TW201249105A - Oscillator circuit and electronic device equipped with the same - Google Patents

Description

201249105 六、發明說明： 【發明所屬之技術領域】 本發明，係有關於包含放大電路之振盪電路 盪電路的電子機器 【先前技術】 在時鐘或行動電話等之攜帶機器中，由於係 器之無充電下的長時間之動作或者是所搭載之電 頻度之降低的要求，而對於在被使用於該機器中 水晶振動元件等的壓電元件之振盪電路的驅動電 、以及振盪電路之待機時（振盪電路作了振盪之 爲無負載狀態時）之超低消耗電力化有更大的要 圖3，係爲使用有水晶振動元件之典型性的 ，並具備有：成爲反轉放大器之CMOS反向器 被連接於CMOS反相器IV01之輸入端子XCIN 子XCOUT之間的水晶振動元件X2、和被連接於 相器IV01之輸入端子XCIN和接地電位之電源 之間的構成負載電容Cg之電容元件、以及 CMOS反相器IV01之輸出端子XCOUT和接地電 端子Vss之間的構成負載電容Cd之電容元件。 又，CMOS反向器IV01，係由CMOS反向 饋電阻Rf所構成，該CMOS反向器，係由在被 源電壓Vdd之第1電源端子和被供給有接地電 電源端子之間而被作了串聯連接的PMOS電晶體 及搭載振 對於該機 池的充電 之組入有 力之降低 狀態下且 求。 振盪電路 IV01 、和 與輸出端 CMOS 反 端子Vss 胺連接於 位之電源 器以及反 供給有電 位之第2 Ρ Μ 1 1 和 -5- 201249105 NMOS電晶體NMl 1所成。 在CMOS反向器IV01之PMOS電晶體PM11 和第1電源端子之間、以及CMOS反向器IV01之 電晶體NMl 1和第2電源端子之間，係被連接有對 振盪水晶振動元件X2之驅動電流作限制的驅動電 用電阻元件rl以及r2。 對於被搭載在攜帶機器等之中的振盪電路，近 要求有低消耗電力化，但是，爲了達成此，係有必 盪電路中之水晶振動元件的驅動電流降低，因此， 將在振盪電路中之 CMOS 反向器的相互賃 conductance) Gm縮小一事有所考慮。但是，若是 縮小，則會有使振盪電路之振盪餘裕度降低的情況 振盪電路之振盪餘裕度Μ，係經由下式（1) 予。 Μ= | — Gm | / {(ω 2 Cg · Cd) *( 1/R 1 (max))} =RL/Rl(max)· · ω係爲振盪頻率之角頻率，RL係爲負性阻抗，R: )係爲水晶振動元件之實效阻抗R 1的最大値，振 度Μ，係被要求有5以上之値。 水晶振動元件之實效阻抗R1，由於係爲根據 動元件之小型化的要求所被決定之値，因此，係並 此作過度的縮小。故而，可以得知，爲了就算是將 小也能夠維持振盪電路之振盪餘裕度Μ，只要將構 部附加於CMOS反向器處之負載電容的電容器之負 値Cg以及/或者是Cd降低即可。故而，爲了實 的源極 NMOS 於激勵 流調整 年來係 要使振 係對於 I m ( 將Gm 〇 而被賦 • (1) 1 (max 盪餘裕 水晶振 無法將 Gm縮 成被外 載電容 現此， 201249105 振盪電路之水晶振動元件，係希望具備有相對於被作了組 入的微電腦等之1C所被要求之低消耗電力化之規格而有 所配合之負載電容CL »亦即是，本案申請人，係已相對 於身爲從先前技術起而被使用之水晶振動元件之負載電容 CL的12.5pF，而對於負載電容CL之降低、亦即是低CL 化（3pF〜5PF )作了提案。（專利文獻1 ) 然而，若是將負載電容CL縮小，則負載電容CL之 電容容許差和振盪頻率之頻率偏差Af之問題係會成爲顯 著。