TWI409613B - 微電腦的電子電路 - Google Patents

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Description

微電腦的電子電路
本發明係有關一種電子電路，尤其有關一種具有振盪頻率相異的複數個振盪器的電子電路。
以往，微電腦(microcomputer)具備有：系統時脈(clock)用振盪器，用以產生使CPU(Central Processing Unit；中央處理單元)等內部電路動作所用的時脈(系統時脈等)；以及時鐘用振盪器，用以產生時鐘用的時脈。一般而言，時鐘用振盪器是以石英晶體振盪器(quartz oscillator)來形成，產生相較於系統時脈用振盪器還低頻(例如32KHz)的時脈。
此外，在一般的微電腦中具有處理速度相異的複數種動作模式，對應於各動作模式而具有複數個系統時脈用振盪器以產生速度(頻率)相異的時脈。換言之，在高速處理的動作模式下是使高速的(高頻的)系統時脈用振盪器動作而使高速的時脈輸出；在低速處理的動作模式下則是使低速的(低頻的)系統時脈用振盪器動作而使低速的時脈輸出。
而且在微電腦動作時是使1個系統時脈用振盪器與時鐘用振盪器同時動作。另一方面，在微電腦待機時(standby等時)則是使所有的系統時脈用振盪器停止，僅使時鐘用振盪器動作。此時，為了降低微電腦待機時的消耗電力而將時鐘用振盪器的電源阻抗(impedance)設定得較高。
此種微電腦被記載於專利文獻1、2中。
先前技術文獻：
專利文獻1：日本特開2002-222024號公報
專利文獻2：日本特開平9-34867號公報
然而，若將時鐘用振盪器的電源阻抗設定得較高，則在微電腦的高速處理的動作模式下時，由於從高速的系統時脈用振盪器產生的雜訊(noise)大，該雜訊會對時鐘用振盪器的時脈造成影響而有時鐘誤動作的問題。另一方面，若為了解決雜訊的問題而將時鐘用振盪器的電源阻抗設定得較低，則會有微電腦的消耗電力增加的問題。
以下列舉本申請案所揭示發明中的主要手段。
本發明的電子電路係具備：第1振盪器，產生第1時脈，且其電源阻抗能夠進行可變控制；第2振盪器，產生頻率比第1時脈高的第2時脈；以及控制電路，在第2振盪器停止時將第1振盪器的電源阻抗設定為較高，在第2振盪器動作時將第1振盪器的電源阻抗設定為較低。
此外，本發明的電子電路係具備：第1振盪器，產生第1時脈，且其電源阻抗能夠進行可變控制；第2振盪器，產生頻率比前述第1時脈高的第2時脈；第3振盪器，產生頻率比前述第2時脈高的第3時脈；以及控制電路，在前述第2及第3振盪器停止時將前述第1振盪器的電源阻抗設定為高阻抗，在前述第2振盪器動作、前述第3振盪器停止時將前述第1振盪器的電源阻抗設定為中阻抗，在前述第3振盪器動作、前述第2振盪器停止時將前述第1振盪器的電源阻抗設定為低阻抗。
依據本發明，因應電子電路(例如，微電腦)的動作模式而針對低頻的振盪器設定適當的電源阻抗，藉此，既能夠防止前述振盪器的誤動作，亦能夠適當地降低消耗電力。
根據第1圖至第4圖，說明本發明實施形態的微電腦。首先根據第1圖，說明微電腦的整體構成。
首先，如圖示，設置產生高速時脈(例如，頻率8MHz)的高速振盪器11、產生中速時脈(例如，頻率4MHz)的中速振盪器12、以及產生低速時脈(例如，頻率1MHz)的低速振盪器13來作為系統時脈的時脈源。這3個振盪器例如為含有電阻器R及電容器C而形成的RC振盪器。
這3個振盪器係由CPU 10控制啟動與停止。亦即，CPU 10依據儲存在ROM(Read Only Memory；唯讀記憶體)14內的程式而控制動作模式切換部15。動作模式切換部15根據來自CPU 10的程式指令而將相對應的控制信號S1、S2、S3輸出到高速振盪器11、中速振盪器12及低速振盪器13。亦即，在高速動作模式的情形中，控制信號S1變為H位準(level)，從而高速振盪器11動作；在中速動作模式的情形中，控制信號S2變為H位準，從而中速振盪器12動作；在低速動作模式的情形中，控制信號S3變為H位準，從而低速振盪器13動作。
