JP4510054B2

JP4510054B2 - 超低電力ｒｃ発振器

Info

Publication number: JP4510054B2
Application number: JP2007146683A
Authority: JP
Inventors: イム，ジュンヒョン; キム，ミョンス; クォン，ヨンイル; パク，タジュン
Original assignee: 三星電機株式会社
Priority date: 2006-06-01
Filing date: 2007-06-01
Publication date: 2010-07-21
Anticipated expiration: 2027-06-01
Also published as: US20080055012A1; KR100753666B1; JP2007325273A; US7612623B2

Description

本発明は、ＲＣ発振器に関し、さらに詳細には、低電力型で、安定した電流源を確保することができ、可変抵抗及び可変キャパシタを利用することによって受動素子ＲＣのシステムオンチップ（ｓｙｓｔｅｍｏｎｃｈｉｐ）が可能であり、温度及び工程変化に対しても安定に動作できる超低電力ＲＣ発振器に関する。

一般に、発振器回路は、マイクロ・プロセッサ、マイクロ制御機、フリップフロップ回路、ラッチ回路などのような電子回路にクロック信号又はタイミング信号を提供するためのものであって、電子産業においてその応用分野は限りなく広い。正確でかつ安定した基準周波数は、水晶発振器回路（ｃｒｙｓｔａｌｏｓｃｉｌｌａｔｏｒｃｉｒｃｕｉｔ）を利用して得ることができる。

しかしながら、多くの応用分野の場合、そういう高品質の基準周波数を必要とせず、大量生産性を考慮する必要があるので、ＲＣ発振器回路がより低廉な費用のクロック信号源又はタイミング信号源になり得る。また、ＲＣ発振器は、通常、抵抗（Ｒ）又はキャパシタンス（Ｃ）を変更させて可変周波数を発生させ得るという点、そして集積回路に加工し難いインダクターの使用を避けることができるという点等で有利である。

移動通信装置や携帯用電子装置などのようにバッテリー（ｂａｔｔｅｒｙ）を使用するモバイルシステムでは、電流消費量が極めて少ないことが求められる。それでこのような応用分野には、一般に電力消費量の少ない超低電力型ＲＣ発振器が有利である。低電力消費量は、バッテリーの寿命を増加させるのに有利であるからである。

一方、ＲＣ発振器に求められるさらに他の重要な点は、温度及び工程変化に対する動作特性、特に発振周波数特性が安定していなければならないということと、比較的サイズの大きい受動素子ＲＣをチップの内部に配置する構成により、より簡単かつ低費用で具現できなければならないということである。

図１は、従来の技術によるＲＣ発振器の回路図を示したものであって、図１に示すように、従来の技術によるＲＣ発振器１００は、大きく電流発生部１１０、充放電回路部１２０、発振信号出力部１３０を含んでいる。

ここで、前記電流発生部１１０は、電流を発生させ、前記発生した電流をミラーリング部１４０を介して供給する。

また、前記充放電回路部１２０は、キャパシタＣ及び複数のトランジスタ１２１〜１２３を含んでおり、前記電流発生部１１０に発生した電流及び前記複数のトランジスタ１２１〜１２３を利用して、前記キャパシタＣを充放電させる。

また、前記発振信号出力部１３０は、前記充放電回路部１２０に接続され、複数のインバータ１３１、１３２を含み、抵抗Ｒ及びキャパシタＣにより周波数が決定される発振信号ＲＣ＿ＯＳＣ＿ＯＵＴを出力する。

上記のような構成を有した従来のＲＣ発振器の動作過程を簡略に説明すれば、次のとおりである。

電源電圧ＶＤＤが印加されると、前記電流発生部１１０が動作して電流が発生し、前記発生した電流は、前記ミラーリング部１４０を介して電流源に供給される。

その後、前記供給された電流により前記キャパシタＣに電圧が充電され、その充電された電圧は、前記充放電回路部１２０のトランジスタ１２１を介して前記発振信号出力部１３０の最先頭のインバータ１３１を駆動させる。

また、前記発振信号出力部１３０の最後方のインバータ１３１から出力される信号はフィードバックされて、前記充放電回路部１２０のトランジスタ１２２、１２３を動作させ、これにより、前記キャパシタＣが放電されることによって、長方形クロック（ｒｅｃｔａｎｇｕｌａｒｃｌｏｃｋ）形態の発振信号ＲＣ＿ＯＳＣ＿ＯＵＴが出力される。

しかしながら、従来の技術によるＲＣ発振器は、発振信号を出力する複数のインバータの駆動電源として電源電圧が直接印加されているから電流消費が増加し、これにより、ＲＣ発振器を使用するモバイルシステムのバッテリーの寿命が短縮されるという問題点があった。

また、抵抗値とキャパシタンスを自由に変化させることができないから、受動素子ＲＣのシステムオンチップが不可能であり、これにより、ＲＣ発振器の具現に高費用が発生し、温度と工程変化にも敏感に反応して不安定な発振信号が出力されるという問題点があった。

なお、バイアス動作点が０に固定されることもできるから、ＲＣ発振器自体が動作されないという問題も発生し得る。

すなわち、図２は、バイアス電圧Ｖ_ＧＳに応じる電流発生部の電流Ｉ_Ｄを示すグラフであって、図２に示すように、負荷ライン（ｌｏａｄｌｉｎｅ）上のバイアス動作点は、Ａ、Ｂの２つのポイントで現れるが、万一、０の値を有するＡポイントがバイアス動作点として固定される場合、ＲＣ発振器自体が動作されないという問題が発生する。