例如，在負載電容CL作了身爲通常之電容容許差的 範圍之△<： (±5%)之變化的情況下之振盪頻率的安定性 △ f(ppm)，當負載電容 CL爲 12.5pF時，AC係爲 1.25pF，振盪頻率之安定性Af係成爲7.3 ppm，當負載電 容CL爲6pF時，AC係爲〇.6PF，振盪頻率之安定性Μ係 成爲],3.2ppm，當負載電容CL爲3pF時，△(：係爲0.3pF ，振盪頻率之安定性Μ係成爲20.5ppm。 亦即是’當在負載電容CL(3pF)的情況下，相較於 先前技術之12.5pF的情況，由於頻率偏差會產生2.8倍 之增大，因此’爲了實現負載電容CL之低電容化（低 CL化）’係有必要將相對於負載電容CL之電容容許差 的振盪頻率之安定性提升。 於圖4中’對於圖3中之輸入輸出端子間XCIN以及 XCOUT之間的水晶振動元件側之等價電路作展示。在水 晶振動元件X 2處，係被串聯地連接有負載電容c L，水晶 振動元件’係作爲將藉由壓電效果所產生之機械性共振作 201249105 等價性展現之在電感L1、電容C1、電阻R1的串聯共振 電路處而並聯連接有電極間電容C0的電路而作展示。又 ’在輸入輸出端子間XCIN以及XCOUT之間，雖然係存 在有CMOS半導體基板或訊號配線等之各種的浮游電容， 但是，若是將此些之（合成）浮游電容設爲Cs，則如圖5 中所示一般，負載電容CL係成爲浮游電容Cs和被作了 串聯連接之外部（外部附加）電容Cg以及Cd間的並聯 連接。 故而，係成爲 CL = Cs+Cg*Cd/ (Cg+Cd) ---(2) 若是以成爲滿足（2 )之關係一般之CL値（2pF〜 6pF )的方式，來對於會和振盪頻率相匹配一般之外部附 加電容元件Cg以及Cd作選擇，則係能夠將振盪頻率之 安定性提升。亦即是，由於負載電容CL係爲浮游電容Cs 和外部電容元件（電容器）Cext { =CgxCd/(Cg + Cd) }之和 ，因此，若是以設爲負載電容CL和浮游電容Cs間之差 的方式，來對於外部電容元件Cext之値作選定，則（2 ) 式係被滿足，並代表水晶振動元件之負載電容CL和對水 晶振動元件而言之振盪電路側的負載電容的兩者間係作了 匹配（整合）。 圖6，係爲對於在水晶振盪電路中之驅動電流和負載 電容C L之間的關係作展示之圖。可以得知，若是負載電 容變小，則驅動電流係顯著地變小。例如，於先前技術中 -8- 201249105 所使用之負載電容12.5pF的驅動電流，係爲約1.5βΑ， 但是，負載電容2.2pF的驅動電流，係成爲約0.073/ζΑ， 驅動電流係降低至約5%。如此這般，將負載電容CL降 低一事，係能夠對於水晶振盪電路之低消耗電力化乃至於 使用有該水晶振盪電路之電子機器的低電力化有極大的助 益。 [先前技術文獻] [專利文獻] [專利文獻1]日本特開2 008-205 65 8號公報 【發明內容】 [發明所欲解決之課題] 水晶振盪電路之驅動電流若是變得較0.1 // A ( 100ηA )更小，則輸出電壓（Vout )係成爲電源電壓（Vpp )之 10%以下（Vout<0.1Vpp)，由於電源電壓亦爲IV〜3V 程度，因此，輸出電壓（Vout)係成爲0.1V〜0.3V以下 。圖7，係對於作爲與水晶振盪電路之輸出作連接的電路 而連接比較器的例子作說明。圖7中所示之水晶振盪電路 側的電路，基本上係爲與圖3相同之圖，1 1係爲水晶振 動元件，12係爲CMOS反向器，13係爲定電流源。水晶 振盪電路之輸出Vout，雖然係爲類比訊號（接近正弦波 )’但是，係通過比較器1 4而被變換爲數位訊號（矩形 波訊號）輸出 Vout2。當水晶振盪電路之輸出 Voutl爲 -9 - 201249105 0.1V〜0.3V以上時，比較器14亦會正常的動作，並藉由 與水晶振盪電路之輸出頻率（f〇 )相對應了的頻率（f〇 ) 來輸出比較器輸出。但是，若是成爲約0.1V以下，則在 比較器處之2個的輸入電壓之差係會變小，而會有無法產 生正常之比較器輸出Vout2的時脈訊號的情況。亦即是， 由於水晶振Μ電路之輸出係成爲低振幅，因此，相胃於·; 晶振盪電路之輸出訊號，在與其作連接之電路處，係變得 無法進行正確之資訊傳輸。