JP6031789B2 - 回路装置、発振装置及び電子機器 - Google Patents

Description

本発明は、回路装置、発振装置及び電子機器等に関する。

従来より、ＴＣＸＯ（temperature compensated crystal oscillator）と呼ばれる温度補償型水晶発振装置が知られている。このＴＣＸＯは、例えば携帯端末などの無線機器のＲＦ回路の基準信号源等として用いられている。ＴＣＸＯを実現する回路装置の従来技術としては例えば特許文献１に開示される技術がある。

この従来技術では、回路装置に内蔵したメモリーからの制御信号に基づいて、発振周波数に適したコレクター電流供給用のバイアス電流を、バイポーラ型の発振用トランジスターに供給する。そして、発振用トランジスターのコレクター電圧（コレクター電位）と電源電圧（電源電位）との間の電圧差が確保できるように、コレクター・エミッター間に設けられる帰還抵抗の値を、コレクター電流に応じて調整することで、安定した発振条件を得ている。

しかしながら、発振用トランジスターの温度特性が原因で、特に低温ほどコレクター電圧が上昇してしまう。一方、高い周波数で安定的に発振させるためには、発振用トランジスターへ供給するバイアス電流を増加させる必要があるが、帰還抵抗に流れるベース電流もそれに伴って増加してしまう。このため、コレクター電圧は更に増加してしまい、バイアス電流供給用トランジスターのドレイン・ソース間電圧を確保するのが困難になる。この結果、バイアス電流が飽和してしまい、安定した発振を実現できなくなるという課題がある。

特開２００９−１２４２１４号公報

本発明の幾つかの態様によれば、発振用トランジスターのコレクター電圧の上昇を抑制して安定した発振動作を実現できる回路装置、発振装置及び電子機器等を提供できる。

本発明の第１の態様は、発振子を発振させるバイポーラ型の発振用トランジスターと、前記発振用トランジスターのコレクター・ベース間に設けられる帰還抵抗とを有する発振回路と、前記発振回路に対して電流を供給する電流供給回路と、を含み、前記電流供給回路は、前記発振回路の前記発振用トランジスターのコレクターにバイアス電流を供給すると共に、補助ベース電流を、前記発振用トランジスターの前記ベースに対して供給する回路装置に関係する。
本発明の第１の態様によれば、発振回路の発振用トランジスターのコレクターに対してコレクター電流供給用のバイアス電流が供給され、このバイアス電流に基づいて、帰還抵抗を介して発振用トランジスターのベースに対して電流が供給される。そして、この電流を補助する補助ベース電流が、発振用トランジスターのベースに対して供給される。このように補助ベース電流によりベース電流を補充すれば、例えばプロセス変動や周囲温度の変化に起因して発振用トランジスターの特性が変動した場合にも、発振用トランジスターのコレクター電圧の上昇を抑制し、安定した発振動作を実現できるようになる。
また本発明の第２の態様では、第１の態様において、前記発振回路は、前記補助ベース電流の供給ノードと前記発振用トランジスターの前記ベースとの間に設けられる抵抗を含んでもよい。
このような抵抗を設ければ、補助ベース電流の供給ノードの寄生容量等に起因して、発振の閉ループ内のインピーダンスが低下してしまうなどの事態を効果的に抑制できる。
また本発明の第３の態様では、第１の態様または第２の態様において、前記発振回路は、前記発振子の一端にその一端が接続される第１のキャパシターと、前記発振子の他端にその一端が接続される第２のキャパシターとを含んでもよい。
このような第１のキャパシターと第２のキャパシターを発振子の一端と他端に設けることで、発振用トランジスターを用いた安定した発振動作を実現できる。
また本発明の第４の態様では、第１の態様乃至第３の態様のいずれかにおいて、前記電流供給回路は、前記バイアス電流及び前記補助ベース電流を供給するカレントミラー回路を含み、前記カレントミラー回路は、基準電流が流れる基準電流トランジスターと、前記基準電流トランジスターのゲート及びドレインにそのゲートが接続され、前記バイアス電流を供給する第１の電流供給トランジスターと、前記基準電流トランジスターのゲート及びドレインにそのゲートが接続され、前記補助ベース電流を供給する少なくとも１つの第２の電流供給トランジスターと、を含んでもよい。
このようにすれば、第１の電流供給トランジスターと第２の電流供給トランジスターのサイズ比により、バイアス電流と補助ベース電流の電流比を設定することが可能になり、好適な電流比での電流供給を簡易に実現できるようになる。
また本発明の第５の態様では、第１の態様乃至第３の態様のいずれかにおいて、前記電流供給回路は、前記バイアス電流を供給する第１のカレントミラー回路と、前記補助ベース電流を供給する第２のカレントミラー回路と、を含み、前記第１のカレントミラー回路は、第１の基準電流が流れる第１の基準電流トランジスターと、前記第１の基準電流トランジスターのゲート及びドレインにそのゲートが接続され、前記バイアス電流を供給する第１の電流供給トランジスターと、を含み、前記第２のカレントミラー回路は、第２の基準電流が流れる第２の基準電流トランジスターと、前記第２の基準電流トランジスターのゲート及びドレインにそのゲートが接続され、前記補助ベース電流を供給する第２の電流供給トランジスターと、を含んでもよい。
このようにバイアス電流供給用の第１のカレントミラー回路と補助ベース電流供給用の第２のカレントミラー回路とを別個に設ければ、補助ベース電流の電流値を、バイアス電流の電流値に依存せずに、柔軟に設定することが可能になる。
また本発明の第６の態様では、第１の態様乃至第５の態様のいずれかにおいて、制御信号を出力する制御回路を有し、前記電流供給回路は、前記制御信号に基づいて前記発振回路に供給する電流が制御されてもよい。
このようにすれば、電流供給回路から出力される種々の電流、例えば、補助ベース電流やバイアス電流やの大きさについて、好適な電流値に容易に設定できるようになる。
また本発明の第７の態様は、上記のいずれかに記載の回路装置と、前記発振子とを含む発振装置に関係する。
また本発明の第８の態様は、上記のいずれかに記載の回路装置を含む電子機器に関係する。
本発明の一態様は、発振子の発振用トランジスターと、バイポーラ型の前記発振用トランジスターのコレクター・ベース間に設けられる帰還抵抗とを有する発振回路と、前記発振回路に対して電流を供給する電流供給回路とを含み、前記電流供給回路は、前記発振回路の前記発振用トランジスターのコレクターに対してコレクター電流供給用のバイアス電流を供給すると共に、前記バイアス電流に基づき前記帰還抵抗を介して前記発振用トランジスターのベースへと供給される電流を補助する補助ベース電流を、前記発振用トランジスターの前記ベースに対して供給する回路装置に関係する。

