JPS6037642B2 - 相補型mosトランジスタ回路 - Google Patents

相補型mosトランジスタ回路

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JPS6037642B2
JPS6037642B2 JP52057195A JP5719577A JPS6037642B2 JP S6037642 B2 JPS6037642 B2 JP S6037642B2 JP 52057195 A JP52057195 A JP 52057195A JP 5719577 A JP5719577 A JP 5719577A JP S6037642 B2 JPS6037642 B2 JP S6037642B2
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JP
Japan
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mos transistor
amplifier
current
complementary mos
final stage
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JP52057195A
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English (en)
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JPS53142155A (en
Inventor
富士雄 舛岡
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Toshiba Corp
Original Assignee
Tokyo Shibaura Electric Co Ltd
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Publication date
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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
    • 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

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  • Oscillators With Electromechanical Resonators (AREA)

Description

【発明の詳細な説明】 この発明は相補型MOSトランジスタ(以下CMOSと
いう)を用いた回路に関する。
CMOS増幅器と水晶振動子を紙合せた発振器が腕時計
用等に実用されている。
その構成は通常第1図に示すように、PチャネルMOS
トランジスタT,とnチャネルMOSトランジスタT2
を直列接続し、入出力端間に直流バイアス点を決める抵
抗R.を接続し、水晶振動子Q、抵抗R2,R3、コン
デンサC,,C2からなる帰還回路を備えている。トラ
ンジスタT,,T2の大きさは通常等しく、例えばチャ
ネル長が8〆m、チャネル幅が100仏m程度に設計さ
れ、電源としてVDD=+1.5V,Vss=OVが印
加される。このような水晶発振器は、例えば32KHZ
で発振させた場合、電源から供給されている電流が1仏
A以下であり、小形の電池で2年以上もつので腕時計用
として実用されている。
しかし、水晶振動子を選んで4MHZ発振器とした場合
、電流が20仏A程度必要となるため、4・形の電池で
は1ヶ月程度しかもたず、腕時計用としては未だ実用に
供し得ない。この種の発振器を時計に利用する場合、発
振周波数の安定度が非常に重要である。
32KHZ用の水晶振動子と4MH2用の水晶振動子の
温度特性を比較すると、第2図に示すように4MHZ用
の方が1桁程度安定度が高い。
しかも、4MH2用水晶振動子の方が、3松HZ用に比
べて小さく、価格も安い。これらの点から、時計用とし
ては4MHZ水晶発振器を用いた方がよいのであるが、
前述したように消費電流が大きいことが腕時計に用いる
場合の障害になっていた。この発明は上託した点に鑑み
、複数個のCMOS増幅器の縦続接続を利用する回路に
ついて、集積度を低下させることなく、簡単な構成で消
費電流の低減化を図ることを目的とする。
この発明は、第1に、CMOS増幅器を複数段縦続接続
して構成されるCMOS回路において、最終段増幅器の
負荷側、ドライバ側のしきし、値電圧をそれぞれVM,
VTa2とし、最終段以外の少くとも1つの増幅器の負
荷側、ドライバ側のしきし、値電圧をそれぞれVTb,
,VTb2としたとき、IVTb,l<IVTa,lま
たはIV7b2 l<IVTa2 lの少くとも一方を
満たすことにより、低消費電力化を図ったことを特徴と
している。
この発明は、第2に、CMOS増幅器を少くとも3段縦
続接続し、水晶振動子を含む帰還回路を設けて構成され
るCMOS回路において、最終段増幅器の負荷側、ドラ
イバ側のしきい値電圧をそれぞれVTa.,VTa2と
し、最終段以外の少くとも1っの増幅器の負荷側、ドラ
イバ側のしきし「値電圧をそれぞれVTb,,VTb2
としたとき、IVTb,l<IVTa,!またはIVT
地 l<IVTa2 lの少くとも一方を満たすことに
より、低消費電力化を図ったことを特徴としている。
第3図は3個のCMOS増幅器A,〜A3を縦続接続し
て構成した増幅回路およびこれを用いた水晶発振器の実
施例である。
初段の増幅器A,はpチャネルMOSトランジスタT,
.を負荷、nチャネルMOSトランジスタT,2をドラ
イバとして直列接続し、その接続点を出力端とし、ゲー
トを共通接続して入力機として、入出力端間に直流バイ
アス安定用の抵抗R.,を援続して構成されている。2
段目の増幅器んも同様に、pチャネルMOSトランジス
タL,を負荷、nチャネルMOSトランジスタL2をド
ライバとし、直流バイアス安定用の抵抗R,3を設けて
構成されている。
最終段の増幅器A3はやはりpチャネルMOSトランジ
スタTのを負荷、nチャネルMOSトランジスタt2を
