JPH07162237A - 発振回路 - Google Patents

発振回路

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JPH07162237A
JPH07162237A JP5306847A JP30684793A JPH07162237A JP H07162237 A JPH07162237 A JP H07162237A JP 5306847 A JP5306847 A JP 5306847A JP 30684793 A JP30684793 A JP 30684793A JP H07162237 A JPH07162237 A JP H07162237A
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inverter
mosfet
vdd
vtn
voltage
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JP5306847A
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Inventor
Toshihide Tsuboi
俊秀 坪井
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NEC Corp
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    • H03ELECTRONIC CIRCUITRY
    • H03LAUTOMATIC CONTROL, STARTING, SYNCHRONISATION OR STABILISATION OF GENERATORS OF ELECTRONIC OSCILLATIONS OR PULSES
    • H03L3/00Starting of generators
    • HELECTRICITY
    • H03ELECTRONIC CIRCUITRY
    • H03BGENERATION OF OSCILLATIONS, DIRECTLY OR BY FREQUENCY-CHANGING, BY CIRCUITS EMPLOYING ACTIVE ELEMENTS WHICH OPERATE IN A NON-SWITCHING MANNER; GENERATION OF NOISE BY SUCH CIRCUITS
    • H03B5/00Generation of oscillations using amplifier with regenerative feedback from output to input
    • H03B5/30Generation of oscillations using amplifier with regenerative feedback from output to input with frequency-determining element being electromechanical resonator
    • H03B5/32Generation of oscillations using amplifier with regenerative feedback from output to input with frequency-determining element being electromechanical resonator being a piezoelectric resonator
    • H03B5/36Generation of oscillations using amplifier with regenerative feedback from output to input with frequency-determining element being electromechanical resonator being a piezoelectric resonator active element in amplifier being semiconductor device
    • H03B5/364Generation of oscillations using amplifier with regenerative feedback from output to input with frequency-determining element being electromechanical resonator being a piezoelectric resonator active element in amplifier being semiconductor device the amplifier comprising field effect transistors
    • HELECTRICITY
    • H03ELECTRONIC CIRCUITRY
    • H03KPULSE TECHNIQUE
    • H03K3/00Circuits for generating electric pulses; Monostable, bistable or multistable circuits
    • H03K3/02Generators characterised by the type of circuit or by the means used for producing pulses
    • H03K3/353Generators characterised by the type of circuit or by the means used for producing pulses by the use, as active elements, of field-effect transistors with internal or external positive feedback
    • H03K3/354Astable circuits
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    • HELECTRICITY
    • H03ELECTRONIC CIRCUITRY
    • H03BGENERATION OF OSCILLATIONS, DIRECTLY OR BY FREQUENCY-CHANGING, BY CIRCUITS EMPLOYING ACTIVE ELEMENTS WHICH OPERATE IN A NON-SWITCHING MANNER; GENERATION OF NOISE BY SUCH CIRCUITS
    • H03B2200/00Indexing scheme relating to details of oscillators covered by H03B
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  • Crystallography & Structural Chemistry (AREA)
  • Oscillators With Electromechanical Resonators (AREA)
  • Logic Circuits (AREA)