本発明の一態様によれば、発振回路の発振用トランジスターのコレクターに対してコレクター電流供給用のバイアス電流が供給され、このバイアス電流に基づいて、帰還抵抗を介して発振用トランジスターのベースに対して電流が供給される。そして本発明の一態様では、この電流を補助する補助ベース電流が、発振用トランジスターのベースに対して供給される。このように補助ベース電流によりベース電流を補充すれば、例えばプロセス変動や周囲温度の変化に起因して発振用トランジスターの特性が変動した場合にも、発振用トランジスターのコレクター電圧の上昇を抑制し、安定した発振動作を実現できるようになる。

また本発明の一態様では、前記発振回路は、前記補助ベース電流の供給ノードと前記発振用トランジスターの前記ベースとの間に設けられる抵抗を含んでもよい。

このような抵抗を設ければ、補助ベース電流の供給ノードの寄生容量等に起因して、発振の閉ループ内のインピーダンスが低下してしまうなどの事態を効果的に抑制できる。

また本発明の一態様では、前記発振回路は、前記発振子の一端にその一端が接続される第１のキャパシターと、前記発振子の他端にその一端が接続される第２のキャパシターとを含んでもよい。

このような第１のキャパシターと第２のキャパシターを発振子の一端と他端に設けることで、発振用トランジスターを用いた安定した発振動作を実現できる。

また本発明の一態様では、前記電流供給回路は、制御信号に基づいて電流値が可変に制御される前記補助ベース電流を、前記発振用トランジスターの前記ベースに対して供給してもよい。

このように補助ベース電流の電流値を可変に設定すれば、発振用トランジスターの特性のバラツキに対して補助ベース電流の電流値を最適に制御することが可能になる。

また本発明の一態様では、前記電流供給回路は、前記バイアス電流及び前記補助ベース電流を供給するカレントミラー回路を含み、前記カレントミラー回路は、基準電流が流れる基準電流トランジスターと、前記基準電流トランジスターのゲート及びドレインにそのゲートが接続され、前記バイアス電流を供給する第１の電流供給トランジスターと、前記基準電流トランジスターのゲート及びドレインにそのゲートが接続され、前記補助ベース電流を供給する少なくとも１つ第２の電流供給トランジスターとを含んでもよい。

このようにすれば、第１の電流供給トランジスターと第２の電流供給トランジスターのサイズ比により、バイアス電流と補助ベース電流の電流比を設定することが可能になり、好適な電流比での電流供給を簡易に実現できるようになる。

また本発明の一態様では、前記電流供給回路は、前記基準電流の電流値を、制御信号に基づいて可変に制御してもよい。

このようにすれば、補助ベース電流やバイアス電流の大きさについても、好適な電流値に容易に設定できるようになる。

また本発明の一態様では、前記カレントミラー回路は、少なくとも１つの前記第２の電流供給トランジスターとして、高電位側電源ノードと前記補助ベース電流の供給ノードとの間に並列に設けられる第１〜第Ｎのトランジスターを含むと共に、前記第１〜第Ｎのトランジスターに対して直列に設けられ、制御信号に基づいてオン・オフ制御される第１〜第Ｎのスイッチ素子を含んでもよい。

このようにすれば、補助ベース電流の電流値を、制御信号の設定により可変に制御することが可能になる。これにより、発振用トランジスターの特性のバラツキに応じて、補助ベース電流の電流値を最適に設定することが可能になる。

また本発明の一態様では、前記電流供給回路は、前記バイアス電流を供給する第１のカレントミラー回路と、前記補助ベース電流を供給する第２のカレントミラー回路とを含み、前記第１のカレントミラー回路は、第１の基準電流が流れる第１の基準電流トランジスターと、前記第１の基準電流トランジスターのゲート及びドレインにそのゲートが接続され、前記バイアス電流を供給する第１の電流供給トランジスターとを含み、前記第２のカレントミラー回路は、第２の基準電流が流れる第２の基準電流トランジスターと、前記第２の基準電流トランジスターのゲート及びドレインにそのゲートが接続され、前記補助ベース電流を供給する第２の電流供給トランジスターとを含んでもよい。

このようにバイアス電流供給用の第１のカレントミラー回路と補助ベース電流供給用の第２のカレントミラー回路とを別個に設ければ、補助ベース電流の電流値を、バイアス電流の電流値に依存せずに、柔軟に設定することが可能になる。

また本発明の一態様では、前記電流供給回路は、前記第２の基準電流の電流値を、制御信号に基づいて可変に制御してもよい。

このようにすれば、補助ベース電流やバイアス電流の大きさについても、好適な電流値に容易に設定できるようになる
また本発明の他の態様は、上記のいずれかに記載の回路装置と、前記発振子とを含む発振装置に関係する。

また本発明の他の態様は、上記のいずれかに記載の回路装置を含む電子機器に関係する。

本実施形態の回路装置及び発振装置の基本的な構成例。 本実施形態の回路装置の詳細な第１の構成例。 本実施形態の比較例の回路装置の構成例。 図４（Ａ）〜図４（Ｃ）は比較例の問題点についての説明図。 本実施形態の回路装置の動作説明図。 本実施形態の回路装置の詳細な第２の構成例。 本実施形態の回路装置の詳細な第３の構成例。 本実施形態の電子機器の構成例。

以下、本発明の好適な実施の形態について詳細に説明する。なお以下に説明する本実施形態は特許請求の範囲に記載された本発明の内容を不当に限定するものではなく、本実施形態で説明される構成の全てが本発明の解決手段として必須であるとは限らない。

１．基本構成
図１に本実施形態の回路装置及びこれを含む発振装置の基本的な構成例を示す。本実施形態の回路装置は、発振回路１０、電流供給回路２０を含む。また回路装置は、温度補償電圧発生回路２８、制御回路３０、メモリー４０を含むことができる。なお、本実施形態の回路装置の構成は図１の構成には限定されず、その一部の構成要素（例えば温度補償電圧発生回路）を省略・変更したり、他の構成要素を追加するなどの種々の変形実施が可能である。

