TWI559675B - Crystal oscillator circuit and electronic clock - Google Patents

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Description

水晶振盪電路以及電子鐘
本發明是有關於一種消耗電流低且振盪開始時間穩定地短的水晶振盪電路。
電子鐘等中所使用的水晶振盪電路已知有如專利文獻1所示的構成。圖5是於不脫離專利文獻1所示的水晶振盪電路的範圍內進行圖示。
水晶振盪電路109包含P通道金屬氧化物半導體（P-channel Metal Oxide Semiconductor，PMOS）電晶體P31、PMOS電晶體P32、N通道金屬氧化物半導體（N-channel Metal Oxide Semiconductor，NMOS）電晶體N31、NMOS電晶體N32、電容C1、電容C2、電容C3、電容C4、反饋電阻29、定電流源49、定電壓電路19、水晶振動元件69。
包含PMOS電晶體P31與NMOS電晶體N31的振盪反相器（inverter）的動作電流由定電流源49中流通的電流I9而控制。因此，水晶振盪電路藉由減小電流I9，而可減小消耗電流。進而，包含PMOS電晶體P32與NMOS電晶體N32的振幅限制電路藉由對端子XOUT的振幅進行限制，而可減小水晶振盪電路的消耗電流。此外，藉由利用自定電壓電路19輸出的定電壓VREG對水晶振盪電路進行驅動，而可減小水晶振盪電路的消耗電流。而且，藉由振幅限制電路，亦有使振盪開始時間提早的效果。 [現有技術文獻] [專利文獻]
[專利文獻1]日本專利特開2011-134347號公報 [發明所欲解決之課題]
然而，現有的水晶振盪電路有如下課題。 若減小定電流值I9，則有變得無法振盪的可能性。另外，若增大定電流值I9，則由電容C2與定電流源49寄生地構成的高通濾波器（high-pass filter）的截止（cutoff）頻率會增大，故而有變得無法振盪的可能性。因此，必須使定電流值I9最適合化。此外，若定電流值I9產生偏差，則有振盪開始時間變長的缺點。
[解決課題之手段] 為了解決現有的課題，本發明的水晶振盪電路設為如下構成。 一種水晶振盪電路，包括水晶振動元件、反饋電阻、偏壓電路（biasing circuit）、定電壓電路、以及包含定電流反相器的振盪反相器，振盪反相器由基於來自偏壓電路與水晶振動元件的輸入信號的電流而控制，且由定電壓電路的輸出電壓而驅動。 [發明的效果]
根據本發明的水晶振盪電路，有消耗電流低，且即便存在製程偏差，振盪開始時間亦穩定地短的效果。
以下，參照圖式對本實施方式進行說明。 [實施例]
圖1是表示本實施方式的水晶振盪電路的電路圖。 水晶振盪電路100包含PMOS電晶體P1、PMOS電晶體P2、NMOS電晶體N1、NMOS電晶體N2、電容CP、電容CN、電容CC、電容CG、電容CD、反饋電阻20、電阻RP、電阻RN、偏壓電路50、定電壓電路10、以及水晶振動元件60。偏壓電路50包含定電流源40、定電流源41、PMOS電晶體P3、PMOS電晶體P4、NMOS電晶體N3、NMOS電晶體N4。
圖2是表示本實施方式的水晶振盪電路的定電壓電路的一例的電路圖。 定電壓電路10包含定電流源42、PMOS電晶體P11、PMOS電晶體P12、PMOS電晶體P13、NMOS電晶體N10、NMOS電晶體N11、NMOS電晶體N12、NMOS電晶體N13、差動放大電路30。
