JPH066594Y2 - Overtone crystal oscillator circuit - Google Patents

Overtone crystal oscillator circuit

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JPH066594Y2
JPH066594Y2 JP8736787U JP8736787U JPH066594Y2 JP H066594 Y2 JPH066594 Y2 JP H066594Y2 JP 8736787 U JP8736787 U JP 8736787U JP 8736787 U JP8736787 U JP 8736787U JP H066594 Y2 JPH066594 Y2 JP H066594Y2
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mos inverter
overtone
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oscillation
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俊雄 池田
一成 松本
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Description

【考案の詳細な説明】 A.産業上の利用分野 この考案はC−MOSインバータを使用したオーバート
ーン水晶発振回路に関する。
Detailed Description of the Invention A. This invention relates to an overtone crystal oscillator circuit using a C-MOS inverter.

B.考案の概要 この考案はオーバートーン水晶発振回路において、 C−MOSインバータを用いたコルピッツ型発振回路の
C−MOSのゲート入力端に低インピーダンスのゲート
入力バイアス素子を接続したことにより、 構成が簡単で、かつ周囲の環境の影響に左右されないで
安定なオーバートーン発振を起振することができるよう
にしたものである。
B. SUMMARY OF THE INVENTION The present invention is an overtone crystal oscillator circuit, in which a low impedance gate input bias element is connected to the gate input terminal of a C-MOS of a Colpitts type oscillator circuit using a C-MOS inverter, so that the configuration is simple. In addition, the stable overtone oscillation can be generated without being influenced by the surrounding environment.

C.従来の技術 近年、ICの高速化に伴い、高周波で、かつ安定した発
振器の要望が高まっている。高周波で、かつ安定に発振
させるためには、従来では、高周波数でも充分利得が得
られるトランジスタを増幅器として用いた水晶発振回路
に同調回路(LC同調回路)を接続して、オーバートー
ン発振をさせる手段が主流であった。このトランジスタ
を増幅器とするオーバートーン発振回路は回路構成が極
めて煩雑になり、かつ定数設定が難しい問題があった。
なお、第8図はC−MOSインバータを増幅器として用
いたコルピッツ型水晶発振回路を示したもので同図にお
いて、1、2はC−MOSインバータで、C−MOSイ
ンバータ1は増幅器として使用され、フィードバック高
抵抗Rfにより増幅度が決定されるようになっている。X
talは水晶振動子、C1,C2はコンデンサ、C−MOSイン
バータ2はバッファである。なお、Rfの抵抗値としては
通常106〜107(Ω)オーダーの抵抗が使用される。ま
た、C−MOSインバータ2は発振回路に負荷を接続し
た場合に、負荷の影響が発振回路に及ばないようにする
ものである。
C. 2. Description of the Related Art In recent years, as ICs have become faster, there has been an increasing demand for stable oscillators at high frequencies. In order to oscillate stably at high frequency, conventionally, a tuning circuit (LC tuning circuit) is connected to a crystal oscillating circuit using a transistor that can obtain a sufficient gain even at a high frequency as an amplifier to cause overtone oscillation. Means were the mainstream. The overtone oscillation circuit using this transistor as an amplifier has a problem that the circuit configuration becomes extremely complicated and that it is difficult to set a constant.
Incidentally, FIG. 8 shows a Colpitts type crystal oscillation circuit using a C-MOS inverter as an amplifier. In FIG. 8, 1 and 2 are C-MOS inverters, and C-MOS inverter 1 is used as an amplifier. The feedback high resistance R f determines the amplification degree. X
tal is a crystal oscillator, C 1 and C 2 are capacitors, and the C-MOS inverter 2 is a buffer. As the resistance value of R f, a resistance of the order of 10 6 to 10 7 (Ω) is usually used. Further, the C-MOS inverter 2 prevents the influence of the load from affecting the oscillation circuit when the load is connected to the oscillation circuit.

上記のようなC−MOSインバータを増幅器としたコル
ピッツ型水晶発振回路においても、図示しないが、LC
同調回路を接続して、オーバートーン発振させる手段も
考えられている。
Even in the Colpitts type crystal oscillation circuit using the C-MOS inverter as an amplifier, although not shown, LC
A means for connecting a tuning circuit to cause overtone oscillation has also been considered.