また本実施形態の発振装置は、発振回路１０や電流供給回路２０等で構成される回路装置と、発振子ＸＴＡＬ（振動子、圧電振動子、水晶振動子）を含む。例えば本実施形態の回路装置がＩＣチップにより実現される場合には、発振子ＸＴＡＬは、回路装置であるＩＣチップの外付け部品とすることができる。或いは発振子ＸＴＡＬと回路装置を１つのパッケージに収容した構成としてもよい。

発振回路１０は、発振子ＸＴＡＬ（圧電振動子、水晶振動子）に接続される。具体的には第１、第２の発振子用端子ＴＸ１、ＴＸ２（発振子用パッド）を介して発振子ＸＴＡＬに接続される。発振回路１０は、電圧を印加することで固有振動を起こす発振子ＸＴＡＬを一定の周波数で発振させるための回路である。

電流供給回路２０（定電流生成回路）は発振回路１０に対して電流を供給する。例えばバイアス電流等の発振用の各種電流を供給する。

温度補償電圧発生回路２８は、ＴＣＸＯを実現するための温度補償電圧を発生して、発振回路１０に出力する。これにより発振周波数の温度補償が実現される。

制御回路３０は、発振回路１０、電流供給回路２０、温度補償電圧発生回路２８、メモリー４０の制御を行う。また外部とのインターフェース処理なども行う。この制御回路３０は、例えばスタンダードセルやゲートアレイ等のロジック回路により実現できる。

メモリー４０は、回路装置の動作に必要な各種の情報を記憶する。例えば電流供給回路２０の電流調整に必要な情報や、温度補償電圧発生回路２８が温度補償処理を行うために必要な情報などを記憶する。このメモリー４０は例えば不揮発性メモリーなどにより実現できる。或いはメモリー４０の機能をトリミング回路（ヒューズ回路）などにより実現してもよい。

そして本実施形態では発振回路１０は、発振子ＸＴＡＬの発振用トランジスターＢＴと、バイポーラ型の発振用トランジスターＢＴのコレクター・ベース間に設けられる帰還抵抗ＲＦを有する。そして電流供給回路２０は、発振回路１０の発振用トランジスターＢＴのコレクターに対してコレクター電流供給用のバイアス電流ＩＤを供給する。このバイアス電流ＩＤの一部はベース電流ＩＢ１として、発振用トランジスターＢＴのベースに供給される。更に電流供給回路２０は、補助ベース電流ＩＢ２を発振用トランジスターＢＴのベースに対して供給する。この補助ベース電流ＩＢ２は、バイアス電流ＩＤに基づき帰還抵抗ＲＦを介して発振用トランジスターＢＴのベースへと供給される電流ＩＢ１（バイアス電流から分流したベース電流）を補助（補充）する電流である。

２．第１の構成例
図２に本実施形態の回路装置の詳細な第１の構成例を示す。なお、本実施形態の回路装置の構成は図２の構成には限定されず、その一部の構成要素を省略・変更したり、他の構成要素を追加するなどの種々の変形実施が可能である。

図２の発振回路１０は、第１、第２のキャパシターＣ１、Ｃ２を含む。また第３のキャパシターＣ３を含むことができる。第１のキャパシターＣ１は、発振子ＸＴＡＬ（圧電振動子）の一端（第１の発振子用端子）にその一端が接続される。第２のキャパシターＣ２は、発振子ＸＴＡＬの他端（第２の発振子用端子）にその一端が接続される。第３のキャパシターＣ３は、発振子ＸＴＡＬの一端にその一端が接続される。

具体的には、キャパシターＣ１は、発振子ＸＴＡＬの一端側のノードＮ１とＶＳＳノード（広義には低電位側電源ノード）との間に設けられる。キャパシターＣ２は、発振子ＸＴＡＬの他端側のノードＮ２とＶＳＳノードとの間に設けられる。このノードＮ２は発振用トランジスターＢＴのベースに接続される。キャパシターＣ３は、バイアス電流ＩＤの供給ノードＮＳＤとノードＮ１との間に設けられる。

発振用トランジスターＢＴは、エミッター接地のバイポーラ型トランジスターであり、そのコレクターはバイアス電流ＩＤの供給ノードＮＳＤに接続され、そのエミッターはＶＳＳノードに接続される。またベースはノードＮ２に接続され、ノードＮ２の電圧ＶＢがバッファー回路ＢＵＦに入力されて、発振回路１０の出力信号ＳＱ（発振クロック信号）として出力される。

発振用トランジスターＢＴのコレクターとベースの間には帰還抵抗ＲＦが設けられる。この帰還抵抗ＲＦを介して、電流供給回路２０からのバイアス電流ＩＤから分流したベース電流ＩＢ１が、発振用トランジスターＢＴのベースに供給されることになる。

また発振回路１０は抵抗Ｒ１を含む。この抵抗Ｒ１は、補助ベース電流ＩＢ２の供給ノードＮＳＢと発振用トランジスターＢＴのベースとの間に設けられる。このような抵抗Ｒ１を設けることで、補助ベース電流ＩＢ２の電流供給トランジスターＴＢ３を設けたことによる悪影響を低減できる。即ち、抵抗Ｒ１を設けないと、ノードＮ２が電流供給トランジスターＴＢ３のオン抵抗を介してＶＲＥＧノードに接続されて、発振回路１０の負性抵抗の低下を発生させるなど、発振動作に悪影響を及ぼすおそれがある。この点、抵抗Ｒ１を設ければ、ノードＮ２とＶＲＥＧノードが高抵抗により分離され、Ｒ１の抵抗値により、このようなインピーダンスの低下を抑制できるため、発振動作への悪影響を低減できるようになる。即ち、発振の閉ループ内のインピーダンス低下を抑制でき、発振電力の低下や位相雑音特性の劣化等の発生を抑制できる。

電源供給回路２０は、バイアス電流ＩＤ及び補助ベース電流ＩＢ２を供給するカレントミラー回路ＣＭを含む。このカレントミラー回路ＣＭは、基準電流トランジスターＴＢ１と、第１、第２の電流供給トランジスターＴＢ２、ＴＢ３を含む。これらのトランジスターＴＢ１、ＴＢ２、ＴＢ３は、例えばＰ型のＭＯＳトランジスターである。