本発明は、上記の問題点を解決するために提案されたものであって、その目的は、電流源の電流をミラーリングして、そのミラーリングした電流をインバータの駆動電源として提供することによって、電流消費を減らすことができ、これにより、ＲＣ発振器を使用するモバイルシステムのバッテリーの寿命を増加させることができる超低電力ＲＣ発振器を提供することにある。

また、本発明の他の目的は、可変抵抗及び可変キャパシタを利用することによって、受動素子ＲＣのシステムオンチップを可能にし、温度及び工程変化にも安定に動作できる超低電力ＲＣ発振器を提供することにある。

なお、本発明のさらに他の目的は、スタートアップ回路部を追加することによって、電流を安定に発生させ得るバイアス動作点を有するようになり、これによって、安定した動作を行うことができる超低電力ＲＣ発振器を提供することにある。

本発明の目的及び長所は、下記の説明によって理解でき、本発明の実施形態によってより明確に分かるはずである。また、本発明の目的及び長所は、特許請求の範囲に示した手段及びその組み合わせにより具現され得ることを容易に分かるはずである。

上記の目的を達成すべく、本発明に係る超低電力ＲＣ発振器は、電流を発生させる電流源と、その大きさが可変的に設定され温度変化に対して互いに相反した特性を有する抵抗要素を所定の割合で組み合わせて構成された可変抵抗とを含み、前記可変抵抗により電流の大きさを調節する電流発生部と、前記電流発生部に接続されて、前記電流発生部が安定に電流を発生させ得るように一定のバイアス動作点に固定させるスタートアップ回路部と、その大きさが可変的に設定される可変キャパシタと複数のトランジスタとを含み、前記電流発生部に発生した電流及び前記複数のトランジスタを利用して、前記可変キャパシタを充放電させる充放電回路部と、前記充放電回路部に接続され、複数のインバータを含み、前記可変抵抗の抵抗値及び前記可変キャパシタのキャパシタンス値により周波数が決定される発振信号を出力する発振信号出力部と、前記電流発生部から発生した電流をミラーリングして、そのミラーリングした電流を前記複数のインバータの駆動電源として提供するインバータ駆動電源部と、を含む。

ここで、一実施形態によれば、前記電流発生部の可変抵抗は、温度変化に対して互いに相反した抵抗特性を有するＮ拡散抵抗とポリシリコン抵抗とを所定の割合で組み合わせて、自己温度補償特性を有するように構成されたことを特徴とする。

また、一実施形態によれば、前記スタートアップ回路部は、第１〜第３端子を備え、前記第１端子及び第２端子間に印加される電圧の大きさに基づいて、前記第２端子から前記第３端子に流れる電流の大きさ及び方向が変動する第１〜第３トランジスタを含み、前記第１トランジスタは、第１端子を介して前記第２トランジスタの第１端子に接続され、第２端子を介して電源電圧に接続され、第３端子を介して前記第１端子に接続され、前記第２トランジスタは、第１端子を介して前記第１トランジスタの第１端子に接続され、第２端子を介して前記電流発生部に接続され、第３端子を介して電源電圧に接続され、前記第３トランジスタは、第１端子を介して前記第２トランジスタの第１端子に接続され、第２端子を介して接地され、第３端子を介して前記第１端子に接続されることを特徴とする。

また、一実施形態によれば、前記充放電回路部の複数のトランジスタは、第１〜第３端子を備え、前記第１端子及び第２端子間に印加される電圧の大きさに基づいて、前記第２端子から前記第３端子に流れる電流の大きさ及び方向が変動する第４〜第６トランジスタを含み、前記第４トランジスタは、第１端子を介して前記電流源及び前記可変抵抗間に接続され、第２端子を介して接地され、第３端子を介して前記可変キャパシタに接続されて、前記可変キャパシタを充電させ、前記第５トランジスタは、第１端子を介して可変キャパシタに接続され、第２端子を介して接地され、第３端子を介して前記複数のインバータに接続されて、前記複数のインバータを駆動させ、前記第６トランジスタは、第１端子に前記複数のインバータのうち、最後方のインバータから出力される信号がフィードバックされ、第２端子を介して前記インバータ駆動電源部に接続され、第３端子を介して前記可変キャパシタに接続されて、オン／オフ動作を介して前記可変キャパシタに充電された電圧を放電させることを特徴とする。

なお、一実施形態によれば、前記インバータ駆動電源部は、第１〜第３端子を備え、前記第１端子及び第２端子間に印加される電圧の大きさに基づいて、前記第２端子から前記第３端子に流れる電流の大きさ及び方向が変動する第７〜第９トランジスタを含み、前記第７〜第９トランジスタは、第１端子を介して互いに直列に接続されて、前記電流源から発生した電流をミラーリングし、前記第７〜第９トランジスタは、第２端子を介して電源電圧がそれぞれ接続され、前記第７及び第８トランジスタは、第３端子を介して前記充放電回路部に接続され、前記第９トランジスタは、第３端子を介して前記複数のインバータに接続され、前記ミラーリングした電流を前記複数のインバータの駆動電源として提供することを特徴とする。

