JP6241587B2 - 集積回路、振動デバイス、電子機器、移動体及び集積回路のモード切り替え方法 - Google Patents

集積回路、振動デバイス、電子機器、移動体及び集積回路のモード切り替え方法 Download PDF

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Description

本発明は、集積回路、振動デバイス、電子機器、移動体及び集積回路のモード切り替え方法に関する。
温度補償型水晶発振器(TCXO:Te mperature Compensated X’tal Oscillator)は、所定の温度範囲で水晶振動子の発振周波数の所望の周波数(公称周波数)からのずれ(周波数偏差)をキャンセルすることにより高い周波数安定度が得られるため、携帯電話の端末や基地局、GPS(Global Positioning System)受信機等の高精度のタイミング信号を必要とする機器やシステムに広く使用されている。
一般に、TCXOは、発振周波数の温度補償をするために、出荷前に温度毎の周波数調整が行われる。この調整においては、TCXOに内蔵される水晶振動子の温度変化とTCXO用ICの内部の温度センサーの検出温度変化が相対的に一致すれば高精度な温度補償が可能となる。しかし、前記温度センサーはTCXO用ICに搭載される場合が多く、TCXO用ICの消費電力による発熱の影響を受け易く、且つTCXO用ICの消費電力変化に伴う発熱変化は温度センサーのみへ影響を与えるため、水晶振動子の温度変化と温度センサーの検出温度変化にずれを発生させる場合があり、結果として高精度な温度補償の妨げとなっていた。以上の課題に対して、従来からのTCXO用ICは、内蔵メモリー等とシリアル通信を行うために使用されるシリアルI/Fモードにおいても発熱変化をさせるような大きな内部状態変化は避けるようにしていた。
一方、近年のTCXOの低価格化により、TCXOに内蔵されるTCXO用ICの小面積、低コスト化が急務となっており、微細製造プロセスで作られた更に小面積のICが必要になってきている。また、TCXO用ICは小面積、低コスト化のために少ピン化されていることが多く、内蔵メモリー等とシリアル通信を行うために使用されるシリアルI/Fモードへの切り替え専用ピンを設けることができないため、電源端子に高電圧を印加することでモード切り替えを行っている場合がある(特許文献1)。
米国特許第5724009号明細書
しかしながら、微細製造プロセスで製造されたTCXO用ICの電源端子に高電圧が印加されると、その結果として、その内部のトランジスターに高電圧が印加され、トランジスターに印加されるストレスが無視できなくなってきており、HCI(Hot Carrier Injection)、NBTI(Negative Bias Temperature Instability)、TDDB(Time Dependent Dielectric Breakdown)等の特性劣化が問題となる。例えば、NBTIは、トランジスターのゲート−サブストレート間に電位差(Negative Bias)がある状態を高温で長期的に保持しているとトランジスター特性がシフトする現象であり、例えば、発振回路の出力バッファー回路が図15に示すように構成されている場合、電源端子(VDD端子)に高電圧が印加されると、点線内のPMOSトランジスターはソース(S)−ゲート(G)間の電圧差が大きくなり、NBTIを生じさせるストレスが印加されることになる。このような特性劣化の問題は、TCXO用ICの微細製造プロセス採用による低コスト化の
妨げになると同時にデバイスの信頼性確保を難しくしている。
本発明は、以上のような問題点に鑑みてなされたものであり、本発明のいくつかの態様によれば、モード切り替え時の高電圧印加によるトランジスターへのストレスを低減し、信頼性を維持しながら微細製造プロセスの使用によるコストダウンが可能な集積回路、振動デバイス、電子機器、移動体及び集積回路のモード切り替え方法を提供することができる。
本発明は前述の課題の少なくとも一部を解決するためになされたものであり、以下の態様または適用例として実現することが可能である。
[適用例1]
本適用例に係る集積回路は、第1の端子と、第2の端子と、発振素子を発振させるための発振回路と、前記第1の端子の電圧に基づいて、前記発振回路が出力する発振信号を前記第2の端子から外部に出力させる第1のモードと前記発振信号以外の信号を前記第2の端子から出力又は入力させる第2のモードとを切り替えるモード切替回路と、外部から変更可能な設定情報に基づいて、前記第2のモードにおいて前記発振回路を動作させるか停止させるかを制御する制御回路と、を含む。
例えば、第1の端子は電源端子であって、モード切替回路は、第1の端子の電圧が第1の電圧範囲の時に第1のモードを選択するようにしてもよい。
本適用例に係る集積回路によれば、第1の端子の電圧に基づいて第1のモードと第2のモードとの切り替えが可能であるとともに、第2のモードにおいて発振回路を動作させるか停止させるかを外部から制御可能である。従って、第2のモードにおいて発振回路を停止させるように設定することで、モード切り替え時の高電圧印加による発振回路内部の素子へのストレスを低減し、信頼性を維持しながら微細製造プロセスの使用によるコストダウンが可能となる。
[適用例2]
上記適用例に係る集積回路において、前記制御回路は、電源が投入されてから最初に前記第2のモードが選択された時は、前記発振回路を停止させるようにしてもよい。
本適用例に係る集積回路によれば、第2のモードにおいて、デフォルト設定では発振回路が停止するので、第1の端子に高電圧が印加されても、発振回路を構成する素子へのストレスを低減させることが可能である。
[適用例3]
上記適用例に係る集積回路は、前記発振回路が出力する発振信号を前記第2の端子から外部に出力させるための出力バッファー回路をさらに含み、前記制御回路は、前記設定情報に基づいて、前記発振回路と前記出力バッファー回路をともに動作させるかともに停止させるかを制御するようにしてもよい。
本適用例に係る集積回路によれば、第2のモードにおいて、発振回路と出力バッファー回路をともに停止させることで、第1の端子に高電圧が印加されても、発振回路と出力バッファー回路を構成する素子へのストレスを低減させることが可能である。
[適用例4]
上記適用例に係る集積回路は、温度センサーを有し、当該温度センサーの出力信号に応