Abstract

(57)【要約】 【目的】 インバータを用いた発振回路を構成する際
に、電源電圧が低い場合であっても、常に発振が可能な
発振回路を実現すること。 【構成】 ソースが第1の電源に接続され、ゲートが入
力端子に接続された第1導電型の第1のMOSFET
と、ソースが第2の電源に接続され、ゲートが入力端子
に接続され、ドレインが第1のMOSFETのドレイン
と共通に出力端子に接続された第2の導電型の第2のM
OSFETと、前記第1の電源と第1のMOSFETの
ドレインとの間に接続された抵抗と、入力端子と出力端
子との間に並列に接続された抵抗および水晶振動子と、
前記水晶振動子の両端と接地との間にそれぞれ設けられ
た容量とを有することを特徴とする。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は発振回路に関し、特に、
低電圧で発振する発振回路に関する。
【0002】
【従来の技術】従来は、CMOS構造の半導体集積回路
において水晶振動子を用いた発信器を構成する場合は、
図4に示すような構成となっていた。
【0003】図4に示す従来例では、相補対接続された
P型MOSFET511とN型MOSFET502によ
りインバータが構成され、該インバータの入出力間に、
抵抗503と水晶振動子505とが並列に接続され、さ
らに水晶振動子505の両端と接地との間に容量50
6,507が設けられている。
【0004】抵抗503、容量506,507は半導体
集積回路上に形成される事もあるが、本発明の説明には
本質的なものではないので半導体集積回路外に設けられ
る場合を例示している。
【0005】本従来例においては、半導体集積回路上に
形成されたインバータが増幅器として動作し、容量50
6,507および水晶振動子505が周波数フィルタと
して動作することにより、全体で発振器として動作す
る。
【0006】まず、電源電圧(以下Vddと称する)が
N型MOSFET502が導通状態となるしきい値電圧
(以下VTNと称する)と、P型MOSFETが導通状態
となるしきい値電圧(以下VTPと云う)との合計電圧レ
ベルよりも高い場合を考える。
【0007】この場合、インバータの入力端子508に
印加される入力電圧が0〜VTNの範囲であれば、P型M
OSFET501は導通状態であり、N型MOSFET
502は非導通状態であるから、インバータの出力端子
511からはVddレベルが出力される。インバータの
入力電圧がVdd−VTP〜Vddの範囲であれば、P型
MOSFET501は非導通状態であり、N型MOSF
ET502は導通状態であるから、インバータの出力端
子511からは0レベルを出力する。
【0008】インバータへの入力電圧がVTN〜Vdd−
VTPであれば、P型MOSFET501、N型MOSF
ET502はともに導通状態であり、図5に示すように
入力電圧が高くなるに伴い出力電圧が低くなる特性を示
し、特に、入力電圧と出力電圧がほぼ等しい範囲で増幅
率を持つ反転増幅器として動作する。
【0009】この例においては、Vddが与えられる
と、まず、抵抗504によりインバータの入力が、入力
電圧と出力電圧が等しくなるようにバイアスされる。こ
の状態で数ミリ秒〜数秒たつとインバータの入力に現れ
る微小振動が増幅され発振が成長し、発振出力が得られ
る。
【0010】次に、VddがVTNとVTPとの合計電圧レ
ベルよりも低い場合を考える。
【0011】この場合、図6に示す様に、インバータの
入力電圧が0〜Vdd−VTPの範囲であればP型のMO
SFET51は導通状態であり、N型のMOSFET5
2は非導通状態であるからインバータはVddレベルを
出力する。
【0012】インバータの入力電圧がVTN〜Vddの範
囲であれば、P型のMOSFET51は非導通状態であ
りN型のMOSFET52は導通状態であるからインバ
ータは0レベルを出力する。
【0013】インバータの入力電圧がVdd−VTP〜V
TNであればP型のMOSFET51、N型のMOSFE
T52ともに非導通状態であり、インバータの出力はハ
イインビーダンス状態となる。この様にVddがVTNと
VTPとの合計電圧レベルよりも低い場合はインバータに
は微小振動を増幅できる様な入力電圧の範囲は存在しな
い。従って本例では発振の成長は起らず、発振出力を得
ることはできない。
【0014】この様な発振器において最低発振電圧を下
げるためには発振器を構成するMOSFETのVTN、V
TPの少なくとも一方を小さくするという手段が従来より
用いられている。
【0015】上記の場合、たしかに最低発振電圧は下げ
ることが可能となるが、図7に示すように、この様な発
振器を流れる電流はVTNとVTPに依存し、かつ、特に電
源電圧が高い場合に電源電流が増えるという不都合が生
じる。
【0016】また、この手法は半導体集積回路全体のV
TN、VTPを下げると、データの保持特性の低下、回路全
体の電流の増大などの不都合を招くため、発振器を構成
するMOSFETのみVTN、VTPを下げるのが一般に用
いられるが、この場合、製造工程が複雑になることが多
く、製造工期、費用の点でも不利となる。
【0017】また、特開平2−222307号公報に
は、発振器の増幅器として動作するMOSFETを電源
電圧が高い時と低い時で切り換える事により、電源電圧
が高い時の電源電流を低下させる手法が示されている
が、この手法では回路が複雑化する上に、本質的に最低
発振電圧はVTNとVTPに依存するため、低い発振電圧を
得るには前述した発振器を構成するMOSFETのVTN
とVTPのいずれか一方を下げる事が必要となる。