また、一実施形態によれば、前記スタートアップ回路部、充放電回路部及びインバータ駆動電源部のトランジスタが備えた第１端子〜第３端子は、ゲート、ソース、ドレインであることを特徴とする。

一方、上記の目的を達成すべく、本発明の他の超低電力ＲＣ発振器は、電流を発生させる電流源と、その大きさが可変的に設定され温度変化に対して互いに相反した特性を有する抵抗要素を所定の割合で組み合わせて構成された可変抵抗とを含み、前記可変抵抗により電流の大きさを調節する電流発生部と、その大きさが可変的に設定される可変キャパシタと複数のトランジスタとを含み、前記電流発生部に発生した電流及び前記複数のトランジスタを利用して、前記可変キャパシタを充放電させる充放電回路部と、前記充放電回路部に接続され、複数のインバータを含み、前記可変抵抗の抵抗値及び前記可変キャパシタのキャパシタンス値により周波数が決定される発振信号を出力する発振信号出力部と、前記電流発生部から発生した電流をミラーリングして、そのミラーリングした電流を前記複数のインバータの駆動電源として提供するインバータ駆動電源部と、を含む。

ここで、一実施形態によれば、前記電流発生部の可変抵抗は、温度変化に対して相反した抵抗特性を有するＮ拡散抵抗とポリシリコン抵抗とを所定の割合で組み合わせて、自己温度補償特性を有するように構成されたことを特徴とする。

また、一実施形態によれば、前記充放電回路部の複数のトランジスタは、第１〜第３端子を備え、前記第１端子及び第２端子間に印加される電圧の大きさに基づいて、前記第２端子から前記第３端子に流れる電流の大きさ及び方向が変動する第１〜第３トランジスタを含み、前記第１トランジスタは、第１端子を介して前記電流源及び前記可変抵抗間に接続され、第２端子を介して接地され、第３端子を介して前記可変キャパシタに接続されて、前記可変キャパシタを充電させ、前記第２トランジスタは、第１端子を介して可変キャパシタに接続され、第２端子を介して接地され、第３端子を介して前記複数のインバータに接続されて、前記複数のインバータを駆動させ、前記第３トランジスタは、第１端子に前記複数のインバータのうち、最後方のインバータから出力される信号がフィードバックされ、第２端子を介して前記インバータ駆動電源部に接続され、第３端子を介して前記可変キャパシタに接続されて、前記可変キャパシタに充電された電圧を放電させることを特徴とする。

なお、一実施形態によれば、前記インバータ駆動電源部は、第１〜第３端子を備え、前記第１端子及び第２端子間に印加される電圧の大きさに基づいて、前記第２端子から前記第３端子に流れる電流の大きさ及び方向が変動する第４〜第６トランジスタを含み、前記第４〜第６トランジスタは、第１端子を介して互いに直列に接続されて、前記電流源から発生した電流をミラーリングし、前記第４〜第６トランジスタは、第２端子を介して電源電圧がそれぞれ接続され、前記第４及び第５トランジスタは、第３端子を介して前記充放電回路部に接続され、前記第６トランジスタは、第３端子を介して前記複数のインバータに接続され、前記ミラーリングした電流を前記複数のインバータの駆動電源として提供することを特徴とする。

また、一実施形態によれば、充放電回路部及びインバータ駆動電源部のトランジスタが備えた第１端子〜第３端子は、ゲート、ソース、ドレインであることを特徴とする。

本発明による超低電力ＲＣ発振器は、電流源の電流をミラーリングし、そのミラーリングした電流をインバータの駆動電源として提供することによって、電流消費を減らすことができ、これによりＲＣ発振器を使用するモバイルシステムのバッテリーの寿命を増加させることができるという効果がある。

また、本発明は、可変抵抗及び可変キャパシタを利用することによって、受動素子ＲＣのシステムオンチップを可能にし、温度及び工程変化にも安定に動作できるという効果がある。

実際に、３２．７６８ｋＨｚを発生させ得る本発明のＲＣ発振器をシミュレーションした結果、Ｒ＝２２０ｋΩ、Ｃ＝２．５ｐＦで、ＣＭＯＳ工程に集積するのにおいて、従来の構造のＲＣ時定数に比べて１０分の１以上小さく設計でき、電流も１０倍以上小さなことと現れた。

なお、本発明は、第１の実施形態のように、スタートアップ回路部を追加することによって、電流を安定に発生させ得るバイアス動作点を有するようになり、これによって安定した動作を行うことができるという効果がある。

上述の目的、特徴及び長所は、添付した図面と関連した以下の詳細な説明により、より明確になるはずであり、それにより、本発明の属する技術分野における通常の知識を有した者が本発明の技術的思想を容易に実施できるはずである。

また、本発明を説明するにおいて本発明と関連した公知技術に対する具体的な説明が本発明の要旨を不明にすると判断される場合には、その詳細な説明を省略すべきである。

以下、添付した図面を参照して、本発明に係る好ましい実施形態を詳細に説明する。

本発明の好ましい実施形態を説明するに先立ち、本発明の好ましい実施の形態に係る超低電力ＲＣ発振器は、複数のトランジスタを使用し、それぞれのトランジスタは、第１〜第３端子としてゲート、ソース、及びドレインを備え、ゲート及びソース間に印加される電圧の大きさ及び極性に応じて、ドレインからソースに又はその逆に流れる電流の大きさ及び方向が決定されるという特性を有する。