D.考案が解決しようとする問題点 C−MOSインバータを増幅器としたコルピッツ型水晶
発振回路にLC同調回路を接続して、オーバートーン発
振を起振させると以下に述べるような問題が発生するた
め好ましくない。
D. Problems to be Solved by the Invention When an LC tuning circuit is connected to a Colpitts type crystal oscillation circuit using a C-MOS inverter as an amplifier to cause overtone oscillation, the following problems occur, which is not preferable. .

LC同調回路を接続しても、同調回路としてのQ値はあ
まり大きな値にならないため、増幅段へ帰還される周波
数が不安定となる。このため、出力周波数も不安定とな
る。特にコイルLに関しては温度変化による影響が極め
て大きいので、同調周波数が変化する恐れがある。
Even if the LC tuning circuit is connected, the Q value as the tuning circuit does not become a very large value, and the frequency fed back to the amplification stage becomes unstable. Therefore, the output frequency becomes unstable. Especially for the coil L, since the influence of temperature change is extremely large, the tuning frequency may change.

E.問題点を解決するための手段 この考案は相補型MOSFETからなるC−MOSイン
バータの入出力端間に、水晶振動子と帰還抵抗を接続す
るとともに、C−MOSインバータの入出力端と接地間
にコンデンサを接続したコルピッツ型発振回路を設け、
電源と接地間に直列接続した低インピーダンスのゲート
入力バイアス素子からなる直列回路を設け、この直列回
路の共通接続点を前記発振回路のC−MOSインバータ
の入力端に接続したものである。
E. Means for Solving the Problems This invention is to connect a crystal oscillator and a feedback resistor between the input and output ends of a C-MOS inverter composed of complementary MOSFETs, and connect the input and output ends of the C-MOS inverter and ground. A Colpitts oscillator circuit with a capacitor connected is provided.
A series circuit composed of low-impedance gate input bias elements connected in series between the power supply and ground is provided, and the common connection point of this series circuit is connected to the input terminal of the C-MOS inverter of the oscillation circuit.

F.作用 発振回路のC−MOSインバータの入力ゲートに、低イ
ンピーダンスのゲート入力バイアス素子によりバイアス
電圧を印加することにより、水晶振動子からみた回路側
の入力インピーダンスが小さくなる。このため、水晶振
動子は高周波起振(高次オーバートーン)へと移行して
いく。すなわち、C−MOSインバータの高周波におい
て利得が低下していくことから3倍オーバートーン周波
数における負性抵抗が基本波にこける負性抵抗より大き
くなるため3倍オーバートーンで発振することになる。
F. By applying a bias voltage to the input gate of the C-MOS inverter of the oscillator circuit by means of a low-impedance gate input bias element, the input impedance on the circuit side as seen from the crystal oscillator becomes small. Therefore, the crystal unit shifts to high-frequency excitation (higher-order overtone). That is, since the gain of the C-MOS inverter decreases at a high frequency, the negative resistance at the triple overtone frequency becomes larger than the negative resistance at the fundamental wave, so that oscillation occurs at the triple overtone.

G.実施例 以下図面を参照してこの考案の一実施例を説明する。G. Embodiment An embodiment of the present invention will be described below with reference to the drawings.

第1図において、1は増幅段のC−MOSインバータ、
2はバッファのC−MOSインバータであり、C−MO
Sインバータ1の入出力端間に水晶振動子Xtalを、か
つC−MOSインバータ1の入出力端と接地間にコンデ
ンサC1,C2をそれぞれ接続してコルピッツ型発振回路を
形成する。
In FIG. 1, 1 is a C-MOS inverter of an amplification stage,
2 is a buffer C-MOS inverter, which is a C-MO
A crystal oscillator Xtal is connected between the input and output ends of the S inverter 1, and capacitors C 1 and C 2 are connected between the input and output end of the C-MOS inverter 1 and the ground to form a Colpitts oscillator circuit.

A,RBはゲート入力バイアス素子となる直列接続した低
抵抗で、この抵抗RA,RBの直列回路は電源と接地間に接
続される。低抵抗RA,RBの直列回路の共通接続点はC−
MOSインバータ1の入力端(入力ゲート)に接続され
る。この共通接続点の電位(バイアス電圧)は抵抗値を
選定して、スレッシュホールド電圧VTH(=VDD/2)
になるようにする。VDDは電源の電圧である。なお、R
A,RBの抵抗値は3倍オーバートーン発振が可能となるよ
うな値で、且つRA=RBに選定される。
R A and R B are low resistances connected in series as gate input bias elements, and the series circuit of these resistors R A and R B is connected between the power supply and ground. The common connection point of the series circuit of the low resistances R A and R B is C-
It is connected to the input terminal (input gate) of the MOS inverter 1. A resistance value is selected for the potential (bias voltage) of this common connection point, and the threshold voltage V TH (= V DD / 2)
Try to be. V DD is the voltage of the power supply. In addition, R
A, the resistance value of R B is the value that it is possible to three-fold overtone oscillation, and and selected as R A = R B.