【0018】また、MOSFETの切り換え時に、発振
器の増幅器となるインバータのしきい値が若干なりとも
変化することで、発振出力にノイズが発生する可能性が
ある。
【0019】
【発明が解決しようとする課題】上述したように従来の
半導体集積回路においては、VddがVTNとVTPとの合
計電圧レベルよりも低い場合、水晶振動子を用いて発振
出力を得ることができないという問題点がある。
【0020】発振出力を得るためにはMOSFETのV
TNとVTPのいずれか一方を下げる事が必要となるが、こ
の場合には、電源電流が高くなってしまううえに、製造
工程が複雑になり、製造工期が長く、費用が高くなると
いう問題点がある。
【0021】本発明は上述したような従来の技術が有す
る問題点に鑑みてなされたものであって、インバータを
用いた発振回路を構成する際に、電源電圧が低い場合で
あっても、常に発振が可能な発振回路を実現することを
目的とする。
【0022】
【課題を解決するための手段】本発明の発振回路は、ソ
ースが第1の電源に接続され、ゲートが入力端子に接続
された第1導電型の第1のMOSFETと、ソースが第
2の電源に接続され、ゲートが入力端子に接続され、ド
レインが第1のMOSFETのドレインと共通に出力端
子に接続された第2の導電型の第2のMOSFETと、
前記第1の電源と第1のMOSFETのドレインとの間
に接続された抵抗と、入力端子と出力端子との間に並列
に接続された抵抗および水晶振動子と、前記水晶振動子
の両端と接地との間にそれぞれ設けられた容量とを有す
ることを特徴とする。
【0023】この場合、第1の電源と第1のMOSFE
Tのドレインとの間に接続される抵抗は、常に導通状態
にあるMOSFETにより形成してもよい。
【0024】
【作用】本発明においては、インバータを構成する第1
のMOSFETおよび第2のMOSFETのしきい値電
圧の和より電源電圧が低く、入力端子への入力電圧が各
MOSFETを非導通状態とする値であったとしても、
電源と第1のMOSFETのドレインとの間に接続され
た抵抗により出力端子は第1の電源レベルに引き上げら
れるので、インバータの出力がハイインピーダンス状態
となることは起きず、入力値を出力値が電源電圧から0
へ変化する所定範囲の値とすることにより増幅率を持つ
反転増幅器として動作させることができ、このような入
力バイアスとすることにより、電源電圧やMOSFET
のしきい値電圧に係わらずに常に発振を行うことが可能
となる。
【0025】
【実施例】実施例1 次に、本発明の実施例について図面を参照して説明す
る。図1は本発明の第1の実施例の構成を示す回路図で
ある。
【0026】本実施例は、相補対接続されたP型MOS
FET101とN型MOSFET102、抵抗103と
によりインバータを構成し、該インバータの入出力間
に、抵抗104と水晶振動子105を並列に接続し、さ
らに水晶振動子105の両端と接地との間に容量10
6,107を設けている。
【0027】P型MOSFET101のソースはVdd
に接続され、ゲートは入力端子108に接続されてい
る。N型MOSFET102のソースは接地され、ゲー
トは入力端子108に接続され、ドレインはP型MOS
FET101のドレインと共通に出力端子111に接続
されている。抵抗はVddとP型MOSFET101の
ドレインとの間に接続されている。
【0028】本実施例においては、半導体集積回路上に
形成されたインバータが増幅器として動作し、容量10
6,107および水晶振動子105が周波数フィルタと
して動作することにより、全体で発振器として動作す
る。
【0029】抵抗104、容量106、107は半導体
集積回路上に形成することも可能であるが、本発明に本
質的な部分ではないので半導体集積回路外に設ける場合
を例示している。
【0030】抵抗103は例えばN型もしくはP型のイ
オン注入で半導体集積回路上に作成することができる。
【0031】VddがVTNとVTPとの合計電圧レベルよ
りも高い場合は従来例と同じ動作となるので動作説明は
省略する。
【0032】次に、VddがVTNとVTPとの合計電圧レ
ベルよりも低い場合を考える。
【0033】この場合、入力端子108に印加されるイ
ンバータの入力電圧が0〜Vdd−VTPの範囲であれ
ば、P型MOSFET101は導通状態であり、N型M
OSFET102は非導通状態であるからインバータの
出力となる出力端子111からはVddレベルが出力さ
れる。
【0034】インバータの入力電圧がVTN〜Vddの範
囲であれば、P型MOSFET101は非導通状態であ
り、N型MOSFET102は導通状態であるからイン
バータは0レベルを出力する。
【0035】インバータの入力電圧がVdd−VTP〜V
TNであればP型のMOSFET101、N型MOSFE
T102ともに非導通状態となるが、抵抗103により
出力端子はVddレベルに引き上げられる。従って本実
施例ではP型MOSFET101、N型MOSFET1
02、抵抗103からなる回路は、入力電圧がVTNにほ
ぼ等しい範囲で増幅率を持つ反転増幅器として動作す
る。
【0036】本実施例ではVddが与えられると、ま
ず、抵抗104によりインバータの入力が、入力電圧と
出力電圧が等しくなるようにバイアスされる。このとき
のP型MOSFET101、N型MOSFET102、
抵抗103からなる回路の特性を図2に示す。
【0037】図示されるように、インバータの入力電圧
をVTNにほぼ等しくすることにより、P型MOSFET
101、N型MOSFET102、抵抗103からなる
回路が増幅率を持つようにバイアスされるので、インバ
