JP5655408B2 - Integrated circuit device - Google Patents

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  • Oscillators With Electromechanical Resonators (AREA)

Description

本発明は、水晶振動子等の振動子を用いて発振動作を行う発振回路と、該発振回路に安定化電源電圧を供給する電圧レギュレータとを内蔵する集積回路装置に関する。   The present invention relates to an integrated circuit device including an oscillation circuit that performs an oscillation operation using a resonator such as a crystal resonator and a voltage regulator that supplies a stabilized power supply voltage to the oscillation circuit.

一般に、ディジタル信号を扱う装置においては、クロック信号を生成するために、水晶振動子又はセラミック振動子等の振動子を用いた発振回路が用いられている。発振回路において生成されたクロック信号は、クロック信号に同期して動作する他の回路に供給される。特に、100MHz以上の高い周波数を有するクロック信号を生成するためには、SAW(Surface Acoustic Wave:表面弾性波)共振子を用いた発振回路が用いられる。   Generally, in an apparatus that handles a digital signal, an oscillation circuit using a vibrator such as a crystal vibrator or a ceramic vibrator is used to generate a clock signal. The clock signal generated in the oscillation circuit is supplied to another circuit that operates in synchronization with the clock signal. In particular, in order to generate a clock signal having a high frequency of 100 MHz or more, an oscillation circuit using a SAW (Surface Acoustic Wave) resonator is used.

また、発振回路に安定した電源電圧を供給するために、演算増幅器を用いて基準電位に基づいて安定化電源電位を生成する電圧レギュレータが用いられることがある。さらに、発振回路と電圧レギュレータとを1つの集積回路装置に内蔵することも可能である。   In order to supply a stable power supply voltage to the oscillation circuit, a voltage regulator that generates a stabilized power supply potential based on a reference potential using an operational amplifier may be used. Further, the oscillation circuit and the voltage regulator can be incorporated in one integrated circuit device.

図8は、発振回路と電圧レギュレータとを内蔵した従来の集積回路装置の構成例を示す回路図である。電圧レギュレータ30は、演算増幅器31と、PチャネルMOSトランジスタQP2と、バイパスコンデンサCregとを含んでおり、電源電位VDD及び電源電位VSS(接地電位)が供給され、基準電位Vrefに基づいて電源電位VDDを安定化して安定化電源電位Vregを生成する。 FIG. 8 is a circuit diagram showing a configuration example of a conventional integrated circuit device including an oscillation circuit and a voltage regulator. The voltage regulator 30 includes an operational amplifier 31, a P-channel MOS transistor QP2, and a bypass capacitor Creg. A power supply potential V DD and a power supply potential V SS (ground potential) are supplied, and the power supply is based on the reference potential Vref. The potential V DD is stabilized to generate a stabilized power supply potential Vreg.

演算増幅器31は、安定化電源電位Vregと基準電位Vrefとの誤差を増幅し、両者が一致するようにトランジスタQP2のオン抵抗を調整する。トランジスタQP2の出力電位を安定にするために、トランジスタQP2のドレインと電源電位VSSとの間にバイパスコンデンサCregが接続されている。 The operational amplifier 31 amplifies the error between the stabilized power supply potential Vreg and the reference potential Vref, and adjusts the on-resistance of the transistor QP2 so that they match. In order to stabilize the output potential of the transistor QP2, the bypass capacitor Creg is connected between the drain and the source potential V SS of the transistor QP2.

一方、発振回路40は、安定化電源電位Vreg及び電源電位VSSが供給され、第1のノードN1に入力される信号を反転増幅して第2のノードN2から出力する相補型増幅回路41と、ノードN1と電源電位VSSとの間に接続されたコンデンサC1と、ノードN2と電源電位VSSとの間に接続されたコンデンサC2とを含んでおり、ノードN1とノードN2との間に振動子42が接続されて発振動作を行う。 On the other hand, the oscillation circuit 40, a stabilized power supply voltage Vreg and the source potential V SS is supplied, a complementary amplifier circuit 41 for outputting the second node N2 inverts and amplifies a signal inputted to the first node N1 , a capacitor C1 connected between the node N1 and the power supply potential V SS, includes a capacitor C2 connected between node N2 and the power supply potential V SS, between the node N1 and the node N2 An oscillator 42 is connected to perform an oscillation operation.

相補型増幅回路41は、PチャネルMOSトランジスタQP1と、NチャネルMOSトランジスタQN1と、出力抵抗Rdと、帰還抵抗Rfとを含んでいる。帰還抵抗Rfは、トランジスタQP1及びQN1の直流バイアスレベルを定めて適切な増幅作用を得るためのものである。また、出力抵抗Rdは、振動子42に流れる電流を制限するために接続されるが、使用する振動子によっては省略されることもある。   The complementary amplifier circuit 41 includes a P channel MOS transistor QP1, an N channel MOS transistor QN1, an output resistor Rd, and a feedback resistor Rf. The feedback resistor Rf is for determining the DC bias level of the transistors QP1 and QN1 to obtain an appropriate amplification action. The output resistor Rd is connected to limit the current flowing through the vibrator 42, but may be omitted depending on the vibrator used.

一般に、相補型増幅回路を用いた発振回路は、大振幅の矩形状発振波形を得ることができ、特に、CMOSタイプの集積回路装置においては広く用いられている。このような発振回路に電源電圧を供給するために電圧レギュレータを用いる理由は、主として以下の3つである。   In general, an oscillation circuit using a complementary amplifier circuit can obtain a rectangular oscillation waveform with a large amplitude, and is widely used particularly in CMOS type integrated circuit devices. There are mainly three reasons why a voltage regulator is used to supply a power supply voltage to such an oscillation circuit.

(1)発振回路に供給される電源電圧Vregを、外部から供給される電源電圧(VDD−VSS)に依らずに一定とすることにより、外部から供給される電源電圧(VDD−VSS)が変動しても発振周波数を安定に保つことができる。
(2)発振回路に供給される電源電圧Vregを下げて、消費電流を削減することができる。
(3)発振回路に供給される電源電圧Vregを、トランジスタの製造ばらつきに応じて調整することにより、発振回路の特性を一定に保つことができる。
(1) By making the power supply voltage Vreg supplied to the oscillation circuit constant irrespective of the power supply voltage (V DD −V SS ) supplied from the outside, the power supply voltage (V DD −V supplied from the outside) Even if SS ) fluctuates, the oscillation frequency can be kept stable.
(2) The power supply voltage Vreg supplied to the oscillation circuit can be lowered to reduce current consumption.
(3) The characteristics of the oscillation circuit can be kept constant by adjusting the power supply voltage Vreg supplied to the oscillation circuit according to the manufacturing variation of the transistors.

関連する技術として、特許文献1には、インバータの入力と出力の間に圧電振動子と帰還抵抗が並列に接続されて成る圧電発振回路において、起動時間を短縮するために、インバータの出力側のコンデンサCDをほぼ1/2ずつに分割してコンデンサCD1及びCD2とし、それらの一端をインバータの出力端子に接続し、他端をVddとGNDにそれぞれ接続することが開示されている。   As a related technique, Patent Document 1 discloses that in a piezoelectric oscillation circuit in which a piezoelectric vibrator and a feedback resistor are connected in parallel between an input and an output of an inverter, in order to shorten the start-up time, It is disclosed that the capacitor CD is divided approximately by half to form capacitors CD1 and CD2, one end of which is connected to the output terminal of the inverter, and the other end is connected to Vdd and GND.

また、特許文献2には、発振に同期した電源電圧の変動を低減するために、CMOSインバータの入力側と一方の電源電位との間に第1の負荷容量を接続し、CMOSインバータの入力側と他方の電源電位との間に第2の負荷容量を接続し、CMOSインバータの出力側と一方の電源電位との間に第3の負荷容量を接続し、CMOSインバータの出力側と他方の電源電位との間に第4の負荷容量を接続した発振回路が開示されている。   Further, in Patent Document 2, in order to reduce the fluctuation of the power supply voltage synchronized with the oscillation, a first load capacitor is connected between the input side of the CMOS inverter and one power supply potential, and the input side of the CMOS inverter. A second load capacitor is connected between the first power supply potential and the other power supply potential, a third load capacitance is connected between the output side of the CMOS inverter and one power supply potential, and the output side of the CMOS inverter and the other power supply are connected. An oscillation circuit in which a fourth load capacitor is connected between the potential and the potential is disclosed.

しかしながら、特許文献1、2には、発振回路と電圧レギュレータとを1つの集積回路装置に内蔵することは開示されていない。また、インバータの入力側又は出力側のコンデンサを2つのコンデンサに分割する際に、それらの容量比をどのように決定すれば良いかについても開示されていない。   However, Patent Documents 1 and 2 do not disclose that an oscillation circuit and a voltage regulator are built in one integrated circuit device. Moreover, it is not disclosed how to determine the capacitance ratio of the inverter when the capacitor on the input side or output side is divided into two capacitors.