基準電流トランジスターＴＢ１には基準電流ＩＲＦが流れる。この基準電流トランジスターＴＢ１は、電源電圧ＶＲＥＧのノード（広義には高電位側電源ノード）とノードＮＲＦとの間に設けられ、そのゲートとドレインが接続されている。ＶＲＥＧは、高電位側の電源電圧ＶＣＣを、図示しないレギュレーター（定電圧源）によりレギュレート（降圧）した電源電圧である。

第１の電流供給トランジスターＴＢ２は、基準電流トランジスターＴＢ１のゲート及びドレインにそのゲートが接続され、バイアス電流ＩＤを供給する。この第１の電流供給トランジスターＴＢ２は、ＶＲＥＧのノードとバイアス電流供給ノードＮＳＤとの間に設けられる。

第２の電流供給トランジスターＴＢ３は、基準電流トランジスターＴＢ１のゲート及びドレインにそのゲートに接続され、補助ベース電流ＩＢ２を供給する。この第２の電流供給トランジスターＴＢ３は、ＶＲＥＧのノードと補助ベース電流供給ノードＮＳＢとの間に設けられる。なお、後述するように第２の電流供給トランジスターＴＢ３として、並列接続された複数のトランジスターを設けるようにしてもよい。

基準電流ＩＲＦは、バイポーラ型の基準電流生成トランジスターＢＴＲ、ＢＡ１〜ＢＡＭにより生成される。具体的には、電流源ＩＳからの基準バイアス電流ＩＢＳが、基準バイアス電流用のバイポーラ型のトランジスターＢＴＢに流れる。そして、トランジスターＢＴＢと、トランジスターＢＴＲ、ＢＡ１〜ＢＡＭとは、カレントミラー回路を構成しており、基準バイアス電流ＩＢＳに応じた電流が、基準電流ＩＲＦとして基準電流トランジスターＴＢ１に流れるようになる。

この場合に、電流供給回路２０は、基準電流ＩＲＦの電流値を、制御信号ＧＡ１〜ＧＡＭ（第１〜第Ｍの制御信号。Ｍは２以上の整数）に基づいて可変に制御する。具体的には、トランジスターＴＢ１のドレインが接続されるノードＮＲＦと、トランジスターＢＡ１〜ＢＡＭ（バイポーラ型の第１〜第Ｍのトランジスター）のベースとの間には、それぞれ、スイッチ素子ＳＡ１〜ＳＡＭ（第１〜第Ｍのスイッチ素子）が設けられている。これらのスイッチ素子ＳＡ１〜ＳＡＭは、制御信号ＧＡ１〜ＧＡＭ（第１〜第Ｍの制御信号）によりオン・オフ制御され、これにより基準電流ＩＲＦの電流値を可変に制御できるようになる。

例えばスイッチ素子ＳＡ１がオンになり、その他のスイッチ素子ＳＡ２〜ＳＡＭがオフになると、トランジスターＢＴＲに流れるデフォルトの電流に対して、トランジスターＢＡ１に流れる電流が加算された電流が、基準電流ＩＲＦとしてトランジスターＴＢ１に流れることになる。そして、この基準電流ＩＲＦの電流値と、トランジスターＴＢ１とＴＢ２のサイズ比（Ｗ／Ｌ比）とに応じた電流が、バイアス電流ＩＤとして供給されるようになる。また基準電流ＩＲＦの電流値と、トランジスターＴＢ１とＴＢ３のサイズ比とに応じた電流が、補助ベース電流ＩＢ２として供給されるようになる。

なお図２等では、制御信号ＧＡ１〜ＧＡＭをメモリー４０を用いて生成しているが、本実施形態はこれに限定されず、トリミング回路（ヒューズ回路）やレジスタ設定等により制御信号ＧＡ１〜ＧＡＭを生成してもよい。

図３に本実施形態の比較例の回路装置を示す。図３の比較例では、図２の本実施形態の回路装置とは異なり、補助ベース電流の生成回路や、補助ベース電流の供給経路は設けられていない。そして発振用トランジスターＢＴのコレクター・ベース間に設けられる帰還抵抗ＲＦにより、バイアス電流ＩＤの一部が、ベース電流ＩＢ１として発振用トランジスターＢＴのベースに供給される。

そして、前述したように発振用トランジスターＢＴの温度特性が原因で、特に低温ほどコレクター電圧ＶＣが上昇してしまうという課題がある。例えば図３において、ベース電圧ＶＢはベース・エミッター間電圧ＶＢＥと等しく、ＶＢＥは負の温度特性を有しているため、低温になるとベース電圧ＶＢ＝ＶＢＥは上昇する。そして、コレクター電圧は、ＶＣ＝ＶＢＥ＋ＩＢ１×ＲＦ＝ＶＢ＋ＩＢ１×ＲＦの関係式で表されるため、低温になるとコレクター電圧ＶＣも上昇してしまう。

一方、高い周波数で安定的に発振動作を行わせるためには、発振用トランジスターＢＴへ供給するバイアス電流ＩＤ（コレクター電流）を増加させる必要がある。しかしながら、バイアス電流ＩＤを増加させると、それに伴って、帰還抵抗ＲＦに流れるベース電流ＩＢ１も増加してしまう。このため、コレクター電圧ＶＣは更に上昇してしまい、電流供給トランジスターＴＢ２のドレイン・ソース間電圧ＶＤＳを確保するのが難しくなる。

この点、図３の比較例では、発振用トランジスターＢＴに流すバイアス電流ＩＤに応じて、帰還抵抗ＲＦの抵抗値を調整することで、コレクター電圧ＶＣの上昇を抑制している。

しかしながら、回路装置のプロセス変動や周囲温度の変化が原因で、発振用トランジスターＢＴの電流増幅率ｈｆｅが低下した場合等には、コレクター電圧ＶＣの上昇を抑えることが難しくなり、回路装置の電源電圧の低電圧化の妨げとなる。