このようなトランジスタには、バイポーラジャンクショントランジスタ（ＢＪＴ）、ジャンクション電界効果トランジスタ（ＪＦＥＴ）、金属酸化膜半導体電界効果トランジスタ（ＭＯＳＦＦＴ）及び金属半導体電界効果トランジスタ（ＭＥＳＦＥＴ）などがある。

以下の説明では、ＭＯＳＦＥＴを中心に説明する。しかし、本発明は、ＭＯＳＦＥＴだけでなく、上記のような特性を有する全てのトランジスタに適用できる。したがって、たとえ本明細書では、ＭＯＳＦＥＴを中心に説明しても、本発明の概念と範囲がＭＯＳＦＥＴに限定されるものではない。

（第１の実施形態）
以下、本発明の第１の実施形態に係る超低電力ＲＣ発振器を図面を参照して詳細に説明する。

図３は、本発明の第１の実施形態に係る超低電力ＲＣ発振器の回路図を示したものであって、図３に示すように、第１の実施形態の超低電力ＲＣ発振器３００は、電流発生部３１０、充放電回路部３２０、発振信号出力部３３０、スタートアップ回路部３４０、インバータ駆動電源部３５０を含んでいる。

ここで、前記電流発生部３１０は、電流を発生させる電流源３１１とその大きさが可変的に設定され、温度変化に対して互いに相反した特性を有する抵抗要素を所定の割合で組み合わせて構成された可変抵抗Ｒを含み、前記可変抵抗Ｒにより発生した電流の大きさを調節する。

このとき、前記可変抵抗Ｒは、温度変化に対して相反した抵抗特性を有するＮ拡散抵抗とポリシリコン抵抗とを所定の割合で組み合わせて、自己温度補償特性を有するように構成される。図４ａ〜図４ｃは、これを説明するためのグラフであって、図４ａは、温度変化に対して反比例する抵抗値を有するポリシリコン抵抗（Ｒｐｏｌｙ）に対するグラフであり、図４ｂは、温度変化に対して比例する抵抗値を有するＮ拡散抵抗（Ｒｎｗｅｌｌ）に対するグラフであり、図４ｃは、前記Ｎ拡散抵抗とポリシリコン抵抗とを３：２の割合で組み合わせて構成された可変抵抗の抵抗特性を示したグラフである。

図４ｃに示すように、温度変化に対して相反した抵抗特性を有するＮ拡散抵抗とポリシリコン抵抗とを所定の割合で組み合わせて可変抵抗Ｒを構成する場合、温度変化に対する抵抗値の変化がほとんどないことが確認でき、これにより温度変化にも比較的安定したＲＣ発振器を具現できるようになる。

一方、前記スタートアップ回路部３４０は、第１〜第３ＭＯＳＦＥＴＭ１〜Ｍ３を含み、前記電流発生部３１０に接続されて前記電流発生部３１０が安定に電流を発生させ得るように一定のバイアス動作点に固定させる。

すなわち、前記スタートアップ回路部３４０を追加することによって、バイアス動作点を上述の図２のＢポイントに固定させることができ、これにより、ＲＣ発振器に安定に電流を供給できるようになるから、ＲＣ発振器自体が動作されないという問題を解決できるが、これに対する内容は、後述する動作過程で言及する。

ここで、前記第１ＭＯＳＦＥＴＭ１は、ゲートを介して前記第２ＭＯＳＦＥＴＭ２のゲートに接続され、ソースを介して電源電圧ＶＤＤに接続され、ドレインを介して前記ゲートに接続される。

また、前記第２ＭＯＳＦＥＴＭ２は、ゲートを介して前記第１ＭＯＳＦＥＴＭ１のゲートに接続され、ソースを介して前記電流発生部３１０に接続され、ドレインを介して電源電圧ＶＤＤに接続される。

合わせて、前記第３ＭＯＳＦＥＴＭ３は、ゲートを介して前記第２ＭＯＳＦＥＴＭ２のゲートに接続され、ソースを介して接地され、ドレインを介して前記ゲートに接続される。

一方、前記充放電回路部３２０は、その大きさが可変的に設定される可変キャパシタＣと第４〜第６ＭＯＳＦＥＴＭ４、Ｍ７、Ｍ８を含み、前記電流発生部３１０に発生した電流及び前記第４〜第６ＭＯＳＦＥＴＭ４、Ｍ７、Ｍ８を利用して前記可変キャパシタＣを充放電させ、前記発振信号出力部３３０は、複数のインバータ３３１、３３２を含み、前記充放電回路部３２０に接続されて前記可変抵抗Ｒの抵抗値及び前記可変キャパシタＣのキャパシタンス値により周波数が決定される発振信号ＲＣ＿ＯＳＣ＿ＯＵＴを出力する。

このとき、前記第４ＭＯＳＦＥＴＭ４は、ゲートを介して前記電流源及び前記可変抵抗Ｒ間に接続され、ソースを介して接地され、ドレインを介して前記可変キャパシタＣに接続されて、前記可変キャパシタＣを充電させる。