此外，時脈選擇部16根據來自動作模式切換部15的控制信號S4而選擇來自高速振盪器11、中速振盪器12及低速振盪器13的時脈並施加至次段的分頻器17。分頻器17依據來自動作模式切換部15的控制信號S5而將所選擇的時脈以預定的分頻比予以分頻。由分頻器17分頻的時脈被用作為使CPU 10等動作用的系統時脈。
CPU 10除了控制動作模式切換部15之外，還依據儲存在ROM 14內的程式而控制周邊裝置(device)18、電源阻抗控制暫存器19、時鐘電路20、RAM(Random Access Memory；隨機存取記憶體)等。周邊裝置18係包含計時器(timer)、A/D(Analog-to-Digital；數位類比轉換)轉換器(converter)、輸出/輸入電路等。
另一方面，石英晶體振盪器30乃為用以產生時鐘用時脈的振盪器，所產生的時鐘用時脈被施加至時鐘電路20。時鐘電路20含有根據時鐘用時脈而動作的計數器(counter)電路，而具有進行年、日、時、分、秒等計數的時鐘功能。石英晶體振盪器30的振盪頻率例如為32Kz，是以比高速振盪器11(例如8MHz)、中速振盪器12(例如4MHz)、低速振盪器13(例如1MHz)的振盪頻率相當低的頻率振盪。
在該石英晶體振盪器30中，於微電腦的端子P1、P2外接有石英晶體振盪子XTAL、電容器C1、C2，端子P1、P2之間則連接有電阻器R、負回授用反相器31(放大器的一種)。並且，設置有切換反相器31的電源阻抗的電源阻抗切換部32。[反相器inverter，有稱為換流器的情形]。
電源阻抗切換部32的切換動作是根據來自動作模式切換部15的控制信號S1、S2或來自電源阻抗控制暫存器19的控制信號S6、S7而受到控制。控制信號S1、S6是輸入至第1 OR(「或」)電路21，控制信號S2、S7是輸入至第2 OR電路22。並且，從第1 OR電路21輸出第1阻抗控制信號A，從第2 OR電路22輸出第2阻抗控制信號B。
第1阻抗控制信號A為H位準時，反相器31的電源阻抗被設定為低阻抗；第2阻抗控制信號B為H位準時，反相器31的電源阻抗被設定為中阻抗；第1及第2阻抗控制信號A、B皆為L位準時，反相器31的電源阻抗被設定為高阻抗。
亦即，藉由動作模式與電源阻抗控制暫存器19的資料設定，即能夠最適當地控制石英晶體振盪器30的電源阻抗。
在此，反相器31乃是放大器的一種，切換其電源阻抗是等效於切換放大器的增益(gain)。換言之，調降反相器31的電源阻抗是等效於調降其增益設定；調高反相器31的電源阻抗是等效於調高其增益設定。
此外，第1圖的電源阻抗切換部32雖然是如圖示設置在反相器31的電源電位VDD供給用的電源端子與電源電位VDD之間，但電源阻抗切換部32亦可設置在反相器31的接地電位VSS供給用的接地端子與接地電位VSS之間，亦可設置在電源電位VDD側與接地電位VSS側雙方。
根據第2圖說明石英晶體振盪器30的更詳細的構成例。如圖所示，反相器31乃為將P通道(channel)型MOS(Metal Oxide Semiconductor；金屬氧化物半導體)電晶體(transistor)MP1與N通道型MOS電晶體MN1串聯連接而成的CMOS(Complementary Metal Oxide Semiconductor；互補式金屬氧化物半導體)反相器。由於反相器31是作為反相放大器來使用，因此並不限於CMOS反相器，亦可為其他類型的反相放大器。