特許第3299055号公報(第2〜3頁、図1)Japanese Patent No. 3299555 (pages 2 and 3, FIG. 1) 特許第3284340号公報(第2頁、図1)Japanese Patent No. 3284340 (second page, FIG. 1)

発振回路が振動子を自励振動させて発振信号を得るためには、振動子を除く回路部分が、振動子の等価抵抗をキャンセルするだけの負性抵抗を発生しなければならない。この負性抵抗の値は、増幅回路が有するトランスコンダクタンス(入力電圧変化量に対する出力電流変化量の比)と、振動子の両端に接続されるコンデンサ(図8においては、コンデンサC1及びC2)の容量値に大きく依存する。   In order for the oscillation circuit to oscillate the vibrator and obtain an oscillation signal, the circuit portion excluding the vibrator must generate a negative resistance sufficient to cancel the equivalent resistance of the vibrator. The value of this negative resistance is determined by the transconductance (ratio of the output current change amount to the input voltage change amount) of the amplifier circuit and the capacitors (capacitors C1 and C2 in FIG. 8) connected to both ends of the vibrator. It depends greatly on the capacitance value.

ところが、相補型増幅回路は、接続される電圧レギュレータの出力インピーダンスによって、実質的なトランスコンダクタンスが低下してしまうという性質を有する。従って、発振回路と電圧レギュレータとを1つの集積回路装置に内蔵する場合に、発振回路において発生する負性抵抗は、電圧レギュレータの出力インピーダンスの影響を被ってしまう。   However, the complementary amplifier circuit has a property that the substantial transconductance is lowered by the output impedance of the connected voltage regulator. Therefore, when the oscillation circuit and the voltage regulator are built in one integrated circuit device, the negative resistance generated in the oscillation circuit is affected by the output impedance of the voltage regulator.

そもそも、電圧レギュレータは、低い出力インピーダンスを得るための回路であるが、周波数が高くなるほど、また、消費電流を低減するほど、低い出力インピーダンスを得ることが困難になる。その理由は、演算増幅器のゲイン特性及び位相特性は周波数が高くなるほど劣化し、また、演算増幅器の動作速度は消費電力とトレードオフの関係にあるからである。   In the first place, the voltage regulator is a circuit for obtaining a low output impedance. However, as the frequency is increased and the current consumption is reduced, it is difficult to obtain a low output impedance. This is because the gain characteristic and phase characteristic of the operational amplifier deteriorate as the frequency increases, and the operation speed of the operational amplifier is in a trade-off relationship with the power consumption.

電圧レギュレータの出力インピーダンスを下げるために、バイパスコンデンサの容量値を十分に大きくして、安定化電源電位と接地電位との間の交流インピーダンスを低下させることも考えられる。しかしながら、バイパスコンデンサを集積回路装置に内蔵する場合には、チップサイズの制約があるので、通常は、数十pF〜数百pFの容量値が上限となる。従って、バイパスコンデンサの容量値を大きくして電圧レギュレータの出力インピーダンスを下げることは、現実的には困難である。   In order to lower the output impedance of the voltage regulator, it is conceivable to reduce the AC impedance between the stabilized power supply potential and the ground potential by sufficiently increasing the capacitance value of the bypass capacitor. However, when a bypass capacitor is built in an integrated circuit device, there is a restriction on the chip size, and thus a capacitance value of several tens of pF to several hundreds of pF is usually the upper limit. Therefore, it is practically difficult to reduce the output impedance of the voltage regulator by increasing the capacitance value of the bypass capacitor.

このような事情により、従来は、100MHz以上の高い周波数を有する発振信号を生成する場合に、外付けのバイパスコンデンサを用いることなく発振回路と電圧レギュレータとを1つの集積回路装置に内蔵することは困難であった。   Under such circumstances, conventionally, when generating an oscillation signal having a high frequency of 100 MHz or higher, it is not possible to incorporate an oscillation circuit and a voltage regulator in one integrated circuit device without using an external bypass capacitor. It was difficult.

以上の課題を解決するため、本発明の1つの観点に係る集積回路装置は、第1のノードと第2のノードとの間に振動子が接続されて発振動作を行う集積回路装置であって、第1の電源電位が印加される端子、第2の電源電位が印加される端子および第1の電源電位を安定化して安定化電源電位を出力する端子を備えた電圧レギュレータと、安定化電源電位第1のノードの電圧との差を増幅する第1の増幅素子、及び、第2の電源電位第1のノードの電圧との差を増幅する第2の増幅素子を含み、第1のノードに入力される信号を反転増幅して第2のノードから出力する相補型増幅回路と、第1のノードと安定化電源電位を出力する端子との間に接続された第1のコンデンサと、第1のノードと第2の電源電位が印加される端子との間に接続された第2のコンデンサと、第2のノードと安定化電源電位を出力する端子との間に接続された第3のコンデンサと、第2のノードと第2の電源電位が印加される端子との間に接続された第4のコンデンサとを具備する。
In order to solve the above problems, an integrated circuit device according to one aspect of the present invention is an integrated circuit device that performs an oscillation operation with a vibrator connected between a first node and a second node. A voltage regulator comprising: a terminal to which a first power supply potential is applied; a terminal to which a second power supply potential is applied ; and a terminal for stabilizing the first power supply potential and outputting a stabilized power supply potential; wherein the power supply potential and the first amplifying device for amplifying a difference between the voltage of the first node, and a second amplifier element for amplifying a difference between the second power supply potential and the voltage of the first node, the A first amplifier connected between a first node and a terminal for outputting a stabilized power supply potential; and a complementary amplifier circuit that inverts and amplifies a signal input to the first node and outputs the inverted signal from the second node If, between the terminals of the first node and the second power supply potential is applied A second capacitor is continued, the terminal of a third capacitor connected between a terminal for outputting a second node and stabilized power supply potential, the second node and a second power supply potential is applied And a fourth capacitor connected between the first and second capacitors.

例えば、相補型増幅回路は、安定化電源電位が印加されて動作するとともに、100MHz以上の周波数を有する発振信号を出力するようにしても良い。
For example, the complementary amplifier circuit may operate with a stabilized power supply potential applied and output an oscillation signal having a frequency of 100 MHz or more.

ここで、相補型増幅回路が、安定化電源電位に対する第1のノードの電圧変化に対して第1のトランスコンダクタンスを比例係数とする出力電流の変化を発生すると共に、第2の電源電位に対する第1のノードの電圧変化に対して第2のトランスコンダクタンスを比例係数とする出力電流の変化を発生、第1のコンデンサと第2のコンデンサとが、第1のトランスコンダクタンスと第2のトランスコンダクタンスとの比に略等しい容量比を有し、第3のコンデンサと第4のコンデンサとが、第1のトランスコンダクタンスと第2のトランスコンダクタンスとの比に略等しい容量比を有することが望ましい。
Here, the complementary amplifier circuit generates a change in output current having a first transconductance as a proportional coefficient with respect to a voltage change of the first node with respect to the stabilized power supply potential, and a second power supply potential with respect to the second power supply potential. A change in the output current having a second transconductance as a proportional coefficient is generated with respect to a voltage change in one node, and the first capacitor and the second capacitor are connected to the first transconductance and the second transconductance. It is desirable that the third capacitor and the fourth capacitor have a capacitance ratio substantially equal to the ratio between the first transconductance and the second transconductance.

また、電圧レギュレータが、(i)基準電位が印加される反転入力端子と、安定化電源電位が印加される非反転入力端子と、増幅信号を出力する出力端子とを有する演算増幅器と、(ii)演算増幅器の出力端子に接続されたゲートと、第1の電源電位が印加されるソースと、安定化電源電位を出力するドレインとを有するPチャネルトランジスタとを含むようにしても良い。その場合には、電圧レギュレータの構成を簡素化することができる。
A voltage regulator comprising: (i) an operational amplifier having an inverting input terminal to which a reference potential is applied, a non-inverting input terminal to which a stabilized power supply potential is applied, and an output terminal for outputting an amplified signal; ) A P-channel transistor having a gate connected to the output terminal of the operational amplifier, a source to which the first power supply potential is applied, and a drain for outputting the stabilized power supply potential may be included. In that case, the configuration of the voltage regulator can be simplified.

あるいは、電圧レギュレータが、(i)基準電位が印加される非反転入力端子と、帰還電位が印加される反転入力端子と、増幅信号を出力する出力端子とを有する演算増幅器と、(ii)演算増幅器の出力端子に接続されたゲートと、第1の電源電位が印加されるドレインと、帰還電位を出力するソースとを有する第1のNチャネルトランジスタと、(iii)第1のNチャネルトランジスタのソースが接続される端子第2の電源電位が印加される端子とを備え、入力端子と出力端子とが短絡されたインバータと、(iv)演算増幅器の出力端子に接続されたゲートと、第1の電源電位が印加されるドレインと、安定化電源電位を出力するソースとを有する第2のNチャネルトランジスタとを含むようにしても良い。その場合には、第1の電源電位に重畳する雑音や安定化電源電位の帰還によって生じる位相雑音を低減することができる。
Alternatively, the voltage regulator includes (i) an operational amplifier having a non-inverting input terminal to which a reference potential is applied, an inverting input terminal to which a feedback potential is applied, and an output terminal that outputs an amplified signal; A first N-channel transistor having a gate connected to the output terminal of the amplifier, a drain to which a first power supply potential is applied, and a source for outputting a feedback potential; and (iii) a first N-channel transistor a terminal source is connected, and a terminal to which a second power supply potential is applied, an inverter input terminal and the output terminal is short-circuited, a gate connected to the output terminal of the (iv) an operational amplifier, A second N-channel transistor having a drain to which the first power supply potential is applied and a source for outputting a stabilized power supply potential may be included. In that case, noise superimposed on the first power supply potential and phase noise caused by feedback of the stabilized power supply potential can be reduced.

