TW201606461A - 類比電子鐘 - Google Patents

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Abstract

本發明提供一種類比電子鐘，即便在馬達負載時電池電壓下降，晶體振盪電路亦不會進行誤動作。所述類比電子鐘構成為包括晶體振動器、振盪電路、分頻電路、定電壓電路、輸出控制電路、以及馬達，定電壓電路包括連接於輸出電晶體的閘極與電源端子之間的電壓保持電路，振盪電路與分頻電路以定電壓電路所產生的定電壓為電源而進行動作。

Description

類比電子鐘
本發明是有關於一種類比（analog）電子鐘，尤其是有關於馬達（motor）驅動時的振盪電路的穩定動作。
圖5是使用腕錶等中所使用的晶體振盪電路（crystal oscillation circuit）的類比電子鐘的一般的方塊圖。 類比電子鐘包含半導體裝置70、電池71、晶體振動器72、及馬達73。半導體裝置70包含：振盪電路702，藉由與外接的晶體振動器72的組合而能夠以穩定的頻率進行振盪；分頻電路703，將自振盪電路702獲得的基準時脈（clock）信號OSC分頻為所需頻率的時脈信號；定電壓電路701，對振盪電路702與分頻電路703進行驅動；以及輸出控制電路704，對馬達73進行驅動。
將習知的定電壓電路701的電路例示於圖6。定電壓電路701包括：基準電壓電路22，產生基準電壓Vref；差動放大電路23；輸出電晶體（transistor）10；反饋電路（feedback circuit）21；電壓保持電路40，包含電容器（condenser）；以及開關電路（switch circuit）50。
定電壓電路701包括保持輸出電晶體10的閘極（gate）電壓V1的電壓保持電路40，藉由使差動放大電路23等進行間歇動作而減少消耗電力。利用信號f1使差動放大電路23、反饋電路21的動作停止，將開關電路50斷開。此時，輸出電晶體10的閘極電壓藉由電壓保持電路40而維持開關電路50斷開之前的電壓。只要負載電流不大幅變動，定電壓電路701便可輸出定電壓VREG（例如，參照專利文獻1）。
將習知的振盪電路702的方塊圖示於圖7。振盪電路702包括：振盪反相器（inverter），包含P型通道金屬氧化物半導體（P-channel Metal Oxide Semiconductor，PMOS）電晶體P01及N型通道金屬氧化物半導體（N-channel Metal Oxide Semiconductor，NMOS）電晶體N01；反饋電阻RF，藉由PMOS電晶體P02與NMOS電晶體N02的並聯而構成；振盪電容CG及振盪電容CD；耦合電容（coupling capacitance）CC；開關元件SW，包含PMOS電晶體P03及NMOS電晶體N03的傳輸閘極（transmission gate）；阻尼電阻（damping resistor）RD，包含閘極下摻雜高濃度的雜質而成的NMOS電晶體NR1；以及波形整形電路100。此外，在連接晶體振動器72的端子XIN及端子XOUT，包括包含NMOS電晶體N04的靜電放電（Electro-Static Discharge，ESD）保護元件ESD1及包含NMOS電晶體N05的ESD保護元件ESD2。NMOS電晶體N02、NMOS電晶體N03、NMOS電晶體N04、NMOS電晶體N05、NMOS電晶體NR1的基板連接於電池71的負極端子VSS。
此處，針對類比電子鐘，考慮輸出控制電路704輸出馬達脈衝輸出功率而使馬達73旋轉的情況。由於電池71、馬達73有電阻成分，故而電池電壓VSS會下降由馬達負載電流與電池71的內部電阻的乘積而定的電壓。因該電壓降（voltage drop），而定電壓電路701的輸出電壓VREG亦會產生暫態性的電壓降。為了減少振盪電路702與分頻電路703的消耗電流，而將輸出電壓VREG設定為儘量接近振盪電路702的振盪停止電壓VDOS。若輸出電壓VREG因電壓降而低於振盪停止電壓VDOS，則振盪會變得不穩定，最差的情況下會導致振盪停止。 [現有技術文獻] [專利文獻]
[專利文獻1]日本專利特開2000-298523號公報 [發明所欲解決之課題]