じて、前記発振素子の周波数の温度補償を行う温度補償回路をさらに含み、前記制御回路は、前記設定情報に基づいて、前記発振回路と前記温度補償回路をともに動作させるかともに停止させるかを制御するようにしてもよい。
本適用例に係る集積回路によれば、第2のモードにおいて、発振回路と温度補償回路をともに停止させることで、第1の端子に高電圧が印加されても、発振回路と温度補償回路を構成する素子へのストレスを低減させることが可能である。一方、発振器等の振動デバイスの温度補償用の周波数調整を行う時は、第2のモードにおいて発振回路と温度補償回路をともに動作させる設定にすることで発熱変化を小さくし、温度センサーの検出温度と振動デバイスの温度とが一致した状態で高精度な周波数調整が可能となる。
[適用例5]
上記適用例に係る集積回路は、第3の端子をさらに含み、前記第2のモードにおいて、前記第2の端子と前記第3の端子の一方からシリアルクロック信号が入力され、前記第2の端子と前記第3の端子の他方から前記シリアルクロック信号に同期して前記設定情報の更新データを含むシリアルデータ信号が入力され、前記制御回路は、前記シリアルクロック信号に同期して前記シリアルデータ信号を取得し、取得した当該シリアルデータ信号に含まれる前記更新データに基づいて前記設定情報を更新するようにしてもよい。
例えば、第2のモードにおいて、第3の端子からシリアルクロック信号が入力され、第2の端子からシリアルデータ信号が入力されるようにしてもよい。
[適用例6]
上記適用例に係る集積回路において、前記発振回路は、前記第3の端子から入力される周波数制御信号に応じた周波数で前記発振素子を発振させるようにしてもよい。
[適用例7]
上記適用例に係る集積回路において、前記モード切替回路は、前記第1の端子の電圧が第1の電圧範囲の時に前記第1のモードを選択し、前記第1のモードを選択している状態で、前記第1の端子の電圧が前記第1の電圧範囲と異なる第2の電圧範囲の時に前記第2の端子又は前記第3の端子からパルス信号が入力された場合、前記第2のモードに切り替えるようにしてもよい。
本適用例に係る集積回路によれば、第1の電圧がノイズ等の影響で第1の電圧範囲になったとしても、第3の端子からパルス信号が入力されない限り、第1のモードから第2のモードに切り替わらない。従って、誤って第1のモードから第2のモードへ切り替わる可能性を低減させることができる。
[適用例8]
本適用例に係る振動デバイスは、上記のいずれかの集積回路と、前記集積回路に含まれる前記発振回路により発振する発振素子と、を含む。
振動デバイスは、例えば、発振素子として振動子を備えた発振器や発振素子として振動型のセンシング素子を備えた物理量センサー等である。
本適用例に係る振動デバイスによれば、信頼性を維持しながら微細製造プロセスの使用によるコストダウンが可能となる。
[適用例9]
本適用例に係る電子機器は、上記のいずれかの集積回路を含む。
[適用例10]
本適用例に係る移動体は、上記のいずれかの集積回路を含む。
[適用例11]
本適用例に係る集積回路のモード切り替え方法は、第1の端子と、第2の端子と、第3の端子と、発振素子を発振させるための発振回路と、前記第1の端子の電圧に基づいて、前記発振回路が出力する発振信号を前記第2の端子から外部に出力させる第1のモードと前記発振信号以外の信号を前記第2の端子から出力又は入力させる第2のモードとを切り替えるモード切替回路と、を含み、前記第2のモードにおいて、前記第3の端子からシリアルクロック信号が入力され、前記モード切替回路が、前記第1の端子の電圧が第1の電圧範囲の時に前記第1のモードを選択する集積回路を前記第1のモードから前記第2のモードに切り替える、集積回路のモード切り替え方法であって、前記第1の端子の電圧が前記第1の電圧範囲の時に、前記第3の端子の電圧をグランド電位又は電源電位に設定するステップと、前記第3の端子の電圧が前記グランド電位又は前記電源電位の時に、前記第1の端子の電圧を前記第1の電圧範囲から前記第1の電圧範囲と異なる第2の電圧範囲に変更するステップと、を含む。
第2のモードにおいて、第3の端子が内部素子の論理閾値付近の中間電位の場合は第3の端子からシリアルクロック信号が入力されたものと誤認されるおそれがあるが、本適用例に係る集積回路のモード切り替え方法によれば、第3の端子をグランド電位又は電源電位に設定した状態で、第1の端子の電圧を第1の電圧範囲から第2の電圧範囲に変更するので、第1のモードから第2のモードへの切り替え時の誤動作を防止することができる。
[適用例12]
上記適用例に係る集積回路のモード切り替え方法は、前記第1の端子の電圧が前記第2の電圧範囲の時に、前記第3の端子からパルス信号を入力するステップをさらに含み、前記集積回路は、前記モード切替回路が、前記第1のモードを選択している状態で、前記第1の端子の電圧が前記第2の電圧範囲の時に前記第3の端子からパルス信号が入力された場合、前記第2のモードに切り替えるようにしてもよい。
本適用例に係る集積回路のモード切り替え方法によれば、第1の電圧がノイズ等の影響で第1の電圧範囲になったとしても、第3の端子からパルス信号が入力されない限り、第1のモードから第2のモードに切り替わらない。従って、誤って第1のモードから第2のモードへ切り替わる可能性を低減させることができる。
第1実施形態の発振器の構成例を示す図。 第1実施形態におけるモード切替回路の構成例を示す図。 スイッチAの構成例を示す図。 スイッチBの構成例を示す図。 第1実施形態におけるモード切り替えの一例を示すタイミングチャート図。 出力バッファー回路の構成例を示す図。 第2実施形態の発振器の構成例を示す図。 第2実施形態におけるモード切替回路の構成例を示す図。 第2実施形態におけるモード切り替えの一例を示すタイミングチャート図。 本実施形態の電子機器の機能ブロック図。 本実施形態の電子機器の外観の一例を示す図。 本実施形態の移動体の一例を示す図。 発振器の構成の変形例を示す図。 スイッチBの構成の変形例を示す図。 従来の発振回路の出力バッファー回路の構成例を示す図。
以下、本発明の好適な実施形態について図面を用いて詳細に説明する。なお、以下に説明する実施の形態は、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い。また以下で説明される構成の全てが本発明の必須構成要件であるとは限らない。
1.発振器、発振用IC
1−1.第1実施形態
図1は、第1実施形態の発振器(振動デバイスの一例)の構成例を示す図である。図1に示すように、第1実施形態の発振器1は、発振用IC2及び発振素子3を含んで構成されている。
