TW202205803A - 震盪電路及電子機器 - Google Patents

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野原正也
木村悟利
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日商電壓工作室股份有限公司
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Abstract

震盪電路具備震動器、連接於震動器的兩端子間的電容、及放大電路，前述放大電路是將輸入端子連接於震動器與電容的連接點，並且將輸出端子連接於電容與電容的連接點。放大電路包含：N型電晶體與P型電晶體，源極端子彼此的連接點是連接於放大電路的輸出端子；P型電晶體，在震盪停止時將N型電晶體的閘極端子連接於電源端子，在震盪動作時將N型電晶體的閘極端子與電源端子斷開；及N型電晶體，在震盪停止時將P型電晶體的閘極端子連接於接地，在震盪動作時將P型電晶體的閘極端子與接地端子斷開。可以實現震盪電路的低消耗電力及高速震盪啟動。

Description

震盪電路及電子機器
本發明是有關於使用震動器的震盪電路。
近年來，在行動電話及IoT(Internet-Of-Things，物聯網)機器等附有無線電路的小型電子機器中，由於會要求電池的長壽化，因此在機器中使用的電子電路或電子零件的低消耗電力化會變成重要技術課題。
在小型電子機器中，自以往即廣泛地使用如圖10所示之使用了晶體震動器之以反相器為基礎的皮爾斯(Pierce)震盪電路(參照專利文獻1、專利文獻2、專利文獻3)。皮爾斯震盪電路是由晶體震動器X10 、反相器INV10 、及電容C10 、C11 所構成。
由於皮爾斯震盪電路的構成簡單，因此已長期間使用。然而，皮爾斯震盪電路有下述課題：無法大幅地取得用於震盪的電壓成分，為了使電流穩定地流動而消耗電力大。又，皮爾斯震盪電路有震盪啟動時間慢的課題。 先前技術文獻 專利文獻
專利文獻1：日本專利特許第3409061號公報 專利文獻2：日本特開2004-328257號公報 專利文獻3：國際公開WO2013/035346號公報
發明欲解決之課題
本發明是為了解決上述課題而完成的發明，目的在於提供一種可以實現低消耗電力及高速震盪啟動的震盪電路。 用以解決課題之手段
本發明的震盪電路的特徵在於包含：電源端子、接地端子、震動器、及放大電路，前述放大電路具有：第1及第2電容，串聯地連接於前述震動器的兩端之間；輸入端子，連接於前述震動器與前述第1電容；輸出端子，連接於前述第1電容與前述第2電容；第1N型電晶體，源極端子是連接於前述輸出端子，汲極端子是連接於與前述電源端子連接的第1開關，閘極端子是連接於前述輸入端子；第1P型電晶體，源極端子是連接於前述輸出端子，汲極端子是連接於與前述接地端子連接的第2開關，閘極端子是連接於前述輸入端子；第2P型電晶體，源極端子是連接於前述電源端子，汲極端子是連接於前述第1N型電晶體的閘極端子及前述輸入端子；及第2N型電晶體，源極端子是連接於前述接地端子，汲極端子是連接於前述第1P型電晶體的閘極端子及前述輸入端子。
又，在本發明的震盪電路的1個構成例中，前述第1開關是在震盪動作時連接前述第1N型電晶體的汲極與前述電源端子，在震盪停止時將該第1N型電晶體的汲極與前述電源端子斷開，前述第2開關是在震盪動作時連接前述第1P型電晶體的汲極與前述接地端子，在震盪停止時將該前述第1P型電晶體的汲極與前述接地端子斷開，前述第2P型電晶體的閘極是在震盪動作時被控制為關閉(OFF)，且在震盪停止時被控制為開啟(ON)，前述第2N型電晶體的閘極是在震盪動作時被控制為關閉，且在震盪停止時被控制為開啟。 又，本發明的電子機器的特徵在於具備上述震盪電路。 發明效果
