JPH10209755A - 水晶発振回路及び水晶発振用集積回路装置 - Google Patents

水晶発振回路及び水晶発振用集積回路装置

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JPH10209755A
JPH10209755A JP9005765A JP576597A JPH10209755A JP H10209755 A JPH10209755 A JP H10209755A JP 9005765 A JP9005765 A JP 9005765A JP 576597 A JP576597 A JP 576597A JP H10209755 A JPH10209755 A JP H10209755A
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栄一 長谷川
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晴彦 大塚
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    • 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
    • HELECTRICITY
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    • H03KPULSE TECHNIQUE
    • H03K3/00Circuits for generating electric pulses; Monostable, bistable or multistable circuits
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  • Crystallography & Structural Chemistry (AREA)
  • Oscillators With Electromechanical Resonators (AREA)

Abstract

(57)【要約】 【課題】 水晶発振回路において水晶振動子に流れる電
流の削減を行う。 【解決手段】 CMOSインバータ2の出力端子と容量
素子Cdと電源端子VDDとで形成される経路上のいず
れか、CMOSインバータ2の入力端子と容量素子Cg
と電源端子VDDとで形成される経路上のいずれかにそ
れぞれ抵抗Rd、Rgを設けて水晶振動子に流れる電流
を削減するものである。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の技術分野】本発明は水晶発振回路および水晶発
振用集積回路に関するものである。
【0002】
【従来の技術】図16は水晶振動子を用いた従来の発振
回路を示した電気回路図である。161は水晶振動子で
あり、162はCMOSインバータであり、163は帰
還抵抗であり、164、165は容量素子である。水晶
振動子161および帰還抵抗163はCMOSインバー
タ162の入出力端子間に接続されている。容量素子1
64、165は一方の端子をそれぞれCMOSインバー
タの入力端子、出力端子に接続し、他方の端子を電源V
SS(0V)に接続してある。
【0003】現在、このような発振回路では、動作周波
数の高速化および水晶発振モジュール全体の小型化の要
求から水晶振動子の小型化が進んでいる。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、水晶振
動子の小型化にともない水晶電流(発振時、水晶に流れ
る電流)による問題が軽視できなくなっている。例え
ば、過大な水晶電流による振幅の増大は周波数を不安定
にし、最悪の場合では水晶振動子を破壊に至らしめる。
【0005】また、図17に示すようにCMOSインバ
ータ162と水晶振動子161との間に抵抗166を設
けて水晶電流を減らすものもあるが、その抵抗値は負性
抵抗に大きく影響を及ばすため、抵抗値を大きくできな
い。また、このようなものでは水晶電流のみならず振幅