上記のように構成された実施例の動作を述べる。The operation of the embodiment configured as above will be described.

コルピッツ型水晶発振回路のC−MOSインバータ1の
入力ゲートに低抵抗RA,RBによりバイアス電圧を印加す
ると、第2図に示すように水晶振動子Xtalから見た回
路側の入力インピーダンスZinが小さくなるため、水晶
振動子Xtalは高周波起振(高次オーバートーン)へと
移行して行く。オーバートーン起振するには、C−MO
Sインバータ1の高周波における利得が低下して行くこ
とから、3倍オーバートーン周波数における負性抵抗が
基本波における負性抵抗により大きくなるため3倍オー
バートーンで発振されるようになる。
When a bias voltage is applied to the input gate of the C-MOS inverter 1 of the Colpitts type crystal oscillator circuit by the low resistances R A and R B , as shown in FIG. 2, the input impedance Z in of the circuit side viewed from the crystal unit Xtal is obtained. Becomes smaller, the crystal unit Xtal shifts to high-frequency excitation (higher-order overtone). To activate overtone, use C-MO
Since the gain of the S inverter 1 at high frequencies decreases, the negative resistance at the triple overtone frequency becomes larger due to the negative resistance at the fundamental wave, so that oscillation occurs at the triple overtone.

第3図はクロック用C−MOSインバータに、この考案
を適用した実施例を示す回路図で、この第3図において
は帰還抵抗Rfなる高抵抗(ゲート・ドレイン間バイア
ス抵抗)が内蔵されている場合でも、この実施例で第1
図と同様に低抵抗RA,RBによってバイアスをC−MOS
インバータ1の入力ゲートに印加すれば3倍オーバート
ーン発振が可能となる。従って、帰還抵抗Rf内蔵タイ
プのC−MOSインバータでも3倍オーバートーン発振
は可能になる。
FIG. 3 is a circuit diagram showing an embodiment in which the present invention is applied to a clock C-MOS inverter. In FIG. 3, a high resistance (gate-drain bias resistance) which is a feedback resistance R f is built in. 1st in this embodiment even if
As in the figure, the bias is C-MOS by the low resistances R A and R B.
When applied to the input gate of the inverter 1, triple overtone oscillation becomes possible. Therefore, even with the C-MOS inverter with the built-in feedback resistor R f, triple overtone oscillation is possible.

ここで、第3図における低抵抗RA,RBをZA,ZB(ゲート
入力バイアス素子)とした回路図を第4図に示す。この
第4図において、3倍オーバートーン発振を可能とする
には次式が成立する。但し、VTHはスレッシュホールド
電圧である。
Here, a circuit diagram in which the low resistances R A and R B in FIG. 3 are Z A and Z B (gate input bias elements) is shown in FIG. In FIG. 4, the following equation is established to enable triple overtone oscillation. However, V TH is a threshold voltage.

11=ZA//ZBA・ZB/ZA+ZB…(1) VTH=ZB・VDD/ZA+ZB…(2) 次に第2図の等価回路と同様にして第4図の等価回路を
示すと第5図になる。第5図において、Z1は従来のC
−MOSインバータによるコルピッツ型水晶発振回路の
水晶振動子から見た回路側インピーダンスである。Zin
はゲート入力バイアス素子ZA,ZBを接続したときの水晶
振動子から見た回路側インピーダンスである。
Z 11 = same as Z A // Z B Z A · Z B / Z A + Z B ... (1) V TH = Z B · V DD / Z A + Z B ... (2) Then the equivalent circuit of FIG. 2 The equivalent circuit of FIG. 4 is shown in FIG. In FIG. 5, Z 1 is the conventional C
-The circuit-side impedance of the Colpitts-type crystal oscillator circuit using a MOS inverter as seen from the crystal oscillator. Z in
Is the circuit-side impedance seen from the crystal unit when the gate input bias elements Z A and Z B are connected.

