JP3171963B2 - 半導体集積回路 - Google Patents

半導体集積回路

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JP3171963B2
JP3171963B2 JP30212292A JP30212292A JP3171963B2 JP 3171963 B2 JP3171963 B2 JP 3171963B2 JP 30212292 A JP30212292 A JP 30212292A JP 30212292 A JP30212292 A JP 30212292A JP 3171963 B2 JP3171963 B2 JP 3171963B2
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  • Oscillators With Electromechanical Resonators (AREA)
  • Inductance-Capacitance Distribution Constants And Capacitance-Resistance Oscillators (AREA)
  • Stabilization Of Oscillater, Synchronisation, Frequency Synthesizers (AREA)

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】この発明は電池を電源とする時計
用等の半導体集積回路に係り、特に水晶発振回路を内蔵
した半導体集積回路に関する。
【0002】
【従来の技術】従来の時計用半導体集積回路のブロック
図を図4に示す。この半導体集積回路は例えば約 1.5V
の電池電圧V1で駆動されるようになっており、水晶発
振回路50で発生されるクロックパルスは分周回路51に供
給される。この分周回路51は複数の分周段からなり、上
記クロックパルスを分周することによって各分周段から
CPU52及び昇圧回路53でそれぞれ必要とする周波数の
クロックパルスを発生する。昇圧回路53は電池電圧を約
2倍に昇圧して 3.0V程度の電圧V2を発生し、液晶表
示駆動回路54に供給する。CPU52は演算処理により表
示データを発生し、この表示データは表示駆動回路54に
供給される。表示駆動回路54は上記電池電圧V1、昇圧
された電圧V2、0Vの接地電圧及び表示データから表
示駆動信号を発生し、この表示駆動信号に基づいて図示
しない液晶表示器で表示データに対応する文字、図形が
表示される。
【0003】ところで、上記水晶発振回路50は一般に図
5に示すように構成されており、水晶振動子61が外部端
子62と63との間に外付けされるようになっている。そし
て、この水晶発振回路の出力fout が上記クロックパル
スとして上記分周回路51に供給される。
【0004】ところで、上記水晶発振回路で使用されて
いるCMOS型のインバータアンプ64はP及びNチャネ
ルMOSトランジスタから構成されている。このP及び
NチャネルMOSトランジスタの閾値電圧は設計値から
ずれて製造されることが多々ある。そこで、水晶発振回
路を含む集積回路に使用される全てのMOSトランジス
タに要求される共通のスペック(規格)を設定し、これ
に基づいて集積回路の選別を行っている。この閾値電圧
のスペックはP及びNチャネル共に通常、 0.4〜 1.1V
である。
【0005】図6はP及びNチャネルMOSトランジス
タの閾値電圧をそれぞれ|VthP|、VthNとし、閾値
電圧のスペックの範囲を図示したものである。図におい
て、四角状の領域aは上記スペック 0.4〜 1.1Vの範囲
を示している。
【0006】
【発明が解決しようとする課題】しかし、水晶発振回路
に使用されるインバータアンプについてはスペックが厳
しく制限される。以下、このスペックを制限する要因を
説明する。水晶発振回路は発振開始電圧Vsta 以上の値
の電圧を供給すれば発振動作を開始し、発振を開始した
後は上記Vsta よりも低い値の発振維持電圧Vholdを供
給しておけば発振を維持させることができる。そして、
このVsta 及びVholdとインバータアンプのP及びNチ
ャネルMOSトランジスタの閾値電圧の和であるΣVth