電圧も低下する。このため、次段のCMOSインバータ
のスレッショルド電圧との兼ね合いで次段のCMOSイ
ンバータのデューティが大きく変化してしまうなど、設
定が難しくなる。
【0006】
【課題を解決するための手段】そこで、本発明において
は、CMOSインバータの入力端子と出力端子と水晶振
動子とで形成される経路上ではなく、CMOSインバー
タの入力端子と第1の容量素子と電源端子とで形成され
る経上路のいずれか、および/またはCMOSインバー
タの出力端子と第2の容量素子と電源端子とで形成され
る経路上のいずれかに抵抗を設けて水晶電流を削減する
ものである。
【0007】
【発明の実施の形態】CMOSインバータと、上記CM
OSインバータの入出力端子間に接続された水晶振動子
と、上記CMOSインバータの入出力端子間に接続され
た帰還抵抗と、上記CMOSインバータの入力端子と上
記水晶振動子との第1の接続点と特定電位の電源端子と
の間に設けられる第1の容量素子と、上記CMOSイン
バータの出力端子と上記水晶振動子との第2の接続点と
上記特定電位の電源端子との間に設けられる第2の容量
素子と、上記第1の接続点と第1の容量素子との間、上
記第2の接続点と第2の容量素子との間、上記第1の容
量素子と上記電源端子との間、上記第2の容量素子と上
記電源端子との間の内いずれか1箇所または複数箇所に
設けられた抵抗とから水晶発振回路を構成し、またはこ
のような水晶発振回路を構成可能な水晶発振回路用集積
回路を構成する。
【0008】ここで、上記第1の接続点と第1の容量素
子との間と、上記第2の接続点と第2の容量素子との間
とにそれぞれ1つの抵抗を設けることが好ましい。
【0009】また、上記第1の容量素子と上記電源端子
との間と、上記第2の容量素子と上記電源端子との間と
にそれぞれ1つの抵抗を設けることも好ましい。
【0010】また、上記第1の容量素子と上記電源端子
との間と、上記第2の接続点と上記第2の容量素子との
間とにそれぞれ1つの抵抗を設けることも好ましい。
【0011】また、上記第1の接続点と上記第1の容量
素子との間と、上記第2の容量素子と上記電源端子との
間とにそれぞれ1つの抵抗を設けることも好ましい。
【0012】
【実施例】次に本発明の一実施例の水晶発振回路につい
て説明する。図1は本例の構成を示す電気回路図であ
る。同図において1は水晶振動子、2はCMOSインバ
ータであり、水晶振動子1はCMOSインバータ2を集
積化した集積回路(図示せず。)に外付の形で、CMO
Sインバータ2の入出力端子間に接続される。Rfは帰
還抵抗であり、CMOSインバータ2の入力端子、出力
端子間に接続される。Cg、Cdは容量素子である。容
量素子Cg、CdはそれぞれCMOSインバータ2の入
力端子、出力端子に接続される。Rg、Rdは抵抗であ
り、抵抗Rgは容量素子Cgと電源端子VDD(5.0V)
との間に接続され、抵抗Rdは容量素子Cdと電源端子
VDD(5.0V)との間に接続される。ここで、CMOS
インバータ2としてはMo(モリブデン)ゲートを用い
て有り、Poly−Si(ポリシリコン)ゲートを用い
たものに比べてゲート容量、抵抗は小さいものであり、
CMOSインバータ2には容量素子Cg、Cd、抵抗R
g、Rdによる純容量、純抵抗のみを接続してあると見
なせる。
【0013】次に、本例の水晶発振回路の特性について
述べる。
【0014】図2に示すようにカレントプローブ3、デ
ジタルオシロ4を用い、水晶振動子1に流れる水晶電流
Ixを測定して以下に述べる関係を示す。水晶電流Ix
はデジタルオシロ上の電流波形の振幅値Vp(V)を用い
てIx=Vp/(2√2)で表せ、ここでは水晶電流I
xの代わりに便宜上Vpを示して特性を述べることとす
る。なお、振幅値Vpは電圧値であるが、これは電流値
を電圧値に変換したものであり、実際の水晶振動子1の
振幅電圧とは異なる。
【0015】実験に用いた水晶振動子1は基本周波数が
70MHzと100MHzのものであり、いずれも図3の等価回路
で示すことができる。同図において、70MHz用のもので
は容量Caの値は約2.07861fF、容量Cbの値は約6.376
