧Vthを生成している。閾値電圧Vthは、2つの抵抗の抵抗値の比(分圧比)に応じた所望の電圧、例えば、VDD/2よりも低い電圧に設定される。バンドギャップリファレンス(BGR)回路は、半導体のバンドギャップを利用して、電源電圧や温度の変動に対してもほとんど変動しない極めて安定した閾値電圧Vthを生成することができる。従って、閾値電圧Vthを低く設定しても差動入力回路21が正常に動作可能となり、ハイレベルが低い(振幅が小さい)デジタル信号Sinの入力も可能となる。
2.電子機器
図15は、本実施形態の電子機器の構成の一例を示す機能ブロック図である。本実施形態の電子機器300は、発振器310、CPU(Central Processing Unit)320、操作部330、ROM(Read Only Memory)340、RAM(Random Access Memory)350、通信部360、表示部370を含んで構成されている。なお、本実施形態の電子機器は、図15の構成要素(各部)の一部を省略又は変更し、あるいは、他の構成要素を付加した構成としてもよい。
発振器310は、共振器(不図示)と、共振器を共振させる発振用回路(不図示)と、発振用回路を制御するための制御用回路(不図示)とを内蔵しており、共振器の共振による発振信号を出力する。この発振信号は発振器310からCPU320に供給される。
CPU320は、ROM340等に記憶されているプログラムに従い、発振器310から入力される発振信号をクロック信号として各種の計算処理や制御処理を行う。具体的には、CPU320は、操作部330からの操作信号に応じた各種の処理、外部装置とデータ通信を行うために通信部360を制御する処理、表示部370に各種の情報を表示させるための表示信号を送信する処理等を行う。
操作部330は、操作キーやボタンスイッチ等により構成される入力装置であり、ユーザーによる操作に応じた操作信号をCPU320に出力する。
ROM340は、CPU320が各種の計算処理や制御処理を行うためのプログラムやデータ等を記憶している。
RAM350は、CPU320の作業領域として用いられ、ROM340から読み出されたプログラムやデータ、操作部330から入力されたデータ、CPU320が各種プログラムに従って実行した演算結果等を一時的に記憶する。
通信部360は、CPU320と外部装置との間のデータ通信を成立させるための各種制御を行う。
表示部370は、LCD(Liquid Crystal Display)等により構成される表示装置であり、CPU320から入力される表示信号に基づいて各種の情報を表示する。表示部370には操作部330として機能するタッチパネルが設けられていてもよい。
発振器310として例えば上述した各実施形態の発振器1や各変形例の発振器1を適用することにより、信頼性の高い電子機器を実現することができる。
このような電子機器300としては種々の電子機器が考えられ、例えば、パーソナルコンピューター(例えば、モバイル型パーソナルコンピューター、ラップトップ型パーソナルコンピューター、タブレット型パーソナルコンピューター)、スマートフォンや携帯電話機などの移動体端末、ディジタルカメラ、インクジェット式吐出装置(例えば、インクジェットプリンター)、デジタルPLL(Phase Locked Loop)、通信ネットワーク機器(例えば、ルーターやスイッチなどのストレージエリアネットワーク機器、ローカルエリアネットワーク機器)、移動体端末基地局用機器、テレビ、ビデオカメラ、ビデオレコーダー、カーナビゲーション装置、リアルタイムクロック装置、ページャー、電子手帳(通信機能付も含む)、電子辞書、電卓、電子ゲーム機器、ゲーム用コントローラー、ワードプロセッサー、ワークステーション、テレビ電話、防犯用テレビモニター、電子双眼鏡、POS端末、医療機器(例えば電子体温計、血圧計、血糖計、心電図計測装置、超音波診断装置、電子内視鏡)、魚群探知機、各種測定機器、計器類(例えば、車両、航空機、船舶の計器類)、フライトシミュレーター、ヘッドマウントディスプレイ、モーショントレース、モーショントラッキング、モーションコントローラー、PDR(歩行者位置方位計測)等が挙げられる。
本実施形態の電子機器300の一例として、上述した発振器310を基準信号源、あるいは電圧可変型発振器(VCO)等として用いて、例えば、端末と有線または無線で通信を行う端末基地局用装置等として機能する伝送装置が挙げられる。本実施形態の電子機器300は、発振器310として、例えば上述した各実施形態の発振器1や各変形例の発振器1を適用することにより、例えば通信基地局などに利用可能な、高性能、高信頼性を所望される伝送機器にも適用することができる。