また、前記第５ＭＯＳＦＥＴＭ８は、ゲートを介して前記可変キャパシタＣに接続され、ソースを介して接地され、ドレインを介して前記発振信号出力部３３０の複数のインバータ３３１、３３２に接続されて、前記複数のインバータ３３１、３３２を駆動させる。

なお、前記第６ＭＯＳＦＥＴＭ７は、ゲートに前記複数のインバータのうち、最後方のインバータ３３１から出力される信号がフィードバックされ、ソースを介して前記インバータ駆動電源部３５０に接続され、ドレインを介して前記可変キャパシタＣに接続されて、オン／オフ動作を介して前記可変キャパシタＣに充電された電圧Ｖ１を放電させる。

一方、前記インバータ駆動電源部３５０は、第７〜第９ＭＯＳＦＥＴＭ５、Ｍ６、Ｍ９を含み、前記電流発生部３１０から発生した電流をミラーリングし、そのミラーリングした電流を前記複数のインバータ３３１、３３２の駆動電源として提供する。

このとき、前記第７〜第９ＭＯＳＦＥＴＭ５、Ｍ６、Ｍ９は、ゲートを介して互いに直列に接続されて、前記電流源３１１から発生した電流をミラーリングし、ソースを介して電源電圧ＶＤＤがそれぞれ接続される。

また、前記第７及び第８ＭＯＳＦＥＴＭ５、Ｍ６は、ドレインを介して前記充放電回路部３２０に接続され、前記第９ＭＯＳＦＥＴＭ９は、ドレインを介して前記複数のインバータ３３１、３３２に接続されて、ミラーリングした電流を前記複数のインバータ３３１、３３２の駆動電源として提供する。

上記のような構成を有する第１の実施形態に係る超低電力ＲＣ発振器の動作過程を説明すると、以下のとおりである。

本発明に電源電圧ＶＤＤが印加されると、前記第１及び第２ＭＯＳＦＥＴＭ１、Ｍ２がオンに変り、これにより、第２ＭＯＳＦＥＴＭ２のソース電圧が固定される。これによって、第４ＭＯＳＦＥＴＭ４のバイアス動作点を図２のＢポイントに常に固定させ得るから、前記電流発生部３１０は、安定して電流を供給できるようになり、これにより、ＲＣ発振器自体が動作されないという問題を解決できる。このとき、安定に供給される電流は、下記の式３に示し、その電流の大きさは、抵抗値をトリミング（ｔｒｉｍｍｉｎｇ）できる可変抵抗Ｒにより調節できる。

一方、前記電流発生部３１０から発生した電流は、前記第４ＭＯＳＦＥＴＭ４により前記可変キャパシタＣに充電され、前記充電された電圧を感知して第５ＭＯＳＦＥＴＭ８がオンに切り替わることにより、前記発振信号出力部３３０の最先頭のインバータ３３１を動作させる。

また、前記発振信号出力部３３０の最後方のインバータ３３２は、出力される信号を前記第６ＭＯＳＦＥＴＭ７にフィードバックさせ、前記フィードバックされた信号によって前記第６ＭＯＳＦＥＴＭ７はスイッチング動作を行うようになり、これによって前記可変キャパシタＣに充電された電圧は放電される。このとき、充放電のヒステリシス（ｈｙｓｔｅｒｉｓｉｓ）は、前記第５ＭＯＳＦＥＴＭ８によって調節される。

一方、電流源３１１から発生した電流（本実施形態では、１００ｎＡ以下の電流が流れるように具現）は、インバータ駆動電源部３５０のＭＯＳＦＥＴＭ５、Ｍ６、Ｍ９を介してミラーリングされ、そのミラーリングされた電流は、前記発振信号出力部３３０に含まれたインバータ３３１、３３２の駆動電源として提供され、このとき、インバータ駆動電源部３５０のＭＯＳＦＥＴＭ５、Ｍ６、Ｍ９は、前記ミラーリングされた電流が前記電流源から発生した電流より小さな大きさの電流（本実施形態では、５０ｎＡ程度の電流）に該当するように設計される。

また、発振信号出力部３３０から発振信号ＲＣ＿ＯＳＣ＿ＯＵＴが出力されるが、前記発振信号ＲＣ＿ＯＳＣ＿ＯＵＴの周波数は、電流発生量とキャパシタンスにより左右され、そのキャパシタンスの値は、可変キャパシタＣをトリミングして調節し得る。

（第２の実施形態）
図５は、本発明の第２の実施形態に係る超低電力ＲＣ発振器の回路図を示したものであって、図５に示すように、第２の実施形態の超低電力ＲＣ発振器５００は、電流発生部５１０、充放電回路部５２０、発振信号出力部５３０、インバータ駆動電源部５４０を含んでいる。

ここで、前記電流発生部５１０は、電流を発生させる電流源５１１と、その大きさが可変的に設定され温度変化に対して互いに相反した特性を有する抵抗要素を所定の割合で組み合わせて構成された可変抵抗Ｒとを含み、前記可変抵抗Ｒにより発生した電流の大きさを調節する。

このとき、前記可変抵抗Ｒは、温度変化に対して相反した抵抗特性を有するＮ拡散抵抗とポリシリコン抵抗とを所定の割合で組み合わせて、自己温度補償特性を有するように構成される。これは、第１の実施形態と同様に、図４で説明できるが、図４ｃに示すように、温度変化に対して相反した抵抗特性を有するＮ拡散抵抗とポリシリコン抵抗とを所定の割合で組み合わせて可変抵抗Ｒを構成する場合、温度変化に対する抵抗値の変化がほとんどないことが確認でき、これにより、温度変化にも比較的安定したＲＣ発振器を具現することができる。