(=|VthP|+VthN)との間には図7に示すような
比例関係がある。図7より、ΣVthが高くなるとVsta
とVholdは共に高くなり、また常に任意のΣVthに対し
てVsta >Vholdの関係があることが解る。
【0007】従って、水晶発振回路に供給できる電圧値
からVsta が制限され、Vsta によりΣVthが制限され
る。ここで、前記図4中の水晶発振回路50に供給される
電圧が電池電圧V1の約 1.5Vである場合、スペック上
のVsta は余裕を持たせて1.4Vとなる。そして、Vsta
に対応するΣVthの値をΣVmax とすると、Vsta が
1.4Vである場合のΣVmax は1.75V程度になる。
【0008】したがって、しきい値電圧VthNと|Vth
P|が共に図6中の領域aで示されるスペック 0.4〜
1.1Vに入るものであっても、その和であるΣVthが上
記ΣVmax を越えるインバータアンプを使用した水晶発
振回路は発振しなくなる。そこで、このΣVmax が水晶
発振回路に使用するインバータアンプのスペックとして
必要となる。
【0009】図6において、直線bはこのΣVmax を示
す|VthP|+VthN=1.75V上の直線である。そし
て、図中に斜線を施した領域cは|VthP|とVthNが
共に領域aに入るものであっても、ΣVthがΣVmax を
越えている領域であり、この領域に相当するΣVthを持
つインバータアンプを使用した水晶発振回路は電池電圧
では発振しないために不良品となる。従って、水晶発振
回路を搭載する半導体集積回路の歩留まりを悪くすると
いう問題がある。
【0010】この発明は上記のような事情を考慮してな
されたものであり、その目的は製造時のばらつきにより
発振開始電圧が電池電圧より高くなった水晶発振回路で
も発振させることができ、もって歩留まりを向上させる
ことができる電池駆動の半導体集積回路を提供すること
にある。
【0011】
【課題を解決するための手段】この発明による半導体集
積回路は、電源電圧が印加されて発振を開始する第1の
発振回路と、上記第1の発振回路の出力信号を分周する
分周回路と、上記分周回路の出力信号を用いて電源電圧
よりも高い電圧を出力する昇圧回路と、上記昇圧回路の
出力電圧が印加されて発振を開始する第2の発振回路
と、上記第2の発振回路が発振を開始した後に上記第1
の発振回路の発振を停止させる手段と、上記第2の発振
回路が発振を開始した後に上記分周回路に入力する信号
を上記第1の発振回路の出力信号から第2の発振回路の
出力信号に切換える手段と、上記第2の発振回路が発振
を開始した後に上記第2の発振回路に印加する電圧を上
記昇圧回路の出力電圧から電源電圧に切換える手段とを
具備することを特徴とする。
【0012】
【作用】発振開始電圧が電源電圧よりも高い特性を持つ
発振回路を発振させる作用がある。
【0013】
【実施例】以下図面を参照してこの発明を実施例により
説明する。
【0014】図1はこの発明を時計用半導体集積回路に
実施した第1の実施例回路のブロック図である。図にお
いて、水晶発振回路10は電源切換回路11から供給される
電圧によって動作し、クロックパルスを発生する。この
クロックパルスはクロックドインバータ12を介して分周
回路13に供給される。この分周回路13は複数の分周段を
有し、各分周段からCPU14、昇圧回路15、発振検出回
路16及びタイマ回路17でそれぞれ必要とする周波数のク
ロックパルスを発生する。
【0015】昇圧回路15は上記分周回路13から供給され
るクロックパルスに基づき電池電圧V1を昇圧し、V1
よりも高い電圧V2を発生する。この電圧V2は液晶表
示駆動回路18及び上記電源切換回路11に供給される。ま
た、液晶表示駆動回路18及び電源切換回路11には電池電
位V1も供給されている。CPU14は上記分周回路13か
ら出力されるクロックパルスを同期信号として用いて演
算処理を行って表示データ発生する。この表示データは
液晶駆動回路18に供給され、文字、図形等の表示を行う
ための表示駆動信号を発生する。この表示駆動信号が図
示しない液晶表示器に供給されることにより、文字、図
形等の表示が行われる。
【0016】一方、発振検出回路16は上記分周回路13か
らクロックパルスが出力されていることを検出するもの