例えば図４（Ａ）に示すように、電流増幅率ｈｆｅは正の温度特性を有しており、低温になるとｈｆｅは減少する。ここで、電流増幅率ｈｆｅは、コレクター電流ＩＣとベース電流ＩＢ１により、ｈｆｅ＝ＩＣ／ＩＢ１と表されるため、ＩＤ＝ＩＣ＋ＩＢ１＝ｈｆｅ×ＩＢ１＋ＩＢ１＝（ｈｆｅ＋１）×ＩＢ１となる。従って、ｈｆｅが減少した場合に、十分なバイアス電流ＩＤ（コレクター電流）を流すためには、ｈｆｅが減少した分だけベース電流ＩＢ１を増加させる必要がある。ところが、ベース電流ＩＢ１を増加させると、ベース電流ＩＢ１が流れる帰還抵抗ＲＦでの電圧降下が大きくなり、コレクター電圧ＶＣは更に上昇してしまう。例えば図４（Ｂ）のように、低温になってコレクター電圧ＶＣが上昇すると、電流供給トランジスターＴＢ２のドレイン・ソース間電圧ＶＤＳを確保するのが難しくなる。従って、図４（Ｃ）に示すように、低温においては、トランジスターＴＢ２から十分なバイアス電流ＩＤを供給することが困難になり、安定した発振動作を維持できなくなってしまう。

一方、コレクター電圧ＶＣの上昇を抑えるために、帰還抵抗ＲＦの抵抗値を低く設定すると、発振の閉ループ内のインピーダンス低下を招き、発振電力の低下、更には位相雑音特性の劣化等の問題を招いてしまう。即ち、帰還抵抗ＲＦの抵抗値が低くなると、電流供給トランジスターＴＢ２の寄生容量（ドレイン・サブストレート間容量等）が原因で、発振周波数でのインピーダンスが低下してしまい、発振動作に悪影響を及ぼしてしまう。

そこで本実施形態では、発振用トランジスターＢＴに対してバイス電流ＩＤを供給すると共に、補助ベース電流ＩＢ２を供給する。このようにすれば、高い周波数の発振のためにバイアス電流ＩＤを増やした場合にも、帰還抵抗ＲＦを大きな抵抗値にしたままで、コレクター電圧ＶＣの上昇を抑えることが可能になる。即ち、帰還抵抗ＲＦの抵抗値を高くできることで、発振の閉ループ内のインピーダンス低下を抑制することが可能になる。また、コレクター電圧ＶＣの上昇を抑えることで、電流供給トランジスターＴＢ２のドレイン・ソース間電圧ＶＤＳを確保することができるため、バイアス電流ＩＤが飽和して安定発振が維持できなくなる事態を抑止できるようになる。

次に図２の本実施形態の回路装置について詳細に説明する。図２では、メモリー４０の記憶データに基づく制御信号ＧＡ１〜ＧＡＭにより、カレントミラー回路ＣＭの基準電流ＩＲＦの電流値が設定される。発振用トランジスターＢＴに供給されるバイアス電流ＩＤは、カレントミラー回路ＣＭにより、基準電流ＩＲＦの例えば２０倍程度の電流値に設定される。またトランジスターＴＢ３に流れる補助ベース電流ＩＢ２と、トランジスターＴＢ２に流れるバイアス電流ＩＤの電流比は、発振用トランジスターＢＴの電流増幅率ｈｆｅ程度に設定される。例えばＩＲＦ＝２０μＡであり、ｈｆｅ＝８０とすると、補助ベース電流ＩＢ２は例えば５μＡ程度に設定され、バイアス電流ＩＤは例えば４００μＡ程度に設定される。

本実施形態では、バイアス電流ＩＤの供給に加えて、トランジスターＴＢ１と対となってカレントミラー回路ＣＭを構成するトランジスターＴＢ３により、発振用トランジスターＢＴのベースに対して補助ベース電流ＩＢ２を供給している。

例えばＴＣＸＯにおいては、外部電源電圧の変動があった場合にも、発振周波数を高い精度で安定させる必要がある。このため図２では、レギュレーター（定電圧生成回路）により生成された定電圧のＶＲＥＧが、電源供給回路２０の電源として供給される。従って、このレギュレーターからの電源電圧ＶＲＥＧが例えば１．５Ｖというような低い電圧であっても、トランジスターＴＢ２のドレイン・ソース間電圧ＶＤＳを十分に確保して、発振用トランジスターＢＴのバイアス電流ＩＤを飽和させないようにすることが望まれる。

例えば発振周波数が３８．４ＭＨｚであり、この周波数での安定発振に必要なコレクター電流が４００μＡである場合を想定する。このとき、電流増幅率のティピカル値がｈｆｅ＝８０であったとすると、３８．４ＭＨｚの周波数での安定発振に必要なベース電流は、図５に示すように５μＡとなる。

この場合に本実施形態では、トランジスターＴＢ３から抵抗Ｒ１を介して発振用トランジスターＢＴのベースに対して、５μＡの補助ベース電流ＩＢ２が供給される。例えば基準電流ＩＲＦ＝２０μＡとし、トランジスターＴＢ１とＴＢ３のサイズ比（Ｗ／Ｌ比）を４：１に設定すれば、トランジスターＴＢ３から発振用トランジスターＢＴのベースに対して、５μＡの補助ベース電流ＩＢ２が供給されるようになる。

そして上述のように、３８．４ＭＨｚの安定発振に必要なベース電流は５μＡであるため、バイアス電流ＩＤから帰還抵抗ＲＦを介して発振用トランジスターＢＴのベースに分流されるベース電流ＩＢ１は、図５に示すように例えば０μＡになる。従って、帰還抵抗ＲＦでの電圧降下は生じず、コレクター電圧ＶＣを低い電圧に維持できる。例えば前述のように、ＶＣ＝ＶＢＥ＋ＩＢ１×ＲＦ＝ＶＢ＋ＩＢ１×ＲＦと表される。従って、ベース電圧がＶＢ＝ＶＢＥ＝０．６Ｖである場合には、コレクター電圧もＶＣ＝ＶＢ＋０×ＲＦ＝ＶＢ＝０．６Ｖとなる。このため、例えば電源電圧ＶＲＥＧが１．５Ｖというように低い電圧であったとしても、トランジスターＴＢ２のドレイン・ソース間電圧ＶＤＳを十分に確保でき、バイアス電流ＩＤの飽和を抑止できるため、安定した発振動作を実現できる。