in=Z11//Z1=Z11・Z1/Z11+Z1…(3) 上記のことからZ11の大小,発振角周波数ω、負性抵抗
Lの関係をグラフに示すと第6図のようになる。この
第6図において、ωC=ω(RL=0のとき)で、ωC
ω1<ωC<3ω1を満たすと、3倍オーバートーン発振
が可能となり、3ω1<ωC<5ω1を満たすと5倍オー
バートーン発振が可能となる。但し、ω1は水晶振動子
の基本波共振角周波数である。
Z in = Z 11 // Z 1 = Z 11 · Z 1 / Z 11 + Z 1 (3) From the above, the relationship between the magnitude of Z 11 , the oscillation angular frequency ω, and the negative resistance RL is shown in the graph. It looks like Figure 6. In FIG. 6, when ω C = ω (when R L = 0) and ω C satisfies ω 1C <3ω 1 , 3 times overtone oscillation becomes possible and 3ω 1C < When 5ω 1 is satisfied, 5 times overtone oscillation becomes possible. However, ω 1 is the fundamental wave resonance angular frequency of the crystal unit.

第6図の特性図からより高周波数の出力を得る場合には
第1図と第3図に示す実施例では、RA=RBの低抵抗を
極めて小さな値にする必要がある。RA,RBを極めて小
さい値にすると電源(VDD)から接地へ流れる電流が大
きくなる。このため、消費電力が無視出来なくなる。こ
の消費電力を改善した実施例を次に述べる。
For obtaining more the output of the high frequency from the characteristic diagram of FIG. 6 in the embodiment shown in FIG. 1 and FIG. 3, it is necessary to lower the resistance of R A = R B to a very small value. When R A and R B are set to extremely small values, the current flowing from the power source (V DD ) to the ground becomes large. Therefore, the power consumption cannot be ignored. An example in which this power consumption is improved will be described below.

第7図が低消費電力のC−MOSインバータによる3倍
オーバートーン水晶発振回路の実施例である。第7図に
おいて、C−MOSインバータ1の入力ゲートに低抵抗
AとツェナーダイオードDZからなる直列回路を設け、
この直列回路の共通接続点をC−MOSインバータ1の
入力ゲートに接続する。このとき、バイアス電圧がC−
MOSインバータのスレッシュホールド電圧VTHになる
ように選定する。ツェナーダイオードDZのインピーダ
ンスは非常に大きいので、RAの値を小さくしても電流
は流れなく、発振周波数の決定はRAのみに依存するこ
とになる。3倍オーバートーン発振を行わせるRAの値
をRA=R2とすれば、第1図,第3図の場合のバイアス
抵抗値RA=RB=R1と比較した場合、R2とR1とは次
の如き式になる。
FIG. 7 shows an embodiment of a triple overtone crystal oscillator circuit using a low power consumption C-MOS inverter. In FIG. 7, a series circuit including a low resistance R A and a Zener diode D Z is provided at the input gate of the C-MOS inverter 1.
The common connection point of this series circuit is connected to the input gate of the C-MOS inverter 1. At this time, the bias voltage is C-
It is selected so as to be the threshold voltage V TH of the MOS inverter. Since the impedance of the Zener diode D Z is very large, no current flows even if the value of R A is made small, and the determination of the oscillation frequency depends only on R A. If the value of R A to perform the triple overtone oscillation and R A = R 2, Fig. 1, when compared with bias resistor value R A = R B = R 1 in the case of FIG. 3, R 2 And R 1 are as follows.

2=2R1……(4) なお、使用するツェナーダイオードDZのツェナー電圧
はC−MOSインバータのスレッシュホールド電圧にな
るものを使用するか、スレッシュホールド電圧がツェナ
ーダイオードのツェナー電圧に一致するように電源電圧
DDを調整すれば良い。
R 2 = 2R 1 (4) In addition, the Zener voltage of the Zener diode D Z to be used is such that the threshold voltage of the C-MOS inverter is used, or the threshold voltage matches the Zener voltage of the Zener diode. The power supply voltage V DD may be adjusted as described above.