特別是，若是將負載電容更進 而低CL化，並使水晶振盪電路之驅動電流成爲5〇nA程 度，則水晶振盪電路之輸出Vo utl係會更進一步成爲低振 幅波形並成爲約〇.〇5Vpp程度，因此，從比較器14而來 之輸出時脈訊號Vout2係成爲完全不會輸出。 因此’本發明之目的，係在於提供一種：就算是水晶 振盪電路之驅動電流爲1 〇〇nA以下而變得非常小，且水 晶振擬電路之輸出係爲〇 · 1 v p p以下而變小，亦能夠將使 被與水晶振盪電路之輸出作連接的後段之各種電路正常地 動作之輸出訊號作輸出的電路。亦即是，係有關於包含放 大電路之振盪電路及搭載振盪電路的電子機器。 [用以解決課題之手段] 爲了達成上述目的，本發明，係將差動放大器連接在 水晶振盪電路之輸出側處，並將水晶振盪電路之輸出電壓 和CMOS反向器之輸入電壓作爲差動放大器之輸入。或者 是，在水晶振盪電路之輸出側處，連接由3個的運算放大 -10- 201249105 器所構成之計測放大器，並將水晶振盪電路之輸出電壓訊 號和水晶振盪電路的CMOS反向器之輸入電壓訊號之間的 差作放大。 [發明之效果] 當在水晶振盪電路之輸出側處而連接差動放大電路以 及計測放大器等之放大電路的情況時，係能夠將水晶振盪 電路之輸出電壓V2和水晶振盪電路的CMOS反向器之輸 入電壓V1之間的差作放大。亦即是，係成爲放大電路之 輸出 V0=a (V1-V2) ( α ^ 1 )。由於 V2 与-VI，因此 ，係成爲VO ~ 2 α V 1，而能夠將輸出電壓設爲水晶振盪電 路之輸出電壓V2的2倍以上。故而，就算是水晶振盪電 路之驅動電流爲1 OOnA以下而變得非常小，且水晶振盪 電路之輸出係爲約0. 1 Vpp以下而變小，亦由於從放大電 路而來之輸出係爲大，因此，係能夠在放大電路之後段連 接比較器等並產生正常之矩形波訊號。並且，藉由對於構 成此些之放大電路的電阻比率作調整，由於亦能夠將放大 率提高，因此，就算是水晶振盪電路之輸出電壓更進一步 降低，亦能夠使用比較器等而作成與水晶振盪電路之輸出 相對應的正常之矩形波。 【實施方式】 本發明之目的，係在於提供一種：就算是水晶振盪電 路之驅動電流爲1 OOnA以下而變得非常小，且水晶振盪 -11 - 201249105 電路之輸出係爲〇 . 1 V p p以下而變小，亦能夠正常地動作 之電路。具體而言’係在水晶振盪電路之輸出側處，連接 將水晶振盪電路之輸出作放大的放大電路，並將水晶振盪 電路之輸出電壓和水晶振盪電力的CMOS反向器之輸入電 壓之間的差作放大。亦即是，當將水晶振盪電路之輸出電 壓設爲VI，並將水晶振盪電路之CMOS反向器的輸入電 壓設爲V2時’經由被連接在水晶振盪電路之輸出側處的 放大電路’將V2和VI之間的差檢測出來之放大電路的 輸出V3，係成爲V3=〇:(Vl-V2) (α21)。作爲此種 放大電路’例如’係存在有差動放大電路或計測放大電路 〇 圖1，係爲對於本發明之其中一實施形態作展示的圖 。在本發明之水晶振盪電路處，係附加設置有放大電路5 ，此放大電路5，係爲具備有4個的電阻（Rl、R2、R3、 R4)之運算放大器，亦即是差動放大器。又，圖1，係對 於連接有差動放大電路之水晶振盪電路作展示。水晶振盪 電路側，係爲與圖3以及圖7中所示者相同之電路。在差 動放大電路5之輸出側處，係被連接有比較器14，但是 ，亦可爲其他之元件（例如，反向器）。在圖1中所示之 連接有差動放大電路的水晶振盪電路中，水晶振盪電路之 反向器的輸入（電壓VI)係經由電阻R1而被輸入至運算 放大器15之—端子處，水晶振盪電路之輸出（電壓V2, 亦爲水晶振盪電路之反向器的輸出），係經由電阻3而被 輸入至運算放大器15之+端子處。運算放大器（差動放 -12- 201249105 大器）1 5之輸出的一部份，係經由電阻R2而被反饋至運 算放大器15之一端子處。又，運算放大器15之+端子， 係經由電阻R4而被接地至GROUND。 若是將運算放大器15之輸入端子的電壓設爲Vin-(- 輸入端子）、Vin+ ( +輸入端子），則根據：