ータの入力に現れる微小振動が増幅され発振が成長し、
発振出力が得られる。
【0038】上記構成の本実施例の発振回路と図5に示
した従来の発振回路とを以下の回路定数で比較実験し
た。結果を表1に示す。
【0039】本実験は発振出力が得られる最小のVdd
の値を比較したものである。
【0040】 P型MOSFET101、501のチャンネル・・・・・・ 16μm P型MOSFET101、501のチャンネル長・・・・・・12μm N型MOSFET102、502のチャンネル幅・・・・・・ 8μm N型MOSFET102、502のチャンネル長・・・・・・12μm MOSFET101、102、501、502のゲート酸化膜厚 ・・・・・・280μm Å抵抗103の抵抗値・・・・・・50KΩ 抵抗104、504の抵抗値・・・・・・5MΩ 容量106、107、506、507の容量値・・・・・・ 15pF
【0041】
【表1】 この結果から判るように、本実施例による発振可能な電
源電圧の低下効果は明らかである。
【0042】また本実施例では発振器が発振可能となる
電源電圧を低下させる為に、VTN、VTPを下げる手段を
用いないので、発振器以外の回路の特性低下、あるいは
製造コストの増大を招来することはない。
【0043】実施例2 図3は本発明の第2の実施例を示す回路図である。本実
施例は図1に示した第1の実施例の抵抗103をN型の
ノーマリーオン型のMOSFET403で置き換えたも
のである。P型MOSFET401、N型MOSFET
402、抵抗404、水晶振動子405、容量406,
407入力端子408および出力端子409の構成は、
図1に示したP型MOSFET101、N型MOSFE
T102、抵抗104、水晶振動子105、容量10
6,107入力端子108および出力端子109と同様
であるために説明は省略する。
【0044】N型のノーマリーオン型のMOSFET4
03は、ドレインがVddに接続され、ドレインは出力
端子に接続され、ゲートは接地されている。
【0045】本実施例では、N型のノーマリーオン型の
MOSFET403のドレイン・ゲート間電圧は負で、
Vddが高くなるにつれて絶対値が大きくなるので、オ
ン抵抗が大きなものとなる。従って、本実施例では第1
の実施例に比ベ、Vddが高い場合に発振器を流れる電
流が小さくなるという効果を有する。
【0046】
【発明の効果】本発明は以上説明したように構成されて
いるので、以下に記載するような効果を奏する。
【0047】請求項1に記載のものにおいては、電源電
圧が低くても発振可能な発振回路を、発振器以外の回路
の特性低下及び、製造コストの増大を招くことなく実現
することができる効果がある。
【0048】請求項2に記載のものにおいては、電源電
圧が必要以上に高い場合の電源電流を下げることができ
る効果がある。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の第1の実施例を示す回路図である。
【図2】第1の実施例のインバータの入力・出力特性を
示す図である。
【図3】本発明の第2の実施例を示す回路図である。
【図4】従来例を示す回路図である。
【図5】従来例のインバータの電源電圧が高い場合の入
力・出力特性を示す図である。
【図6】従来例のインバータの電源電圧が低い場合の入
力・出力特性を示す図である。
【図7】発振器を流れる電流の例を示す図である。
【符号の説明】 101,401 P型MOSFET 102,402 N型MOSFET 103,104,404 抵抗 105,405 水晶振動子 106,107,406,407 容量 108,408 入力端子 111,411 出力端子 403 N型ノーマリーオン型MOSFET

Claims (2)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 ソースが第1の電源に接続され、ゲート
    が入力端子に接続された第1導電型の第1のMOSFE
    Tと、 ソースが第2の電源に接続され、ゲートが入力端子に接
    続され、ドレインが第1のMOSFETのドレインと共
    通に出力端子に接続された第2の導電型の第2のMOS
    FETと、 前記第1の電源と第1のMOSFETのドレインとの間
    に接続された抵抗と、 入力端子と出力端子との間に並列に接続された抵抗およ
    び水晶振動子と、 前記水晶振動子の両端と接地との間にそれぞれ設けられ
    た容量とを有することを特徴とする発振回路。
  2. 【請求項2】 請求項1記載の発振回路において、 第1の電源と第1のMOSFETのドレインとの間に接
    続される抵抗は、常に導通状態にあるMOSFETによ
    り形成されることを特徴とする発振回路。
JP5306847A 1993-12-07 1993-12-07 発振回路 Pending JPH07162237A (ja)

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EP94119344A EP0657994A1 (en) 1993-12-07 1994-12-07 Oscillation circuit oscillating even on low power voltage

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KR950022037A (ko) 1995-07-26
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