ドライバとして構成されるが、直流バイアス安定用の抵
抗は設けていない。抵抗を入れてもよいことは勿論であ
る。なお、初段および2段目の増幅器A,,んの抵抗R
,.,R,3を省くことはできない。帰還回路は抵抗虫
.2, R,4、水晶振動子Q,、コンデンサC,.,
C,2からなる。3段の増幅器A,〜A3はほぼ180
度の位相反転を得るために必要であり、帰還回路でほぼ
180度の位相反転を得ることで発振動作を行うもので
ある。
電源には、例えばV。。=十1.5V,Vss=OVが
印加される。発振出力は2段目の増幅器んから取出すこ
とが望ましい。このように構成された発振器では、発振
時、ノードN,は最終段増幅器A3によってドライブさ
れる。コンデンサC,2は一般に外付けされるもので約
20pFと容量が大きく、増幅器A3には大きなドライ
ブ能力を持つことが要求される。しかしながら、第3図
の構成では前段に増幅器A,,A2があり、最終段の増
幅器A3の入力ノードN2が電源電圧だけフルに励振さ
れるので、増幅器んの貫通電流、即ち直流電流は小さく
てもよい。また、前段に増幅器A,,んがあるので、ノ
ードN,を大きく励振する必要がなく、最終段増幅器ん
のドライブ能力も第1図の構成に比べて小さくてよい。
従って、ドライブによって失われる充放電電流も少なく
てよい。増幅器A3の貫通電流を4・ごくすることは、
トランジスタL,,T概のしきし、値を大きくすること
により実現できる。
例えば、t,,T蛇のしきい値をそれぞれ−0.2V,
2Vとすると、入出力特性と貫通電流は第4図の実線の
ようになる。これに対し、T3,,L2のしきし、値を
それぞれ−0.6V,6Vとすると、入出力特性と貫通
電流は第4図の破線のようになり、これにより貫通電流
を小さくすることができることになる。また、最終段増
幅器A3をドライブするために必要な2段目の増幅器A
2は、ノードN2のキャパシタンスがゲート容量のみで
せいぜいlpF以下 ,であるから、ドライブ能力が4
・さくてもよく、消費電流が少なくて済む。
初段の増幅器A,も同様である。更に、従来の第1図の
構成では、帰還回路の出力が増幅器の入力段を十分ドラ
イブしなければならなかったが、第3図のように3段の
増幅器A,〜A3を縦綾することで、帰還回路の出力も
4・ご〈て済む。
第1図の従来の発振器では、CMOS増幅器が1個であ
るから、直流バイアス電圧点で電源VDDからVssに
直流電流が流れていることが必要で、このため発振時で
も直流電流、即ち貫通電流が大きく流れ、これが全消費
電流の1/沙〆上を占めていた。
そして前述のように、トランジスタT,,T2共にチャ
ネル長8仏m、チャネル幅100rm程度として4MH
2で発振させたとき、消費電流約20AAを必要とした
。これに対し、第3図の構成では、増幅器A,,〜は増
幅器A3をドライブする前層増幅器として働かせるため
に安定な直流バイアス電圧点で直流電流が流れているこ
とが必要であるが、これらは負荷、ドライバ共に十分小
さいトランジスタ、例えばチャネル長6ym、チャネル
幅4rm程度でよく、第1図に比べて直流電流を約1′
25まで減らすことができる。
また増幅器A3は入力ノードが十分に励振されるために
負荷、ドライバ共にしきし、値を十分大きくして貫通電
流が流れないようにすることができる。こうして、この
第3図の構成では、4MHZで発振させるに必要な消費
電流を数一Aとすることができる。第3図の構成で、消
費電流の低減化を図るためには前述のように最終段増幅
器A3の貫通電流を小さくすることが必要であるが、具
体的には次のような条件を満たすことが有効である。
まず最終段増幅器A3のドライバトランジスタT32の
しきい値電圧をVt斑、初段増幅器A,のドライバトラ
ンジスタT.2のしきし・値電圧をVt,2としたとき
、Vt,2<Vt32<V。D−Vss
…・・・‘1}を満足させると、VT,2コVT概と
した場合に比べて最終段増幅器A3の貫通電流を小さく
することができる。又は、Vt32>Vt滋を満足させ
ても同様な効果が得られる。ただし、VT・2,VT2
2’VT32は正とする。同様に、最終段増幅器A3の
負荷トランジスタT乳のしきい値電圧をVら,、初段増
幅器A,の負荷トランジスタT,.のしきい値電圧をV
t,.としたとき、IVt,.l<IVt3,l<Vo
o−Vss …■を満足させると、やはりVT,
.=VT3,とした場合に比べて最終段増幅器A3の貫
通電流を小さくすることができる。
又は、IVら,l>IVtのlを満足させても同様な効
果が得られる。ただし、VT,.,VT2,,VT3,
は負とする。こうして、tl)式、あるいは‘2〕式を
満たすように素子設計を行うことにより、低消費電力化
に好ましい結果が得られ、特に{1},{2)式を同時
に満すことにより効果的に低消費電力化が図られる。以
上説明したように、この発明によれば、CMOS増幅器
を縦続接続した増幅回路の消費電流の低減が図れる。
またこの発明によればCMOS増幅器を縦続接続して増
幅回路と水晶振動子を含む帰還回路を組合せた水晶発振
器の消費電流を大幅に小さくすることができ、従来、消
費電流の点で実用化されていなかった腕時計用4MH2
発振器も実現可能となる。なお、この発明は上記実施例
に限られるものではない。
例えば実施例では3段のCMOS増幅器を用いたが、更
に段数を多くしてもよい。また、CMOSトランジスタ
は、半導体基板上に集積してもよいし、SOS構造を利
用して絶縁基板上に集積してもよい。また、抵抗R,2
,RMは必らずしも必要ではない。その他、その発明は
その趣旨を逸脱しない範囲で種々変形実施することがで
きる。
【図面の簡単な説明】
第1図はCMOSを用いた従来の水晶発振器を示す図、
第図は32KHZ用水晶振動子と4MHZ用水晶振動子
の温度特性を示す図、第3図はこの発明の一実施例の増
幅回路とこれを用いた水晶発振器を示す図、第4図はC
MOSにおける貫通電流としきい値の関係を説明するた
めの特性図である。 A,,A2,A3…CMOS増幅器、T,.,T2.,
T3.・・・pチヤネルMOSトランジスタ、T,2,
T22,T32・・・nチャネルMOSトランジスタ、
Q.・・・水晶振動子、R,.,R,2,R,3,R,
4・・・抵抗、C,.,C,2・・・コンデンサ。第1
図 第2図 第3図 第4図