87pF、抵抗Rの値は約13.9976Ω、インダクタLの値は
2.48692mHであるものとする。また、100MHz用のもので
は容量Caの値は約691.688aF、容量Cbの値は約5.003
31pF、抵抗Rの値は約20.8419Ω、インダクタLの値は
3.66203mHのものとする。また、帰還抵抗Rfとしては
抵抗値3.9KΩのものを用いる。
【0016】容量素子Cg、Cdの値をそれぞれ8pF、1
5pFとし、抵抗Rdの値を0KΩとして抵抗Rgの値を変
えてVpを測定すると図4(a)に示すようになる。同
図において、線a1は70MHz用の水晶振動子1を用いた
場合のRg−Vpの関係を示し、線a2は100MHz用の水
晶振動子1を用いた場合のRg−Vpの関係を示してい
る。
【0017】同様に抵抗値Rgの値を0KΩとして抵抗R
dの値を変えてVpを測定すると図4(b)に示すよう
になり、線b1は70MHz用の水晶振動子1を用いた場合
のRg−Vpの関係を示し、線b2は100MHz用の水晶振
動子1を用いた場合のRg−Vpの関係を示している。
【0018】これら図4(a)、(b)において破線は
抵抗Rg、Rdの値を同じくして100MHzで発振させた場
合のRg(Rd)−Vpの関係を示している。
【0019】また、容量素子Cd、Cgの値とVpとの
関係は次のようになる。ここで抵抗Rdの値を0KΩと
し、抵抗Rgの値0Ω、51Ω、100Ωについてそれぞれ容
量素子Cg、Cdの値を同じくしてCd(Cg)−Vp
の関係をとると図5(a)の線c1、c2、c3に示す
ようになる。抵抗Rgの値を0Ωとし、容量素子Cdの
値を22pFに固定してCg−Vpの関係をとると、破線c
4に示すようになり、容量素子Cgの値を22pFに固定し
てCd−Vpの関係をとると、破線c5に示すようにな
る。
【0020】同様に容量素子Cd、Cgの値と負性抵抗
との関係は次のようになる。ここでも抵抗Rdの値を0K
Ωとし、抵抗Rgの値0Ω、51Ω、100Ωについてそれぞ
れ容量素子Cg、Cdの値を同じくしてCd(Cg)−
負性抵抗の関係をとると図5(b)の線d1、d2、d
3に示すようになる。抵抗Rgの値0Ωとし、容量素子
Cdの値を22pFに固定してCg−負性抵抗の関係をとる
と、破線d4に示すようになり、容量素子Cgの値を22
pFに固定してCd−負性抵抗の関係をとると、破線d5
に示すようになる。
【0021】なお、帰還抵抗Rfの抵抗値とVpとの関
係は、容量素子Cg、Cdの値をそれぞれ8pF、15pFと
し、抵抗Rd、Rgの値を30Ωとし、水晶振動子1とし
ては70MHz用のものを使うと図6に示すようになる。
【0022】以上のように本例の水晶発振回路では、図
4(a)、(b)に示されるように、抵抗Rg、Rdの
値を大きくしていくとVpの値、すなわち、水晶電流の
値を小さくできる。また、図5(a)に示されるように
容量素子Cd、Cgの値が小さいほど水晶電流の値が小
さくできる。また、図5(b)に示されるように抵抗R
g、Rdの値のを大きくしていくと負性抵抗が小さくな
るが、影響は小さい。このため、従来のようにCMOS
インバータの出力端子と水晶振動子との間に抵抗を設け
る方法より負性抵抗を大きくでき、発振起動性、安定性
が向上する。なお、この実験で用いた回路において最適
な負性抵抗の値は100Ω〜200Ωである。容量素子Cd、
Cgの値が小さいほど負性抵抗が大きくなる。また、容
量素子Cd、Cgの値の効果は容量素子Cgによる効果
の方が強く、容量素子Cdの値に比べ容量素子Cgを小
さくすることにより負性抵抗を大きくできる。
【0023】このようなことから、発振のし易さの点か
ら負性抵抗を必要以上に小さくできないことと、水晶電
流を抑えることとをバランスさせるため、容量素子C
g、Cdの値をそれぞれ8pF〜15pF、10〜20pFとし、二
つの抵抗Rg、Rdを同じ値で設ける際にはこれらの抵
抗値は20Ω〜100Ω程度が好ましく、抵抗Rg、Rdの
いずれか一方を設ける場合は20Ω〜200Ω程度が好まし
い。
【0024】また、本例では、従来のもののように水晶
