JP3434774B2 - 水晶発振器 - Google Patents
水晶発振器Info
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Description
し、特に、アナログ回路と共に使用される水晶発振器に
関する。
して、例えば特開平5−235641号公報に記載され
た、発振用増幅素子の増幅率を変化させる水晶発振器が
知られている。図5は、従来例の水晶発振器の構成図で
ある。従来例の水晶発振器は、増幅素子としてのCMO
SインバータINV1と、やはり増幅素子としての3ス
テート型CMOSインバータINV2と、水晶振動子X
TALと、帰還用の抵抗R1と、コンデンサC1、C2
とから構成されている。インバータINV1とインバー
タINV2とは並列接続され、さらに入力端と出力端と
の間に抵抗R1と水晶振動子XTALとが並列に接続さ
れている。また、コンデンサC1、C2のそれぞれの一
端は低電位側電源VSSに接続され、コンデンサC1の
他端はインバータINV1及びINV2の入力端に接続
され、コンデンサC2の他端はインバータINV1及び
INV2の出力端に接続されている。そして、インバー
タINV2は、増幅率制御信号によりオンオフ制御され
る。例えば、増幅率制御信号を論理Lレベルとすればイ
ンバータINV1のみが動作し、増幅率制御信号を論理
HレベルとすればインバータINV1及びINV2が同
時に動作し、等価的な増幅率を変化させることができ、
発振周波数に対して必要以上の増幅率とならないように
制御することで、インバータの貫通電流による電源雑音
の増大を抑制している。
た従来例の水晶発振器は、電源電圧が高くなるほど電源
雑音が増大するという問題があった。図6は、従来例の
水晶発振器の電源雑音の評価結果の説明図であり、水晶
振動子XTALの共振周波数=20MHz、R1=1M
Ω、C1、C2=20PFとした場合の、発振出力VO
SCと電源電流IDDとを示している。図6(a)は、
INV2はオフ状態、高電位側電源VDD=1.6V、
低電位側電源VSS=0Vの場合であり、図6(b)
は、INV2はオン状態、高電位側電源VDD=3.3
V、低電位側電源VSS=0Vの場合である。電源電流
の変化率(以下、ΔIDD/ΔTとする)は、図6
(a)では、ΔIDD/ΔT=1mA/0.25nSで
あり、図6(b)では、ΔIDD/ΔT=8mA/0.
25nSであり、通常、半導体集積回路装置では、ボン
ディングワイヤは1nH/1mm程度のインダクタンス
Lを有するため、電源雑音電圧Vn=−L×(ΔIDD
/ΔT)が発生する。例えばボンディングワイヤ長を5
mmとすると、図6(a)では、Vn=20mVとな
り、図6(b)では、Vn=160mVとなる。このよ
うに、電源電圧が高くなるほどインバータINV1、I
NV2の貫通電流とコンデンサC2の充放電電流とが増
大するため、電源雑音が増大してしまう。したがって、
電源雑音に影響されやすいアナログ回路ブロック、例え
ばPLL回路、AD変換回路等のブロックと水晶発振器
とを半導体集積回路装置内に近接して配置するときは、
シールドを施したり、高電位側電源VDD及び低電位側
電源VSSを分離しなければならないという問題があっ
た。
ものであって、電源電圧に依存せずに電源雑音を低減す
ることができる水晶発振器を提供することにある。
インバータと、前記インバータの入力端と出力端との間
に接続された帰還抵抗とを含む水晶発振回路と、ソース
端が高電位側電源に接続された第1のPチャネルトラン
ジスタと、ソース端が前記高電位側電源に接続されドレ
イン端がゲート端と前記第1のPチャネルトランジスタ
のゲート端とに接続された第2のPチャネルトランジス
タと、ソース端が前記高電位側電源に接続されドレイン
端が前記インバータの高電位側電源端子に接続されゲー
ト端が前記第2のPチャネルトランジスタのゲート端に
接続された第3のPチャネルトランジスタと、ソース端
が低電位側電源に接続されドレイン端がゲート端と前記
第1のPチャネルトランジスタのドレイン端とに接続さ
れた第1のNチャネルトランジスタと、ドレイン端が前
記第2のPチャネルトランジスタのドレイン端に接続さ