根據本發明，在第2P型電晶體的開啟時，將放大電路的第1N型電晶體的閘極端子與電源電壓連接，透過第1電容與第3電容將放大電路的輸出電壓反饋至第1N型電晶體的閘極端子，又，在第2N型電晶體的開啟時，將放大電路的第1P型電晶體的閘極端子與接地連接，透過第1電容與第4電容將放大電路的輸出電壓反饋至第1P型電晶體的閘極端子，藉此即可以實現低消耗電力及高速震盪啟動。
用以實施發明之形態
以下，參照圖式來說明本發明的實施例。首先，在圖1中顯示本實施例的震盪電路的基礎之考畢茲(Colpitts)震盪電路的構成。考畢茲震盪電路是由震動器X1 、放大電路A1 、及2個電容C1 、C2 所構成。
＜震盪電路的構成＞ 在圖2中顯示本實施例的震盪電路，本實施例的震盪電路是以此考畢茲震盪電路為基礎，而將放大器設為低消耗電力化。本實施例的震盪電路具備電源端子(未圖示)、接地端子(未圖示)、震動器X1 、串聯地連接於震動器X1 的兩端子間的電容C1 、C2 、及放大電路A1 ，前述放大電路A1 是將輸入端子連接於震動器X1 與電容C1 的連接點，並且將輸出端子連接於電容C1 與電容C2 的連接點。另外，電源端子是指與電源電壓的高電位側(例如Vdd )連接的端子，又，接地端子是連接於電源電壓的低電位側(例如接地電位或Vss )的端子。
放大電路A1 是由以下元件所構成：NMOS電晶體(N型電晶體)M1 ，源極端子是連接於放大電路A1 的輸出端子；PMOS電晶體(P型電晶體)M2 ，源極端子是連接於放大電路A1 的輸出端子；PMOS電晶體M3 ，對閘極端子輸入有偏壓重置訊號，汲極端子是連接於NMOS電晶體M1 的閘極端子，源極端子是連接於電源電壓Vdd ；NMOS電晶體M4 ，對閘極端子輸入有偏壓重置訊號BR，汲極端子是連接於PMOS電晶體M2 的閘極端子，源極端子是連接於接地；電容Ccut1 ，一端是連接於放大電路A1 的輸入端子，另一端是連接於NMOS電晶體M1 的閘極端子；電容Ccut2 ，一端是連接於放大電路A1 的輸入端子，另一端是連接於PMOS電晶體M2 的閘極端子；開關SW1 ，在震盪停止時將NMOS電晶體M1 的汲極端子與電源電壓Vdd 斷開，在震盪動作時將NMOS電晶體M1 的汲極端子與電源電壓Vdd 連接；及開關SW2 ，在震盪停止時將PMOS電晶體M2 的汲極端子與接地斷開，在震盪動作時將PMOS電晶體M2 的汲極端子與接地連接。
電容Ccut1 是連接於NMOS電晶體M1 的閘極端子及PMOS電晶體M3 的汲極端子與放大電路的輸入端子之間。又，電容Ccut2 是連接於PMOS電晶體M2 的閘極端子及NMOS電晶體M4 的汲極端子與放大電路的輸入端子之間。這些電容Ccut1 及電容Ccut2 是作為去除直流電流成分等之雜訊的電路零件來發揮功能。作為N型電晶體(M1 、M4 )及P型電晶體(M2 、M3 )，亦可使用CMOS。
在本案的說明書及申請專利範圍中，在明確記載為「A與B連接」的情況下，是包含將A與B電連接的情況、將A與B在功能上連接的情況、及將A與B直接連接的情況。在此，A、B為對象物(例如，裝置、元件、電路、配線、電極、端子、導電膜、層等)。從而，並不限定於預定的連接關係，例如圖或文字所示的連接關係，而是設為也包含圖或文字所示的連接關係以外的連接關係。
例如，作為A與B電連接的情況，可使A與B電連接的元件(例如，開關、電晶體、電容元件、電感器、電阻元件、二極體等)亦可在A與B之間連接有1個以上。
又，使用N型或P型電晶體來作為開關的情況下，開關具有輸入端子(源極端子或汲極端子的其中一者)、輸出端子(源極端子或汲極端子的其中一者)、及控制導通的端子(閘極端子)。由於對於閘極端子施加正或負的電壓，藉此可以控制從輸入端子對於輸出端子流動的電流，因此可作為開關來發揮功能。當開關已成為開啟(ON)時，位於開關的兩端的端子會形成為連接，另一方面，當開關已成為關閉(OFF)時，位於開關的兩端的端子會形成為斷開。