振動子1とCMOSインバータ2との間に抵抗を設けな
いため、振幅電圧はそのままに水晶電流のみを削減でき
る。
【0025】本発明では上記一実施例のものに限らず、
図7、図8および図9のように水晶発振回路を構成して
も良い。これらの図において図1の構成要素に対応する
ものは同じ符号で示してある。
【0026】また、図1の水晶発振回路に対する図4
(a)、(b)、図5(a)、(b)に対応する図7の
水晶発振回路のそれは図10(a)、(b)、図11
(a)、(b)であり、図8の水晶発振回路のそれは図
12(a)、(b)、図13(a)、(b)であり、図
9の水晶発振回路のそれは図14(a)、(b)、図1
5(a)、(b)である。これらの図に示される関係か
ら、図7、図8および図9に示される水晶発振回路につ
いても上記一実施例において図4(a)、(b)および
図5(a)、(b)を用いて述べた抵抗Rg、Rd、容
量素子Cg、Cdの値と水晶電流、負性抵抗との関係が
ほぼ同様に成り立ち、これらの回路について抵抗Rg、
Rd、容量素子Cg、Cd、の値を上記一実施例のそれ
らとほぼ同様の値に設定することが好ましいことが分か
る。
【0027】なお、図1、図7〜図9の水晶発振回路の
特性を比較すると、抵抗Rg、Rdをそれぞれ容量素子
Cgと電源端子VDDとの間、容量素子Cdと電源端子
VDDとの間に設けたものの方が負性抵抗の値を大きく
でき、発振起動性が良い。
【0028】以上に述べた各水晶発振回路において帰還
抵抗Rf、抵抗Rg、Rd、容量素子Cg、CdはCM
OSインバータ2とともに集積化しても良い。その際は
抵抗Rg、Rd、容量素子Cg、Cdについては精度面
から薄膜抵抗、薄膜容量を用いることが好ましい。但
し、これに限らず抵抗Rg、Rdと容量素子Cg、Cd
については外付けとしても良い。いずれにしても抵抗R
g、Rd、容量素子Cg、Cdは純抵抗、純容量を用い
ることにより、その値を正確に合わせ込むことができ、
要求される発振周波数、水晶振動子の大きさ、形状、そ
の他の諸元に応じて最適な抵抗値または容量値に設定す
ることができる。したがって容量素子Cg、Cdを集積
化する場合にはその電極材としてMo、Al等の金属を
用いたものが好ましい。すなわち、Poly−Si等の
電極を用いると容量素子に抵抗成分が含まれ、抵抗R
g、Rdに直列に接続されることになってしまう。この
抵抗成分の抵抗値を正確に設定することが難しいため、
最適な抵抗Rg、Rdの設定ができない。特にCMOS
インバータとして低抵抗のMoゲートのものを用いた場
合に、ゲートと同一材料、同一工程で形成したMo電極
とAl配線との間に高誘電率の絶縁体を挿入してCg、
Cdを形成することにより、抵抗成分をほとんど持たな
い容量素子Cg、Cdを設けることができ、抵抗Rg、
Rdの正確な設定が可能となる。この場合でもPoly
−Si等をゲート電極に用いるものに比べては依然とし
てより純容量に近いものが得られる。
【0029】また、上記各実施例では水晶振動子を基本
周波数で発振させることとして述べたが、本発明は水晶
振動子をオーバートーンで発振させるものについても用
いることができ、同様の効果を奏する。本発明のもので
は抵抗Rg、Rdの設定が負性抵抗の変動に大きく影響
を及ばさないため、負性抵抗の設定がシビアなオーバー
トーン発振用の水晶発振回路については、水晶振動子に
流れる電流の削減のための抵抗値の設定と負性抵抗値の
ための設定との兼ね合いが緩やかになる分、発振の安定
性向上、水晶電流の削減ともに従来に比べて容易にな
る。
【0030】また、上記各実施例では電源端子VDD
(5V)を用いたが、これに限らず電源端子VSS(0V)
を用いても、同様の作用により同様の効果を奏する。
【0031】
【発明の効果】以上のように本発明によれば、安定した
発振を維持しつつ水晶振動子に流れる電流を削減するこ
とができる。従って特に高周波数化、小型化の要求に応
えて水晶振動子を小型化、薄型化した場合に過大な電流
による水晶振動子の破壊を未然に防ぐことができる。
【0032】また、CMOSインバータのゲート電極材
としてモリブデンまたはアルミニウムを用い、これと同