在P通道型MOS電晶體MP1的源極與供給電源電位VDD的電源線33之間，插入有並聯的P通道型MOS電晶體MP2、MP3、MP4(開關(switching)元件的一例)。在P通道型MOS電晶體MP2的閘極施加接地電位VSS，藉此P通道型MOS電晶體MP2恆常被設定為導通(On)狀態。在P通道型MOS電晶體MP3的閘極施加第1阻抗控制信號A的反相信號。在P通道型MOS電晶體MP4的閘極施加第2阻抗控制信號B的反相信號。
此外，在N通道型MOS電晶體MN1的源極與供給接地電位VSS的接地線34之間，插入有並聯的N通道型MOS電晶體MN2、MN3、MN4(開關元件的一例)。在N通道型MOS電晶體MN2的閘極施加電源電位VDD，藉此N通道型MOS電晶體MN2恆常被設定為導通狀態。在N通道型MOS電晶體MN3的閘極施加第1阻抗控制信號A。在N通道型MOS電晶體MN4的閘極施加第2阻抗控制信號B。
恆常導通的P通道型MOS電晶體MP2、N通道型MOS電晶體MN2是藉由將電晶體尺寸縮小(縮小通道寬度/通道長度的比率)，而使導通狀態的源極汲極間阻抗設定為高阻抗。
由第1阻抗控制信號A控制導通關斷(On/Off)的P通道型MOS電晶體MP3、N通道型MOS電晶體MN3是藉由將電晶體尺寸增大(增大通道寬度/通道長度的比率)，而使導通狀態的源極汲極間阻抗設定為低阻抗。
由第2阻抗控制信號B控制導通關斷的P通道型MOS電晶體MP4、N通道型MOS電晶體MN4是藉由將電晶體尺寸縮得比P通道型MOS電晶體MP3、N通道型MOS電晶體MN3小(縮小通道寬度/通道長度的比率)，而使導通狀態的源極汲極間阻抗設定為中阻抗。
依據上述構成，當第1阻抗控制信號A為H位準且第2阻抗控制信號B為L位準時，僅MP2、MN2、MP3、MN3導通，因此反相器31的電源阻抗成為低阻抗。換言之，反相器31與電源線33、反相器31與接地線34之間的阻抗變低。所謂電源阻抗的概念，是包含反相器31與電源線33之間的阻抗、反相器31與接地線34之間的阻抗。
當第2阻抗控制信號B為H位準且第1阻抗控制信號A為L位準時，僅MP2、MN2、MP4、MN4導通，因此反相器31的電源阻抗成為中阻抗。此外，當第1及第2阻抗控制信號A、B皆為L位準時，僅MP2、MN2導通，因此反相器31的電源阻抗成為高阻抗。
在第2圖的石英晶體振盪器30中，電源阻抗切換部32是設置在電源電位VDD側(P通道型MOS電晶體MP1的源極側)與接地電位VSS側(N通道型MOS電晶體MN1的源極)雙方。
電源阻抗切換部32並不限於上述構成，亦可如第3圖所示僅設置在反相器31的電源電位VDD側(P通道型MOS電晶體MP1的源極與電源線33之間)。此外，亦可如第4圖所示僅設置在反相器31的接地電位VSS側(N通道型MOS電晶體MN1的源極與接地線34之間)。此外，構成電源阻抗切換部32的電源阻抗切換用的電晶體並不限於上述種類的MOS電晶體，亦可使用雙極性電晶體(bipolar transistor)等其他開關元件。
上述的微電腦的動作，彙整如下表1。
首先，若選擇高速動作模式，則控制信號S1變為H位準，從而高速振盪器11動作(控制信號S2、S3為L位準)。微電腦根據高速振盪器11所產生的高速的系統時脈而動作。此時，因應控制信號S1，第1阻抗控制信號A變為H位準，石英晶體振盪器30的電源阻抗被設定為低阻抗。
藉此，就算從高速振盪器11產生大的雜訊，由於石英晶體振盪器30的電源阻抗低，因此可抑制因雜訊所致的時脈波形的錯亂，時鐘電路20得以正常動作。
此情形中，石英晶體振盪器30的消耗電力雖增加，但其消耗電力相比於高速振盪器11動作時的微電腦的消耗電力，小到可以忽略，因此就微電腦整體而言，石英晶體振盪器30的消耗電力的增加並不會造成問題。這是由於在一般的微電腦中，相對於高速振盪器11的消耗電流為數mA左右，石英晶體振盪器30的消耗電流在數μA以下之故。