上述した第1図,第3図及び第7図に示した実施例を用
いることにより、C−MOSインバータを用いたオーバ
ートーン水晶発振回路を確実に発振させることができる
ようになる。このため、最近のようにC−MOSの高速
化が進んで来たことにも充分対応が可能になった。ま
た、トランジスタを使用したオーバートーン発振回路の
ように煩雑な回路ではないため、回路定数の決定が容易
で、かつ小型化、量産化、低価格に対しても優れてい
る。さらに、LC同調回路を使用した場合とは異なり、
コイルを使用しないために、周囲環境の変化に対しても
安定な発振を行わせることができる。
By using the embodiments shown in FIGS. 1, 3, and 7 described above, the overtone crystal oscillation circuit using the C-MOS inverter can be reliably oscillated. Therefore, it has become possible to sufficiently cope with the recent increase in the speed of C-MOS. Further, since it is not a complicated circuit like an overtone oscillation circuit using a transistor, it is easy to determine a circuit constant, and is excellent in miniaturization, mass production, and low cost. Furthermore, unlike when using an LC tuning circuit,
Since no coil is used, stable oscillation can be performed even with changes in the surrounding environment.

H.考案の効果 以上述べたように、この考案によれば、C−MOSイン
バータを増幅器としたコルピッツ型水晶発振回路におい
て、C−MOSインバータの入力ゲートにバイアス素子
を用いてバイアス電圧を印加することにより、水晶振動
子側から見た回路インピーダンスを小さくして、安定な
オーバートーン発振を起振することができる。
H. As described above, according to the present invention, in the Colpitts type crystal oscillation circuit using the C-MOS inverter as an amplifier, the bias voltage is applied to the input gate of the C-MOS inverter by using the bias element. , It is possible to generate stable overtone oscillation by reducing the circuit impedance seen from the crystal oscillator side.

【図面の簡単な説明】[Brief description of drawings]

第1図はこの考案の一実施例を示す回路図、第2図は第
1図の等価回路図、第3図はこの考案の第2実施例を示
す回路図、第4図はゲート入力バイアス素子を用いたと
きの回路図、第5図は第4図の等価回路図、第6図は周
波数対負性抵抗特性図、第7図はこの考案の第3実施例
を示す回路図、第8図は従来例の回路図である。 1,2……C−MOSインバータ、RA,RB……低抵
抗、Xtal……水晶発振器、C1,C2……コンデンサ、
f……帰還抵抗。
FIG. 1 is a circuit diagram showing an embodiment of the present invention, FIG. 2 is an equivalent circuit diagram of FIG. 1, FIG. 3 is a circuit diagram showing a second embodiment of the present invention, and FIG. 4 is a gate input bias. FIG. 5 is an equivalent circuit diagram of FIG. 4, FIG. 6 is a frequency vs. negative resistance characteristic diagram, and FIG. 7 is a circuit diagram showing a third embodiment of the present invention. FIG. 8 is a circuit diagram of a conventional example. 1,2 ...... C-MOS inverter, R A, R B ...... low resistance, Xtal ...... crystal oscillator, C 1, C 2 ...... capacitor,
R f ... Feedback resistor.

Claims (2)

【実用新案登録請求の範囲】[Scope of utility model registration request] 【請求項1】相補型MOSFETからなるC−MOSイ
ンバータの入出力端間に、水晶振動子を接続するととも
に、C−MOSインバータの入出力端と接地間にコンデ
ンサを接続したコルピッツ型発振回路を設け、電源と接
地間に直列接続した低インピーダンスのゲート入力バイ
アス素子からなる直列回路を設け、この直列回路の共通
接続点を前記発振回路のC−MOSインバータの入力端
に接続するとともに、その共通接続点の電位をスレシュ
ホールド電圧となるようにしたことを特徴とするオーバ
ートーン水晶発振回路。
1. A Colpitts oscillator circuit comprising a crystal oscillator connected between the input and output ends of a C-MOS inverter composed of complementary MOSFETs, and a capacitor connected between the input and output end of the C-MOS inverter and ground. A series circuit including a low-impedance gate input bias element connected in series between a power source and ground is provided, and a common connection point of the series circuit is connected to an input end of a C-MOS inverter of the oscillation circuit and the common circuit is provided. An overtone crystal oscillation circuit characterized in that the potential at the connection point is set to a threshold voltage.
【請求項2】前記直列回路はツェナーダイオードと抵抗
からなることを特徴とする実用新案登録請求の範囲第1
項に記載のオーバートーン水晶発振回路。
2. The utility model registration claim characterized in that the series circuit comprises a Zener diode and a resistor.
The overtone crystal oscillator circuit according to the item.
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