一方、前記充放電回路部５２０は、その大きさが可変的に設定される可変キャパシタＣと第１〜第３ＭＯＳＦＥＴＭ４、Ｍ７、Ｍ８とを含み、前記電流発生部５１０に発生した電流及び前記第１〜第３ＭＯＳＦＥＴＭ４、Ｍ７、Ｍ８を利用して、前記可変キャパシタＣを充放電させ、前記発振信号出力部５３０は、複数のインバータ５３１、５３２を含み、前記充放電回路部５２０に接続されて、前記可変抵抗Ｒの抵抗値及び前記可変キャパシタＣのキャパシタンス値により周波数が決定される発振信号ＲＣ＿ＯＳＣ＿ＯＵＴを出力する。

このとき、前記第１ＭＯＳＦＥＴＭ４は、ゲートを介して前記電流源及び前記可変抵抗Ｒ間に接続され、ソースを介して接地され、ドレインを介して前記可変キャパシタＣに接続されて、前記可変キャパシタＣを充電させる。

また、前記第２ＭＯＳＦＥＴＭ８は、ゲートを介して前記可変キャパシタＣに接続され、ソースを介して接地され、ドレインを介して前記発振信号出力部５３０の複数のインバータ５３１、５３２に接続されて、前記複数のインバータ５３１、５３２を駆動させる。

なお、前記第３ＭＯＳＦＥＴＭ７は、ゲートに前記複数のインバータのうち、最後方のインバータ５３１から出力される信号がフィードバックされ、ソースを介して前記インバータ駆動電源部５４０に接続され、ドレインを介して前記可変キャパシタＣに接続されて、オン／オフ動作を介して前記可変キャパシタＣに充電された電圧Ｖ１を放電させる。

一方、前記インバータ駆動電源部５４０は、第４〜第６ＭＯＳＦＥＴＭ５、Ｍ６、Ｍ９を含み、前記電流発生部５１０から発生した電流をミラーリングし、そのミラーリングした電流を前記複数のインバータ５３１、５３２の駆動電源として提供する。

このとき、前記第４〜第６ＭＯＳＦＥＴＭ５、Ｍ６、Ｍ９は、ゲートを介して互いに直列に接続されて、前記電流源５１１から発生した電流をミラーリングし、ソースを介して電源電圧ＶＤＤがそれぞれ接続される。

また、前記第４及び第５ＭＯＳＦＥＴＭ５、Ｍ６は、ドレインを介して前記充放電回路部５２０に接続され、前記第６ＭＯＳＦＥＴＭ９は、ドレインを介して前記複数のインバータ５３１、５３２に接続されて、ミラーリングした電流を前記複数のインバータ５３１、５３２の駆動電源として提供する。

上記のような構成を有する第２の実施形態に係る超低電力ＲＣ発振器の動作過程を説明すると、以下のとおりである。

本発明の超低電力ＲＣ発振器に電源電圧ＶＤＤが印加されると、第１ＭＯＳＦＥＴＭ４のバイアス動作点が固定され、これにより前記電流発生部５１０は電流を供給する。このとき、供給される電流は、下記の式３に示されており、その電流の大きさは、抵抗値をトリミング（ｔｒｉｍｍｉｎｇ）できる可変抵抗Ｒにより調節できる。

一方、前記電流発生部５１０から発生した電流は、前記第１ＭＯＳＦＥＴＭ４により前記可変キャパシタＣに充電され、前記充電された電圧を感知して第２ＭＯＳＦＥＴＭ８がオンに切り替わることにより、前記発振信号出力部５３０の最先頭のインバータ５３１を動作させる。

また、前記発振信号出力部５３０の最後方のインバータ５３２は、出力される信号を前記第３ＭＯＳＦＥＴＭ７にフィードバックさせ、前記フィードバックした信号によって、前記第３ＭＯＳＦＥＴＭ７はスイッチング動作を行うようになり、これによって前記可変キャパシタＣに充電された電圧は放電される。このとき、充放電のヒステリシス（ｈｙｓｔｅｒｉｓｉｓ）は、前記第２ＭＯＳＦＥＴＭ８により調節される。

一方、電流源５１１から発生した電流（本実施形態では、１００ｎＡ以下の電流が流れるように具現）は、インバータ駆動電源部５４０のＭＯＳＦＥＴＭ５、Ｍ６、Ｍ９を介してミラーリングされ、そのミラーリングされた電流は、前記発振信号出力部５３０に含まれたインバータ５３１、５３２の駆動電源として提供され、このとき、インバータ駆動電源部３５０のＭＯＳＦＥＴＭ５、Ｍ６、Ｍ９は、前記ミラーリングされた電流が前記電流源から発生した電流より小さな大きさの電流（本実施形態では、５０ｎＡ程度の電流）に該当するように設計される。

また、発振信号出力部５３０から発振信号ＲＣ＿ＯＳＣ＿ＯＵＴが出力されるが、前記発振信号ＲＣ＿ＯＳＣ＿ＯＵＴの周波数は、電流発生量とキャパシタンスにより左右され、そのキャパシタンスの値は、可変キャパシタＣをトリミングして調節できる。