Vin-= (R2V1 + R1V0) / (R1+R2),

Vin+ = R4V2/ (R3+R4) 假想短路Vin-= Vin+，係成爲： R1V0/ (R1+R2) =R4V2/ (R3+R4) -R2V1/ (R1 + R2) ---(3) 於此，若是設爲R1=R3、R2=R4，則運算放大器（差動 放大器）15之輸出V0，係成爲 V0= (R2/R1) * (V1-V2) ---(4) ，並成爲取得V 1和V2之間的差並作放大的電路。 若是R2=R1，則係成爲V0=V1-V2，藉由使用差動 放大器，係能夠將水晶振盪電路之輸出和水晶振盪電路的 反向器之輸出之間的差（丨V1 -V2 | )輸出。由於可以視 爲V2=-V1，因此，係成爲能夠輸出在通常之水晶振盪電 路中的輸出V2之2倍的輸出。又，若是R2#R1，則藉 由對於被與運算放大器1 5作連接之電阻比（R2/R 1 )作適 當的設定（R2/R1 > 1 )，係亦成爲能夠更進而作放大（ R2/R 1倍）。亦即是，係成爲能夠輸出在通常之水晶振盪 電路中的輸出V2之2x( R2/R1 )倍的輸出。 此放大電路之輸出，由於係爲與水晶振盪電路之頻率 作了同步的類比訊號，因此，若是與先前技術之比較器等 作連接，則由於係能夠將比較器之比較電壓的容許差（動 -13- 201249105 作電壓）設爲更大，故而係能夠作成所期望之矩形波。又 ’由於差動放大器係將2個的輸入電壓差檢測出來，因此 ’就算是其中一方之電壓爲較差動放大器之最低檢測電壓 更小’也只要2個的輸入電壓差係較最低檢測電壓更大即 可。 圖2，係爲對於本發明之其他實施形態作展示的圖。 僅對於圖中所示之放大電路5的部分作記載。此放大電路 5，係爲由3個的運算放大器（21、22、23)和7個的電 阻（RO、Rl、R2、R3、R4、R5、R6)所構成者，而係爲 被稱作所謂的計測放大器之放大電路》若是針對運算放大 器21而言，則係成爲A-B端子間之差動放大。A以及B 端子’由於係被與運算放大器22以及23之輸出端子直接 連結，因此，基本上係並不會受到輸入端子（VI、V2) 之影啓。輸出電壓V0，若是設爲R3=R5以及R4=R6， 則係成爲 V〇= (R 4/R 3) * (VB-VA) . · .(5) 〇 若是將運算放大器22之—輸入端子的電壓設爲Vin_ 1’並將運算放大器23之一輸入端子的電壓設爲Vin-2。 則藉由假想短路，係成爲Vin-l=Vl、Vin-2=V2， 若是針對從點A起而通過電阻Ri、R〇、R2直到點B爲止 的路徑而言，則係成爲 (VA-V1) /Rl= (V1-V2) /R〇= (V2-VB) /R2 ，故而，係成爲 -14 - 201249105 (VA-Vl) = (Rl/RO) * (V1-V2) ---(6), (V2—VB) = (R2/R0) * (V1-V2) ---(7) 將（6 )和（7 )相加，則成爲 VA-VB- (V1-V2) = (R1+R2/R0) * (V1-V2) ，根據此，係成爲 VA-VB= U+ (R1+R2) /R0} * (V1-V2) ---(8), 根據（5 )以及（8 )，則成爲 V0= (R4/R3) * {1+ (R1 + R2) /RO} * (V2 —V 1) ... (9) ，若是設爲R 1 = R2，則此放大電路係具備有完全對稱性 〇 如同由式（9 )而可得知一般，藉由使用此計測放大 器，係能夠將振盪電路之輸出電壓和前述反向器之輸入電 壓差，設爲（R4/R3) { 1+ ( R1+R2 ) /R0 }倍[(R4/R3) { 1+ ( R1+R2 ) /R0 } 2 1]。