然而，習知的定電壓電路有如下的構造上的缺點：當類比電子鐘的馬達被驅動而電池電壓急遽下降時，由於差動放大電路23的暫態響應特性差，故而輸出電晶體10的閘極-源極間電壓變小，定電壓VREG亦變動。
此外，習知的振盪電路相對於針對電池電壓VSS本身的變動，無法繼續穩定的振盪。具體而言，由於NMOS電晶體N02、NMOS電晶體N03、NMOS電晶體N04、NMOS電晶體N05、NMOS電晶體NR1的基板的電位為VSS，故而VSS的變動通過作為基板的P井（PWELL）與作為汲極（或源極）的N+擴散區域的寄生電容（parasitic capacitance）而作為雜訊（noise）向汲極（或源極）傳遞。NMOS電晶體N02、NMOS電晶體N03、NMOS電晶體N04、NMOS電晶體N05、NMOS電晶體NR1的汲極（或源極）連接於在繼續振盪動作上為重要的節點（node）（XIN、XIN1、XOUT、XOUT2），因此，若接收雜訊，則振盪會變得不穩定。
本發明是鑒於所述課題而完成，提供一種類比電子鐘，即便電池電壓變動亦繼續穩定的振盪。 [解決課題之手段]
為了解決習知的課題，本發明的類比電子鐘設為如下的構成。 一種類比電子鐘，其特徵在於：包括晶體振動器、振盪電路、分頻電路、定電壓電路、輸出控制電路、以及馬達，振盪電路與分頻電路以定電壓電路所產生的定電壓為電源而進行動作，定電壓電路包括：輸出電晶體，連接於輸出端子與電源端子之間；分壓電路，連接於輸出端子與接地端子之間，將輸出端子的輸出電壓分壓而輸出反饋電壓；基準電壓電路，輸出基準電壓；差動放大電路，基於基準電壓與反饋電壓，對輸出電晶體的閘極的電壓進行控制；以及第一電壓保持電路，連接於輸出電晶體的閘極與電源端子之間。 [發明的效果]
根據本發明的類比電子鐘，即便在馬達旋轉時施加有馬達負載的狀態下亦獲得穩定的振盪，且能夠以低消耗電流穩定地進行動作。
以下，參照圖式對本實施方式的類比電子鐘進行說明。 圖5是使用腕錶等中所使用的晶體振盪電路的類比電子鐘的一般的方塊圖。
類比電子鐘包含半導體裝置70、電池71、晶體振動器72、以及馬達73。半導體裝置70包含：振盪電路702，藉由與外接的晶體振動器72的組合而能夠以穩定的頻率進行振盪；分頻電路703，將自振盪電路702獲得的基準時脈信號OSC分頻為所需頻率的時脈信號；定電壓電路701，對振盪電路702與分頻電路703進行驅動；以及輸出控制電路704，對馬達73進行驅動。
圖1是表示本實施方式的定電壓電路的方塊圖。定電壓電路包括基準電壓電路22、差動放大電路23、輸出電晶體10、反饋電路21、以及電壓保持電路60。
基準電壓電路22產生基準電壓Vref。反饋電路21將輸出端子的電壓VREG分壓而輸出反饋電壓VFB。差動放大電路23以使基準電壓Vref與反饋電壓VFB相等的方式對輸出電晶體10的閘極輸出電壓V1。電壓保持電路60例如包含串聯的電阻與電容器，且連接於輸出電晶體10的閘極與電源端子VSS之間。
此處，例如若藉由對馬達73進行驅動而電源電壓VSS向接地電壓VDD側變動，則定電壓電路701進行如下的動作。 若電源電壓VSS向接地電壓VDD側變動，則輸出電晶體10的閘極電壓V1經由電壓保持電路60受其影響而向接地電壓VDD側變動。因此，輸出電晶體10的閘極-源極間電壓保持固定，故而其汲極電流成為固定。其結果為，定電壓電路701不受電源電壓VSS的變動的影響而能夠輸出固定的定電壓VREG。
圖2是表示本實施方式的振盪電路的方塊圖。 振盪電路702包括：振盪反相器，包含PMOS電晶體P01及NMOS電晶體N01；反饋電阻RF，藉由PMOS電晶體P02與NMOS電晶體N02的並聯而構成；振盪電容CG及振盪電容CD；耦合電容CC；開關元件SW，包含PMOS電晶體P03及NMOS電晶體N03的傳輸閘極；阻尼電阻RD，包含閘極下摻雜高濃度的雜質而成的NMOS電晶體NR1；以及波形整形電路100。此外，包括連接晶體振動器72的端子XIN及端子XOUT，且在各個端子包括包含NMOS電晶體N04的ESD保護元件ESD1及包含NMOS電晶體N05的ESD保護元件ESD2。