以上において、相補型増幅回路が、直列に接続された第1のインバータ、第2のインバータ、及び、第3のインバータと、第3のインバータの出力端子と第1のインバータの入力端子との間に接続された抵抗とを含むようにしても良い。その場合には、高い周波数において所望の負性抵抗を得ることが容易となる。
また、上記集積回路装置と、振動子と、を含む発振器を構成しても良い。
In the above, the complementary amplifier circuit includes the first inverter, the second inverter, and the third inverter connected in series, and between the output terminal of the third inverter and the input terminal of the first inverter. And a resistor connected to the. In that case, it becomes easy to obtain a desired negative resistance at a high frequency.
Further, an oscillator including the integrated circuit device and a vibrator may be configured.

本発明の1つの観点によれば、電圧レギュレータの出力インピーダンスが高くても、第1〜第4のコンデンサの働きによって、発振回路が発生する負性抵抗の値を下げることができる。従って、100MHz以上の高い周波数を有する発振信号を生成する場合においても、外付けのバイパスコンデンサを用いることなく発振回路と電圧レギュレータとを1つの集積回路装置に内蔵することが可能となる。   According to one aspect of the present invention, even when the output impedance of the voltage regulator is high, the value of the negative resistance generated by the oscillation circuit can be lowered by the action of the first to fourth capacitors. Therefore, even when an oscillation signal having a high frequency of 100 MHz or higher is generated, the oscillation circuit and the voltage regulator can be built in one integrated circuit device without using an external bypass capacitor.

本発明の第1の実施形態に係る集積回路装置の構成を示す回路図。1 is a circuit diagram showing a configuration of an integrated circuit device according to a first embodiment of the present invention. 従来の発振回路及び第1の実施形態における発振回路の小信号等価回路図。The small signal equivalent circuit schematic of the conventional oscillation circuit and the oscillation circuit in 1st Embodiment. 本発明の第2の実施形態に係る集積回路装置の構成を示す回路図。The circuit diagram which shows the structure of the integrated circuit device which concerns on the 2nd Embodiment of this invention. 本発明の第3の実施形態に係る集積回路装置の構成を示す回路図。The circuit diagram which shows the structure of the integrated circuit device which concerns on the 3rd Embodiment of this invention. 比較例の回路の構成を示す回路図。The circuit diagram which shows the structure of the circuit of a comparative example. 図5に示す比較例の回路における負性抵抗の特性を示す図。The figure which shows the characteristic of the negative resistance in the circuit of the comparative example shown in FIG. 第3の実施形態に係る集積回路装置における負性抵抗の特性を示す図。The figure which shows the characteristic of the negative resistance in the integrated circuit device which concerns on 3rd Embodiment. 発振回路と電圧レギュレータとを内蔵した従来の集積回路装置を示す回路図。FIG. 3 is a circuit diagram showing a conventional integrated circuit device including an oscillation circuit and a voltage regulator.

以下、本発明の実施形態について、図面を参照しながら詳しく説明する。なお、同一の構成要素には同一の参照符号を付して、重複する説明を省略する。
図1は、本発明の第1の実施形態に係る集積回路装置の構成を示す回路図である。図1に示すように、この集積回路装置は、振動子を用いて発振動作を行う発振回路20と、該発振回路20に安定化電源電圧を供給する電圧レギュレータ10とを含んでいる。
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings. In addition, the same referential mark is attached | subjected to the same component and the overlapping description is abbreviate | omitted.
FIG. 1 is a circuit diagram showing a configuration of an integrated circuit device according to the first embodiment of the present invention. As shown in FIG. 1, this integrated circuit device includes an oscillation circuit 20 that performs an oscillation operation using a vibrator, and a voltage regulator 10 that supplies a stabilized power supply voltage to the oscillation circuit 20.

電圧レギュレータ10は、演算増幅器11と、PチャネルMOSトランジスタQP2と、バイパスコンデンサCregとを含んでおり、第1の電源電位VDD及び第2の電源電位VSSが供給され、基準電位Vrefに基づいて電源電位VDDを安定化して安定化電源電位Vregを生成する。本実施形態及び以下の実施形態においては、電源電位VSSが接地電位であるものとする。 Voltage regulator 10 includes an operational amplifier 11, a P-channel MOS transistor QP2, includes a bypass capacitor Creg, first power supply potential V DD and a second power supply potential V SS is supplied, based on a reference potential Vref Thus, the power supply potential V DD is stabilized to generate a stabilized power supply potential Vreg. In this embodiment and the following embodiments, it is assumed that the power supply potential VSS is a ground potential.

演算増幅器11は、基準電位Vrefが印加される反転入力端子と、安定化電源電位Vregが印加される非反転入力端子と、増幅信号を出力する出力端子とを有する。トランジスタQP2は、演算増幅器11の出力端子に接続されたゲートと、電源電位VDDに接続されたソースと、安定化電源電位Vregを出力するドレインとを有する。 The operational amplifier 11 has an inverting input terminal to which the reference potential Vref is applied, a non-inverting input terminal to which the stabilized power supply potential Vreg is applied, and an output terminal that outputs an amplified signal. Transistor QP2 has a gate connected to the output terminal of operational amplifier 11, a source connected to power supply potential V DD , and a drain for outputting stabilized power supply potential Vreg.

演算増幅器11は、安定化電源電位Vregと基準電位Vrefとの誤差を増幅し、両者が一致するようにトランジスタQP2のオン抵抗を調整する。トランジスタQP2の出力電位を安定にするために、トランジスタQP2のドレインと電源電位VSSとの間にバイパスコンデンサCregが接続されている。 The operational amplifier 11 amplifies the error between the stabilized power supply potential Vreg and the reference potential Vref, and adjusts the on-resistance of the transistor QP2 so that they match. In order to stabilize the output potential of the transistor QP2, the bypass capacitor Creg is connected between the drain and the source potential V SS of the transistor QP2.

一方、発振回路20は、安定化電源電位Vreg及び電源電位VSSが供給され、第1のノードN1(入力端子)に入力される信号を反転増幅して第2のノードN2(出力端子)から出力する相補型増幅回路21と、ノードN1と安定化電源電位Vregとの間に接続されたコンデンサC1pと、ノードN1と電源電位VSSとの間に接続されたコンデンサC1nと、ノードN2と安定化電源電位Vregとの間に接続されたコンデンサC2pと、ノードN2と電源電位VSSとの間に接続されたコンデンサC2nとを含んでおり、ノードN1とノードN2との間に振動子22が接続されて発振動作を行う。 On the other hand, the oscillation circuit 20, a stabilized power supply voltage Vreg and the source potential V SS is supplied from the second node is inverted amplifying a signal input to the first node N1 (input) N2 (output terminal) a complementary amplifier circuit 21 for outputting a capacitor C1p connected between the node N1 and the stabilized power supply potential Vreg, a capacitor C1n connected between the node N1 and the power supply potential V SS, and the node N2 stable a capacitor C2p which is connected between a power supply potential Vreg, includes a capacitor C2n connected between the node N2 and the power supply potential V SS, the vibrator 22 between the node N1 and the node N2 Oscillates when connected.

振動子22は、水晶振動子又はセラミック振動子等の振動子であり、集積回路装置に外付けされても良いし、集積回路装置に内蔵されても良い。特に、100MHz以上の高い周波数を有する発振信号を生成するためには、SAW共振子が用いられる。   The vibrator 22 is a vibrator such as a crystal vibrator or a ceramic vibrator, and may be externally attached to the integrated circuit device or may be built in the integrated circuit device. In particular, a SAW resonator is used to generate an oscillation signal having a high frequency of 100 MHz or higher.

相補型増幅回路21は、PチャネルMOSトランジスタQP1及びNチャネルMOSトランジスタQN1によって構成されるインバータと、インバータの出力端子とノードN2との間に接続された出力抵抗Rdと、ノードN2とノードN1との間に接続された帰還抵抗Rfとを含んでいる。   Complementary amplifier circuit 21 includes an inverter constituted by P-channel MOS transistor QP1 and N-channel MOS transistor QN1, an output resistor Rd connected between the output terminal of the inverter and node N2, and nodes N2 and N1. And a feedback resistor Rf connected between the two.

トランジスタQP1は、ノードN1に接続されたゲートと、安定化電源電位Vregに接続されたソースと、出力抵抗Rdの一方の端子に接続されたドレインとを有し、安定化電源電位Vregに対するノードN1の電圧変化を増幅する。トランジスタQN1は、ノードN1に接続されたゲートと、出力抵抗Rdの一方の端子に接続されたドレインと、電源電位VSSに接続されたソースとを有し、電源電位VSSに対するノードN1の電圧変化を増幅する。 Transistor QP1 has a gate connected to node N1, a source connected to stabilized power supply potential Vreg, and a drain connected to one terminal of output resistor Rd, and node N1 with respect to stabilized power supply potential Vreg. Amplifies the change in voltage. Transistor QN1, a gate connected to the node N1, and connected to one terminal of the output resistor Rd drain, and a source connected to the power supply voltage V SS, the voltage of the node N1 with respect to the power supply potential V SS Amplify change.

帰還抵抗Rfは、トランジスタQP1及びQN1の直流バイアスレベルを定めて適切な増幅作用を得るためのものである。また、出力抵抗Rdは、振動子22に流れる電流を制限するために接続されるが、使用する振動子によっては省略されることもある。   The feedback resistor Rf is for determining the DC bias level of the transistors QP1 and QN1 to obtain an appropriate amplification action. The output resistor Rd is connected to limit the current flowing through the vibrator 22, but may be omitted depending on the vibrator used.