発振素子3は、発振用IC2のXI端子とXO端子の間に接続されている。発振素子3としては、例えば、SAW(Surface Acoustic Wave)共振子、ATカット水晶振動子、SCカット水晶振動子、音叉型水晶振動子、その他の圧電振動子やMEMS(Micro Electro Mechanical Systems)振動子などを用いることができる。発振素子3の基板材料としては、水晶、タンタル酸リチウム、ニオブ酸リチウム等の圧電単結晶や、ジルコン酸チタン酸鉛等の圧電セラミックス等の圧電材料、又はシリコン半導体材料等を用いることができる。発振素子3の励振手段としては、圧電効果によるものを用いてもよいし、クーロン力による静電駆動を用いてもよい。
発振用IC2は、発振素子3を発振させるための、CMOSプロセス等で製造される集積回路であり、発振回路10、温度補償回路20、出力バッファー回路30、制御回路40、メモリー50、シリアルインターフェース(IF)回路60、モード切替回路70、スイッチA(80)、スイッチB(90)及びバイアス回路100を含んで構成されている。なお、本実施形態の発振用IC2は、これらの要素の一部を省略又は変更したり、他の要素を追加した構成としてもよい。
バイアス回路100は、VDD端子から供給される電源電圧VDDから、各種の基準電圧を発生させる回路であり、各ブロックは電源電圧VDDと基準電圧で動作する。
発振回路10は、MOSFETあるいはバイポーラトランジスター等の増幅素子(不図示)により発振素子3の出力信号を増幅させて発振素子3に入力する発振ループを形成し、発振素子3を発振させる回路である。本実施形態では、発振回路10は、発振ループに接続された少なくとも1つの可変容量素子(不図示)を含み、可変容量素子に印加される電圧に応じて発振周波数を変化可能に構成されている。
温度補償回路20は、温度に応じて出力信号の大きさが変化する感温素子である温度センサー22を含み、温度センサー22の出力信号と、あらかじめメモリー50に記憶され、制御回路40を介して入力さる温度補償データCMPD(例えば、水晶振動子等の発振素子3の周波数温度特性関数の係数値等)とに基づき、発振素子3の温度変動による周波数変動を打ち消すための温度補償電圧を発生させ、発振回路10の可変容量素子に印加する。また、温度補償回路20は、VC端子からスイッチA(80)を介して入力される周波数制御信号VCTLに応じた周波数制御電圧を発生させ、発振回路10の可変容量素子に印加する。例えば、温度補償回路20は、温度補償電圧と周波数制御電圧を加算した電圧を発振回路10の1つの可変容量素子に印加してもよいし、温度補償電圧と周波数制御電圧を発振回路10の別個の可変容量素子に印加するようにしてもよい。発振回路10は、この温度補償電圧や周波数制御電圧に応じた周波数で発振素子3を発振させる。すなわ
ち、本実施形態の発振器1は、電圧制御温度補償型発振器であり、発振用IC2は電圧制御温度補償型発振器用のICである。
出力バッファー回路30は、発振回路10から出力される発振信号を所定レベルに増幅・整形する回路であり、クロック信号CLKOを出力する。出力バッファー回路30の出力は、OUT端子に接続されている。
制御回路40は、各ブロックの動作を制御する回路であり、メモリー50へのアクセス(リード/ライト)、モード信号MODEに応じたスイッチA(80)及びスイッチB(90)の制御、シリアルIF回路60を介したシリアル通信の制御、発振回路10、温度補償回路20及び出力バッファー回路30のパワーダウン制御等を行う。制御回路40は、レジスター42を含み、レジスター42の設定値に応じた制御を行う。
メモリー50は、書き換え可能な不揮発性のメモリーであり、例えばEEPROM(Electrically Erasable Programmable Read-Only Memory)等で実現される。メモリー50には、温度補償データ等の各ブロックの調整に必要なデータが記憶される。
シリアルIF回路60は、後述するシリアルI/Fモードにおいて、外部からレジスター42やメモリー50へのアクセスに使用されるシリアル通信回路である。シリアルI/Fモードでは、シリアルIF回路60を介して、レジスター42やメモリー50に外部から各種のデータを設定したり、レジスター42やメモリー50の設定値を外部に読み出すことができるようになっている。
モード切替回路70は、VDD端子(第1の端子の一例)の電圧レベルに基づき、通常モード(第1のモードの一例)とシリアルI/Fモード(第2のモードの一例)とを切り替えるための回路であり、通常モードとシリアルI/Fモードとを識別するためのモード信号MODEを生成し、制御回路40に供給する。通常モードは、VC端子(第3の端子の一例)から周波数制御電圧が印加され、出力バッファー回路30が出力するクロック信号CLKOをOUT端子(第2の端子の一例)から外部に出力するモードである。シリアルI/Fモードは、VC端子とOUT端子をシリアル通信用に使用するためのモードであり、本実施形態では、VC端子はシリアルクロック信号の入力に使用され、OUT端子はシリアルデータ信号の入出力に使用される。
スイッチA(80)は、VC端子から入力される信号VCINを、通常モードでは周波数制御信号VCTLとして温度補償回路20に供給し、シリアルI/Fモードではシリアルクロック信号SCKとしてシリアルIF回路60に供給する切替スイッチ回路である。
スイッチB(90)は、シリアルI/Fモードにおいて、シリアルデータ出力信号SDOをOUT端子から出力し、あるいは、OUT端子から入力される信号をシリアルデータ入力信号SDIとしてシリアルIF回路60に供給する切替スイッチ回路である。
このように、本実施形態の発振用IC2は、VDD,GND,XI,XO,VC,OUTの6個の外部端子しか持っておらず、通常モードとシリアルI/Fモードとを切り替えるための専用の端子、シリアルクロックの入力専用の端子及びシリアルデータ信号の入出力専用の端子を用意することができない。そこで、本実施形態では、VDD端子の電圧レベルに応じて、通常モードとシリアルI/Fモードとを切り替えるとともに、シリアルI/FモードではVC端子とOUT端子をシリアルクロック信号やシリアルデータ信号の入出力用に使用する。
図2は、モード切替回路70の構成例を示す図である。図2に示すように、モード切替
回路70は、2つの抵抗器72,74及びコンパレーター76を含んで構成されており、電源電圧VDDを抵抗器72,74で抵抗分割した電圧をコンパレーター76で比較用の電圧と比較する。この比較用の電圧は、例えばバイアス回路100で生成される。