一材料、同一工程にて容量素子の一方の電極を形成して
他方の電極をアルミニウム等の金属配線材にて形成する
ことにより、容量素子を抵抗成分のほとんどない純容量
で構成することができる。すなわち、CMOSインバー
タに接続される容量素子、抵抗はそれぞれ純容量、純抵
抗で構成され、これらの値は互いに独立して設定できる
ことから、高精度の水晶発振回路を容易に構成すること
が可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の一実施例の水晶発振回路の構成を示す
電気回路図。
【図2】図1の水晶発振回路において水晶電流を測定す
るための構成を説明する説明図。
【図3】図1の水晶発振回路に用いた水晶振動子の等価
回路図。
【図4】図1の水晶発振回路の特性を説明する説明図。
【図5】図1の水晶発振回路の特性を説明する説明図。
【図6】図1の水晶発振回路の特性を説明する説明図。
【図7】本発明の他の水晶発振回路の構成を示す電気回
路図。
【図8】本発明の他の水晶発振回路の構成を示す電気回
路図。
【図9】本発明の他の水晶発振回路の構成を示す電気回
路図。
【図10】図7の水晶発振回路の特性を説明する説明
図。
【図11】図7の水晶発振回路の特性を説明する説明
図。
【図12】図8の水晶発振回路の特性を説明する説明
図。
【図13】図8の水晶発振回路の特性を説明する説明
図。
【図14】図9の水晶発振回路の特性を説明する説明
図。
【図15】図9の水晶発振回路の特性を説明する説明
図。
【図16】従来の水晶発振回路の構成を説明する説明
図。
【図17】従来の水晶発振回路の構成を説明する説明
図。
【符号の説明】
1 水晶振動子 2 CMOSインバータ Cg、Cd 第1、第2の容量素子 Rg、Rd 抵抗

Claims (16)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 CMOSインバータと、 上記CMOSインバータの入出力端子間に接続された水
    晶振動子と、 上記CMOSインバータの入出力端子間に接続された帰
    還抵抗と、 上記CMOSインバータの入力端子と上記水晶振動子と
    の第1の接続点と特定電位の電源端子との間に設けられ
    る第1の容量素子と、 上記CMOSインバータの出力端子と上記水晶振動子と
    の第2の接続点と上記特定電位の電源端子との間に設け
    られる第2の容量素子と、 上記第1の接続点と第1の容量素子との間、上記第2の
    接続点と第2の容量素子との間、上記第1の容量素子と
    上記電源端子との間、上記第2の容量素子と上記電源端
    子との間の内いずれか1箇所または複数箇所に設けられ
    た抵抗とからなることを特徴とする水晶発振回路。
  2. 【請求項2】 上記第1の接続点と第1の容量素子との
    間と、上記第2の接続点と第2の容量素子との間とにそ
    れぞれ1つの抵抗を設けたことを特徴とする請求項1記
    載の水晶発振回路。
  3. 【請求項3】 上記第1の容量素子と上記電源端子との
    間と、上記第2の容量素子と上記電源端子との間とにそ
    れぞれ1つの抵抗を設けたことを特徴とする請求項1記
    載の水晶発振回路。
  4. 【請求項4】 上記第1の容量素子と上記電源端子との
    間と、上記第2の接続点と上記第2の容量素子との間と
    にそれぞれ1つの抵抗を設けたことを特徴とする請求項
    1記載の水晶発振回路。
  5. 【請求項5】 上記第1の接続点と上記第1の容量素子
    との間と、上記第2の容量素子と上記電源端子との間と
    にそれぞれ1つの抵抗を設けたことを特徴とする請求項
    1記載の水晶発振回路。
  6. 【請求項6】 CMOSインバータと、 上記CMOSインバータの入出力端子間に水晶振動子を
    接続するための端子と、 上記CMOSインバータの入出力端子間に接続された帰
    還抵抗と、 上記CMOSインバータの入力端子と上記水晶振動子と
    が接続される第1の接続点と特定電位の電源端子との間