Claims (1)

  1. 【特許請求の範囲】 1 相補型MOSトランジスタ増幅器を複数段縦続接続
    して構成される相補型MOSトランジスタ回路において
    、最終段増幅器の負荷側、ドライバ側のしきい値電圧を
    それぞれV_T_a_1,V_T_a_2とし、最終段
    以外の少くとも一つの増幅器の負荷側、ドライバ側のし
    きい値電圧をそれぞれV_T_b_1,V_T_b_2
    としたとき、|V_T_b_1|<|V_T_a_1|
    または|V_T_b_2|<|V_T_a_2|の少く
    とも一方を満たすようにしたことを特徴とする相補型M
    OSトランジスタ回路。 2 相補型MOSトランジスタ増幅器を少くとも3段縦
    続接続し、水晶振動子を含む帰還回路を設けて構成され
    る相補型MOSトランジスタ回路において、最終段増幅
    器の負荷側、ドライバ側のしきい値電圧をそれぞれV_
    T_a_1,V_T_a_2とし、最終段以外の少くと
    も1つの増幅器の負荷側、ドライバ側のしきい値電圧を
    それぞれV_T_b_1,V_T_b_2としたとき|
    V_T_b_1|<|V_T_a_1|または|V_T
    _b_2|<|V_T_a_2|の少くとも一方を満た
    すようにしたことを特徴とする相補型MOSトランジス
    タ回路。
JP52057195A 1977-05-18 1977-05-18 相補型mosトランジスタ回路 Expired JPS6037642B2 (ja)

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JPS53142155A JPS53142155A (en) 1978-12-11
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