以下に、第1の実施形態における発振回路の特徴を、従来の発振回路と比較しながら説明する。
図2は、従来の発振回路及び第1の実施形態における発振回路の小信号等価回路を示す図である。なお、図2においては、振動子、及び、トランジスタの端子間容量や出力抵抗成分は省略されている。また、一般に、帰還抵抗Rfは十分に大きい値を有し、出力抵抗Rdは十分に小さい値を有しており、負性抵抗の計算に及ぼす影響は軽微であるので、これらも省略されている。
The features of the oscillation circuit in the first embodiment will be described below in comparison with a conventional oscillation circuit.
FIG. 2 is a diagram showing a small signal equivalent circuit of the conventional oscillation circuit and the oscillation circuit in the first embodiment. In FIG. 2, the vibrator, the inter-terminal capacitance of the transistor, and the output resistance component are omitted. In general, the feedback resistor Rf has a sufficiently large value, the output resistor Rd has a sufficiently small value, and the influence on the calculation of the negative resistance is negligible, so these are also omitted. .

図2の(a)は、図8に示す従来の発振回路の小信号等価回路を示している。ここで、Rregは、電圧レギュレータの出力インピーダンス(抵抗成分)を表している。図8に示すトランジスタQP1及びQN1は、小信号等価回路においては電圧制御電流源で表され、それらのトランスコンダクタンスをgmp及びgmnとする。   FIG. 2A shows a small signal equivalent circuit of the conventional oscillation circuit shown in FIG. Here, Rreg represents the output impedance (resistance component) of the voltage regulator. The transistors QP1 and QN1 shown in FIG. 8 are represented by voltage controlled current sources in the small signal equivalent circuit, and their transconductances are gmp and gmn.

発振回路が発生する負性抵抗Rnは、振動子が接続されるノードN1とノードN2との間に観測されるインピーダンスz(=v/i)の実数成分として求められる。安定化電源電位Vregに対するノードN1の電圧変化量をvpとし、電源電位VSSに対するノードN1の電圧変化量をvnとすると、キルヒホッフの法則により、次式(1)〜(3)が成り立つ。
gmp・vp+gmn・vn+jω・C2・(vn+v)=i ・・・(1)
jω・C1・vn=−i ・・・(2)
Rreg・gmp・vp+vp=vn ・・・(3)
The negative resistance Rn generated by the oscillation circuit is obtained as a real component of the impedance z (= v / i) observed between the node N1 and the node N2 to which the vibrator is connected. A voltage variation of the node N1 with respect to the regulated power supply potential Vreg and vp, when a voltage variation of the node N1 with respect to the power supply voltage V SS and vn, by Kirchhoff's law, the following equation (1) to (3) hold.
gmp · vp + gmn · vn + jω · C2 · (vn + v) = i (1)
jω · C1 · vn = −i (2)
Rreg · gmp · vp + vp = vn (3)

式(1)〜(3)から、ノードN1の電位の変化量vp及びvnを消去すると、インピーダンスzを表す次式(4)が得られる。

Figure 0005655408
従って、負性抵抗Rnは、式(4)の実数部分によって、次式(5)で表される。
Figure 0005655408
From the equations (1) to (3), when the potential changes vp and vn of the node N1 are eliminated, the following equation (4) representing the impedance z is obtained.
Figure 0005655408
Therefore, the negative resistance Rn is expressed by the following equation (5) by the real part of the equation (4).
Figure 0005655408

式(5)から判るように、従来の発振回路においては、負性抵抗Rnが、電圧レギュレータの出力インピーダンスRregの影響を受けてしまう。具体的には、トランジスタQP1のトランスコンダクタンスgmpが、等価的に1/(1+Rreg・gmp)に低下してしまうことになる。   As can be seen from Equation (5), in the conventional oscillation circuit, the negative resistance Rn is affected by the output impedance Rreg of the voltage regulator. Specifically, the transconductance gmp of the transistor QP1 is equivalently reduced to 1 / (1 + Rreg · gmp).

一方、図2の(b)は、図1に示す第1の実施形態における発振回路の小信号等価回路を示している。ここで、Rregは、電圧レギュレータの出力インピーダンス(抵抗成分)を表している。図1に示すトランジスタQP1及びQN1は、小信号等価回路においては電圧制御電流源で表され、それらのトランスコンダクタンスをgmp及びgmnとする。即ち、相補型増幅回路21は、安定化電源電位Vregに対するノードN1の電圧変化に対して第1のトランスコンダクタンス(gmp)を比例係数とする出力電流の変化を発生すると共に、電源電位VSSに対するノードN1の電圧変化に対して第2のトランスコンダクタンス(gmn)を比例係数とする出力電流の変化を発生する。 On the other hand, FIG. 2B shows a small signal equivalent circuit of the oscillation circuit in the first embodiment shown in FIG. Here, Rreg represents the output impedance (resistance component) of the voltage regulator. Transistors QP1 and QN1 shown in FIG. 1 are represented by voltage controlled current sources in a small signal equivalent circuit, and their transconductances are gmp and gmn. In other words, complementary amplifier circuit 21 is adapted to generate a change in output current to a first transconductance with respect to the voltage change of the node N1 with respect to the regulated power supply potential Vreg (gmp) proportional coefficient, with respect to the power supply potential V SS A change in the output current is generated with the second transconductance (gmn) as a proportional coefficient with respect to the voltage change at the node N1.

第1の実施形態においては、図8に示す従来の発振回路におけるコンデンサC1をコンデンサC1pとコンデンサC1nとに分割し、コンデンサC1pを安定化電源電位Vregに接続すると共に、コンデンサC1nを電源電位VSSに接続している。また、従来の発振回路におけるコンデンサC2をコンデンサC2pとコンデンサC2nとに分割し、コンデンサC2pを安定化電源電位Vregに接続すると共に、コンデンサC2nを電源電位VSSに接続している。 In the first embodiment, the capacitor C1 in the conventional oscillation circuit shown in FIG. 8 is divided into a capacitor C1p and a capacitor C1n, the capacitor C1p is connected to the stabilized power supply potential Vreg, and the capacitor C1n is connected to the power supply potential V SS. Connected to. Further, by dividing the capacitor C2 to the capacitor C2p and the capacitor C2n in the conventional oscillator circuit, with a capacitor C2p the stabilized power supply potential Vreg, connects the capacitor C2n to the power supply potential V SS.

発振回路が発生する負性抵抗Rpは、振動子が接続されるノードN1とノードN2との間に観測されるインピーダンスz(=v/i)の実数成分として求められる。安定化電源電位Vregに対するノードN1の電圧変化量をvpとし、電源電位VSSに対するノードN1の電圧変化量をvnとすると、キルヒホッフの法則により、次式(6)及び(7)が成り立つ。
gmp・vp+gmn・vn+jω・C2p・(vp+v)+jω・C2n・(vn+v)=i ・・・(6)
jω・C1p・vp+jω・C1n・vn=−i ・・・(7)
The negative resistance Rp generated by the oscillation circuit is obtained as a real component of the impedance z (= v / i) observed between the node N1 and the node N2 to which the vibrator is connected. A voltage variation of the node N1 with respect to the regulated power supply potential Vreg and vp, when a voltage variation of the node N1 with respect to the power supply voltage V SS and vn, by Kirchhoff's law, the following expression holds (6) and (7).
gmp · vp + gmn · vn + jω · C2p · (vp + v) + jω · C2n · (vn + v) = i (6)
jω · C1p · vp + jω · C1n · vn = −i (7)

ここで、定数C1、C2、gmを、次のように定義する。
C1p+C1n≡C1,C2p+C2n≡C2,gmp+gmn≡gm・・・(8)
また、コンデンサC1pとコンデンサC1nとが、トランスコンダクタンスgmpとトランスコンダクタンスgmnとの比に略等しい容量比を有し、コンデンサC2pとコンデンサC2nとが、トランスコンダクタンスgmpとトランスコンダクタンスgmnとの比に略等しい容量比を有するように、コンデンサの容量を定める。
C1p:C1n=C2p:C2n=gmp:gmn=k:(1−k) ・・・(9)
なお、kは、0<k<1を満たす実数である。
Here, the constants C1, C2, and gm are defined as follows.
C1p + C1n≡C1, C2p + C2n≡C2, gmp + gmn≡gm (8)
Capacitor C1p and capacitor C1n have a capacitance ratio substantially equal to the ratio of transconductance gmp to transconductance gmn, and capacitor C2p and capacitor C2n are substantially equal to the ratio of transconductance gmp to transconductance gmn. The capacitance of the capacitor is determined so as to have a capacitance ratio.
C1p: C1n = C2p: C2n = gmp: gmn = k: (1-k) (9)
Note that k is a real number that satisfies 0 <k <1.