れゲート端が前記第1のNチャネルトランジスタのゲー
ト端に接続された第2のNチャネルトランジスタと、一
端が前記第2のNチャネルトランジスタのソース端に接
続され他端が前記低電位側電源に接続された抵抗と、ソ
ース端が前記低電位側電源に接続されドレイン端が前記
インバータの低電位側電源端子に接続されゲート端が前
記第1のNチャネルトランジスタのゲート端に接続され
た第3のNチャネルトランジスタと、ソース端が前記高
電位側電源に接続されゲート端が前記第2のPチャネル
トランジスタのゲート端に接続された第4のPチャネル
トランジスタと、一端が前記第4のPチャネルトランジ
スタのドレイン端に接続され他端が前記低電位側電源に
接続された抵抗と、ソース端が前記高電位側電源に接続
されドレイン端が前記第1のNチャネルトランジスタの
ドレイン端に接続されゲート端が前記第4のPチャネル
トランジスタのドレイン端に接続された第5のPチャネ
ルトランジスタと、を備えることを特徴とする。
力端と出力端との間に接続された帰還抵抗とを含む水晶
発振回路と、ソース端が高電位側電源に接続された第1
のPチャネルトランジスタと、ソース端が前記高電位側
電源に接続されドレイン端がゲート端と前記第1のPチ
ャネルトランジスタのゲート端とに接続された第2のP
チャネルトランジスタと、ソース端が前記高電位側電源
に接続されドレイン端が前記インバータの高電位側電源
端子に接続されゲート端が前記第2のPチャネルトラン
ジスタのゲート端に接続された第3のPチャネルトラン
ジスタと、ドレイン端がゲート端と前記第1のPチャネ
ルトランジスタのドレイン端とに接続された第1のNチ
ャネルトランジスタと、ドレイン端が前記第2のPチャ
ネルトランジスタのドレイン端に接続されゲート端が前
記第1のNチャネルトランジスタのゲート端に接続され
た第2のNチャネルトランジスタと、一端が前記第2の
Nチャネルトランジスタのソース端に接続された抵抗
と、ドレイン端が前記インバータの低電位側電源端子に
接続されゲート端が前記第1のNチャネルトランジスタ
のゲート端に接続された第3のNチャネルトランジスタ
と、ソース端が前記高電位側電源に接続されドレイン端
が前記第1のNチャネルトランジスタのドレイン端に接
続されゲート端が端子に接続された第6のPチャネルト
ランジスタと、ソース端が低電位側電源に接続されドレ
イン端が前記第1のNチャネルトランジスタのソース端
と前記抵抗の他端と前記第3のNチャネルトランジスタ
のソース端とに接続されゲート端が前記端子に接続され
た第4のNチャネルトランジスタと、を備えることを特
徴とする。
発振器の構成を図面を参照して説明する。図1は、本発
明の参考例の水晶発振器の構成図である。図1に示すよ
うに、本発明の参考例の水晶発振器は、水晶発振回路1
と、電流源回路2とを備えている。
と、水晶振動子XTALと、帰還用の抵抗R1と、コン
デンサC1及びC2とから構成される。
果型トランジスタP1、P2及びP3と、NチャネルM
OS電界効果型トランジスタN1、N2及びN3と、抵
抗R2とから構成される。
ALの一端はインバータINV1の入力端に接続され、
水晶振動子XTALの他端はインバータINV1の出力
端に接続され、抵抗R1の一端はインバータINV1の
入力端に接続され、抵抗R1の他端はインバータINV
1の出力端に接続され、コンデンサC1の一端はインバ
ータINV1の入力端に接続され、コンデンサC1の他
端は低電位側電源VSSに接続され、コンデンサC2の
一端はインバータINV1の出力端に接続され、コンデ
ンサC2の他端は低電位側電源VSSに接続されてい
る。
のソース端は高電位側電源VDDに接続され、トランジ
スタP1のドレイン端はトランジスタN1のドレイン端
に接続され、トランジスタP1のゲート端はトランジス
タP2のゲート端に接続されている。
源VSSに接続され、トランジスタN1のドレイン端は
トランジスタN1のゲート端に接続されている。
源VDDに接続され、トランジスタP2のドレイン端は
トランジスタP2のゲート端に接続されている。
一端に接続され、抵抗R2の他端は低電位側電源VSS
に接続され、トランジスタN2のドレイン端はトランジ