一方、図６は、本発明の第１の実施形態及び第２の実施形態に係る超低電力ＲＦ発振器の出力を示したグラフであり、発振信号出力部を介して出力された信号の周波数は、以下の式１〜６を介して求めることができる。

ここで、ΔＶ１は、時間に応じて可変キャパシタＣに充電される電圧の変化量を示し、Δｔは、可変キャパシタに充電される時間（立上がり時間、定率で充電）Ｔ_Ramp-upを示すもので、下記の式２を介して求めることができる。

このとき、Ｉは、電流発生部３１０、５１０から発生する電流量を示すもので、下記の式３を介して求めることができる。

前記式２に前記式３を代入すると、下記の式４で表現できる。

ここで、Ｔ_Ｄは、発振信号ＲＣ＿ＯＳＣ＿ＯＵＴの周期を示すものであり、前記式４を利用して求めることができる。Ｔｐ＝Ｔ_ramp-up＋Ｔ_ramp-down、Ｔ_ramp-up（立上がり時間）Ｔ_ramp-down（立下がり時間）から上記のようにＴｐ＝２×Ｔ_{Ｒａｍｐ−ｕｐ}となる。前記式５を利用した下記の式６を介して最終的に発振信号ＲＣ＿ＯＳＣ＿ＯＵＴの周波数Ｆ_OSCを求めることができる。

上述した本発明の好ましい実施の形態は、例示の目的のために開示されたものであり、本発明の属する技術の分野における通常の知識を有する者であれば、本発明の技術的思想を逸脱しない範囲内で、様々な置換、変形、及び変更を行うことが可能であり、このような置換、変更なども特許請求の範囲に属するものである。

従来の技術によるＲＣ発振器の回路図である。バイアス電圧に応じる電流発生部の電流を示すグラフである。本発明の第１の実施形態に係る超低電力ＲＣ発振器の回路図である。温度変化に対して互いに相反した特性を有する抵抗要素を所定の割合で組み合わせて構成された可変抵抗の特性を示したグラフであって、温度変化に対して反比例する抵抗値を有するポリシリコン抵抗に対するグラフである。温度変化に対して互いに相反した特性を有する抵抗要素を所定の割合で組み合わせて構成された可変抵抗の特性を示したグラフであって、温度変化に対して比例する抵抗値を有するＮ拡散抵抗に対するグラフである。温度変化に対して互いに相反した特性を有する抵抗要素を所定の割合で組み合わせて構成された可変抵抗の特性を示したグラフであって、前記Ｎ拡散抵抗とポリシリコン抵抗とを３：２の割合で組み合わせて構成された可変抵抗の抵抗特性を示したグラフである。本発明の第２の実施形態に係る超低電力ＲＣ発振器の回路図である。本発明の第１の実施形態及び第２の実施形態に係る超低電力ＲＦ発振器の出力を示したグラフである。

符号の説明

３１０、５１０電流発生部
３１１、５１１電流源
３２０、５２０充放電回路部
３３０、５３０発振信号出力部
３３１、３３２、５３１、５３２インバータ
３４０スタートアップ回路部
３５０、５４０インバータ駆動電源部