であり、その検出信号はタイマ回路17に供給される。タ
イマ回路17は上記検出信号に基づいてタイマ信号を発生
する。このタイマ信号は上記電源切換回路11及びCR発
振回路19に制御信号として供給される。さらに、タイマ
回路38から出力されるタイマ信号はクロックドインバー
タ20のクロック入力端子及びインバータ21に供給され
る。
【0017】上記インバータ21の出力信号は上記クロッ
クドインバータ12のクロック入力端子に供給される。上
記CR発振回路19は電池電圧V1を電源とし、上記タイ
マ信号によって動作が制御され、動作時にクロックパル
スを発生する。このCR発振回路19から出力されるクロ
ックパルスは上記クロックドインバータ20を介して上記
分周回路13に供給される。
【0018】次に上記構成でなる回路の動作を説明す
る。いま、電池電圧V1の値が例えば1.5Vであるとす
る。電池電圧V1が各回路に供給された直後では、タイ
マ回路17でタイマ信号が“H”レベルに設定される。こ
の信号が“H”レベルのときはクロックドインバータ20
が動作可能な状態となる。また、他方のクロックドイン
バータ12は非動作状態になる。さらにCR発振回路40は
上記タイマ信号が“H”レベルのときに発振可能な状態
となる。従って、電池電圧V1の供給後、その値が発振
開始電圧Vsta ( 0.6〜 0.7V)を越えたときに、CR
発振回路19は発振動作を開始し、動作可能状態になって
いるクロックドインバータ20を介してクロックパルスが
分周回路13に供給される。分周回路13はこのクロックパ
ルスを分周し、各分周段から所定周波数のクロックパル
スを出力する。ところで、上記CR発振回路19の発振周
波数は回路定数により任意に設定できるものであるが、
昇圧回路15の昇圧効率と分周回路13の分周値に応じてそ
の値が決定される。昇圧回路15は分周回路13から出力さ
れるクロックパルスを制御信号として用いて、 1.5Vの
電池電圧V1を2倍の約 3.0Vに昇圧して電圧V2を出
力する。
【0019】一方、電源切換回路11は電源が投入された
直後では上記電圧V2を選択して水晶発振回路10に供給
している。従って、水晶発振回路10は、昇圧回路15の出
力電圧が上昇し、発振開始電圧Vsta 以上になった時点
で発振動作を開始する。ここで例えばVsta が約 1.2V
であるとすれば、V2がこの値になった後に水晶発振回
路10は発振を開始し、クロックパルスを発生する。
【0020】発振検出回路16は、分周回路13でクロック
パルスの発生が開始されると、これを検出して。検出信
号を上記タイマ回路17に供給する。タイマ回路17はこの
検出信号が入力されると、予め設定された昇圧回路15の
出力電圧V2が十分に安定にするのに必要な時間を分周
回路13からのクロックパルスをカウントすることによっ
て計時し、所定数のクロックパルスのカウントを完了す
ると、タイマ回路17は上記タイマ信号の論理レベルを
“H”から“L”に反転させる。
【0021】タイマ回路38のタイマ信号が“L”レベル
に変わると、電源切換回路11はいままで選択していた昇
圧電圧V2から電池電圧V1に切換え、水晶発振回路10
に出力する。水晶発振回路10の発振開始電圧Vsta は上
記のように 1.2Vであり、この程度のVsta を持つ水晶
発振回路の発振維持電圧は 1.0V程度となり、電源切換
回路11から供給される電圧がV1の約 1.5Vに低下して
も、水晶発振回路10はそのまま発振し続けることができ
る。
【0022】また、タイマ回路17の出力信号が“L”レ
ベルになると、CR発振回路19は発振動作を停止する。
さらに、クロックドインバータ20は動作不能状態にな
り、代わりにクロックドインバータ12が動作可能な状態
になる。このため、今までCR発振回路19から出力され
ていたクロックパルスに代わって水晶発振回路10から出
力されるクロックパルスが分周回路13に供給されること
になる。
【0023】CPU14は分周回路13から出力されるクロ
ックパルスに同期して動作し、液晶表示駆動回路18に入
力するための表示データを一定時間ごとに演算して供給
する。液晶表示駆動回路18は供給されている3種類の値
の電圧、すなわちV1、V2および0Vの接地線電圧と
上記表示データとを用いて表示駆動信号を発生する。そ