スタP2のドレイン端に接続され、トランジスタN2の
ゲート端はトランジスタN1のゲート端に接続されてい
る。
源VDDに接続され、トランジスタP3のゲート端はト
ランジスタP2のゲート端に接続され、トランジスタP
3のドレイン端は水晶発振回路1のインバータINV1
の端子10に接続される。
源VSSに接続され、トランジスタN3のゲート端はト
ランジスタN1のゲート端に接続され、トランジスタN
3のドレイン端は水晶発振回路1のインバータINV1
の端子20に接続される。
界効果型トランジスタとNチャネルMOS電界効果型ト
ランジスタと、入力端と、出力端と、高電位側電源端子
10と、低電位側電源端子20とを有するCMOSイン
バータであり、両者のトランジスタのゲート端同士を接
続して入力端とし、ドレイン端同士を接続して出力端と
し、PチャネルMOS電界効果型トランジスタのソース
端が端子10に接続され、NチャネルMOS電界効果型
トランジスタのソース端が端子20に接続されている。
びP2のゲート幅及びゲート長を同一サイズにし、トラ
ンジスタN1及びN2のゲート長を同一サイズとし、ト
ランジスタN1のゲート幅に対するトランジスタN2の
ゲート幅をM倍とし、トランジスタN1及びN2を弱反
転領域で動作させれば、電源電圧に依存しない定電流I
0=(1÷R2)×(k×T÷q)×lnMが、トラン
ジスタP1、P2、N1及びN2に流れる。ここで、q
は電子の電荷量であり、kはボルツマン定数であり、T
は絶対温度であり、T=300Kのとき、k×T÷q=
26mVである。
ト幅及びゲート長を同一サイズにし、トランジスタN1
及びN3のゲート幅及びゲート長を同一サイズにする
と、トランジスタP3及びトランジスタN3は、それぞ
れ同電流値の定電流源として機能する。
タP3のドレイン端からインバータINV1の端子10
に出力され、インバータINV1の端子10−端子20
間を貫通して、同じ上記定電流I0がトランジスタN3
のドレイン端に戻り入力されることになる。
電位側電源VDD及び低電位側電源VSSから直接動作
電流が供給されるのではなく、電流源回路2を介して定
電流が動作電流として供給されるので、インバータIN
V1の貫通電流やコンデンサC2の充放電電流のような
過渡的電流によるΔIDD/ΔTを抑制することがで
き、高電位側電源VDD及び低電位側電源VSSに発生
する電源雑音の増大を防ぐことができる。
考例の水晶発振器の電源雑音の評価結果の説明図であ
り、水晶振動子XTALの共振周波数=20MHz、R
1=1MΩ、C1、C2=20PFとした場合の、発振
出力VOSCと電源電流IDDとを示している。
6V、低電位側電源VSS=0Vの場合であり、図2
(b)は、高電位側電源VDD=3.3V、低電位側電
源VSS=0Vの場合である。図2(a)及び図2
(b)において、ともにΔIDD/ΔT=1mA/0.
25nSであり、ΔIDD/ΔTが電源電圧に依存して
いないことがわかる。
器によれば、電源電圧が高くなっても電源雑音は増大し
ないため、電源雑音に影響されやすいアナログ回路ブロ
ック、例えばPLL回路、AD変換回路等のブロックと
水晶発振器とを半導体集積回路装置内に近接して配置す
るときであっても、シールドを施したり、高電位側電源
VDD及び低電位側電源VSSを分離したりする必要は
全くなくなる。
発振器の構成図である。図3に示すように、本発明の第
1の実施の形態の水晶発振器は、水晶発振回路1と、電
流源回路3と、発振起動回路4とを備えている。
果型トランジスタP1、P2及びP3と、NチャネルM
OS電界効果型トランジスタN1、N2及びN3と、抵
抗R2とから構成される。
効果型トランジスタP4及びP5と、抵抗3とから構成
される。
4のソース端は高電位側電源VDDに接続され、トラン
ジスタP4のドレイン端は抵抗R3の一端に接続され、
抵抗R3の他端は低電位側電源VSSに接続され、トラ
ンジスタP5のソース端は高電位側電源VDDに接続さ
れ、トランジスタP5のゲート端はトランジスタP4の
ドレイン端に接続され、さらに、トランジスタP4のゲ
ート端は電流源回路3のトランジスタP2のゲート端に
接続され、トランジスタP5のドレイン端は電流源回路