3.移動体
図16は、本実施形態の移動体の一例を示す図(上面図)である。図16に示す移動体400は、発振器410、エンジンシステム、ブレーキシステム、キーレスエントリーシステム等の各種の制御を行うコントローラー420,430,440、バッテリー450、バックアップ用バッテリー460を含んで構成されている。なお、本実施形態の移動体は、図16の構成要素(各部)の一部を省略し、あるいは、他の構成要素を付加した構成としてもよい。
発振器410は、共振器(不図示)と、共振器を共振させる発振用回路(不図示)と、発振用回路を制御するための制御用回路(不図示)とを内蔵しており、共振器の共振による発振信号を出力する。この発振信号は発振器410からコントローラー420,430,440に供給され、例えばクロック信号として用いられる。
バッテリー450は、発振器410及びコントローラー420,430,440に電力を供給する。バックアップ用バッテリー460は、バッテリー450の出力電圧が閾値よりも低下した時、発振器410及びコントローラー420,430,440に電力を供給する。
発振器410として例えば上述した各実施形態の発振器1や各変形例の発振器1を適用することにより、信頼性の高い移動体を実現することができる。
このような移動体400としては種々の移動体が考えられ、例えば、自動車(電気自動車も含む)、ジェット機やヘリコプター等の航空機、船舶、ロケット、人工衛星等が挙げられる。
本発明は本実施形態に限定されず、本発明の要旨の範囲内で種々の変形実施が可能であ
る。
上述した実施形態および変形例は一例であって、これらに限定されるわけではない。例えば、各実施形態および各変形例を適宜組み合わせることも可能である。
本発明は、実施の形態で説明した構成と実質的に同一の構成(例えば、機能、方法及び結果が同一の構成、あるいは目的及び効果が同一の構成)を含む。また、本発明は、実施の形態で説明した構成の本質的でない部分を置き換えた構成を含む。また、本発明は、実施の形態で説明した構成と同一の作用効果を奏する構成又は同一の目的を達成することができる構成を含む。また、本発明は、実施の形態で説明した構成に公知技術を付加した構成を含む。
1 発振器、2 デジタル入力部、3 デジタル演算部、4 発振回路部、5 第1のバイアス回路部、6 第2のバイアス回路部、7 共振器、8 レギュレーター、10 パッケージ、21 差動入力回路、22 閾値電圧生成回路、23 レベルシフト回路、24 CMOSインバーター回路、25 インバーター回路、26 インバーター回路、32 シリアルインターフェース回路、34 D/A変換回路、42 増幅回路、44 出力回路、51 バイアス電圧生成回路、52 定電流源、300 電子機器、310 発振器、320 CPU、330 操作部、340 ROM、350 RAM、360 通信部、370 表示部、400 移動体、410 発振器、420,430,440 コントローラー、450 バッテリー、460 バックアップ用バッテリー

Claims (8)

  1. 入力端子と、
    共振器を共振させて発振信号を出力する発振回路部と、
    前記入力端子を介して、前記発振回路部の発振周波数を制御するためのデジタル信号が入力されるデジタル入力部と、
    前記デジタル入力部に基準電流を供給する定電流源を含む第1のバイアス回路部と、を含む、発振器。
  2. 前記発振回路部に電流及び電圧の少なくとも何れかを供給する第2のバイアス回路部を含む、請求項1に記載の発振器。
  3. 前記デジタル入力部は、MOSトランジスターを含む、請求項1又は2に記載の発振器。
  4. 前記デジタル入力部は、前記デジタル信号の電圧を変換するレベルシフト回路を含む、請求項1乃至3のいずれか一項に記載の発振器。
  5. 前記デジタル入力部からの出力信号に基づいて、前記発振回路部の発振周波数を制御するための信号を生成するデジタル演算部を含む、請求項1乃至4のいずれか一項に記載の発振器。
  6. 前記デジタル演算部に電力を供給するレギュレーターを含む、請求項5に記載の発振器。
  7. 請求項1乃至6のいずれか一項に記載の発振器を備えている、電子機器。
  8. 請求項1乃至6のいずれか一項に記載の発振器を備えている、移動体。
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