對本實施方式的水晶振盪電路的連接進行說明。 PMOS電晶體P2的源極（source）連接於PMOS電晶體P1的汲極（drain），PMOS電晶體P2的閘極（gate）連接於節點（node）VG，PMOS電晶體P2的汲極連接於節點XOUT。PMOS電晶體P1的源極連接於電源VDD，PMOS電晶體P1的閘極連接於節點VP1。NMOS電晶體N2的源極連接於NMOS電晶體N1的汲極，NMOS電晶體N2的閘極連接於節點VG，NMOS電晶體N2的汲極連接於節點XOUT。NMOS電晶體N1的源極連接於定電壓電路10的輸出端子（節點VREG），NMOS電晶體N1的閘極連接於節點VN1。反饋電阻20的一端連接於節點VG，另一端連接於節點XOUT。電容CC的一端連接於節點XIN，另一端連接於節點VG。電容CP的一端連接於節點XIN，另一端連接於節點VP1。電容CN的一端連接於節點XIN，另一端連接於節點VN1。電容CG的一端連接於節點XIN，另一端連接於電源VDD。電容CD的一端連接於節點XOUT，另一端連接於電源VDD。電阻RP的一端連接於節點VP1，另一端連接於偏壓電路50的輸出端子（節點VP0）。電阻RN的一端連接於節點VN1，另一端連接於偏壓電路50的輸出端子（節點VN0）。水晶振動元件60的一端連接於節點XIN，另一端連接於節點XOUT。
對偏壓電路50的連接進行說明。 定電流源40的一端連接於電源VDD，另一端連接於節點VN0。定電流源41的一端連接於電源VDD，另一端連接於PMOS電晶體P4的源極。PMOS電晶體P4的汲極連接於節點VN0，PMOS電晶體P4的閘極被輸入信號S1。NMOS電晶體N3的源極連接於節點VREG，NMOS電晶體N3的閘極及汲極連接於節點VN0。NMOS電晶體N4的源極連接於節點VREG，NMOS電晶體N4的閘極連接於節點VN0，NMOS電晶體N4的汲極連接於節點VP0。PMOS電晶體P3的源極連接於電源VDD，PMOS電晶體P3的閘極及汲極連接於節點VP0。
對定電壓電路10的連接進行說明。 定電流源42的一端連接於電源VDD，另一端連接於NMOS電晶體N10的閘極及汲極。NMOS電晶體N10的源極連接於電源VSS。NMOS電晶體N11的源極連接於電源VSS，NMOS電晶體N11的閘極連接於NMOS電晶體N10的閘極，NMOS電晶體N11的汲極連接於節點VP3。PMOS電晶體P11的源極連接於電源VDD，PMOS電晶體P11的閘極及汲極連接於節點VP3。PMOS電晶體P12的源極連接於電源VDD，PMOS電晶體P12的閘極連接於節點VP3，PMOS電晶體P12的汲極連接於節點VN3。NMOS電晶體N12的源極連接於節點VREG，NMOS電晶體N12的閘極及汲極連接於節點VN3。NMOS電晶體N13的源極連接於電源VSS，NMOS電晶體N13的閘極連接於差動放大電路30的輸出端子（節點VOUT），NMOS電晶體N13的汲極連接於節點VREG。PMOS電晶體P13的源極連接於電源VDD，PMOS電晶體P13的汲極連接於節點VOUT，PMOS電晶體P13的閘極被輸入信號S1。
PMOS電晶體P1、PMOS電晶體P2及NMOS電晶體N1、NMOS電晶體N2構成振盪反相器。該振盪反相器中流通的電流為驅動電流。 偏壓電路50輸出用於決定PMOS電晶體P1與NMOS電晶體N1的閘極電壓的電壓VP0與電壓VN0。而且，例如PMOS電晶體P3、PMOS電晶體P4及NMOS電晶體N3、NMOS電晶體N4以相同尺寸構成，且各電晶體中流通定電流源40的電流I1。但，各電晶體中流通的電流並非特別限定於電流I1，可適當設定以滿足如以下所說明的功能。