此處，本實施方式的振盪電路702的特徵在於，習知連接於電源端子VSS的端子連接於定電壓電路701的輸出端子。即，將構成反饋電阻RF的NMOS電晶體N02的基板及PMOS電晶體P02的閘極、構成開關元件SW的NMOS電晶體N03的基板、以及構成阻尼電阻RD的NMOS電晶體NR1的基板及閘極連接於定電壓電路701的輸出端子。而且，構成ESD保護元件ESD1及ESD保護元件ESD2的NMOS電晶體N04及NMOS電晶體N05將閘極、源極以及基板分別連接於端子XIN及端子XOUT，將汲極連接於電源端子VDD。
藉由如此連接，當電源電壓VSS向接地電壓VDD側變動時，不會有該電壓變動作為雜訊而傳遞至振盪電路的內部節點（XIN、XIN1、XOUT、XOUT1）的情況。
定電壓VREG電位的P井與NMOS電晶體的汲極（或源極）的N+擴散區域之間存在寄生電容，但即便電源電壓VSS向接地電壓VDD側變動，定電壓VREG亦不會變動，因此，不會有該電壓變動作為雜訊而傳遞至振盪電路的內部節點的情況。
本實施方式中，ESD保護元件ESD1及ESD保護元件ESD2亦可分別將汲極連接於XIN及XOUT，將閘極、源極以及基板連接於定電壓電路701的輸出端子。此外，ESD保護元件ESD1及ESD保護元件ESD2亦可使用連接於定電壓電路701的輸出端子或電源端子VDD的二極體（diode）而構成。
以上，根據本實施方式的定電壓電路701及振盪電路702，即便電源電壓VSS向接地電壓VDD側變動，定電壓VREG亦不會變動，且能夠繼續穩定的振盪，因此，能夠提供一種即便消耗電流少亦可穩定地進行動作的類比電子鐘。
圖3是表示本實施方式的定電壓電路701的其他例的方塊圖。較圖2的電路更包括低消耗電流的功能。 定電壓電路701包括輸出電晶體10、反饋電路21、基準電壓電路22、差動放大電路23、開關電路50～開關電路52、電壓保持電路40及電壓保持電路60。
差動放大電路23、反饋電路21藉由信號f1而進行接通斷開控制。開關電路50是與差動放大電路23同步地藉由信號f1而進行接通斷開控制。電壓保持電路40例如包含電容器，連接於輸出電晶體10的閘極與輸出端子之間，且保持輸出電晶體10的閘極電壓V1。電壓保持電路60例如包含電容器，且連接於輸出電晶體10的閘極與電源端子VSS之間。開關電路51與開關電路52藉由信號f2而進行接通斷開控制，當開關電路50斷開時接通，而保持輸出電晶體10的閘極電壓V1。
定電壓電路701中，例如當信號f1與信號f2均為高（High）位準時，差動放大電路23、反饋電路21進行動作，開關電路50及開關電路52接通，開關電路51斷開，從而作為通常的電壓調整器（voltage regulator）進行動作。另外，例如當信號f1與信號f2均為低（Low）位準時，差動放大電路23、反饋電路21停止動作，開關電路50及開關電路52斷開，開關電路51接通，從而定電壓電路701停止作為電壓調整器的動作，而成為低消耗電流狀態。此時，電壓保持電路40連接於輸出電晶體10的閘極與輸出端子之間，保持閘極電壓V1。
因此，圖3的定電壓電路701藉由利用信號f1使差動放大電路23、反饋電路21進行間歇動作，而可實現消耗電流的減少，且可穩定地輸出定電壓VREG。
此處，關於類比電子鐘，當對馬達73進行驅動時，只要以使定電壓電路701作為通常的電壓調整器進行動作的方式控制信號f1與信號f2，便可穩定地進行動作，且可成為低消耗。
圖4是表示本實施方式的定電壓電路701的其他例的方塊圖。在圖3的電路中追加如更穩定地進行動作的電路。 定電壓電路701包括預充電（precharge）電路，該預充電電路用於對電壓保持電路60的電容器進行預充電。預充電電路包括放大器（amplifier）24與開關電路53。放大器24的輸入端子連接於輸出電晶體10的閘極與放大器24的輸出端子，而構成電壓跟隨器（voltage follower）。即，放大器24輸入輸出電晶體10的閘極電壓V1，且向電壓保持電路60的電容器輸出。開關電路53連接於放大器24的輸出端子與電壓保持電路60之間，例如當信號f2為低位準時接通，當信號f2為高位準時斷開。
當圖4的定電壓電路701作為通常的電壓調整器進行動作時，將開關電路53接通，將電壓保持電路60的電壓預充電為電壓V1。因此，當信號f2成為高位準時，輸出電晶體10的閘極電壓V1不會變動，因此，定電壓電路701可穩定地輸出定電壓VREG。