また、例えば低温状態（−４０度）になり、ベース・エミッター間電圧ＶＢＥが例えば０．６Ｖから０．８Ｖに上昇したとしても、コレクター電圧ＶＣは０．８Ｖとなるため、トランジスターＴＢ２のドレイン・ソース間電圧ＶＤＳを十分に確保でき、安定したバイアス電流ＩＤの供給が可能になる。

また、プロセス変動や低温状態において、電流増幅率がｈｆｅ＝４０というように低めに振れたとする。この場合には、３８．４ＭＨｚの周波数での安定発振に必要なベース電流は、図５に示すように１０μＡとなる。そして、この１０μＡのベース電流のうち、５μＡは補助ベース電流ＩＢ２により補充されるため、帰還抵抗ＲＦに流れるベース電流ＩＢ１は５μＡになる。このため、帰還抵抗ＲＦでの電圧降下は、ＲＦ＝５０ＫΩとすると、０．２５Ｖとなる。従って、コレクター電圧はＶＣ＝ＶＢＥ＋ＩＢ１×ＲＦ＝０．６＋０．２５＝０．８５Ｖとなるため、ＶＤＳを十分に確保できる。更に、低温状態において、ベース・エミッター間電圧ＶＢＥが０．８Ｖに上昇したとしても、ＶＣ＝０．８＋０．２５＝１．０５Ｖとなるため、電源電圧ＶＲＥＧが１．５Ｖであったとしても、広い温度範囲で安定したバイアス電流ＩＤの供給が可能になる。また本実施形態によれば、帰還抵抗ＲＦを、５０ＫΩというように十分に大きな抵抗値に確保できるため、トランジスターＴＢ２の寄生容量に起因する、発振の閉ループ内のインピーダンス低下を抑止でき、安定した発振余裕度を確保することができる。

一方、プロセス変動や高温状態において、電流増幅率がｈｆｅ＝１６０というように高めに振れたとする。この場合には、３８．４ＭＨｚの周波数での安定発振に必要なベース電流は、図５に示すように２．５μＡとなる。そして、５μＡの補助ベース電流ＩＢ２が供給されるため、ベース電流が２．５μＡだけ過剰になり、帰還抵抗ＲＦを介してベース側からコレクター側にＩＢ１＝２．５μＡの電流が流れる。これにより、コレクター電圧ＶＣがベース電圧ＶＢよりも０．１２５Ｖだけ低下するが、発振用トランジスターＢＴは飽和することなく発振動作を継続できる。

以上のように本実施形態によれば、プロセス変動や周囲温度の変化に起因して、発振用トランジスターＢＴの電流増幅率ｈｆｅが大きく変動した場合にも、発振用トランジスターＢＴのコレクター電圧ＶＣの上昇を低く抑えることができ、電源電圧の低電圧化等を図れるようになる。

また、発振用トランジスターＢＴのベース電流を補助する回路を設けているため、帰還抵抗ＲＦの抵抗値を高くすることができ、発振の閉ループ内のインピーダンス低下を抑えることができる。従って、十分な発振電力を得ることができる。また、発振電力が上がることから、位相雑音のノイズフロアーを低減することができ、低ノイズ化等も実現できるようになる。

また本実施形態では、図２に示すように、補助ベース電流ＩＢ２の供給経路に抵抗Ｒ１を設けているため、補助ベース電流ＩＢ２の供給トランジスターＴＢ３の寄生容量に起因する発振の閉ループ内のインピーダンス低下も抑止できる。

また本実施形態では、図２に示すように、バイアス電流ＩＤと補助ベース電流ＩＢ２とを、基準電流ＩＲＦに基づきカレントミラー回路ＣＭにより生成している。従って、トランジスターＴＢ２とＴＢ３のサイズ比により、バイアス電流ＩＤと補助ベース電流ＩＢ２の電流比を設定することが可能になり、好適な電流比での電流供給を簡易に実現できる。例えばトランジスターＴＢ３に対するＴＢ２のサイズ比を、電流増幅率ｈｆｅに相当するサイズ比にすることで、好適な電流比での電流供給を実現できる。

また、基準電流ＩＲＦの電流値を、制御信号ＧＡ１〜ＧＡＭに基づいて可変に制御することで、補助ベース電流ＩＢ２やバイアス電流ＩＤの大きさについても、好適な電流値に容易に設定できるようになる。

３．第２の構成例
図６に本実施形態の回路装置の詳細な第２の構成例を示す。なお、本実施形態の回路装置の構成は図６の構成には限定されず、その一部の構成要素を省略・変更したり、他の構成要素を追加するなどの種々の変形実施が可能である。

図６の第２の構成例では、補助ベース電流を供給するトランジスターのサイズが調整可能になっている点が、図２の第１の構成例と異なっている。なお、図２の第１の構成例と同様の部分については、同じ符号を付けて詳細な説明を適宜省略する。

図６の第２の構成例では、電流供給回路２０は、制御信号ＧＢ１〜ＧＢＮに基づいて電流値が可変に制御される補助ベース電流ＩＢ２を、発振用トランジスターＢＴのベースに対して供給する。即ち、電流供給回路２０は、メモリー４０からの制御信号ＧＢ１〜ＧＢＮの設定により、補助ベース電流ＩＢ２の電流値を可変に制御する。

具体的には、電流供給回路２０のカレントミラー回路ＣＭは、少なくとも１つの第２の電流供給トランジスターＴＢ３として、ＶＲＥＧのノード（高電位側電源ノード）と、補助ベース電流ＩＢ２の供給ノードＮＳＢとの間に並列に設けられる第１〜第Ｎ（Ｎは２以上の整数）のトランジスターＴＢ３１〜ＴＢ３Ｎを含む。これらの第１〜第ＮのトランジスターＴＢ３１〜ＴＢ３Ｎは例えばＰ型のＭＯＳトランジスターである。

また、カレントミラー回路ＣＭは、第１〜第ＮのトランジスターＴＢ３１〜ＴＢ３Ｎに対して直列に設けられ、制御信号ＧＢ１〜ＧＢＮに基づいてオン・オフ制御される第１〜第Ｎのスイッチ素子ＳＢ１〜ＳＢＮを含む。これらのスイッチ素子は例えばＭＯＳトランジスターなどにより実現できる。