式(8)及び(9)を用いて式(6)及び(7)を書き換えると、次式(10)及び(11)が得られる。
k・gm・vp+(1−k)・gm・vn+jω・k・C2・(vp+v)+jω・(1−k)・C2・(vn+v)=i ・・・(10)
jω・k・C1・vp+jω・(1−k)・C1・vn=−i ・・・(11)
When equations (6) and (7) are rewritten using equations (8) and (9), the following equations (10) and (11) are obtained.
k · gm · vp + (1−k) · gm · vn + jω · k · C2 · (vp + v) + jω · (1−k) · C2 · (vn + v) = i (10)
jω · k · C1 · vp + jω · (1-k) · C1 · vn = −i (11)

式(10)及び(11)を整理すると、次式(12)及び(13)が得られる。
gm・{k・vp+(1−k)・vn}+jω・C2・{k・vp+(1−k)・vn+v}=i ・・・(12)
jω・C1・{k・vp+(1−k)・vn}=−i ・・・(13)
By rearranging the equations (10) and (11), the following equations (12) and (13) are obtained.
gm · {k · vp + (1−k) · vn} + jω · C2 · {k · vp + (1−k) · vn + v} = i (12)
jω · C1 · {k · vp + (1−k) · vn} = − i (13)

式(13)を変形すると、次式(14)が得られる。

Figure 0005655408
式(14)を式(12)に代入すると、次式(15)が得られる。
Figure 0005655408
When the equation (13) is transformed, the following equation (14) is obtained.
Figure 0005655408
Substituting equation (14) into equation (12) yields the following equation (15).
Figure 0005655408

式(15)から、インピーダンスzを表す次式(16)が得られる。

Figure 0005655408
従って、負性抵抗Rnは、式(16)の実数部分によって、次式(17)で表される。
Figure 0005655408
From the equation (15), the following equation (16) representing the impedance z is obtained.
Figure 0005655408
Therefore, the negative resistance Rn is expressed by the following equation (17) by the real part of the equation (16).
Figure 0005655408

式(17)は、式(5)においてRreg=0とした結果に一致する。即ち、式(9)が成り立つようにコンデンサの容量を定めることにより、発振回路の負性抵抗Rnは、電圧レギュレータの出力インピーダンスとは無関係になる。   Equation (17) agrees with the result when Rreg = 0 in Equation (5). That is, by determining the capacitance of the capacitor so that Equation (9) holds, the negative resistance Rn of the oscillation circuit becomes independent of the output impedance of the voltage regulator.

次に、本発明の第2の実施形態について説明する。
図3は、本発明の第2の実施形態に係る集積回路装置の構成を示す回路図である。第2の実施形態においては、図1に示す第1の実施形態における電圧レギュレータ10の替わりに、電圧レギュレータ10aが用いられる。その他の点に関しては、第1の実施形態と同様である。
Next, a second embodiment of the present invention will be described.
FIG. 3 is a circuit diagram showing a configuration of an integrated circuit device according to the second embodiment of the present invention. In the second embodiment, a voltage regulator 10a is used instead of the voltage regulator 10 in the first embodiment shown in FIG. The other points are the same as in the first embodiment.

電圧レギュレータ10aは、演算増幅器11と、NチャネルMOSトランジスタQN2及びQN3と、レプリカ回路12と、バイパスコンデンサCregとを含んでおり、電源電位VDD及び電源電位VSSが供給され、基準電位Vrefに基づいて電源電位VDDを安定化して安定化電源電位Vregを生成する。 Voltage regulator 10a includes an operational amplifier 11, an N-channel MOS transistor QN2 and QN3, a replica circuit 12, includes a bypass capacitor Creg, the power supply potential V DD and the power supply voltage V SS is supplied to the reference potential Vref Based on this, the power supply potential V DD is stabilized to generate a stabilized power supply potential Vreg.

演算増幅器11は、基準電位Vrefが印加される非反転入力端子と、帰還電位Vfbが印加される反転入力端子と、増幅信号を出力する出力端子とを有する。トランジスタQN2は、演算増幅器11の出力端子に接続されたゲートと、電源電位VDDに接続されたドレインと、帰還電位Vfbを出力するソースとを有する。 The operational amplifier 11 has a non-inverting input terminal to which the reference potential Vref is applied, an inverting input terminal to which the feedback potential Vfb is applied, and an output terminal that outputs an amplified signal. Transistor QN2 has a gate connected to the output terminal of operational amplifier 11, a drain connected to power supply potential V DD , and a source for outputting feedback potential Vfb.

レプリカ回路12は、PチャネルトランジスタQP4とNチャネルトランジスタQN4とによって構成されるインバータを含んでおり、相補型増幅回路21において用いられるインバータのトランジスタサイズを縮小して回路を簡素化したレプリカであるが、発振動作は行わない。レプリカ回路12のインバータは、トランジスタQN2のソースと電源電位VSSとの間に接続され、入力端子と出力端子とが短絡されている。トランジスタQN2のソース電位は、このインバータに供給されると共に、帰還電位Vfbとして演算増幅器11の反転入力端子に供給される。 The replica circuit 12 includes an inverter composed of a P-channel transistor QP4 and an N-channel transistor QN4, and is a replica that simplifies the circuit by reducing the transistor size of the inverter used in the complementary amplifier circuit 21. Does not oscillate. The inverter of the replica circuit 12 is connected between the source and the power supply potential V SS of the transistor QN2, and the input and output terminals are short-circuited. The source potential of the transistor QN2 is supplied to this inverter and also supplied to the inverting input terminal of the operational amplifier 11 as the feedback potential Vfb.

トランジスタQN3は、演算増幅器11の出力端子に接続されたゲートと、電源電位VDDに接続されたドレインと、安定化電源電位Vregを出力するソースとを有する。トランジスタQN3の出力電位を安定にするために、トランジスタQN3のソースと電源電位VSSとの間にバイパスコンデンサCregが接続されている。トランジスタQN2のソースから出力される安定化電源電位Vregは、発振回路20に供給される。 Transistor QN3 has a gate connected to the output terminal of operational amplifier 11, a drain connected to power supply potential V DD , and a source for outputting stabilized power supply potential Vreg. In order to stabilize the output potential of the transistor QN3, the bypass capacitor Creg is connected between the source and the power supply potential V SS of the transistor QN3. The stabilized power supply potential Vreg output from the source of the transistor QN2 is supplied to the oscillation circuit 20.

演算増幅器11は、帰還電位Vfbと基準電位Vrefとの誤差を増幅し、両者が一致するようにトランジスタQN2及びQN3のオン抵抗を調整する。ここで、レプリカ回路12のトランジスタQP4及びQN4のチャネル幅は、発振回路20のトランジスタQP1及びQN1のチャネル幅のそれぞれ1/Nとなっている。また、トランジスタQN2のチャネル幅は、トランジスタQN3のチャネル幅の1/Nとなっている。従って、トランジスタQN2のドレイン電流は、トランジスタQN3のドレイン電流の略1/Nとなる。なお、Nは1より大きい実数であり、10〜100の範囲内にあることが望ましい。このような構成により、ソースフォロワをそれぞれ構成するトランジスタQN2及びQN3のしきい電圧が変動しても、レプリカ回路12に印加されるトランジスタQN2のソース電位を演算増幅器11に帰還することにより、安定化電源電位Vregを基準電位Vrefに近付けることができる。   The operational amplifier 11 amplifies the error between the feedback potential Vfb and the reference potential Vref, and adjusts the on-resistances of the transistors QN2 and QN3 so that they match. Here, the channel widths of the transistors QP4 and QN4 of the replica circuit 12 are each 1 / N of the channel widths of the transistors QP1 and QN1 of the oscillation circuit 20. The channel width of transistor QN2 is 1 / N of the channel width of transistor QN3. Therefore, the drain current of the transistor QN2 is approximately 1 / N of the drain current of the transistor QN3. Note that N is a real number larger than 1, and is preferably in the range of 10 to 100. With such a configuration, even if the threshold voltages of the transistors QN2 and QN3 constituting the source follower fluctuate, the source potential of the transistor QN2 applied to the replica circuit 12 is fed back to the operational amplifier 11 to be stabilized. The power supply potential Vreg can be brought close to the reference potential Vref.

図1に示す第1の実施形態における電圧レギュレータ10は、最も一般的な簡素化された構成を有するものであるが、高周波発振回路に電源電圧を供給するためには必ずしも適していない。電圧レギュレータ10の1つの問題点は、出力部にPチャネルMOSトランジスタを使用していることであり、もう1つの問題点は、出力部から出力される安定化電源電位Vregを演算増幅器に直接帰還していることである。   Although the voltage regulator 10 in the first embodiment shown in FIG. 1 has the most general simplified configuration, it is not necessarily suitable for supplying a power supply voltage to the high-frequency oscillation circuit. One problem with the voltage regulator 10 is that a P-channel MOS transistor is used in the output section, and another problem is that the stabilized power supply potential Vreg output from the output section is directly fed back to the operational amplifier. Is.

PチャネルMOSトランジスタは、電源電位VDDに対するゲート端子の電圧変化に対して増幅作用を有するので、電源電位VDDに雑音が重畳した場合には、その雑音も増幅してしまう。従って、安定化電源電位Vregに現れる雑音レベルが大きくなる。しかも、安定化電源電位Vregが演算増幅器に帰還されることによって、安定化電源電位Vregに現れる雑音が繰り返し増幅されてしまう。その結果、発振回路が出力する発振信号の波形には、位相雑音と呼ばれる発振周波数とは無関係な不要周波数成分が観測される。無線通信であるか有線通信であるかを問わず、通信用途に使用される発振回路において、位相雑音は致命的な不具合となることがある。 P-channel MOS transistor, since it has an amplifying effect on the voltage change of the gate terminal with respect to the power supply potential V DD, when noise to the power supply potential V DD is superimposed is thus amplified also its noise. Therefore, the noise level appearing in the stabilized power supply potential Vreg is increased. In addition, when the stabilized power supply potential Vreg is fed back to the operational amplifier, noise appearing in the stabilized power supply potential Vreg is repeatedly amplified. As a result, an unnecessary frequency component irrelevant to the oscillation frequency called phase noise is observed in the waveform of the oscillation signal output from the oscillation circuit. Regardless of whether the communication is wireless communication or wired communication, phase noise may be a fatal problem in an oscillation circuit used for communication.