このような構成により、モード切替回路70は、電源電圧VDDが所定電圧VDDRよりも低い時(第1の電圧範囲の一例)は通常モードを表すMODE信号(本実施形態ではローレベルの信号)を出力し、電源電圧VDDが所定電圧VDDRよりも高い時(第2の電圧範囲の一例)はシリアルI/Fモードを表すMODE信号(本実施形態ではハイレベルの信号)を出力する。
図3は、スイッチA(80)の構成例を示す図である。図3に示すように、スイッチA(80)は、AND回路82及びアナログスイッチ84を含んで構成されている。
AND回路82及びアナログスイッチ84には、VC端子からの入力信号VINと制御回路40が出力する入力制御信号INCTLAが入力される。
制御回路40は、通常モード(MODE信号がローレベルの信号)の時はローレベルの入力制御信号INCTLAを出力し、シリアルI/Fモード(MODE信号がハイレベルの信号)の時はハイレベルの入力制御信号INCTLAを出力する。
従って、通常モードでは、アナログスイッチ84がオンして入力信号VINが周波数制御信号VCTLとなる。一方、シリアルI/Fモードでは、入力信号VINがAND回路82を伝搬してシリアルクロック信号SCKとなる。
図4は、スイッチB(90)の構成例を示す図である。図4に示すように、スイッチB(90)は、2つのAND回路92,94及び3ステートバッファー96を含んで構成されている。
AND回路94には、制御回路40が出力する入力制御信号INCTLB及び出力制御信号OUTCTLBが入力される。
3ステートバッファー96は、シリアルデータ出力信号SDOと出力制御信号OUTCTLBが入力され、出力制御信号OUTCTLBがローレベルの時はシリアルデータ出力信号SDOを出力に伝搬させ、出力制御信号OUTCTLBがハイレベルの時はハイインピーダンス出力となる。
AND回路92にはAND回路94の出力信号と3ステートバッファー96の出力信号が入力され、AND回路92の出力信号がシリアルデータ入力信号SDIとなる。
制御回路40は、通常モード(MODE信号がローレベルの信号)の時はハイレベルの出力制御信号OUTCTLBを出力する。また、制御回路40は、シリアルI/Fモード(MODE信号がハイレベルの信号)の時は、内部のシーケンサーに従った論理レベルの入力制御信号INCTLBと出力制御信号OUTCTLBを出力する。
従って、通常モードでは、3ステートバッファー96の出力がハイインピーダンスとなり、クロック信号CLKOがOUT端子から出力される。一方、シリアルI/Fモードでは、OUT端子からの入力信号IOがAND回路92を伝搬してシリアルデータ入力信号SDIとなり、あるいは、シリアルデータ出力信号SDOが3ステートバッファー96を伝搬してOUT端子から出力される。
本実施形態では、制御回路40は、シリアルI/Fモードにおいて発振回路10及び温度補償回路20をパワーダウンさせるか否かを変更可能になっている。制御回路40は、発振回路10及び温度補償回路20に対して、パワーダウンさせる場合はハイレベルのパワーダウン信号PD1を出力し、パワーダウンさせない場合はローレベルのパワーダウン信号PD1を出力する。シリアルI/Fモードにおいて発振回路10及び温度補償回路20をパワーダウンさせるか否かは、レジスター42の所定ビットに1を書き込むか否かによりユーザーが選択可能になっている。
また、制御回路40は、シリアルI/Fモードでは、出力バッファー回路30に対して、常にハイレベルのパワーダウン信号PD2を出力し、出力バッファー回路30をパワーダウンさせる。これにより、シリアルI/Fモードでは、出力バッファー回路30の出力は常にハイインピーダンスとなり、OUT端子からシリアルデータ入力信号SDIの入力やシリアルデータ出力信号SDOの出力が可能となる。
図5(A)及び図5(B)は、モード切り替えの一例を示すタイミングチャート図である。図5(A)は、シリアルI/Fモードにおいてパワーダウンモード(発振回路10及び温度補償回路20をパワーダウンさせるモード)が選択される場合のタイミングチャート図であり、図5(B)は、シリアルI/Fモードにおいてパワーダウンモードが選択されない場合のタイミングチャート図である。
図5(A)、図5(B)ともに、通常モードからシリアルI/Fモードに切り替わった後、さらにシリアルI/Fモードから通常モードに切り替わっている。通常モードでは、電源電圧VDDは、所定電圧VDDRよりも低いVDDLになっており、OUT端子から振幅がVDDLのクロック信号CLKOが出力されている。
本実施形態では、通常モードからシリアルI/Fモードへの切り替えには、まず、VC端子の電圧をVSS(グランド電位)に設定し、次に、VC端子の電圧がVSSの状態でVDD端子の電圧をVDDLからVDDRよりも高いVDDHに変更する。これにより、シリアルI/Fモードに切り替わる。VC端子の電圧をVSSに設定せずにVDD端子の電圧をVDDHに変更してもシリアルI/Fモードに切り替わるが、VC端子の電圧が、図3に示したAND回路82の論理閾値付近の電圧であれば、シリアルI/Fモードに切り替わった直後にシリアルクロックSCKが発生して誤動作するおそれがある。なお、本実施形態では、VC端子の電圧をVSSに設定した状態でVDD端子の電圧をVDDHにしているが、VC端子の電圧をVDDH(電源電位)に設定した状態でVDD端子の電圧をVDDHにしてもよい。
シリアルI/Fモードに切り替わると、図5(A)ではパワーダウン信号PD1とパワーダウン信号PD2がともにハイレベルになり、発振回路10、温度補償回路20及び出力バッファー回路30がパワーダウンする。一方、図5(B)ではパワーダウン信号PD1がローレベルのままであり、発振回路10及び温度補償回路20はパワーダウンしない。
本実施形態では、電源投入後、最初にVDD端子にシリアルI/Fモードに切り替わる時はパワーダウンモードになっている。つまり、シリアルI/Fモードではパワーダウンモードがデフォルト設定になっているので、パワーダウンモードを解除したい時は、シリアルI/Fモードでレジスター42の設定ビットを書き換える必要がある。
シリアルI/Fモードから通常モードへの切り替えは、VDD端子の電圧をVDDHからVDDLに変更することで行う。
通常モードに切り替わると、図5(A)ではパワーダウンが解除されて発振動作が開始するが、発振振幅が出力バッファー回路30の論理閾値を超えるようになるまでは、OUT端子からクロック信号CLKOが出力されない。一方、図5(B)では、シリアルI/Fモードの間も発振が継続しているので、通常モードに切り替わった直後から、OUT端子からクロック信号CLKOが出力されている。