例えばトランジスターＴＢ３１とスイッチ素子ＳＢ１は、ＶＲＥＧのノードとノードＮＳＢの間に直列に設けられる。トランジスターＴＢ３２〜ＴＢ３Ｎとスイッチ素子ＳＢ２〜ＳＢＮの接続関係も同様である。そして、制御信号ＧＢ１によりスイッチ素子ＳＢ１がオンになると、トランジスターＴＢ３１からの電流が、補助ベース電流ＩＢ２として供給されるようになる。また制御信号ＧＢ１、ＧＢ２によりスイッチ素子ＳＢ１、ＳＢ２がオンになると、トランジスターＴＢ３１及びＴＢ３２の両方からの電流が、補助ベース電流ＩＢ２として供給されるようになり、補助ベース電流ＩＢ２の電流値を増やすことが可能になる。

なお図６ではメモリー４０の記憶内容に基づいて制御信号ＧＢ１〜ＧＢＮを生成しているが、トリミング回路やレジスター設定により制御信号ＧＢ１〜ＧＢＮを生成してもよい。

以上に説明した図６の第２の構成例によれば、補助ベース電流ＩＢ２の電流値を、制御信号ＧＢ１〜ＧＢＮや制御信号ＧＡ１〜ＧＡＭの設定により可変に制御することが可能になる。また、
以上に説明した図６の第２の構成例によれば、補助ベース電流ＩＢ２の電流値を、制御信号ＧＢ１〜ＧＢＮの設定により可変に制御することが可能になる。また基準電流ＩＲＦの電流値についても、制御信号ＧＡ１〜ＧＡＭの設定により可変に制御できる。従って、発振用トランジスターＢＴの電流増幅率ｈｆｅのバラツキに応じて、補助ベース電流ＩＢ２の電流値を最適に設定することが可能になる。例えば電流増幅率ｈｆｅがプロセス変動等によりばらついた場合にも、補助ベース電流ＩＢ２の電流値を最適に設定して、コレクター電圧ＶＣ等を最適に設定することが可能になる。

例えば、電流増幅率ｈｆｅが想定以上に大きくなると、発振用トランジスターＢＴのベース側からコレクター側に電流が流れることで、コレクター電圧ＶＣが想定以上に低下してしまうおそれがある。このような場合には、制御信号ＧＢ１〜ＧＢＮの設定により、補助ベース電流ＩＢ２の電流値を小さくすることで、コレクター電圧ＶＣの想定以上の低下を抑えることが可能になる。逆に、電流増幅率ｈｆｅが想定以上に小さくなると、コレクター電圧ＶＣが上昇して、十分なバイアス電流ＩＤを確保できなくなるおそれがある。このような場合には、制御信号ＧＢ１〜ＧＢＮの設定により、補助ベース電流ＩＢ２の電流値を大きくすることで、コレクター電圧ＶＣの想定以上の増加を抑えることが可能になる。

４．第３の構成例
図７に本実施形態の回路装置の詳細な第３の構成例を示す。なお、本実施形態の回路装置の構成は図７の構成には限定されず、その一部の構成要素を省略・変更したり、他の構成要素を追加するなどの種々の変形実施が可能である。

図７の第３の構成例では、補助ベース電流を第２のカレントミラー回路により生成する点が、図２の第１の構成例と異なっている。なお、図２、図６の第１、第２の構成例と同様の部分については、同じ符号を付けて詳細な説明を適宜省略する。また本実施形態の回路装置は、図２、図６、図７の特徴を組み合わせた構成であってもよい。

図７の第３の構成例では、バイアス電流用の第１のカレントミラー回路ＣＭ１と、補助電流用の第２のカレントミラー回路ＣＭ２が設けられている。

具体的には、電流供給回路２０は、バイアス電流ＩＤを供給する第１のカレントミラー回路ＣＭ１と、補助ベース電流ＩＢ２を供給する第２のカレントミラー回路ＣＭ２を含む。

そして第１のカレントミラー回路ＣＭ１は、第１の基準電流トランジスターＴＢ１１と、第１の電流供給トランジスターＴＢ２を含む。第１の基準電流トランジスターＴＢ１１には、第１の基準電流ＩＲＦ１が流れる。第１の電流供給トランジスターＴＢ２は、第１の基準電流トランジスターＴＢ１１のゲート及びドレインにそのゲートが接続され、バイアス電流ＩＤを供給する。例えば第１の基準電流トランジスターＴＢ１１は、ＶＲＥＧのノードとノードＮＲＦとの間に設けられる。第１の電流供給トランジスターＴＢ２は、ＶＲＥＧのノードとノードＮＳＤとの間に設けられる。これらのトランジスターＴＢ１１、ＴＢ２は例えばＰ型のＭＯＳトランジスターである。

第２のカレントミラー回路ＣＭ２は、第２の基準電流トランジスターＴＢ１２と、第２の電流供給トランジスターＴＢ３を含む。第２の基準電流トランジスターＴＢ１２には、第２の基準電流ＩＲＦ２が流れる。第２の電流供給トランジスターＴＢ３は、第２の基準電流トランジスターＴＢ１２のゲート及びドレインにそのゲートが接続され、補助ベース電流ＩＢ２を供給する。例えば第２の基準電流トランジスターＴＢ１２は、ＶＲＥＧのノードと、可変抵抗ＲＲとの間に設けられる。第２の電流供給トランジスターＴＢ３は、ＶＲＥＧのノードとノードＮＳＢとの間に設けられる。これらはトランジスターＴＢ１２、ＴＢ３は例えばＰ型のＭＯＳトランジスターである。

また図７では、第２の基準電流ＩＲＦ２の電流値が、制御信号ＧＲに基づいて可変に制御される。具体的には、第２の基準電流トランジスターＴＢ１２と直列に可変抵抗ＲＲが設けられ、この可変抵抗ＲＲの抵抗値が制御信号ＧＲに基づき可変に設定されることで、トランジスターＴＢ１２及び可変抵抗ＲＲを流れる第２の基準電流ＩＲＦ２の電流値が、可変に制御される。