して、この表示駆動信号は図示しない液晶表示器に供給
され、この表示駆動信号に対応する文字、図形が表示さ
れることになる。
【0024】この実施例回路では、水晶発振回路10で発
振を開始させる際には電池電圧よりも高い電圧を供給
し、発振後は電池電圧をそのまま供給している。このた
め、発振維持電圧Vholdが電池電圧以下であれば電池電
圧より高い発振開始電圧Vstaを持つ水晶発振回路でも
発振させることができる。
【0025】ところで、前記図7で説明したように、水
晶発振回路で使用されるインバータアンプを構成してい
るP及びNチャネルMOSトランジスタの閾値電圧の和
であるΣVthが高くなると発振開始電圧Vsta も高くな
る。
【0026】従って、この実施例回路では水晶発振回路
が発振可能な上記ΣVthの上限値は電池電圧により発振
を開始させる場合に比べて高くなる。この結果、製造上
のばらつきによりインバータアンプのΣVthが高くな
り、電池電圧では発振不可能だった水晶発振回路も発振
可能となり、水晶発振回路を搭載する半導体集積回路の
歩留まりが向上する。
【0027】図2はこの発明を時計用半導体集積回路に
実施した場合の第2の実施例回路ののブロック図であ
る。なお、図1と対応する箇所には同じ符号を付して説
明を行う。この実施例回路では、図1の実施例回路に対
して新たに電圧レギュレータ22ともう一つの分周回路
23が追加され、前記電源切換回路11、発振検出回路1
6、タイマ回路17、クロックドインバータ12、20及びイ
ンバータ21が取り除かれる。
【0028】上記電圧レギュレータ22は例えば1.3V
の電池電圧V1から例えば 1.1V程度の安定した電圧V
1′を出力する。この電圧V1′は前記分周回路13、C
PU14、昇圧回路15、液晶表示駆動回路18、CR発振回
路19及び新たに追加された分周回路23に供給される。一
方、水晶発振回路10には、昇圧回路15の昇圧出力電圧V
2が供給される。また、この昇圧出力電圧V2は液晶表
示駆動回路18にも供給される。
【0029】上記構成でなる集積回路に電池電圧V1を
供給すると、電圧レギュレータ22からは 1.1V程度の安
定した電圧V1′が出力される。いま、CR発振回路19
の発振開始電圧Vsta が例えば 0.6〜 0.7V程度である
とすると、電池電圧V1が供給され、電圧V1′が 1.1
VになるまでにCR発振回路19が発振動作を開始し、ク
ロックパルスを発生する。
【0030】分周回路13は上記クロックパルスを分周し
て昇圧回路15に供給する。昇圧回路15は分周されたクロ
ックパルスを用いて、約 1.1Vの電圧V1′を2倍に昇
圧して約 2.2Vの電圧V2を発生する。この電圧V2は
水晶発振回路10と液晶表示駆動回路18に供給される。し
たがって、発振開始電圧Vsta が 2.2V以下にされてい
るならば、水晶発振回路10はこの電圧V2が供給される
ことによって発振動作を開始する。ここではVsta は例
えば1.35Vであり、水晶発振回路10は発振を開始し、ク
ロックパルスを発生する。
【0031】分周回路23は上記水晶発振回路10から出力
されるクロックパルスを分周してCPU14に供給する。
CPU14は分周回路23からのクロックパルスを同期信号
として用いて、液晶表示駆動回路18に供給するための表
示データ一定時間ごとに演算する。液晶表示駆動回路18
は、供給されている3種類の値の電圧、すなわちV
1′、V2、0Vの接地線電圧及び表示データを用いて
表示駆動信号を発生する。そして、この表示駆動信号に
対応する文字、図形等が図示しない液晶表示器で表示さ
れる。
【0032】この実施例回路の場合にも、水晶発振回路
10を発振させる際には電池電圧よりも高い電圧を供給し
ている。従って、電池電圧をそのまま供給するときには
発振しなかった水晶発振回路も発振可能となり、水晶発
振回路を搭載する半導体集積回路の歩留まりが向上す
る。また、この実施例回路では水晶発振回路10に対し、
発振開始後も発振開始時と同様に電池電圧よりも高い電
圧を供給し続けるため、電池電圧が降下して水晶発振回
路10の発振維持電圧よりも低くなっても発振を維持でき
る。従って、水晶発振回路の発振維持に電池電圧そのも
のを供給する従来回路に比べて電池の寿命が伸びる。
【0033】次にこの第3の実施例について説明する。