以上に説明したように、第1実施形態の発振器及び発振用ICによれば、シリアルI/Fモードではパワーダウンモードがデフォルト設定になっているので、シリアルI/FモードにおいてVDD端子に高電圧が印加されても、発振回路10、温度補償回路20及び出力バッファー回路30を構成するトランジスターに対して、高電圧印加によるストレスを低減させることができる。これにより、信頼性を維持しながら微細製造プロセスの使用によるコストダウンが可能となる。例えば、出力バッファー回路30を図6に示すように構成すると、従来の構成(図15)の場合と異なり、VDD端子に高電圧が印加された時でも点線内のPMOSトランジスターのソース(S)−ゲート(G)間の電圧差はゼロとなり、NBTIストレスは印加されない。
また、第1実施形態の発振器及び発振用ICによれば、シリアルI/Fモードにおいて発振回路10及び温度補償回路20のパワーダウンモードを解除することも可能であり、パワーダウンモードを解除することで、発振用IC2の内部状態変化を少なくし、発振用IC2の温度変化を抑制することができる。これにより、例えば、発振器1の最終検査等で温度補償用の周波数調整工程(温度補償データの作成工程)を実施する時は、シリアルI/Fモードでのパワーダウンモードを解除することで、発振用IC2の内部の温度センサー22の検出温度と発振素子3の温度とを一致させた状態で、温度補償用の周波数調整を精度よく行うことが可能となる。
1−2.第2実施形態
シリアルI/Fモードへの切り替えは、発振器1の出荷前に、例えば温度補償用の周波数調整時等には必要であるが、発振器1の出荷後はシリアルI/Fモードへの切り替えは必要なく、通常動作時に誤ってシリアルI/Fモードへ切り替わり、一瞬でもクロック出力が停止するようなことがあってはならない。一方、端子数の制限のため、シリアルI/Fモードに切り替えるための専用の端子を設けておいて出荷時にこの専用端子を非アクティブに固定するといった手法は使えない。そこで、第2実施形態の発振用ICは、端子数を増加させることなく、シリアルI/Fモードへの誤った切り替えが起こりにくい構成とする。
図7は、第2実施形態の発振器(振動デバイスの一例)の構成例を示す図である。図7に示すように、第2実施形態の発振器1の構成要素は、第1実施形態(図1)と同じである。ただし、第2実施形態の発振器1では、発振用IC2のモード切替回路70の構成が第1実施形態と異なる。
すなわち、図7に示すように、本実施形態におけるモード切替回路70には、VDD端子の電圧が入力されるだけでなく、VC端子からの入力信号VCINも入力されており、VDD端子の電圧レベルと入力信号VCINとに基づき、通常モードとシリアルI/Fモードとを切り替える。
図8は、第2実施形態におけるモード切替回路70の構成例を示す図である。図8に示すように、モード切替回路70は、2つの抵抗器72,74、コンパレーター76、NAND回路78及びリセット端子付のDフリップフロップ79を含んで構成されている。
第1実施形態(図3)と同様に、コンパレーター76は、電源電圧VDDを抵抗器72
,74で抵抗分割した電圧を比較用の電圧と比較する。
コンパレーター76の出力信号は、Dフリップフロップ79のデータ入力端子D及びリセット端子R(アクティブロー)に入力されるとともに、NAND回路78に入力される。NAND回路78には入力信号VCINも入力され、NAND回路78の出力信号はDフリップフロップ79のクロック入力端子Cに入力される。
そして、Dフリップフロップ79のデータ出力端子Qから出力される信号がモード信号MODEとなる。
このような構成により、モード切替回路70は、電源電圧VDDが所定電圧VDDRよりも低い時(第1の電圧範囲の一例)は通常モードを表すMODE信号(本実施形態ではローレベルの信号)を出力し、電源電圧VDDが所定電圧VDDRよりも高い時(第2の電圧範囲の一例)に入力信号VCINとしてパルス信号(クロック信号)が入力された場合に、そのパルス信号(クロック信号)の立ち下がりのタイミングでシリアルI/Fモードを表すMODE信号(本実施形態ではハイレベルの信号)を出力する。
第2実施形態の発振用IC2のその他の構成は、第1実施形態(図1)と同じであるため、その説明を省略する。
図9(A)及び図9(B)は、第2実施形態におけるモード切り替えの一例を示すタイミングチャート図である。図9(A)は、シリアルI/Fモードにおいてパワーダウンモードが選択される場合のタイミングチャート図であり、図9(B)は、シリアルI/Fモードにおいてパワーダウンモードが選択されない場合のタイミングチャート図である。
図9(A)、図9(B)ともに、通常モードからシリアルI/Fモードに切り替わった後、さらにシリアルI/Fモードから通常モードに切り替わっている。通常モードでは、電源電圧VDDは、所定電圧VDDRよりも低いVDDLになっており、OUT端子から振幅がVDDLのクロック信号CLKOが出力されている。
本実施形態では、通常モードからシリアルI/Fモードへの切り替えには、第1実施形態と同様に、まず、VC端子の電圧をVSS(グランド電位)に設定し、次に、VC端子の電圧がVSSの状態でVDD端子の電圧をVDDLからVDDRよりも高いVDDHに変更する。さらに、VDD端子の電圧がVDDH(電源電位)の状態でVC端子にVDDHのパルス信号(クロック信号)を入力する。このパルス信号(クロック信号)の立ち下がりでシリアルI/Fモードに切り替わる。
シリアルI/Fモードに切り替わると、図9(A)ではパワーダウン信号PD1とパワーダウン信号PD2がともにハイレベルになり、発振回路10、温度補償回路20及び出力バッファー回路30がパワーダウンする。一方、図9(B)ではパワーダウン信号PD1がローレベルのままであり、発振回路10及び温度補償回路20はパワーダウンしない。
本実施形態でも、シリアルI/Fモードではパワーダウンモードがデフォルト設定になっているので、パワーダウンモードを解除したい時は、シリアルI/Fモードでレジスター42の設定ビットを書き換える必要がある。
シリアルI/Fモードから通常モードへの切り替えは、第1実施形態と同じく、VDD端子の電圧をVDDHからVDDLに変更することで行う。