NMOS電晶體M1 與PMOS電晶體M2 是構成已疊接(cascode)連接的互補(complementary)對。NMOS電晶體M1 的閘極端子是在PMOS電晶體M3 的開啟時與電源電壓Vdd 連接，並且形成為透過電容C1 、Ccut1 而使放大電路A1 的輸出電壓反饋。PMOS電晶體M2 的閘極端子是在NMOS電晶體M4 的開啟時與接地連接，並且形成為透過電容C1 、Ccut2 而使放大電路A1 的輸出電壓反饋。
＜震盪電路的動作＞ 輸入至PMOS電晶體M3 、NMOS電晶體M4 的閘極端子的偏壓重置訊號及偏壓重置訊號BR、控制開關SW1 、開關SW2 的震盪許可訊號EN，可以藉由將控制電路(未圖示)設置於震盪電路的內部或外部來實現，前述控制電路是控制震盪的開始動作、停止動作、及震盪動作。
當震盪啟動時，由於會需要高跨導(transconductance)gm，因此偏壓重置訊號BR在震盪停止時為高(High)，偏壓重置訊號在震盪停止時為低(Low)。從而，PMOS電晶體M3 與NMOS電晶體M4 會成為開啟(ON)狀態，NMOS電晶體M1 與PMOS電晶體M2 會成為開啟(ON)狀態。
又，當震盪停止時，震盪許可訊號EN會成為低(Low)，開關SW1 、SW2 會成為關閉(OFF)狀態。作為開關SW1 、SW2 ，可以使用例如NMOS電晶體。在為開關SW1 的NMOS電晶體的閘極端子上輸入有震盪許可訊號EN，汲極端子是連接於電源電壓Vdd ，源極端子是連接於NMOS電晶體M1 的汲極端子。在為開關SW2 的NMOS電晶體的閘極端子上輸入有震盪許可訊號EN，汲極端子是連接於PMOS電晶體M2 的汲極端子，源極端子是連接於接地。
另一方面，在震盪動作時，偏壓重置訊號BR會變成低(Low)，偏壓重置訊號會變成高(High)。從而，PMOS電晶體M3 與NMOS電晶體M4 會成為關閉狀態。在此關閉狀態時，PMOS電晶體M3 是如圖3(A)所示地以二極體D1 與電阻R1 所形成的等效電路來表示。又，NMOS電晶體M4 是如圖3(B)地以二極體D2 與電阻R2 所形成的等效電路來表示。
亦即，在PMOS電晶體M3 為關閉(OFF)的狀態下，NMOS電晶體M1 的閘極電壓VgN 會因二極體D1 的漏電流所產生的電壓而受偏壓。同樣地，在NMOS電晶體M4 為關閉(OFF)的狀態下，PMOS電晶體M2 的閘極電壓VgP 會因二極體D2 的漏電流所產生的電壓而受偏壓。電阻R1 是表示二極體D1 的漏電流所流動的電阻成分，電阻R2 是表示二極體D2 的漏電流所流動的電阻成分。
舉PMOS電晶體M3 為例，二極體D1 的漏電流會一直將NMOS電晶體M1 的閘極電壓VgN 拉起，而發揮維持震盪的作用。當藉由大訊號而開始震盪後，NMOS電晶體M1 的閘極端子會因透過電容C1 、Ccut1 而來自放大電路A1 的輸出之反饋，以動態的方式受到偏壓。但是，藉由二極體D1 ，NMOS電晶體M1 的閘極電壓VgN ，最高值會被鎖在Vth3 ＋Vdd 的電壓值(Vth3 是PMOS電晶體M3 的閾值電壓)。同樣地，藉由二極體D2 ，PMOS電晶體M2 的閘極電壓VgP ，最低值會被鎖在-Vth4 的電壓值(Vth4 為NMOS電晶體M4 的閾值電壓)。
將震盪動作時之震盪電路(放大電路A1 )的輸出電壓Vout 、NMOS電晶體M1 的閘極電壓VgN 、PMOS電晶體M2 的閘極電壓VgP 、NMOS電晶體M1 的閘極-源極間電壓VgsN 、PMOS電晶體M2 的閘極-源極間電壓VgsP 的變動範圍顯示於圖4。 又，在震盪動作時，震盪許可訊號EN會成為高(High)，開關SW1 、SW2 會成為開啟(ON)狀態。