図3はこの発明を時計用半導体集積回路に実施したブロ
ック図であり、前記図1及び図2と対応する箇所には同
じ符号を付して説明を行う。
【0034】この実施例回路では図1及び図2の実施例
回路に対し、新たに電圧検知回路24、信号切換回路25、
ORゲート回路26、ANDゲート回路27及びNORゲー
ト回路28が追加されている。上記電圧検知回路24は電池
電圧V1の値を検出し、これが水晶発振回路10の発振維
持電圧Vholdを越えているか否かに応じた検出信号を発
生する。この信号はORゲート回路26、ANDゲート回
路27、NORゲート回路28及び水晶発振回路10に供給さ
れる。
【0035】発振検出回路16は分周回路23でクロックパ
ルスが発生されていることを検出すし、その検出信号は
ORゲート回路26、ANDゲート回路27及びNORゲー
ト回路28に供給される。信号検出回路25は上記ORゲー
ト回路26の出力信号を受け、この信号に応じて分周回路
13又は分周回路23から出力されるクロックパルスを選択
し、昇圧回路15に供給する。電源切換回路11は上記OR
ゲート回路27の出力信号に基づいて、上記昇圧回路15の
昇圧出力電圧V2及び電池電圧V1を選択して水晶発振
回路10に出力する。
【0036】電圧レギュレータ22、CR発振回路19及び
分周回路13には上記NORゲート回路28の出力信号が供
給されており、これら回路22、19及び13の動作がNOR
ゲート回路28の出力信号に基づいて制御される。
【0037】このような構成において、 1.5Vの電池電
圧V1が供給された場合、電圧V1が供給された直後で
は水晶発振回路10は動作しておらず、分周回路23はクロ
ックパルスを出力していないので、発振検出回路16の出
力信号は“H”レベルになる。このとき、電池電圧V1
の値は 1.5Vであり、水晶発振回路10の発振維持電圧V
holdを越えているため、電圧検知回路回路24の出力信号
は“L”レベルになる。このとき、NORゲート回路28
の出力信号は“L”レベルとなり、電圧レギュレータ2
2、CR発振回路19及び分周回路13がそれぞれ動作可能
な状態になる。すなわち、電圧レギュレータ22からは電
圧V1よりもわずかに低い安定した電圧V1′が出力さ
れ、この電圧V1′を受けてCR発振回路19が発振動作
を開始してクロックパルスを発生し、このクロックパル
スが分周回路13で分周される。
【0038】一方、信号切換回路25はORゲート回路26
の出力信号が“H”レベルのときには上記分周回路13か
ら出力される分周されたクロックパルスを選択する。そ
して、このクロックパルスが供給されることにより昇圧
回路15が動作を開始し、電池電圧V1が約2倍に昇圧さ
れて電圧V2が得られる。電源切換回路11はANDゲー
ト回路27の出力信号が“H”レベルのときは昇圧電圧V
2を、“L”レベルのときは電池電圧V1を選択する機
能を有している。このとき、ANDゲート回路27の出力
信号は“H”レベルなので、電源切換回路11は電池電圧
V1を選択出力している。この電圧V1が供給されるこ
とにより、水晶発振回路10が発振動作を開始し、これに
より分周回路23、CPU14及び液晶表示駆動回路18が動
作する。一方、分周回路23が動作してクロックパルスの
発生が発振検出回路16で検出されると、この発振検出回
路16の出力信号が“L”レベルとなり、これによりNO
Rゲート回路28の出力信号が“H”レベルとなり、この
結果、電圧レギュレータ22、CR発振回路19及び分周回
路13はそれぞれ動作しなくなる。また、発振検出回路16
の出力信号が“L”レベルになり、ORゲート回路26の
出力信号が“L”レベルになると、信号切換回路25は分
周回路13に代わって分周回路23から出力されるクロック
パルスを選択する。従って、この後、昇圧回路15は分周
回路23の出力によって動作する。
【0039】次に電圧V1が供給されたときにこの値が
水晶発振回路10の発振維持電圧Vholdよりも低い場合、
発振検出回路16の出力信号は“H”レベル、電圧検知回
路24の出力信号も“H”レベルとなり、NORゲート回
路28の出力信号は“L”レベルとなり、電圧レギュレー
タ22、CR発振回路19及び分周回路13がそれぞれ動作可
能な状態になる。また、ORゲート回路26の出力信号は