通常モードに切り替わると、図9(A)ではパワーダウンが解除されて発振動作が開始するが、発振振幅が出力バッファー回路30の論理閾値を超えるようになるまでは、OUT端子からクロック信号CLKOが出力されない。一方、図9(B)では、シリアルI/Fモードの間も発振が継続しているので、通常モードに切り替わった直後から、OUT端子からクロック信号CLKOが出力されている。
以上に説明したように、第2実施形態の発振器及び発振用ICによれば、第1実施形態と同様に、シリアルI/Fモードではパワーダウンモードがデフォルト設定になっているので、各トランジスターに対して高電圧印加によるストレスを低減させることができる。これにより、信頼性を維持しながら微細製造プロセスの使用によるコストダウンが可能となる。
また、第2実施形態の発振器及び発振用ICによれば、第1実施形態と同様に、シリアルI/Fモードにおいて、パワーダウンモードを解除することで、発振用IC2の内部状態変化を少なくし、発振用IC2の温度変化を抑制することができる。これにより、発振用IC2の内部の温度センサー22の検出温度と発振素子3の温度とを一致させた状態で、温度補償用の周波数調整を精度よく行うことが可能となる。
さらに、第2実施形態の発振器及び発振用ICによれば、通常モードからシリアルI/Fモードへの切り替えには、VDD端子に高電圧を印加した状態で、かつ、VC端子にパルス信号(クロック信号)を1回入力する必要があるので、通常動作時に誤ってシリアルI/Fモードへ切り替わる可能性を低減させることができる。
2.電子機器
図10は、本実施形態の電子機器の機能ブロック図である。また、図11は、本実施形態の電子機器の一例であるスマートフォンの外観の一例を示す図である。
本実施形態の電子機器300は、振動デバイス310、CPU(Central Processing Unit)320、操作部330、ROM(Read Only Memory)340、RAM(Random Access Memory)350、通信部360、表示部370、音出力部380を含んで構成されている。なお、本実施形態の電子機器は、図10の構成要素(各部)の一部を省略又は変更したり、他の構成要素を付加した構成としてもよい。
振動デバイス310は、発振用IC312を含む発振器や振動型のセンサー等である。振動デバイス310や発振用IC312として、上述の各実施形態の発振器1発振用IC2を適用することができる。
CPU320は、ROM340等に記憶されているプログラムに従い、振動デバイス310が生成する信号を用いて各種の計算処理や制御処理を行う。その他、CPU320は、操作部330からの操作信号に応じた各種の処理、外部とデータ通信を行うために通信部360を制御する処理、表示部370に各種の情報を表示させるための表示信号を送信する処理、音出力部380に各種の音を出力させる処理等を行う。
操作部330は、操作キーやボタンスイッチ等により構成される入力装置であり、ユーザーによる操作に応じた操作信号をCPU320に出力する。
ROM340は、CPU320が各種の計算処理や制御処理を行うためのプログラムやデータ等を記憶している。
RAM350は、CPU320の作業領域として用いられ、ROM340から読み出さ
れたプログラムやデータ、操作部330から入力されたデータ、CPU320が各種プログラムに従って実行した演算結果等を一時的に記憶する。
通信部360は、CPU320と外部装置との間のデータ通信を成立させるための各種制御を行う。
表示部370は、LCD(Liquid Crystal Display)等により構成される表示装置であり、CPU320から入力される表示信号に基づいて各種の情報を表示する。表示部370には操作部330として機能するタッチパネルが設けられていてもよい。
音出力部380は、スピーカー等の音を出力する装置である。
発振用IC312として上述した本実施形態の発振用IC2を組み込むことにより、より信頼性の高い電子機器を実現することができる。
このような電子機器300としては種々の電子機器が考えられ、例えば、パーソナルコンピューター(例えば、モバイル型パーソナルコンピューター、ラップトップ型パーソナルコンピューター、タブレット型パーソナルコンピューター)、携帯電話機などの移動体端末、ディジタルスチールカメラ、インクジェット式吐出装置(例えば、インクジェットプリンター)、ルーターやスイッチなどのストレージエリアネットワーク機器、ローカルエリアネットワーク機器、テレビ、ビデオカメラ、ビデオテープレコーダー、カーナビゲーション装置、ページャー、電子手帳(通信機能付も含む)、電子辞書、電卓、電子ゲーム機器、ゲーム用コントローラー、ワードプロセッサー、ワークステーション、テレビ電話、防犯用テレビモニター、電子双眼鏡、POS端末、医療機器(例えば電子体温計、血圧計、血糖計、心電図計測装置、超音波診断装置、電子内視鏡)、魚群探知機、各種測定機器、計器類(例えば、車両、航空機、船舶の計器類)、フライトシミュレーター、ヘッドマウントディスプレイ、モーショントレース、モーショントラッキング、モーションコントローラー、PDR(歩行者位置方位計測)等が挙げられる。
3.移動体
図12は、本実施形態の移動体の一例を示す図(上面図)である。図12に示す移動体400は、発振用IC410、エンジンシステム、ブレーキシステム、キーレスエントリーシステム等の各種の制御を行うコントローラー420,430,440、バッテリー450、バックアップ用バッテリー460を含んで構成されている。なお、本実施形態の移動体は、図12の構成要素(各部)の一部を省略又は変更してもよいし、他の構成要素を付加した構成としてもよい。
発振用IC410として、上述の各実施形態の発振用IC2を適用することができる。なお、発振用IC410は、発振用IC2を含む振動デバイス(発振器や物理量センサー等)に置き換えてもよい。その他の構成要素の詳細な説明は省略するが、移動体の移動に必要な制御を行うため高い信頼性が要求される。例えば、バッテリー450の他に、バックアップ用バッテリー460を備えることで信頼性を高めている。
発振用IC410として、上述の各実施形態の発振用IC2を適用することにより、高い信頼性を確保することができる。
このような移動体400としては種々の移動体が考えられ、例えば、自動車(電気自動車も含む)、ジェット機やヘリコプター等の航空機、船舶、ロケット、人工衛星等が挙げられる。
本発明は本実施形態に限定されず、本発明の要旨の範囲内で種々の変形実施が可能である。
例えば、第1実施形態の発振器1では、出力バッファー回路30は、シリアルI/Fモードでは常にパワーダウンされているが、発振回路10及び温度補償回路20と同様に、出力バッファー回路30もパワーダウンさせるか否かを変更可能な構成に変形してもよい。