Claims

電流を発生させる電流源と、その大きさが可変的に設定され温度変化に対して互いに相反した特性を有する抵抗要素を所定の割合で組み合わせて構成された可変抵抗とを含み、前記可変抵抗により電流の大きさを調節する電流発生部と、
前記電流発生部に接続されて、前記電流発生部が安定に電流を発生させ得るように一定のバイアス動作点に固定させるスタートアップ回路部と、
その大きさが可変的に設定される可変キャパシタと複数のトランジスタとを含み、前記電流発生部に発生した電流及び前記複数のトランジスタを利用して、前記可変キャパシタを充放電させる充放電回路部と、
前記充放電回路部に接続され、複数のインバータを含み、前記可変抵抗の抵抗値及び前記可変キャパシタのキャパシタンス値により周波数が決定される発振信号を出力する発振信号出力部と、
前記電流発生部から発生した電流をミラーリングして、そのミラーリングした電流を前記複数のインバータの駆動電源として提供するインバータ駆動電源部と、
を含む超低電力ＲＣ発振器。
前記可変抵抗は、
温度変化に対して互いに相反した抵抗特性を有するＮ拡散抵抗とポリシリコン抵抗とを所定の割合で組み合わせて、自己温度補償特性を有するように構成されたことを特徴とする請求項１に記載の超低電力ＲＣ発振器。
前記スタートアップ回路部は、
第１〜第３端子を備え、前記第１端子及び第２端子間に印加される電圧の大きさに基づいて、前記第２端子から前記第３端子に流れる電流の大きさ及び方向が変動する第１〜第３トランジスタを含み、
前記第１トランジスタは、第１端子を介して前記第２トランジスタの第１端子に接続され、第２端子を介して電源電圧に接続され、第３端子を介して前記第１端子に接続され、
前記第２トランジスタは、第１端子を介して前記第１トランジスタの第１端子に接続され、第２端子を介して前記電流発生部に接続され、第３端子を介して電源電圧に接続され、
前記第３トランジスタは、第１端子を介して前記第２トランジスタの第１端子に接続され、第２端子を介して接地され、第３端子を介して前記第１端子に接続される
ことを特徴とする請求項１に記載の超低電力ＲＣ発振器。
前記複数のトランジスタは、
第１〜第３端子を備え、前記第１端子及び第２端子間に印加される電圧の大きさに基づいて、前記第２端子から前記第３端子に流れる電流の大きさ及び方向が変動する第４〜第６トランジスタを含み、
前記第４トランジスタは、第１端子を介して前記電流源及び前記可変抵抗間に接続され、第２端子を介して接地され、第３端子を介して前記可変キャパシタに接続されて、前記可変キャパシタを充電させ、
前記第５トランジスタは、第１端子を介して可変キャパシタに接続され、第２端子を介して接地され、第３端子を介して前記複数のインバータに接続されて、前記複数のインバータを駆動させ、
前記第６トランジスタは、第１端子に前記複数のインバータのうち、最後方のインバータから出力される信号がフィードバックされ、第２端子を介して前記インバータ駆動電源部に接続され、第３端子を介して前記可変キャパシタに接続されて、オン／オフ動作を介して前記可変キャパシタに充電された電圧を放電させる
ことを特徴とする請求項１に記載の超低電力ＲＣ発振器。
前記インバータ駆動電源部は、
第１〜第３端子を備え、前記第１端子及び第２端子間に印加される電圧の大きさに基づいて、前記第２端子から前記第３端子に流れる電流の大きさ及び方向が変動する第７〜第９トランジスタを含み、
前記第７〜第９トランジスタは、第１端子を介して互いに直列に接続されて、前記電流源から発生した電流をミラーリングし、
前記第７〜第９トランジスタは、第２端子を介して電源電圧がそれぞれ接続され、
前記第７及び第８トランジスタは、第３端子を介して前記充放電回路部に接続され、
前記第９トランジスタは、第３端子を介して前記複数のインバータに接続され、前記ミラーリングした電流を前記複数のインバータの駆動電源として提供する
ことを特徴とする請求項１に記載の超低電力ＲＣ発振器。
前記第１端子〜第３端子は、ゲート、ソース、ドレインであることを特徴とする請求項３〜５のうちの何れか一項に記載の超低電力ＲＣ発振器。
電流を発生させる電流源と、その大きさが可変的に設定され温度変化に対して互いに相反した特性を有する抵抗要素を所定の割合で組み合わせて構成された可変抵抗とを含み、前記可変抵抗により電流の大きさを調節する電流発生部と、
その大きさが可変的に設定される可変キャパシタと複数のトランジスタとを含み、前記電流発生部に発生した電流及び前記複数のトランジスタを利用して、前記可変キャパシタを充放電させる充放電回路部と、
前記充放電回路部に接続され、複数のインバータを含み、前記可変抵抗の抵抗値及び前記可変キャパシタのキャパシタンス値により周波数が決定される発振信号を出力する発振信号出力部と、
前記電流発生部から発生した電流をミラーリングして、そのミラーリングした電流を前記複数のインバータの駆動電源として提供するインバータ駆動電源部と、
を含む超低電力ＲＣ発振器。
前記可変抵抗は、
温度変化に対して相反した抵抗特性を有するＮ拡散抵抗とポリシリコン抵抗とを所定の割合で組み合わせて、自己温度補償特性を有するように構成されたことを特徴とする請求項７に記載の超低電力ＲＣ発振器。
前記複数のトランジスタは、
第１〜第３端子を備え、前記第１端子及び第２端子間に印加される電圧の大きさに基づいて、前記第２端子から前記第３端子に流れる電流の大きさ及び方向が変動する第１〜第３トランジスタを含み、
前記第１トランジスタは、第１端子を介して前記電流源及び前記可変抵抗間に接続され、第２端子を介して接地され、第３端子を介して前記可変キャパシタに接続されて、前記可変キャパシタを充電させ、
前記第２トランジスタは、第１端子を介して可変キャパシタに接続され、第２端子を介して接地され、第３端子を介して前記複数のインバータに接続されて、前記複数のインバータを駆動させ、
前記第３トランジスタは、第１端子に前記複数のインバータのうち、最後方のインバータから出力される信号がフィードバックされ、第２端子を介して前記インバータ駆動電源部に接続され、第３端子を介して前記可変キャパシタに接続されて、前記可変キャパシタに充電された電圧を放電させる
ことを特徴とする請求項７に記載の超低電力ＲＣ発振器。
前記インバータ駆動電源部は、
第１〜第３端子を備え、前記第１端子及び第２端子間に印加される電圧の大きさに基づいて、前記第２端子から前記第３端子に流れる電流の大きさ及び方向が変動する第４〜第６トランジスタを含み、
前記第４〜第６トランジスタは、第１端子を介して互いに直列に接続されて、前記電流源から発生した電流をミラーリングし、
前記第４〜第６トランジスタは、第２端子を介して電源電圧がそれぞれ接続され、
前記第４及び第５トランジスタは、第３端子を介して前記充放電回路部に接続され、
前記第６トランジスタは、第３端子を介して前記複数のインバータに接続され、前記ミラーリングした電流を前記複数のインバータの駆動電源として提供する
ことを特徴とする請求項７に記載の超低電力ＲＣ発振器。
前記第１端子〜第３端子は、ゲート、ソース、ドレインであることを特徴とする請求項９又は１０に記載の超低電力ＲＣ発振器。