＜震盪電路的震盪波形＞ 將震盪啟動後的震盪波形顯示於圖5。IN 是NMOS電晶體M1 的源極電流，IP 是PMOS電晶體M2 的源極電流。可以得知NMOS電晶體M1 的閘極-源極間電壓VgsN 與PMOS電晶體M2 的閘極-源極間電壓VgsP ，是在震盪啟動時(偏壓重置訊號與震盪許可訊號EN已成為高(High)時)從比較高的電壓開始，之後，在震盪穩定狀態中落在-Vth4 到Vth3 的電壓範圍內。從而，在NMOS電晶體M1 與PMOS電晶體M2 中流動的電流是在穩定狀態下變得非常小。
圖6是顯示震盪穩定狀態下之震盪電路的輸出電壓Vout 、NMOS電晶體M1 的源極電流IN 、及PMOS電晶體M2 的源極電流IP 的波形的圖。在此，設為C1 ＝18pF、C2 ＝9pF，並且將連接於震盪電路(放大電路A1 )的輸出端子的負載的電容設為6pF。
為了比較，將電容C1 、 C2 與負載電容設為與本實施例相同的值時，將皮爾斯震盪電路的輸出電壓Vout10 與反相器的電晶體的電流IN10 、IP10 顯示於圖6。圖10所示的皮爾斯震盪電路的反相器INV10 是如圖7所示地由PMOS電晶體M5 與及NMOS電晶體M6 所構成。
從圖6可以得知，和皮爾斯震盪電路的電流IN10 、IP10 相較之下，本實施例的震盪電路的電流IN 、IP 是僅在輸出電壓Vout 成為極端值的時間點上流動，且電流量也非常小。從而，可得知根據本實施例，可以在震盪狀態下實現大幅的低電力化。實際上，可得知和皮爾斯震盪電路的穩定狀態消耗電力相較之下，本實施例的震盪電路的穩定狀態消耗電力Pss是小至約1/10。
＜震盪電路的相位雜訊特性＞ 在圖8中，分別顯示本實施例的震盪電路與以往的皮爾斯震盪電路的相位雜訊特性。圖8的N0 是顯示皮爾斯震盪電路的相位雜訊，N1 是顯示本實施例的震盪電路的相位雜訊。對於通訊機器而言重要的震盪電路性能之相位雜訊，若和以往的皮爾斯震盪電路比較，可得知相對於震盪電路的基本頻率之偏移頻率是在100Hz之前的範圍內改善約9dB。像這樣，可清楚得知，藉由使用本實施例的震盪電路，也可以對通訊機器的低相位雜訊化作出貢獻。
＜震盪電路中的震動器＞ 作為震盪電路的震動器X1 ，可以使用晶體型震動器、蘭克賽型壓電單晶震動器等之各種震動器。為了使震盪電路以更高速震盪啟動，並且實現更低的震盪啟動能量，在本實施例中是使用蘭克賽型壓電單晶的震動器來作為震動器X1 。蘭克賽型壓電單晶雖然有各式各樣，但是在實驗中是使用利用了Ca3 TaGa3 Si2 O14 (稱為CTGS)的震動器。蘭克賽是指除了CTGS之外，以Ca3 NbGa3 Si2 O14 (稱為CNGS)、Ca3 Ta(Ga1-X AlX )3 Si2 O14 (稱為CTGAS)、Ca3 Nb(Ga1-X AlX )3 Si2 O14 (稱為CNGAS)等之化學組成來表現的單晶，蘭克賽型壓電單晶並不限定於使用CTGS的震動器。在圖9(A)、圖9(B)中顯示所使用的CTGS震動器、以及使用來參考的晶體震動器(Quartz，石英)的等效電路。圖9(B)是將圖9(A)簡化的等效電路圖。圖9(A)、圖9(B)的線100的左側是顯示震動器的等效電路，線100的右側是顯示震盪電路的等效電路。將電容CL 、電感Lm 、電阻Rm 、電容Cm 、電阻Rx 、Q值顯示於表1。
[表1]
Figure 02_image001
使用CTGS震動器作為震動器X1 來進行實驗的結果，本實施例的震盪電路的震盪啟動時間Ts為0.37ms，震盪啟動能量Es為30nJ。另一方面，在使用晶體震動器來作為震動器X1 的情況下，圖2的震盪電路的震盪啟動時間Ts為3.6ms，震盪啟動能量Es為320nJ。
從而，已確認到當使用CTGS震動器來作為震動器X1 的情況下，和使用晶體震動器的情況相較之下，可以實現更快約一個位數的震盪啟動時間，震盪啟動能量也可以縮小約一個位數，而可以實現低消耗電力化。