図７の第３の構成例によれば、可変抵抗ＲＲの設定により得られる第２の基準電流ＩＲＦ２と、トランジスターＴＢ１２、ＴＢ３により構成される第２のカレントミラー回路ＣＭ２とにより、補助ベース電流ＩＢ２の電流値を、バイアス電流ＩＤ（第１の基準電流ＩＲＦ１）の電流値に依存せずに、柔軟に設定できるようになる。即ち、第２のカレントミラー回路ＣＭ２のトランジスターＴＢ１２とＴＢ３のサイズ比を小さく保ったまま、第２の基準電流ＩＲＦ２の電流値を可変抵抗ＲＲにより設定できる。従って、発振回路１０側から見たトランジスターＴＢ３の寄生容量（ドレイン・サブストレート間容量等）を減らすことができ、発振の閉ループ内のインピーダンス低下を抑止できるようになる。

５．電子機器
図８に本実施形態の回路装置を含む電子機器の構成例を示す。この電子機器は、本実施形態の回路装置５００、水晶振動子等の発振子ＸＴＡＬ、アンテナＡＴＮ、通信部５１０、処理部５２０を含む。また操作部５３０、表示部５４０、記憶部５５０を含むことができる。なおこれらの一部の構成要素を省略したり、他の構成要素を追加するなどの種々の変形実施が可能である。

図８の電子機器としては、例えば携帯型情報端末（携帯電話、スマートフォーン）、生体計測機器（脈拍計、歩数計等）、映像機器（デジタルカメラ、ビデオカメラ）などの種々の機器を想定できる。

通信部５１０（無線回路）は、アンテナＡＮＴを介して外部からデータを受信したり、外部にデータを送信する処理を行う。処理部５２０は、電子機器の制御処理や、通信部５１０を介して送受信されるデータの種々のデジタル処理などを行う。この処理部５２０の機能は、例えばマイクロコンピューターなどのプロセッサーにより実現される。

操作部５３０は、ユーザーが入力操作を行うためのものであり、操作ボタンやタッチパネルディスプレイをなどにより実現できる。表示部５４０は、各種の情報を表示するものであり、液晶や有機ＥＬなどのディスプレイにより実現できる。なお操作部５３０としてタッチパネルディスプレイを用いる場合には、このタッチパネルディスプレイが表示部５４０の機能を兼ねることになる。記憶部５５０は、データを記憶するものであり、その機能はＲＡＭやＲＯＭなどの半導体メモリーやＨＤＤ（ハードディスクドライブ）などにより実現できる。

図８の電子機器に本実施形態の回路装置を適用すれば、例えば高周波数で高精度の発振クロック信号を電子機器の各部に供給して動作させることが可能になる。そして、温度変動やプロセス変動によっても、高精度で安定した発振クロック信号を供給できるため、電子機器の性能や信頼性等を向上できるようになる。

なお、上記のように本実施形態について詳細に説明したが、本発明の新規事項および効果から実体的に逸脱しない多くの変形が可能であることは当業者には容易に理解できるであろう。従って、このような変形例はすべて本発明の範囲に含まれるものとする。例えば、明細書又は図面において、少なくとも一度、より広義または同義な異なる用語と共に記載された用語は、明細書又は図面のいかなる箇所においても、その異なる用語に置き換えることができる。また本実施形態及び変形例の全ての組み合わせも、本発明の範囲に含まれる。また回路装置、発振装置、電子機器の構成・動作や、補助ベース電流・バイアス電流の供給手法・調整手法等も、本実施形態で説明したものに限定されず、種々の変形実施が可能である。

ＸＴＡＬ 発振子、ＢＴ 発振用トランジスター、ＲＦ 帰還抵抗、Ｒ１ 抵抗、
ＩＤ バイアス電流、ＩＢ１ ベース電流、ＩＢ２ 補助ベース電流、
Ｃ１〜Ｃ３ 第１〜第３のキャパシター、ＢＵＦ バッファー回路、
ＣＭ、ＣＭ１、ＣＭ２ カレントミラー回路、
ＴＢ１、ＴＢ１１、ＴＢ１２ 基準電流トランジスター、
ＴＢ２、ＴＢ３（ＴＢ３１〜ＴＢ３Ｎ） 電流供給トランジスター、
ＢＡ１〜ＢＡＭ トランジスター、ＳＡ１〜ＳＡＭ、ＳＢ１〜ＳＢＮ スイッチ素子、
ＧＡ１〜ＧＡＭ、ＧＢ１〜ＧＢＮ 制御信号、
１０ 発振回路、２０ 電流供給回路、２８ 温度補償電圧発生回路、
３０ 制御回路、４０ メモリー、
５００ 回路装置、５１０ 通信部、５２０ 処理部、５３０ 操作部、
５４０ 表示部、５５０ 記憶部

Claims (6)

1. 発振子を発振させるバイポーラ型の発振用トランジスターと、前記発振用トランジスターのコレクター・ベース間に設けられる帰還抵抗とを有する発振回路と、
   前記発振回路に対して電流を供給する電流供給回路と、を含み、
   前記電流供給回路は、
   バイアス電流及び補助ベース電流を供給するカレントミラー回路を含み、
   前記カレントミラー回路は、
   基準電流が流れる基準電流トランジスターと、
   前記基準電流トランジスターのゲート及びドレインにそのゲートが接続され、前記バイアス電流を供給する第１の電流供給トランジスターと、
   前記基準電流トランジスターのゲート及びドレインにそのゲートが接続され、前記補助
   ベース電流を供給する少なくとも１つの第２の電流供給トランジスターと、
   を含み、
   前記発振回路の前記発振用トランジスターのコレクターにバイアス電流を供給すると共
   に、
   補助ベース電流を、前記発振用トランジスターの前記ベースに対して供給することを特
   徴とする回路装置。
2. 請求項１において、
   前記発振回路は、
   前記補助ベース電流の供給ノードと前記発振用トランジスターの前記ベースとの間に設
   けられる抵抗を含むことを特徴とする回路装置。
3. 請求項１又は２において、
   前記発振回路は、
   前記発振子の一端にその一端が接続される第１のキャパシターと、
   前記発振子の他端にその一端が接続される第２のキャパシターと、
   を含むことを特徴とする回路装置。
4. 請求項１乃至３のいずれかにおいて、
   制御信号を出力する制御回路を有し、
   前記電流供給回路は、前記制御信号に基づいて前記発振回路に供給する電流が制御され
   ることを特徴とする回路装置。
5. 請求項１乃至４のいずれかに記載の回路装置と、
   前記発振子と、
   を含むことを特徴とする発振装置。
6. 請求項１乃至５のいずれかに記載の回路装置を含むことを特徴とする電子機器。

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