これに対し、図3に示す電圧レギュレータ10aにおいては、出力部にNチャネルMOSトランジスタを用い、演算増幅器11の入力極性を図1に示す電圧レギュレータ10と逆にしているので、電源電位VDDに重畳する雑音の影響を回避することができる。また、レプリカ回路12に供給される帰還電位Vfbを演算増幅器11に帰還する構成となっており、安定化電源電位Vregが直接帰還されないので、位相雑音を低減することができる。 In contrast, in the voltage regulator 10a shown in FIG. 3, using the N-channel MOS transistor in the output section, the input polarity of the operational amplifier 11 is reversed and the voltage regulator 10 shown in FIG. 1, the power supply potential V DD The influence of the superimposed noise can be avoided. Further, the feedback potential Vfb supplied to the replica circuit 12 is fed back to the operational amplifier 11, and the stabilized power supply potential Vreg is not directly fed back, so that phase noise can be reduced.

次に、本発明の第3の実施形態について説明する。
図4は、本発明の第3の実施形態に係る集積回路装置の構成を示す回路図である。第3の実施形態においては、図1に示す第1の実施形態における発振回路20の替わりに、発振回路20aが用いられる。その他の点に関しては、第1の実施形態と同様である。
Next, a third embodiment of the present invention will be described.
FIG. 4 is a circuit diagram showing a configuration of an integrated circuit device according to the third embodiment of the present invention. In the third embodiment, an oscillation circuit 20a is used instead of the oscillation circuit 20 in the first embodiment shown in FIG. The other points are the same as in the first embodiment.

発振回路20aは、安定化電源電位Vreg及び電源電位VSSが供給され、ノードN1に入力される信号を反転増幅してノードN2から出力する相補型増幅回路21aと、ノードN1と安定化電源電位Vregとの間に接続されたコンデンサC1pと、ノードN1と電源電位VSSとの間に接続されたコンデンサC1nと、ノードN2と安定化電源電位Vregとの間に接続されたコンデンサC2pと、ノードN2と電源電位VSSとの間に接続されたコンデンサC2nとを含んでおり、ノードN1とノードN2との間に振動子22が接続されて発振動作を行う。 Oscillation circuit 20a, the stabilized power source voltage Vreg and the power supply voltage V SS is supplied, and a complementary amplifier circuit 21a which outputs a signal input to the inverting amplifier from the node N2 to the node N1, stabilized power supply potential and the node N1 a capacitor C1p connected between the Vreg, a capacitor C1n connected between the node N1 and the power supply potential V SS, and a capacitor C2p connected between the node N2 and the stabilized power source potential Vreg, the node includes a capacitor C2n connected between the N2 and the power supply potential V SS, performs the oscillation operation is connected vibrator 22 between the node N1 and the node N2.

第3の実施形態においては、相補型増幅回路21aが複数の増幅段を有しており、例えば、高周波の発振信号を生成するのに適した3段構成の増幅回路が用いられる。具体的には、図4に示すように、相補型増幅回路21aが、直列に接続された第1〜第3のインバータと、第3のインバータの出力端子と第1のインバータの入力端子との間に接続された帰還抵抗Rfと、第2のインバータの出力端子と第2のインバータの入力端子との間に接続された位相調整用抵抗Rpとを含んでいる。   In the third embodiment, the complementary amplifying circuit 21a has a plurality of amplifying stages, and for example, a three-stage amplifying circuit suitable for generating a high-frequency oscillation signal is used. Specifically, as shown in FIG. 4, the complementary amplifier circuit 21a includes first to third inverters connected in series, an output terminal of the third inverter, and an input terminal of the first inverter. A feedback resistor Rf connected in between, and a phase adjusting resistor Rp connected between the output terminal of the second inverter and the input terminal of the second inverter.

第1のインバータは、PチャネルMOSトランジスタQP11と、NチャネルMOSトランジスタQN11とによって構成される。トランジスタQP11は、ノードN1に接続されたゲートと、安定化電源電位Vregに接続されたソースと、第2のインバータの入力端子に接続されたドレインとを有し、安定化電源電位Vregに対するノードN1の電圧変化を増幅する。トランジスタQN11は、ノードN1に接続されたゲートと、第2のインバータの入力端子に接続されたドレインと、電源電位VSSに接続されたソースとを有し、電源電位VSSに対するノードN1の電圧変化を増幅する。 The first inverter includes a P channel MOS transistor QP11 and an N channel MOS transistor QN11. The transistor QP11 has a gate connected to the node N1, a source connected to the stabilized power supply potential Vreg, and a drain connected to the input terminal of the second inverter, and the node N1 with respect to the stabilized power supply potential Vreg. Amplifies the change in voltage. Transistor QN11 has a gate connected to the node N1, a drain connected to the input terminal of the second inverter, and a source connected to the power supply voltage V SS, the voltage of the node N1 with respect to the power supply potential V SS Amplify change.

第2のインバータは、PチャネルMOSトランジスタQP12と、NチャネルMOSトランジスタQN12とによって構成される。トランジスタQP12は、第1のインバータの出力端子に接続されたゲートと、安定化電源電位Vregに接続されたソースと、第3のインバータの入力端子に接続されたドレインとを有する。トランジスタQN12は、第1のインバータの出力端子に接続されたゲートと、第3のインバータの入力端子に接続されたドレインと、電源電位VSSに接続されたソースとを有する。 The second inverter includes a P channel MOS transistor QP12 and an N channel MOS transistor QN12. Transistor QP12 has a gate connected to the output terminal of the first inverter, a source connected to stabilized power supply potential Vreg, and a drain connected to the input terminal of the third inverter. Transistor QN12 has a gate connected to an output terminal of the first inverter, a drain connected to the input terminal of the third inverter, and a source connected to a power supply potential V SS.

第3のインバータは、PチャネルMOSトランジスタQP13と、NチャネルMOSトランジスタQN13とによって構成される。トランジスタQP13は、第2のインバータの出力端子に接続されたゲートと、安定化電源電位Vregに接続されたソースと、ノードN2に接続されたドレインとを有する。トランジスタQN13は、第2のインバータの出力端子に接続されたゲートと、ノードN2に接続されたドレインと、電源電位VSSに接続されたソースとを有する。 The third inverter includes a P channel MOS transistor QP13 and an N channel MOS transistor QN13. Transistor QP13 has a gate connected to the output terminal of the second inverter, a source connected to stabilized power supply potential Vreg, and a drain connected to node N2. Transistor QN13 has a gate connected to an output terminal of the second inverter, a drain connected to the node N2, and a source connected to a power supply potential V SS.

このように増幅回路が複数の増幅段を有する場合には、増幅回路内部で信号の位相遅れが生じるが、それにより、高い周波数において所望の負性抵抗を得ることが容易となる。ただし、信号の位相が90°以上遅れてしまうと、負性抵抗は得られなくなる。それを避けるために、例えば、第2のインバータの出力端子と入力端子との間に、位相調整用抵抗Rpが接続されている。使用するトランジスタの特性によっては、位相調整用抵抗Rpを省略できる場合もある。なお、第3の実施形態において、図4に示す電圧レギュレータ10の替わりに、図3に示す電圧レギュレータ10aを用いるようにしても良い。   When the amplifier circuit has a plurality of amplifier stages as described above, a signal phase lag occurs inside the amplifier circuit, which makes it easy to obtain a desired negative resistance at a high frequency. However, if the phase of the signal is delayed by 90 ° or more, negative resistance cannot be obtained. In order to avoid this, for example, a phase adjustment resistor Rp is connected between the output terminal and the input terminal of the second inverter. Depending on the characteristics of the transistor used, the phase adjustment resistor Rp may be omitted. In the third embodiment, the voltage regulator 10a shown in FIG. 3 may be used instead of the voltage regulator 10 shown in FIG.

図4に示すように、M個(Mは、3以上の奇数)のインバータが直列に接続された相補型増幅回路を用いる場合には、図2の(b)に示す小信号等価回路において、M組の電圧制御電流源が直列に接続されることになる。しかしながら、直列に接続されたM個のインバータの内で、初段以外のインバータにおいては入力電圧が十分に大きく、また、終段以外のインバータにおいては出力電流が十分に小さい。   As shown in FIG. 4, when using a complementary amplifier circuit in which M (M is an odd number of 3 or more) inverters connected in series, the small signal equivalent circuit shown in FIG. M sets of voltage-controlled current sources are connected in series. However, among the M inverters connected in series, the input voltage is sufficiently large in the inverters other than the first stage, and the output current is sufficiently small in the inverters other than the final stage.