如以上，根據本實施例，可以實現高速震盪啟動，並且可以在震盪啟動後的穩定震盪狀態中實現低消耗電力的震盪電路。 從而，只要將本實施例的震盪電路應用在例如行動電話及IoT機器等之電子機器，即可以對低消耗電力的電子機器的實現作出貢獻。 產業上之可利用性
本發明可以應用在小型電子機器所使用的震盪電路。
100:線 A1 :放大電路 BR,:偏壓重置訊號 C1 ,C2 ,Ccut1 ,Ccut2 ,C10 ,C11 ,CL ,Cm :電容 D1 ,D2 :二極體 EN:震盪許可訊號 gm:跨導 IN ,IP ,IN10 ,IP10 :電流 INV10 :反相器 Lm :電感 M1 ,M2 ,M3 ,M4 ,M5 ,M6 :電晶體 N0 ,N1 :相位雜訊 R1 ,R2 ,Rm ,Rx :電阻 SW1 ,SW2 :開關 Vdd :電源電壓 VgN ,VgP :閘極電壓 VgsN ,VgsP :閘極-源極間電壓 Vout ,Vout10 :輸出電壓 Vth3 ,Vth4 :閾值電壓 Vss :電源電壓的低電位側 X1 :震動器 X10 :晶體震動器
圖1是顯示以往的考畢茲(Colpitts)震盪電路的構成的電路圖。 圖2是顯示本發明的實施例之震盪電路的構成的電路圖。 圖3是本發明的實施例之震盪電路中的偏壓用的PMOS電晶體與NMOS電晶體的關閉時的等效電路圖。 圖4是顯示本發明的實施例之震盪電路的輸出電壓的變動範圍、偏壓用的PMOS電晶體與NMOS電晶體的閘極電壓及閘極-源極間電壓的變動範圍的圖。 圖5是顯示本發明的實施例之震盪電路中的震盪啟動後的震盪波形的圖。 圖6是顯示以往的皮爾斯震盪電路與本發明的實施例之震盪電路中的輸出電壓及電晶體的電流之波形的圖。 圖7是顯示皮爾斯震盪電路的反相器的構成的電路圖。 圖8是顯示以往的皮爾斯震盪電路與本發明的實施例之震盪電路的相位雜訊特性的圖。 圖9是蘭克賽型壓電單晶的震動器及晶體震動器的等效電路圖。 圖10是顯示以往的皮爾斯震盪電路的構成的電路圖。
A1:放大電路
BR,
Figure 110120265-A0304-11-0002-11
:偏壓重置訊號
C1,C2,Ccut1,Ccut2:電容
EN:震盪許可訊號
IN,IP:電流
M1,M2,M3,M4:電晶體
SW1,SW2:開關
Vdd:電源電壓
VgN,VgP:閘極電壓
VgsN,VgsP:閘極-源極間電壓
Vout:輸出電壓
X1:震動器

Claims (3)

  1. 一種震盪電路，包含：電源端子、接地端子、震動器、及放大電路，前述放大電路具有： 第1及第2電容，串聯地連接於前述震動器的兩端之間；輸入端子，連接於前述震動器與前述第1電容；輸出端子，連接於前述第1電容與前述第2電容；第1N型電晶體，源極端子是連接於前述輸出端子，汲極端子是連接於與前述電源端子連接的第1開關，閘極端子是連接於前述輸入端子；第1P型電晶體，源極端子是連接於前述輸出端子，汲極端子是連接於與前述接地端子連接的第2開關，閘極端子是連接於前述輸入端子；第2P型電晶體，源極端子是連接於前述電源端子，汲極端子是連接於前述第1N型電晶體的閘極端子及前述輸入端子；及第2N型電晶體，源極端子是連接於前述接地端子，汲極端子是連接於前述第1P型電晶體的閘極端子及前述輸入端子。
  2. 如請求項1之震盪電路，其中前述第1開關是在震盪動作時連接前述第1N型電晶體的汲極與前述電源端子，在震盪停止時將該第1N型電晶體的汲極與前述電源端子斷開，前述第2開關是在震盪動作時連接前述第1P型電晶體的汲極與前述接地端子，在震盪停止時將該前述第1P型電晶體的汲極與前述接地端子斷開，前述第2P型電晶體的閘極是在震盪動作時被控制為關閉，且在震盪停止時被控制為開啟，前述第2N型電晶體的閘極是在震盪動作時被控制為關閉，且在震盪停止時被控制為開啟。
  3. 一種電子機器，其特徵在於具備如請求項1或2之震盪電路。
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