図13は、本変形例の発振器(振動デバイスの一例)の構成を示す図である。図13に示すように、本変形例の発振器1の構成要素は、第1実施形態(図1)と同じである。ただし、本変形例の発振器1では、出力バッファー回路30の出力信号がスイッチB(90)に入力されている点とスイッチB(90)の構成及び制御回路40の構成が第1実施形態と異なる。
図14は、本変形例におけるスイッチB(90)の構成例を示す図である。図14に示すように、スイッチB(90)は、2つのAND回路92,94、3ステートバッファー96及びセレクター98を含んで構成されている。
AND回路94には、制御回路40が出力する入力制御信号INCTLB及び出力制御信号OUTCTLBが入力される。
セレクター98には、出力バッファー回路30が出力するクロック信号CLKO、シリアルIF回路60が出力するシリアルデータ出力信号SDO及び制御回路40が出力する出力選択信号OUTSELが入力され、出力選択信号OUTSELがローレベルの時はクロック信号CLKOを選択し、出力選択信号OUTSELがハイレベルの時はシリアルデータ出力信号SDOを選択して出力する。
3ステートバッファー96は、セレクター98の出力信号と出力制御信号OUTCTLBが入力され、出力制御信号OUTCTLBがローレベルの時はセレクター98の出力信号を出力に伝搬させ、出力制御信号OUTCTLBがハイレベルの時はハイインピーダンス出力となる。
AND回路92にはAND回路94の出力信号と3ステートバッファー96の出力信号が入力され、AND回路92の出力信号がシリアルデータ入力信号SDIとなる。
制御回路40は、通常モード(MODE信号がローレベルの信号)の時はローレベルの出力制御信号OUTCTLBとローレベルの出力選択信号OUTSELを出力する。また、制御回路40は、シリアルI/Fモード(MODE信号がハイレベルの信号)の時はハイレベルの出力選択信号OUTSELを出力するとともに、内部のシーケンサーに従った論理レベルの入力制御信号INCTLBと出力制御信号OUTCTLBを出力する。
従って、通常モードでは、クロック信号CLKOがセレクター98と3ステートバッファー96を伝搬してOUT端子から出力される。一方、シリアルI/Fモードでは、OUT端子からの入力信号IOがAND回路92を伝搬してシリアルデータ入力信号SDIとなり、あるいは、シリアルデータ出力信号SDOがセレクター98と3ステートバッファー96を伝搬してOUT端子から出力される。
本変形例では、制御回路40は、シリアルI/Fモードにおいて発振回路10、温度補償回路20及び出力バッファー回路30をパワーダウンさせるか否かを変更可能になっている。制御回路40は、発振回路10、温度補償回路20及び出力バッファー回路30に
対して、パワーダウンさせる場合はハイレベルのパワーダウン信号PDを出力し、パワーダウンさせない場合はローレベルのパワーダウン信号PDを出力する。シリアルI/Fモードにおいて発振回路10、温度補償回路20及び出力バッファー回路30をパワーダウンさせるか否かは、レジスター42の所定ビットに1を書き込むか否かによりユーザーが選択可能になっている。
本変形例の発振用IC2のその他の構成は、第1実施形態(図1)と同じであるため、その説明を省略する。また、モード切り替えの一例を示すタイミングチャート図は、第1実施形態の図5(A)及び図5(B)のタイミングチャート図において、PD2を削除し、PD1をPDに変更すればよいため、その図示及びその説明を省略する。
本変形例の発振器及び発振用ICによれば、第1形態の発振器と同様の効果を奏することができる。
なお、本変形例では、シリアルI/Fモードにおいて、出力バッファー回路30を、発振回路10及び温度補償回路20と連動してパワーダウンさせるか否かを選択可能であるが、出力バッファー回路30を独立してパワーダウンさせるか否かを選択可能に構成してもよい。また、第2実施形態の発振器1についても同様に、出力バッファー回路30を、発振回路10及び温度補償回路20と連動してあるいは独立に、パワーダウンさせるか否かを変更可能な構成に変形することができる。
上述した実施形態及び変形例では、電圧制御温度補償型発振器(VC−TCXO等)を例に挙げて説明したが、本発明に係る発振器は、温度補償型発振器(TCXO等)、電圧制御型発振器(VCXOやVCSO等)、恒温型発振器(OCXO等)等であってもよい。また、これらの発振器は、発振素子の材質や励振手段によらず、圧電発振器(水晶発振器等)、SAW発振器、シリコン発振器、原子発振器等であってもよい。
上述した実施形態及び変形例では、振動デバイスの一例である発振器を例に挙げて説明したが、本発明に係る振動デバイスは、発振用IC(集積回路)と、当該発振用ICにより発振する発振素子(振動体)とを含むものであればよく、例えば、振動型のセンシング素子を備えた物理量センサー(角速度センサー(ジャイロセンサー)や加速度センサー等)等であってもよい。
上述した実施形態及び変形例は一例であって、これらに限定されるわけではない。例えば、各実施形態及び変形例を適宜組み合わせることも可能である。
本発明は、実施の形態で説明した構成と実質的に同一の構成(例えば、機能、方法及び結果が同一の構成、あるいは目的及び効果が同一の構成)を含む。また、本発明は、実施の形態で説明した構成の本質的でない部分を置き換えた構成を含む。また、本発明は、実施の形態で説明した構成と同一の作用効果を奏する構成又は同一の目的を達成することができる構成を含む。また、本発明は、実施の形態で説明した構成に公知技術を付加した構成を含む。
1 発振器、2 発振用IC、3 発振素子、10 発振回路、20 温度補償回路、22 温度センサー、30 出力バッファー回路、40 制御回路、42 レジスター、50 メモリー、60 シリアルインターフェース(IF)回路、70 モード切替回路、72 抵抗器、74 抵抗、76 コンパレーター、78 NAND回路、79 Dフリップフロップ、80 スイッチA、82 AND回路、84 アナログスイッチ、90 スイッチB、92 AND回路、94 AND回路、96 3ステートバッファー、98
セレクター、100 バイアス回路、300 電子機器、310 振動デバイス、312 発振用IC、320 CPU、330 操作部、340 ROM、350 RAM、360 通信部、370 表示部、380 音出力部、400 移動体、410 発振用IC、420,430,440 コントローラー、450 バッテリー、460 バックアップ用バッテリー