そこで、本願においては、M個のインバータが直列に接続された相補型増幅回路を用いる場合に、初段のインバータにおけるPチャネルトランジスタの入力電圧の変化量に対する終段のインバータにおけるPチャネルトランジスタの出力電流の変化量を、相補型増幅回路の第1のトランスコンダクタンスと定義する。同様に、初段のインバータにおけるNチャネルトランジスタの入力電圧の変化量に対する終段のインバータにおけるNチャネルトランジスタの出力電流の変化量を、相補型増幅回路の第2のトランスコンダクタンスと定義する。即ち、相補型増幅回路は、安定化電源電位Vregに対するノードN1の電圧変化に対して第1のトランスコンダクタンスを比例係数とする出力電流の変化を発生すると共に、電源電位VSSに対するノードN1の電圧変化に対して第2のトランスコンダクタンスを比例係数とする出力電流の変化を発生する。 Therefore, in the present application, when a complementary amplifier circuit in which M inverters are connected in series is used, the output current of the P channel transistor in the final stage inverter with respect to the amount of change in the input voltage of the P channel transistor in the first stage inverter. Is defined as the first transconductance of the complementary amplifier circuit. Similarly, the amount of change in the output current of the N-channel transistor in the final-stage inverter with respect to the amount of change in the input voltage of the N-channel transistor in the first-stage inverter is defined as the second transconductance of the complementary amplifier circuit. In other words, complementary amplifier circuit is adapted to generate a change in output current of the first transconductance proportional coefficient with respect to the voltage change of the node N1 with respect to the regulated power supply potential Vreg, the voltage of the node N1 with respect to the power supply potential V SS A change in output current is generated with the second transconductance as a proportional coefficient for the change.

以下に、第3の実施形態に係る集積回路装置の特性のシミュレーション結果を、比較例の回路と比較しながら説明する。
図5は、比較例の回路の構成を示す回路図である。比較例の回路は、図4に示す電圧レギュレータ10と、図8に示す発振回路40において相補型増幅回路41を図4に示す相補型増幅回路21aに変更した発振回路40aとを含んでいる。相補型増幅回路21aにおいては、直列に接続された第1〜第3のインバータが用いられる。
The simulation results of the characteristics of the integrated circuit device according to the third embodiment will be described below in comparison with the circuit of the comparative example.
FIG. 5 is a circuit diagram showing a configuration of a circuit of a comparative example. The circuit of the comparative example includes the voltage regulator 10 shown in FIG. 4 and an oscillation circuit 40a in which the complementary amplifier circuit 41 in the oscillation circuit 40 shown in FIG. 8 is changed to the complementary amplifier circuit 21a shown in FIG. In the complementary amplifier circuit 21a, first to third inverters connected in series are used.

図6は、図5に示す比較例の回路における負性抵抗の特性を示す図である。また、図7は、第3の実施形態に係る集積回路装置における負性抵抗の特性を示す図である。図6及び図7において、横軸は周波数(MHz)を表しており、縦軸は負性抵抗Rnの値(Ω)を表している。パラメータとして、電圧レギュレータ10において出力に接続されるバイパスコンデンサCregの値を0〜100pFの範囲で6通りに変化させている。第3の実施形態に係る集積回路装置においては、比較例の回路におけるコンデンサC1をコンデンサC1p及びC1nに分割し、比較例の回路におけるコンデンサC2をコンデンサC2p及びC2nに分割している他は、比較例の回路におけるのと同じ回路構成及び回路定数を用いている。また、一般に、振動子の両端子間には寄生容量成分が存在するので、このシミュレーションにおいては、寄生容量の値を5pFと想定して負性抵抗Rnの値を計算している。   FIG. 6 is a diagram showing the characteristics of the negative resistance in the circuit of the comparative example shown in FIG. FIG. 7 is a diagram showing the characteristics of negative resistance in the integrated circuit device according to the third embodiment. 6 and 7, the horizontal axis represents the frequency (MHz), and the vertical axis represents the value (Ω) of the negative resistance Rn. As a parameter, the value of the bypass capacitor Creg connected to the output in the voltage regulator 10 is changed in six ways in the range of 0 to 100 pF. In the integrated circuit device according to the third embodiment, the capacitor C1 in the comparative example circuit is divided into capacitors C1p and C1n, and the capacitor C2 in the comparative example circuit is divided into capacitors C2p and C2n. The same circuit configuration and circuit constants are used as in the example circuit. In general, since a parasitic capacitance component exists between both terminals of the vibrator, the value of the negative resistance Rn is calculated in this simulation assuming that the value of the parasitic capacitance is 5 pF.

図6に示すように、比較例の回路においては、バイパスコンデンサCregを接続しない場合に(Creg=0)、高周波域における負性抵抗Rnの値は不十分である。これは、電圧レギュレータ10の出力インピーダンスが悪影響を及ぼしているためである。バイパスコンデンサCregの値が増加するにつれて、電圧レギュレータ10の出力インピーダンスが低下するので、それに応じて負性抵抗Rnの特性も変化する。   As shown in FIG. 6, in the circuit of the comparative example, when the bypass capacitor Creg is not connected (Creg = 0), the value of the negative resistance Rn in the high frequency region is insufficient. This is because the output impedance of the voltage regulator 10 has an adverse effect. As the value of the bypass capacitor Creg increases, the output impedance of the voltage regulator 10 decreases, and the characteristic of the negative resistance Rn changes accordingly.

例えば、SAW共振子を用いて200MHz〜300MHzを動作範囲とする発振回路を実現する場合について検討する。SAW共振子の振動片は、電気抵抗に換算して25Ω程度の損失を有している。従って、発振動作を行うためには、−25Ω以下の負性抵抗を発生させることが必要となる。ただし、実際には、発振の起動を早めて規定の時間内に発振動作を安定させる必要性と、諸条件の変動に対して余裕度を持たせる必要性とから、−40Ω程度の負性抵抗を発生させることが設計条件となる。そのためには、比較例の回路において、バイパスコンデンサCregの容量値を80pF程度に増やさなければならない。しかしながら、そのように大きな容量値を有するバイパスコンデンサを集積回路装置に内蔵することは、集積回路装置の小型化及び低コスト化を図る上で大きな支障となる。   For example, consider a case where an oscillation circuit having an operating range of 200 MHz to 300 MHz is realized using a SAW resonator. The resonator element of the SAW resonator has a loss of about 25Ω in terms of electrical resistance. Therefore, in order to perform an oscillation operation, it is necessary to generate a negative resistance of −25Ω or less. However, in practice, a negative resistance of about −40Ω is necessary because of the necessity of stabilizing the oscillation operation within a specified time by accelerating the start of oscillation, and the necessity of providing a margin for fluctuations in various conditions. The design condition is to generate For this purpose, in the circuit of the comparative example, the capacitance value of the bypass capacitor Creg must be increased to about 80 pF. However, the incorporation of a bypass capacitor having such a large capacitance value in an integrated circuit device is a major obstacle to miniaturization and cost reduction of the integrated circuit device.

一方、本発明の実施形態に係る集積回路装置においては、既に説明したように、負性抵抗Rnの値が電圧レギュレータ10の出力インピーダンスに影響されないので、図7に示すように、負性抵抗Rnの値がバイパスコンデンサCregの容量値に依らずに略一定となっている。しかも、図7に示す特性は、図5に示す回路において電圧レギュレータ10の出力インピーダンスをゼロにしたときの特性と略一致する。図5に示す回路において電圧レギュレータ10の出力インピーダンスをゼロとするためには、バイパスコンデンサCregの容量値を無限大としなければならない。本発明の第3の実施形態によれば、バイパスコンデンサを搭載しなくても、これと同等の特性を得ることができる。従って、大容量のバイパスコンデンサを搭載するために集積回路装置のサイズを増大させることなく、高周波域(例えば、100MHz〜300MHz)において発振動作を行う発振回路と、該発振回路に安定化電源電圧を供給する電圧レギュレータとを内蔵する集積回路装置を実現することが可能となる。   On the other hand, in the integrated circuit device according to the embodiment of the present invention, as already described, since the value of the negative resistance Rn is not affected by the output impedance of the voltage regulator 10, as shown in FIG. Is substantially constant regardless of the capacitance value of the bypass capacitor Creg. Moreover, the characteristics shown in FIG. 7 substantially coincide with the characteristics when the output impedance of the voltage regulator 10 is set to zero in the circuit shown in FIG. In the circuit shown in FIG. 5, in order to make the output impedance of the voltage regulator 10 zero, the capacitance value of the bypass capacitor Creg must be infinite. According to the third embodiment of the present invention, the same characteristics can be obtained without mounting a bypass capacitor. Accordingly, an oscillation circuit that oscillates in a high frequency range (for example, 100 MHz to 300 MHz) without increasing the size of the integrated circuit device to mount a large-capacity bypass capacitor, and a stabilized power supply voltage to the oscillation circuit. An integrated circuit device including a voltage regulator to be supplied can be realized.

図7に示すように、第3の実施形態によれば、発振回路20aが発生する負性抵抗Rnの値が、100MHz〜300MHzにおいて−50Ω以下となっており、特に、200MHz〜300MHzにおいて負性抵抗Rnの値が低下している。これにより、設計余裕度が格段に向上すると共に、発振の起動時間を短縮することができるという顕著な効果が得られる。   As shown in FIG. 7, according to the third embodiment, the value of the negative resistance Rn generated by the oscillation circuit 20a is −50Ω or less at 100 MHz to 300 MHz, and particularly negative at 200 MHz to 300 MHz. The value of the resistor Rn has decreased. As a result, the design margin is remarkably improved, and a remarkable effect that the start time of oscillation can be shortened is obtained.

以上説明したように、本発明の実施形態に係る集積回路装置は、たとえ電圧レギュレータの出力インピーダンスが高くても確実に負性抵抗を発生することができるので、電圧レギュレータの出力インピーダンスが高いことは回路設計上の支障とならない。従って、数百MHzという高周波域においても、外付けのバイパスコンデンサを用いることなく発振回路と電圧レギュレータとを1つの集積回路装置に内蔵することが可能となる。   As described above, the integrated circuit device according to the embodiment of the present invention can surely generate a negative resistance even if the output impedance of the voltage regulator is high, so that the output impedance of the voltage regulator is high. Does not hinder circuit design. Therefore, even in a high frequency range of several hundred MHz, the oscillation circuit and the voltage regulator can be built in one integrated circuit device without using an external bypass capacitor.