如以上所說明，本發明的類比電子鐘藉由包括圖2所示的振盪電路702、及圖1、圖3、圖4的任一圖所示的定電壓電路701，而能夠以低消耗且相對於電源電壓的變動而穩定地進行動作。
另外，放大器24亦可構成為利用新的信號f3而進行間歇動作以實現低消耗電流化。 而且，定電壓電路701亦可在電壓保持電路40設置預充電電路。 另外，以接地電壓VDD為基準對類比電子鐘進行了說明，但若電源電壓VSS為基準，則只要與此相應地構成電路，便可同樣地獲得效果。
10‧‧‧輸出電晶體
21‧‧‧反饋電路
22‧‧‧基準電壓電路
23‧‧‧差動放大電路
24‧‧‧放大器
40、60‧‧‧電壓保持電路
50～53‧‧‧開關電路
70‧‧‧半導體裝置
71‧‧‧電池
72‧‧‧晶體振動器
73‧‧‧馬達
100‧‧‧波形整形電路
701‧‧‧定電壓電路
702‧‧‧振盪電路
703‧‧‧分頻電路
704‧‧‧輸出控制電路
CC‧‧‧耦合電容
CD、CG‧‧‧振盪電容
ESD1、ESD2‧‧‧ESD保護元件
N01～N05、NR1‧‧‧NMOS電晶體
OSC‧‧‧基準時脈信號
P01～P03‧‧‧PMOS電晶體
RD‧‧‧阻尼電阻
RF‧‧‧反饋電阻
SW‧‧‧開關元件
V1‧‧‧閘極電壓
VDD‧‧‧接地電壓
VFB‧‧‧反饋電壓
VREG‧‧‧電壓
Vref‧‧‧基準電壓
VSS‧‧‧電源電壓（電池電壓）（電源端子）
XIN、XOUT‧‧‧端子
f1、f2‧‧‧信號
圖1是本實施方式的定電壓電路的方塊圖。 圖2是本實施方式的振盪電路的方塊圖。 圖3是表示本實施方式的定電壓電路的其他例的方塊圖。 圖4是表示本實施方式的定電壓電路的其他例的方塊圖。 圖5是類比電子鐘的方塊圖。 圖6是習知的定電壓電路的方塊圖。 圖7是習知的振盪電路的方塊圖。
10‧‧‧輸出電晶體
21‧‧‧反饋電路
22‧‧‧基準電壓電路
23‧‧‧差動放大電路
60‧‧‧電壓保持電路
V1‧‧‧閘極電壓
VDD‧‧‧接地電壓
VFB‧‧‧反饋電壓
Vref‧‧‧基準電壓
VREG‧‧‧電壓
VSS‧‧‧電源電壓(電源端子)

Claims (4)

  1. 一種類比電子鐘，包括晶體振動器、振盪電路、分頻電路、定電壓電路、輸出控制電路、以及馬達，其特徵在於： 所述振盪電路與所述分頻電路以所述定電壓電路所產生的定電壓為電源而進行動作， 所述定電壓電路包括： 輸出電晶體，連接於輸出端子與電源端子之間； 分壓電路，連接於所述輸出端子與接地端子之間，將所述輸出端子的輸出電壓分壓而輸出反饋電壓； 基準電壓電路，輸出基準電壓； 差動放大電路，基於所述基準電壓與所述反饋電壓，對所述輸出電晶體的閘極的電壓進行控制；以及 第一電壓保持電路，連接於所述輸出電晶體的閘極與所述電源端子之間。
  2. 如申請專利範圍第1項所述的類比電子鐘，其中所述定電壓電路包括： 第一開關電路，連接於所述差動放大電路的輸出端子與所述輸出電晶體的閘極之間； 第二開關電路，連接於所述輸出電晶體的閘極與所述第一電壓保持電路之間；以及 第二電壓保持電路，經由第三開關電路而連接於所述輸出電晶體的閘極與所述輸出端子之間， 且所述定電壓電路具有： 第一動作模式，利用第一控制信號將所述差動放大電路與所述第一開關電路斷開，利用第二控制信號將所述第二開關電路斷開且將所述第三開關電路接通；以及 第二動作模式，利用所述第一控制信號將所述差動放大電路與所述第一開關電路接通，利用所述第二控制信號將所述第二開關電路接通且將所述第三開關電路斷開。
  3. 如申請專利範圍第2項所述的類比電子鐘，其中在所述第一電壓保持電路包括預充電電路， 當所述第二開關電路斷開時，所述預充電電路將所述第一電壓保持電路充電為所述輸出電晶體的閘極的電壓。
  4. 如申請專利範圍第3項所述的類比電子鐘，其中所述預充電電路包括： 電壓跟隨器電路，其輸入端子連接於所述輸出電晶體的閘極；以及 第四開關電路，連接於所述電壓跟隨器電路的輸出端子與所述第一電壓保持電路之間。
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