若是將全電阻設爲相等，則 係成爲V0=3x(V2-Vl)，放大率係成爲3倍。由於VI 与-V2，因此，係成爲V〇= 6xV2，而成爲水晶振盪電路之 輸出V2的6倍之輸出。 此電路之優點，係在於由於兩輸入均爲與運算放大器 作直接連結之高輸入電阻，因此係適於微弱之輸出，對於 低CL振盪電路之超低消耗電力形態而言係爲有用。又， 若是僅將1個的電阻R0設爲可變，則係能夠使放大率在 大範匱'內成爲可變。 另外，當將運算放大器之極限動作電壓設爲了 Vd時 ，在本發明之放大電路的差動放大器中之檢測極限，由於 -15- 201249105 係成爲〇.5Vd，因此，有必要注意到，當水晶振盪電路之 輸出Vs成爲0.5 Vd以下的情況時，本發明之放大電路也 會變得無法正常動作。於上述內容，主要係對於使用有水 晶振動元件之振盪電路來作了說明，但是，當代替水晶振 動元件而使用其他之壓電振動元件（例如陶瓷振動元件） 等的情況時’亦可適用包含有本發明之放大電路的振盪電 路。上述之包含有本發明之放大電路的振盪電路，係可搭 載於在使用有水晶振動元件或其他壓電振動元件之振盪器 或電子機器中所利用的所有之振撮電路中並作適用。例如 ，係可利用在時鐘、行動電話、行動終端、筆記型電腦等 之電池驅動的電子機器中。進而，亦可適用在對於省能源 或省電力化有所要求的車載用電子機器、電視、冰箱、空 調機等之家電製品等的廣範圍之電子機器中。 【圖式簡單說明】 [圖1]圖1，係爲對於包含有本發明之差動放大電路 的振盪電路作展示之圖。 [圖2]圖2,係爲對於包含有本發明之計測電路的振 盪電路作展示之圖。 [圖3 ]圖3，係爲對於使用有水晶振動元件之振盪電 路作展示之圖。 [圖4]圖4，係爲對於圖3中之輸入輸出端子間XC IN 以及X C Ο U T之間的水晶振動元件側之等價電路作展示之 圖。 -16- 201249105 [圖5]圖5，係爲對於構成負載電容CL之電容作展示 之圖。 [圖6]圖6，係爲對於在水晶振盪電路中之驅動電流 和負載電容CL之間的關係作展示之圖。 [圖7]圖7，係爲對於作爲與水晶振盪電路之輸出作 連接的電路而連接比較器的例子作展示之圖。 【主要元件符號說明】 5 :放大電路 1 1 :水晶振動元件 12 : CMOS反向器 1 :5 :低電流源 1 4 :比較器 1 :5 :運算放大器 2 1 :運算放大器 - 22 :運算放大器 23 :運算放大器 -17-

Claims (1)

1. 201249105 七、申請專利範圍： 1.—種振盪電路’係爲包含有CMOS反向器之振盪 電路，其特徵爲： 在前述振盪電路之輸出側處，具備有將前述振盪電路 之輸出電壓和前述CMOS反向器之輸入電壓之間的差作放 大之放大電路。 2 ·如申請專利範圍第1項所記載之振盪電路，其中 前述放大電路，係爲差動放大電路， 將前述振盪電路之輸出以及前述振盪電路處之前述 CMOS反向器的輸入，作爲前述差動放大電路之輸入， 並且’前述CMOS反向器之輸入，係經由電阻R1而 被連接於差動放大器之（-)輸入端子，前述振盪電路之 •輸出’係經由電阻R3而被連接於前述差動放大器之（+ )輸入端子，前述差動放大器之輸出的一部份，係經由電 阻R2而反饋至前述（-)輸入端子處，前述差動放大器之 前述（+)輸入端子，係經由電阻R4而被作接地連接。 3·如申請專利範圍第2項所記載之振盪電路，其中 ，係爲 R2/R 1 2 1。 4.如申請專利範圍第1項所記載之振盪電路，其中 前述放大電路，係爲由3個的運算放大器所成之計測 放大器（i n s t r um en t at i ο n am p 1 i fi er )， 將前述振盪電路之輸出以及在前述振盪電路處之前述 -18- 201249105 CMOS反相器的輸入，設爲前述計測放大器之輸入。 5. 一種電子機器，其特徵爲：係搭載有如申請專利 範圍第1項所記載之振盪電路。 -19-