3のトランジスタN1のドレイン端に接続されている。
に示した本発明の参考例の水晶発振器との構成の相違部
分は、本発明の参考例の水晶発振器の電流源回路2に対
し発振起動回路4を付加した部分であり、これ以外の構
成は同一であるため、本発明の参考例の水晶発振器と同
一構成部分には同一符号を付し、その詳しい説明を省略
する。
源投入されて、低電位側電源VSSに対し高電位側電源
VDDが立ち上がり始めた直後では、まだトランジスタ
P2のゲート端はVDDレベルであり、トランジスタN
1のゲート端はVSSレベルであるので定電流I0は出
力されないが、トランジスタP5のゲート端は抵抗R3
でプルダウンされているので、トランジスタP5は直ち
にオン状態となりドレイン電流が流れる。このドレイン
電流によりトランジスタN1に起動がかかり、トランジ
スタP1、P2、N1及びN2に定電流I0が流れ、水
晶発振回路1が発振を開始する。
とミラー接続されているトランジスタP4がオン状態と
なってドレイン電流が流れ、トランジスタP5のゲート
端がVDDレベルになり、トランジスタP5は確実にオ
フ状態に戻り、電流源回路3に対して何らの影響も与え
なくなる。したがって、水晶発振回路1の安定な発振が
継続する。
の水晶発振器によれば、電源電圧が高くなっても電源雑
音は増大せず、しかも、発振起動回路4を付加したこと
により、電源投入後直ちにインバータINV1に定電流
I0が供給されるので、水晶発振回路1の発振立ち上が
り時間を短縮することができる。
発振器の構成図である。図4に示すように、本発明の第
2の実施の形態の水晶発振器は、水晶発振回路1と、電
流源回路5と、発振制御回路6とを備えている。
果型トランジスタP1、P2及びP3と、NチャネルM
OS電界効果型トランジスタN1、N2及びN3と、抵
抗R2とから構成される。
効果型トランジスタP6と、NチャネルMOS電界効果
型トランジスタN4と、端子STOPとから構成され
る。
6のソース端は高電位側電源VDDに接続され、トラン
ジスタP6のゲート端は端子STOPに接続され、トラ
ンジスタN4のソース端は低電位側電源VSSに接続さ
れ、トランジスタN4のゲート端は端子STOPに接続
され、さらに、トランジスタP6のドレイン端は電流源
回路5のトランジスタN1のドレイン端に接続され、ト
ランジスタN4のドレイン端は電流源回路5のトランジ
スタN1のソース端と、トランジスタN3のソース端
と、抵抗R2の一端とに接続され、抵抗R2の他端はト
ランジスタN2のソース端に接続されている。即ち、電
流源回路5の低電位側電源ラインを、直接低電位側電源
VSSに接続するのではなく、発振制御回路6のトラン
ジスタN4を介して低電位側電源VSSに接続してい
る。
に示した本発明の参考例の水晶発振器との構成の相違部
分は、本発明の参考例の水晶発振器の電流源回路2に対
し発振制御回路6を付加した部分であり、これ以外の構
成は同一であるため、本発明の参考例の水晶発振器と同
一構成部分には同一符号を付し、その詳しい説明を省略
する。
ドであるとき、端子STOPにはVSSレベルが与えら
れ、トランジスタP6はオン状態であり、トランジスタ
N1のゲート端はVDDレベルになっているが、同時に
トランジスタN4はオフ状態であるため、電流源回路5
はバイアス電流がなくなり動作を停止し定電流I0は出
力されず、水晶発振回路1は発振を停止している。次
に、端子STOPにVDDレベルが与えられ、通常モー
ドに切り替わると、直ちにトランジスタN4がオン状態
になるため、トランジスタN1に起動がかかり、トラン
ジスタP1、P2、N1及びN2に定電流I0が流れ、
水晶発振回路1が発振を開始する。
の水晶発振器によれば、電源電圧が高くなっても電源雑
音は増大せず、しかも、発振制御回路6を付加したこと
により、ストップモード解除後直ちにインバータINV
1に定電流I0が供給されるので、水晶発振回路1の発
振立ち上がり時間を短縮することができる。
の効果は、電源電圧に依存せずに電源雑音を低減するこ
とができる水晶発振器を実現できることであり、第2の
効果は、電源雑音に影響されやすいアナログ回路ブロッ
ク、例えばPLL回路、AD変換回路等のブロックと水
晶発振器とを半導体集積回路装置内に近接して配置する