Claims (13)

  1. 第1の端子と、
    第2の端子と、
    第3の端子と、
    発振素子を発振させるための発振回路と、
    前記第1の端子の電圧に基づいて、前記発振回路が出力する発振信号を前記第2の端子から外部に出力させる第1のモードと前記発振信号以外の信号を前記第2の端子から出力又は入力させる第2のモードとを切り替えるモード切替回路と、
    外部から変更可能な設定情報に基づいて、前記第2のモードにおいて前記発振回路を動作させるか停止させるかを制御する制御回路と、を含み、
    前記第2のモードにおいて、前記第2の端子と前記第3の端子の一方からシリアルクロック信号が入力され、前記第2の端子と前記第3の端子の他方から前記シリアルクロック信号に同期して前記設定情報の更新データを含むシリアルデータ信号が入力され、
    前記制御回路は、
    前記シリアルクロック信号に同期して前記シリアルデータ信号を取得し、取得した当該シリアルデータ信号に含まれる前記更新データに基づいて前記設定情報を更新する、集積回路。
  2. 請求項1において、
    前記発振回路は、
    前記第3の端子から入力される周波数制御信号に応じた周波数で前記発振素子を発振させる、集積回路。
  3. 請求項1又は2において、
    前記モード切替回路は、
    前記第1の端子の電圧が第1の電圧範囲の時に前記第1のモードを選択し、前記第1のモードを選択している状態で、前記第1の端子の電圧が前記第1の電圧範囲と異なる第2の電圧範囲の時に前記第2の端子又は前記第3の端子からパルス信号が入力された場合、前記第2のモードに切り替える、集積回路。
  4. 第1の端子と、
    第2の端子と、
    発振素子を発振させるための発振回路と、
    前記第1の端子の電圧に基づいて、前記発振回路が出力する発振信号を前記第2の端子から外部に出力させる第1のモードと前記発振信号以外の信号を前記第2の端子から出力又は入力させる第2のモードとを切り替えるモード切替回路と、
    外部から変更可能な設定情報に基づいて、前記第2のモードにおいて前記発振回路を動作させるか停止させるかを制御する制御回路と、を含み、
    前記モード切替回路は、
    前記第1の端子の電圧が第1の電圧範囲の時に前記第1のモードを選択し、前記第1のモードを選択している状態で、前記第1の端子の電圧が前記第1の電圧範囲と異なる第2の電圧範囲の時に前記第2の端子からパルス信号が入力された場合、前記第2のモードに切り替える、集積回路。
  5. 第1の端子と、
    第2の端子と、
    第3の端子と、
    発振素子を発振させるための発振回路と、
    前記第1の端子の電圧に基づいて、前記発振回路が出力する発振信号を前記第2の端子から外部に出力させる第1のモードと前記発振信号以外の信号を前記第2の端子から出力又は入力させる第2のモードとを切り替えるモード切替回路と、
    外部から変更可能な設定情報に基づいて、前記第2のモードにおいて前記発振回路を動作させるか停止させるかを制御する制御回路と、を含み、
    前記モード切替回路は、
    前記第1の端子の電圧が第1の電圧範囲の時に前記第1のモードを選択し、前記第1のモードを選択している状態で、前記第1の端子の電圧が前記第1の電圧範囲と異なる第2の電圧範囲の時に前記第2の端子又は前記第3の端子からパルス信号が入力された場合、前記第2のモードに切り替える、集積回路。
  6. 請求項1乃至5のいずれか一項において、
    前記制御回路は、
    電源が投入されてから最初に前記第2のモードが選択された時は、前記発振回路を停止させる、集積回路。
  7. 請求項1乃至6のいずれか一項において、
    前記発振回路が出力する発振信号を前記第2の端子から外部に出力させるための出力バッファー回路をさらに含み、
    前記制御回路は、
    前記設定情報に基づいて、前記発振回路と前記出力バッファー回路をともに動作させるかともに停止させるかを制御する、集積回路。
  8. 請求項1乃至7のいずれか一項において、
    温度センサーを有し、当該温度センサーの出力信号に応じて、前記発振素子の周波数の温度補償を行う温度補償回路をさらに含み、
    前記制御回路は、
    前記設定情報に基づいて、前記発振回路と前記温度補償回路をともに動作させるかともに停止させるかを制御する、集積回路。
  9. 請求項1乃至8のいずれか一項に記載の集積回路と、
    前記集積回路に含まれる前記発振回路により発振する発振素子と、を含む、振動デバイス。
  10. 請求項1乃至8のいずれか一項に記載の集積回路を含む、電子機器。
  11. 請求項1乃至8のいずれか一項に記載の集積回路を含む、移動体。
  12. 第1の端子と、第2の端子と、第3の端子と、発振素子を発振させるための発振回路と、前記第1の端子の電圧に基づいて、前記発振回路が出力する発振信号を前記第2の端子から外部に出力させる第1のモードと前記発振信号以外の信号を前記第2の端子から出力又は入力させる第2のモードとを切り替えるモード切替回路と、を含み、前記第2のモードにおいて、前記第3の端子からシリアルクロック信号が入力され、前記モード切替回路が、前記第1の端子の電圧が第1の電圧範囲の時に前記第1のモードを選択する集積回路を前記第1のモードから前記第2のモードに切り替える、集積回路のモード切り替え方法であって、
    前記第1の端子の電圧が前記第1の電圧範囲の時に、前記第3の端子の電圧をグランド電位又は電源電位に設定するステップと、
    前記第3の端子の電圧が前記グランド電位又は前記電源電位の時に、前記第1の端子の電圧を前記第1の電圧範囲から前記第1の電圧範囲と異なる第2の電圧範囲に変更するステップと、を含む、集積回路のモード切り替え方法。
  13. 請求項12において、
    前記第1の端子の電圧が前記第2の電圧範囲の時に、前記第3の端子からパルス信号を入力するステップをさらに含み、
    前記集積回路は、
    前記モード切替回路が、
    前記第1のモードを選択している状態で、前記第1の端子の電圧が前記第2の電圧範囲の時に前記第3の端子からパルス信号が入力された場合、前記第2のモードに切り替える、集積回路のモード切り替え方法。
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