    に接続される第1の容量素子と、 上記CMOSインバータの出力端子と上記水晶振動子と
    が接続される第2の接続点と上記特定電位の電源端子と
    の間に接続される第2の容量素子と、 上記第1の接続点と第1の容量素子との間、上記第2の
    接続点と第2の容量素子との間、上記第1の容量素子と
    上記電源端子との間、上記第2の容量素子と上記電源端
    子との間の内いずれか1箇所または複数箇所に設けられ
    た抵抗とを具備することを特徴とする水晶発振用集積回
    路装置。
  7. 【請求項7】 上記第1の接続点と上記第1の容量素子
    との間と、上記第2の接続点と第2の容量素子との間と
    にそれぞれ1つの抵抗を設けたことを特徴とする請求項
    6記載の水晶発振用集積回路装置。
  8. 【請求項8】 上記第1の容量素子と上記電源端子との
    間と、上記第2の容量素子と上記電源端子との間とにそ
    れぞれ1つの抵抗を設けたことを特徴とする請求項6記
    載の水晶発振用集積回路装置。
  9. 【請求項9】 上記第1の容量素子と上記電源端子との
    間と、上記第2の接続点と上記第2の容量素子との間と
    にそれぞれ1つの抵抗を設けたことを特徴とする請求項
    6記載の水晶発振用集積回路装置。
  10. 【請求項10】 上記第1の接続点と上記第1の容量素
    子との間と、上記第2の容量素子と上記電源端子との間
    とにそれぞれ1つの抵抗を設けたことを特徴とする請求
    項6記載の水晶発振用集積回路装置。
  11. 【請求項11】 上記CMOSインバータはゲート電極
    材としてモリブデンまたはアルミニウムを用い、上記第
    1、第2の容量素子の一方の電極は上記ゲート電極と同
    一素材、同一工程で形成され、他方の電極はアルミニウ
    ム等の金属配線材にて形成され、上記第1、第2の容量
    素子は純容量であることを特徴とする請求項6記載の水
    晶発振用集積回路装置。
  12. 【請求項12】 CMOSインバータと、 上記CMOSインバータの入出力端子間に水晶振動子を
    接続するための端子と、 上記CMOSインバータの入出力端子間に接続された帰
    還抵抗と、 上記CMOSインバータの入力端子と上記水晶振動子と
    が接続される第1の接続点と特定電位の電源端子との間
    に第1の容量素子を接続するための端子と、 上記CMOSインバータの出力端子と上記水晶振動子と
    が接続される第2の接続点と上記特定電位の電源端子と
    の間に第2の容量素子を接続するための端子と、 上記第1の接続点と上記電源端子との間で上記第1の容
    量素子と直列に接続される抵抗および/または上記第2
    の接続点と上記電源端子との間で上記第2の容量素子と
    直列に接続される抵抗とを具備することを特徴とする水
    晶発振用集積回路装置。
  13. 【請求項13】 上記第1の接続点と上記第1の容量素
    子との間と、上記第2の接続点と第2の容量素子との間
    とにそれぞれ1つの抵抗が接続されることを特徴とする
    請求項12記載の水晶発振用集積回路装置。
  14. 【請求項14】 上記第1の容量素子と上記電源端子と
    の間と、上記第2の容量素子と上記電源端子との間とに
    それぞれ1つの抵抗が接続されることを特徴とする請求
    項12記載の水晶発振用集積回路装置。
  15. 【請求項15】 上記第1の容量素子と上記電源端子と
    の間と、上記第2の接続点と上記第2の容量素子との間
    とにそれぞれ1つの抵抗が接続されることを特徴とする
    請求項12記載の水晶発振用集積回路装置。
  16. 【請求項16】 上記第1の接続点と上記第1の容量素
    子との間と、上記第2の容量素子と上記電源端子との間
    とにそれぞれ1つの抵抗が接続されることを特徴とする
    請求項12記載の水晶発振用集積回路装置。
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