ときであっても、シールドを施したり、高電位側電源V
DD及び低電位側電源VSSを分離したりする必要が全
くなくなることであり、第3の効果は、発振立ち上がり
時間を短縮することができることである。
結果の説明図である。
図である。
図である。
明図である。
OS電界効果型トランジスタ N1、N2、N3、N4 NチャネルMOS電界効果
型トランジスタ XTAL 水晶振動子 R1、R2、R3 抵抗 C1、C2 コンデンサ
Claims (2)
- 【請求項1】 インバータと、前記インバータの入力端
と出力端との間に接続された帰還抵抗とを含む水晶発振
回路と、ソース端が高電位側電源に接続された第1のP
チャネルトランジスタと、ソース端が前記高電位側電源
に接続されドレイン端がゲート端と前記第1のPチャネ
ルトランジスタのゲート端とに接続された第2のPチャ
ネルトランジスタと、ソース端が前記高電位側電源に接
続されドレイン端が前記インバータの高電位側電源端子
に接続されゲート端が前記第2のPチャネルトランジス
タのゲート端に接続された第3のPチャネルトランジス
タと、ソース端が低電位側電源に接続されドレイン端が
ゲート端と前記第1のPチャネルトランジスタのドレイ
ン端とに接続された第1のNチャネルトランジスタと、
ドレイン端が前記第2のPチャネルトランジスタのドレ
イン端に接続されゲート端が前記第1のNチャネルトラ
ンジスタのゲート端に接続された第2のNチャネルトラ
ンジスタと、一端が前記第2のNチャネルトランジスタ
のソース端に接続され他端が前記低電位側電源に接続さ
れた抵抗と、ソース端が前記低電位側電源に接続されド
レイン端が前記インバータの低電位側電源端子に接続さ
れゲート端が前記第1のNチャネルトランジスタのゲー
ト端に接続された第3のNチャネルトランジスタと、ソ
ース端が前記高電位側電源に接続されゲート端が前記第
2のPチャネルトランジスタのゲート端に接続された第
4のPチャネルトランジスタと、一端が前記第4のPチ
ャネルトランジスタのドレイン端に接続され他端が前記
低電位側電源に接続された抵抗と、ソース端が前記高電
位側電源に接続されドレイン端が前記第1のNチャネル
トランジスタのドレイン端に接続されゲート端が前記第
4のPチャネルトランジスタのドレイン端に接続された
第5のPチャネルトランジスタと、を備えることを特徴
とする水晶発振器。 - 【請求項2】 インバータと、前記インバータの入力端
と出力端との間に接続された帰還抵抗とを含む水晶発振
回路と、ソース端が高電位側電源に接続された第1のP
チャネルトランジスタと、ソース端が前記高電位側電源
に接続されドレイン端がゲート端と前記第1のPチャネ
ルトランジスタのゲート端とに接続された第2のPチャ
ネルトランジスタと、ソース端が前記高電位側電源に接
続されドレイン端が前記インバータの高電位側電源端子
に接続されゲート端が前記第2 のPチャネルトランジス
タのゲート端に接続された第3のPチャネルトランジス
タと、ドレイン端がゲート端と前記第1のPチャネルト
ランジスタのドレイン端とに接続された第1のNチャネ
ルトランジスタと、ドレイン端が前記第2のPチャネル
トランジスタのドレイン端に接続されゲート端が前記第
1のNチャネルトランジスタのゲート端に接続された第
2のNチャネルトランジスタと、一端が前記第2のNチ
ャネルトランジスタのソース端に接続された抵抗と、ド
レイン端が前記インバータの低電位側電源端子に接続さ
れゲート端が前記第1のNチャネルトランジスタのゲー
ト端に接続された第3のNチャネルトランジスタと、ソ
ース端が前記高電位側電源に接続されドレイン端が前記
第1のNチャネルトランジスタのドレイン端に接続され
ゲート端が端子に接続された第6のPチャネルトランジ
スタと、ソース端が低電位側電源に接続されドレイン端
が前記第1のNチャネルトランジスタのソース端と前記
抵抗の他端と前記第3のNチャネルトランジスタのソー
ス端とに接続されゲート端が前記端子に接続された第4
のNチャネルトランジスタと、を備えることを特徴とす
る水晶発振器。
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