此外，若選擇中速動作模式，則控制信號S2變為H位準，從而中速振盪器12動作(控制信號S1、S3為L位準)。微電腦根據中速振盪器12所產生的中速的系統時脈而動作。此時，因應控制信號S2，第2阻抗控制信號B變為H位準，石英晶體振盪器30的電源阻抗被設定為中阻抗。藉此，即使因中速石英晶體振盪器12而產生中度的雜訊，由於石英晶體振盪器30的電源阻抗被設定為中阻抗，因此可抑制因雜訊所致的時脈波形的錯亂，時鐘電路20得以正常動作。
此外，若選擇低速動作模式，則控制信號S3變為H位準，從而低速振盪器13動作。微電腦根據低速振盪器13所產生的低速的系統時脈而動作。低速振盪器13所產生的雜訊小，石英晶體振盪器30的誤動作大多不會造成問題。因此，在此種情形中，由於控制信號S1、S2皆為L位準，因此第1及第2阻抗控制信號A、B皆成為L位準，石英晶體振盪器30的電源阻抗被設定為高阻抗。藉此，將消耗電力盡可能降低。
此外，在微電腦待機時(standby時)是將控制信號S1、S2、S3設定為L位準，使高速振盪器11、中速振盪器12、低速振盪器13的動作全部停止。此情形中，第1及第2阻抗控制信號A、B皆成為L位準，石英晶體振盪器30的電源阻抗被設定為高阻抗。
由於沒有從高速振盪器11、中速振盪器12、低速振盪器13產生的雜訊，因此石英晶體振盪器30的電源阻抗設定為高阻抗也不會有振盪器30誤動作之虞。此時，由於電源阻抗被設定為高阻抗，因此可降低反相器31的動作電流，結果石英晶體振盪器30的消耗電流降低至例如1μA以下。藉此，微電腦的消耗電力即被降低至最小限度。
石英晶體振盪器30的電源阻抗亦可有別於藉由動作模式切換部15所選擇的上述動作模式來控制，而藉由儲存在電源阻抗控制暫存器19的控制信號S6、S7來控制。換言之，在控制信號S6為H位準時，第1阻抗控制信號A成為H位準，當控制信號S7成為H位準時，第2阻抗控制信號B成為H位準。
藉此，例如，當有因為低速振盪器13所產生的雜訊而導致石英晶體振盪器30誤動作之虞時，亦能夠藉由電源阻抗控制暫存器19的設定而將石英晶體振盪器30的電源阻抗降低。此外，即使是在微電腦待機時(standby時)，當有因為外部雜訊而導致石英晶體振盪器30誤動作之虞時，亦能夠藉由電源阻抗控制暫存器19的設定而將石英晶體振盪器30的電源阻抗降低。
此外，雖然在上述的實施形態中是設置高速振盪器11、中速振盪器12及低速振盪器13的3個系統時脈產生用的振盪器，但並不限定於此，亦可將本發明應用於系統時脈用的振盪器為1個(例如，高速振盪器11、中速振盪器12及低速振盪器13之中的任1個)、2個(例如，高速振盪器11、中速振盪器12及低速振盪器13之中的任2個)的情況。此外，亦可將本發明應用於系統時脈用的振盪器為4個(例如，除了高速振盪器11、中速振盪器12及低速振盪器13之外，再追加振盪頻率與這些振盪器相異的系統時脈用振盪器)以上的情況。
此外，在微電腦中，除了系統時脈用的振盪器(本實施形態中為高速振盪器11、中速振盪器12、低速振盪器13)之外，亦可將本發明應用於設置有產生用以使計時器等動作的時脈的陶瓷濾波器(ceramic filter)振盪器(CF振盪器)的情況。
亦即，在陶瓷濾波器振盪器動作時，使石英晶體振盪器30的電源阻抗降低而提升耐雜訊性。另一方面，在陶瓷濾波器振盪器不動作的待機時，將石英晶體振盪器30的電源阻抗提高而謀求低消耗電力化。由於陶瓷濾波器振盪器亦會產生大雜訊，故本發明的效果顯著。
另外，本發明適合於將微電腦(尤其是第1圖的系統)中除了石英晶體振盪器30的石英晶體振盪子XTAL等與屬於CF振盪器的陶瓷濾波器等之外皆積體化在一晶片上而成的單晶片微電腦，但不限於此，本發明是能夠廣泛地應用於具有振盪頻率相異的複數個振盪器的電子電路(例如，半導體積體電路)。
10．．．CPU
11．．．高速振盪器
12．．．中速振盪器
13．．．低速振盪器
14．．．ROM
15．．．動作模式切換部
16．．．時脈選擇部
17．．．分頻器