また、電圧レギュレータの消費電流と出力インピーダンスとはトレードオフの関係にあり、消費電流を削減しつつ出力インピーダンスを下げることは困難であるが、本発明の実施形態に係る集積回路装置によれば、そのようなことも問題とならない。本発明の実施形態に係る集積回路装置は、たとえ電圧レギュレータの出力インピーダンスが高くても確実に負性抵抗を発生することができるので、電圧レギュレータの消費電流を究極的に削減することが可能となる。例えば、周波数32.768kHzで発振する時計用発振器として、100nAを下回る極低消費電流の集積回路装置を実現することができる。   Further, the consumption current and the output impedance of the voltage regulator are in a trade-off relationship, and it is difficult to lower the output impedance while reducing the consumption current, but according to the integrated circuit device according to the embodiment of the present invention, That is no problem. Since the integrated circuit device according to the embodiment of the present invention can surely generate a negative resistance even if the output impedance of the voltage regulator is high, it is possible to ultimately reduce the current consumption of the voltage regulator. Become. For example, an integrated circuit device having an extremely low current consumption of less than 100 nA can be realized as a clock oscillator that oscillates at a frequency of 32.768 kHz.

さらに、電圧レギュレータの出力インピーダンスを無理に下げる必要がなくなるので、バイパスコンデンサの容量を小さくしたり、バイパスコンデンサを省略することも可能である。その結果、発振回路と電圧レギュレータとを内蔵した集積回路装置のチップサイズを縮小することができる。   Furthermore, since it is not necessary to forcibly reduce the output impedance of the voltage regulator, the capacity of the bypass capacitor can be reduced or the bypass capacitor can be omitted. As a result, the chip size of the integrated circuit device incorporating the oscillation circuit and the voltage regulator can be reduced.

10、10a 電圧レギュレータ、 11 演算増幅器、 12 レプリカ回路、 20、20a 発振回路、 21、21a 相補型増幅回路、 22 振動子、 Creg バイパスコンデンサ、 C1p、C1n、C2p、C2n コンデンサ、 Rf帰還抵抗、 Rd 出力抵抗、 Rp 位相調整用抵抗、 QP1〜QP4、QP11〜QP13 PチャネルMOSトランジスタ、 QN1〜QN4、QN11〜QN13 NチャネルMOSトランジスタ   10, 10a voltage regulator, 11 operational amplifier, 12 replica circuit, 20, 20a oscillation circuit, 21, 21a complementary amplifier circuit, 22 oscillator, Creg bypass capacitor, C1p, C1n, C2p, C2n capacitor, Rf feedback resistor, Rd Output resistor, Rp phase adjusting resistor, QP1 to QP4, QP11 to QP13 P channel MOS transistor, QN1 to QN4, QN11 to QN13 N channel MOS transistor

Claims (6)

第1のノードと第2のノードとの間に振動子が接続されて発振動作を行う集積回路装置であって、
第1の電源電位が印加される端子、第2の電源電位が印加される端子、および前記第1の電源電位を安定化して安定化電源電位を出力する端子を備えた電圧レギュレータと、
前記安定化電源電位と前記第1のノードの電圧との差を増幅する第1の増幅素子、及び、前記第2の電源電位と前記第1のノードの電圧との差を増幅する第2の増幅素子を含み、前記第1のノードに入力される信号を反転増幅して前記第2のノードから出力する相補型増幅回路と、
前記第1のノードと前記安定化電源電位を出力する端子との間に接続された第1のコンデンサと、
前記第1のノードと前記第2の電源電位が印加される端子との間に接続された第2のコンデンサと、
前記第2のノードと前記安定化電源電位を出力する端子との間に接続された第3のコンデンサと、
前記第2のノードと前記第2の電源電位が印加される端子との間に接続された第4のコンデンサと、
備え、
前記相補型増幅回路は、前記安定化電源電位に対する前記第1のノードの電圧変化に対して第1のトランスコンダクタンスを比例係数とする出力電流の変化を発生すると共に、前記第2の電源電位に対する前記第1のノードの電圧変化に対して第2のトランスコンダクタンスを比例係数とする出力電流の変化を発生し、
前記第1のコンデンサと前記第2のコンデンサとが、前記第1のトランスコンダクタンスと前記第2のトランスコンダクタンスとの比に略等しい容量比を有し、
前記第3のコンデンサと前記第4のコンデンサとが、前記第1のトランスコンダクタンスと前記第2のトランスコンダクタンスとの比に略等しい容量比を有する集積回路装置。
An integrated circuit device that performs an oscillation operation with a vibrator connected between a first node and a second node,
A voltage regulator comprising: a terminal to which a first power supply potential is applied; a terminal to which a second power supply potential is applied; and a terminal for stabilizing the first power supply potential and outputting a stabilized power supply potential;
A first amplifying element for amplifying the difference between the stabilized power supply potential and the voltage at the first node; and a second amplifying device for amplifying the difference between the second power supply potential and the voltage at the first node. A complementary amplifying circuit including an amplifying element, inverting and amplifying a signal input to the first node, and outputting the inverted signal from the second node;
A first capacitor connected between the first node and a terminal for outputting the stabilized power supply potential;
A second capacitor connected between the first node and a terminal to which the second power supply potential is applied;
A third capacitor connected between the second node and a terminal for outputting the stabilized power supply potential;
A fourth capacitor connected between the second node and a terminal to which the second power supply potential is applied;
Equipped with a,
The complementary amplifier circuit generates a change in an output current having a first transconductance as a proportional coefficient with respect to a voltage change of the first node with respect to the stabilized power supply potential, and also with respect to the second power supply potential. A change in output current having a second transconductance as a proportional coefficient with respect to a voltage change in the first node;
The first capacitor and the second capacitor have a capacitance ratio substantially equal to a ratio of the first transconductance to the second transconductance;
Integrated circuit device and the third said a capacitor of a fourth capacitor, to have a substantially equal volume ratio to the ratio between the first transconductance and the second transconductance.
前記相補型増幅回路は、前記安定化電源電位が印加されて動作するとともに、100MHz以上の周波数を有する発振信号を出力する、請求項1記載の集積回路装置。 2. The integrated circuit device according to claim 1 , wherein the complementary amplifier circuit operates with the stabilized power supply potential applied and outputs an oscillation signal having a frequency of 100 MHz or more. 前記電圧レギュレータが、
基準電位が印加される反転入力端子と、前記安定化電源電位が印加される非反転入力端子と、増幅信号を出力する出力端子とを有する演算増幅器と、
前記演算増幅器の出力端子に接続されたゲートと、前記第1の電源電位が印加されるソースと、前記安定化電源電位を出力するドレインとを有するPチャネルトランジスタと、
を含む、請求項1または2に記載の集積回路装置。
The voltage regulator is
An operational amplifier having an inverting input terminal to which a reference potential is applied, a non-inverting input terminal to which the stabilized power supply potential is applied, and an output terminal for outputting an amplified signal;
A P-channel transistor having a gate connected to an output terminal of the operational amplifier, a source to which the first power supply potential is applied, and a drain for outputting the stabilized power supply potential;
The integrated circuit device according to claim 1, comprising:
前記電圧レギュレータが、
基準電位が印加される非反転入力端子と、帰還電位が印加される反転入力端子と、増幅信号を出力する出力端子とを有する演算増幅器と、
前記演算増幅器の出力端子に接続されたゲートと、前記第1の電源電位が印加されるドレインと、前記帰還電位を出力するソースとを有する第1のNチャネルトランジスタと、
前記第1のNチャネルトランジスタのソースが接続される端子と、前記第2の電源電位が印加される端子とを備え、入力端子と出力端子とが短絡されたインバータと、
前記演算増幅器の出力端子に接続されたゲートと、前記第1の電源電位が印加されるドレインと、前記安定化電源電位を出力するソースとを有する第2のNチャネルトランジス
タと、
を含む、請求項1または2に記載の集積回路装置。
The voltage regulator is
An operational amplifier having a non-inverting input terminal to which a reference potential is applied, an inverting input terminal to which a feedback potential is applied, and an output terminal for outputting an amplified signal;
A first N-channel transistor having a gate connected to an output terminal of the operational amplifier, a drain to which the first power supply potential is applied, and a source for outputting the feedback potential;
An inverter having a terminal to which a source of the first N-channel transistor is connected; a terminal to which the second power supply potential is applied; and an input terminal and an output terminal that are short-circuited;
A second N-channel transistor having a gate connected to the output terminal of the operational amplifier, a drain to which the first power supply potential is applied, and a source for outputting the stabilized power supply potential;
The integrated circuit device according to claim 1, comprising:
前記相補型増幅回路が、
直列に接続された第1のインバータ、第2のインバータ、及び、第3のインバータと、
前記第3のインバータの出力端子と前記第1のインバータの入力端子との間に接続された抵抗と、
を含む、請求項1乃至のいずれか1項記載の集積回路装置。
The complementary amplifier circuit is
A first inverter, a second inverter, and a third inverter connected in series;
A resistor connected between an output terminal of the third inverter and an input terminal of the first inverter;
Including integrated circuit device of any one of claims 1 to 4.
請求項1乃至いずれか1項記載の集積回路装置と、振動子と、を含む発振器。 Oscillator comprising an integrated circuit device according to any one of claims 1 to 5, and the vibrator, a.
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