“H”レベルなので、信号切換回路25により分周回路13
の出力が選択され、昇圧回路15に供給される。また、A
NDゲート回路27の出力信号は“H”レベルなので、電
源切換回路11は昇圧回路15の出力電圧V2を選択し、水
晶発振回路10に供給する。
【0040】従って、電圧レギュレータ22、CR発振回
路19及び分周回路13が動作し続けるのは、電池電圧V1
が水晶発振回路10の発振維持電圧Vholdよりも低い場
合、つまり電圧検知回路24の出力信号が“H”レベルの
ときである。
【0041】なお、水晶発振回路10に電圧検知回路24の
出力信号が供給されているのは、電池電圧V1で動作す
る場合と比べて動作電圧が高くなる、昇圧回路15の出力
電圧V2で動作するときに、内部のインバータアンプの
gm値が小さくなるように制御して消費電流を削減する
ためである。
【0042】このように上記実施例回路によれば、電池
電圧V1が水晶発振回路10の発振維持電圧Vholdよりも
低下し、さらにCR発振回路19の最低動作電圧まで下が
っても動作可能となる。なお、この発明は時計用集積回
路のみではなく、水晶発振回路を用いる他の用途の集積
回路に実施することが可能である。
【0043】
【発明の効果】以上説明したように、この発明によれば
製造時のばらつきにより発振開始電圧が電池電圧より高
くなった水晶発振回路でも発振させることができる電池
駆動の半導体集積回路を提供でき、半導体集積回路の歩
留まりが向上する。
【図面の簡単な説明】
【図1】この発明の第1の実施例を示すブロック図。
【図2】この発明の第2の実施例を示すブロック図。
【図3】この発明の第3の実施例を示すブロック図。
【図4】従来の時計用集積回路のブロック図。
【図5】図4の集積回路で使用される水晶発振回路の回
路図。
【図6】図5に示す水晶発振回路で使用されるインバー
タアンプを構成するP及びNチャネルMOSトランジス
タの閾値電圧の規格を示す図。
【図7】ΣVthに対するVsta とVholdの関係図。
【符号の説明】
10…水晶発振回路、11…電源切換回路、13…分周回路、
14…CPU、15…昇圧回路、16…発振検出回路、17…タ
イマ回路、18…液晶表示駆動回路、19…CR発振回路、
22…電圧レギュレータ、23…分周回路、24…電圧検知回
路、25…信号切換回路。
フロントページの続き (72)発明者 黒田 正 神奈川県川崎市川崎区駅前本町25番地1 東芝マイクロエレクトロニクス株式会 社内 (56)参考文献 特開 昭60−27206(JP,A) 特開 平1−282926(JP,A) 特開 平4−320366(JP,A) 特開 平4−158419(JP,A) 特開 平3−53705(JP,A) 特開 昭56−23005(JP,A) 特開 平1−161906(JP,A) 特開 昭52−16151(JP,A) (58)調査した分野(Int.Cl.7,DB名) H03L 3/00 H03B 5/32 G06F 1/04

Claims (2)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 電源電圧が印加されて発振を開始する第
    1の発振回路と、上記第1の発振回路の出力信号を分周する分周回路と、 上記分周回路 の出力信号を用いて電源電圧よりも高い電
    圧を出力する昇圧回路と、 上記昇圧回路の出力電圧が印加されて発振を開始する第
    2の発振回路と、 上記第2の発振回路が発振を開始した後に上記第1の発
    振回路の発振を停止させる手段と、 上記第2の発振回路が発振を開始した後に上記分周回路
    に入力する信号を上記第1の発振回路の出力信号から第
    2の発振回路の出力信号に切換える手段と、 上記第2の発振回路が発振を開始した後に上記第2の発
    振回路に印加する電圧を上記昇圧回路の出力電圧から電
    源電圧に切換える手段 とを具備することを特徴とする半
    導体集積回路。
  2. 【請求項2】電源電圧を入力として安定した電圧を上記
    第1の発振回路に印加する電圧レギュレーターさらに
    具備することを特徴とする請求項1に記載の半導体集積
    回路。
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