18．．．周邊裝置
19．．．電源阻抗控制暫存器
20．．．時鐘電路
21．．．第1 OR電路
22．．．第2 OR電路
30．．．石英晶體振盪器
31．．．反相器
32．．．電源阻抗切換部
33．．．電源線
34．．．接地線
C1、C2．．．電容器
MN1至MN4．．．N通道型MOS
MP1至MP4．．．P通道型MOS
P1、P2．．．端子
R．．．電阻器
S1至S7．．．控制信號
VDD．．．電源電位
VSS．．．接地電位
XTAL．．．石英晶體振盪子
第1圖是本發明實施形態的微電腦的電路圖。
第2圖是本發明實施形態的石英晶體振盪器的第1電路圖。
第3圖是本發明實施形態的石英晶體振盪器的第2電路圖。
第4圖是本發明實施形態的石英晶體振盪器的第3電路圖。
10．．．CPU
11．．．高速振盪器
12．．．中速振盪器
13．．．低速振盪器
14．．．ROM
15．．．動作模式切換部
16．．．時脈選擇部
17．．．分頻器
18．．．周邊裝置
19．．．電源阻抗控制暫存器
20．．．時鐘電路
21．．．第1 OR電路
22．．．第2 OR電路
30．．．石英晶體振盪器
31．．．反相器
32．．．電源阻抗切換部
C1、C2．．．電容器
P1、P2．．．端子
R．．．電阻器
S1至S7．．．控制信號
VDD．．．電源電位
XTAL．．．石英晶體振盪子

Claims (6)

  1. 一種微電腦的電子電路，係具備：第1振盪器，產生第1時脈，且其電源阻抗能夠進行可變控制；第2振盪器，產生頻率比前述第1時脈高的第2時脈；以及控制電路，在前述第2振盪器停止時將前述第1振盪器的電源阻抗設定為較高，在前述第2振盪器動作時將前述第1振盪器的電源阻抗設定為較低，前述控制電路係具備暫存器，該暫存器儲存用以對前述第1振盪器的電源阻抗進行可變控制的控制信號；且前述控制電路根據儲存在該暫存器內的控制信號而控制前述第1振盪器的電源阻抗。
  2. 一種微電腦的電子電路，係具備：第1振盪器，產生第1時脈，且其電源阻抗能夠進行可變控制；第2振盪器，產生頻率比前述第1時脈高的第2時脈；第3振盪器，產生頻率比前述第2時脈高的第3時脈；以及控制電路，在前述第2及第3振盪器停止時將前述第1振盪器的電源阻抗設定為高阻抗，在前述第2振盪器動作、前述第3振盪器停止時將前述第1振盪器的電源阻抗設定為中阻抗，在前述第3振盪器動作、前述第 2振盪器停止時將前述第1振盪器的電源阻抗設定為低阻抗，前述控制電路係具備暫存器，該暫存器儲存用以對前述第1振盪器的電源阻抗進行可變控制的控制信號；且前述控制電路根據儲存在該暫存器內的控制信號而控制前述第1振盪器的電源阻抗。
  3. 如申請專利範圍第2項之微電腦的電子電路，其中，具備動作模式切換電路，該動作模式切換電路輸出使前述第2振盪器與前述第3振盪器中任一者動作的動作模式切換信號；且前述控制電路根據前述動作模式切換信號而控制前述第1振盪器的電源阻抗。
  4. 如申請專利範圍第1至3項中任一項之微電腦的電子電路，其中，前述第1振盪器是石英晶體振盪器。
  5. 如申請專利範圍第4項之微電腦的電子電路，其中，前述第1振盪器具備：第1端子；第2端子；石英晶體振動子及放大器，連接在前述第1端子與前述第2端子之間；電源線，供給電源電位給前述放大器；接地線，供給接地電位給前述放大器；以及電源阻抗切換部，具備有設置在前述放大器的電源端子與前述電源線之間或前述放大器的接地端子與前述接地線之間的電源阻抗切換用的開關元件； 構成為藉由前述控制電路而控制前述電源阻抗切換部的前述開關元件的導通關斷(on-off)。
  6. 如申請專利範圍第1至3項中任一項之微電腦的電子電路，其中，前述第2振盪器為RC振盪器或陶瓷濾波器振盪器。
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