定電壓電路10在通常動作時自輸出端子輸出以電源VDD為基準的電壓VREG，在振盪開始時輸出電源VSS的電壓。電壓VREG為藉由差動放大電路30的功能而與PMOS電晶體P11和NMOS電晶體N12的臨限值電壓VTH的和成比例的電壓。圖2所示的定電壓電路10為一例，只要為輸出如上所述的電壓VREG的電路，則並不限定於此。
對如此構成的本實施方式的水晶振盪電路的動作進行說明。 [通常動作時] 圖3是表示本實施方式的水晶振盪電路的動作的圖。 信號S1在通常動作時成為高位準（High level）。定電壓電路10由於PMOS電晶體P13斷開（off），故而對輸出端子輸出電壓VREG。因此，水晶振盪電路100的節點XIN與節點XOUT的電壓以電壓VREG/2為中心進行振動。偏壓電路50的PMOS電晶體P4因信號S1為高位準而斷開，因此，節點VN0成為由定電流源40的電流I1與NMOS電晶體N3的臨限值電壓VTH所決定的電壓。節點VN1經由電阻RN而與節點VN0連接，且利用電容CN而與節點XIN耦合，因此，節點VN1的電壓以節點VN0的電壓為中心且以與節點XIN相同的相位進行振動。同樣地，節點VP0成為由定電流源40的電流I1與PMOS電晶體P3的臨限值電壓VTH所決定的電壓。節點VP1經由電阻RP而與節點VP0連接，且利用電容CP而與節點XIN耦合，因此，節點VP1的電壓以節點VP0的電壓為中心且以與節點XIN相同的相位進行振動。
當節點XOUT的電壓最接近電源VDD的電壓時，即，當PMOS電晶體P2接通（on）時，節點VP1的電壓低於節點VP0的電壓。因此，PMOS電晶體P1中流通的電流多於電流I1。進而，節點VN1的電壓亦低於節點VN0的電壓，因此，NMOS電晶體N1中流通的電流少於電流I1。
另外，當節點XOUT的電壓最接近電壓VREG時，即，當NMOS電晶體N2接通時，節點VN1的電壓高於節點VN0的電壓。因此，NMOS電晶體N1中流通的電流多於電流I1。進而，節點VP1的電壓亦高於節點VP0的電壓，因此，PMOS電晶體P1中流通的電流少於電流I1。
因此，可使包含PMOS電晶體P1、PMOS電晶體P2、NMOS電晶體N1、NMOS電晶體N2的振盪反相器作為定電流反相器而最適合地進行動作，且可減少直通電流（through current）。進而，可使電流I1成為最小，因此，亦可減少偏壓電路50的消耗電流，從而可減少水晶振盪電路的消耗電流。
另外，由於振盪反相器的輸出即節點XOUT的電壓以電壓VREG/2為中心進行振動，故而將電容CD與水晶振動元件60進行充放電的電流依賴於電壓VREG。因此，藉由減小電壓VREG，而可使充放電電流成為最小，從而可減少水晶振盪電路的消耗電流。但，定電壓VREG必須以不低於振盪停止電壓的方式進行設定。
[振盪開始時] 在振盪開始時，將信號S1在規定時間的期間設為低位準（Low level）。 若信號S1成為低位準，則偏壓電路50的PMOS電晶體P4接通，因此，水晶振盪電路100的驅動電流成為定電流源40的電流I1與定電流源41的電流I2的和。藉由驅動電流的增加，PMOS電晶體P1與NMOS電晶體N1中流通的電流變得充分大，從而振盪反相器的動作如包含PMOS電晶體P2與NMOS電晶體N2的CMOS反相器般而非定電流反相器般進行動作。因此，水晶振盪電路100可使振盪開始時間穩定地提早。
若信號S1成為低位準，則定電壓電路10的PMOS電晶體P13接通，故而NMOS電晶體N13接通，對定電壓電路10的輸出端子輸出電源VSS的電壓。因此，振盪反相器的驅動電壓成為電源VDD～電源VSS之間的電壓，故而可使振盪開始時間穩定地提早。
如以上所說明，水晶振盪電路100藉由在振盪開始時使振盪反相器的驅動電流與驅動電壓較通常動作時增加，而可使振盪開始時間穩定地提早。因此，在通常動作時可減小振盪反相器的驅動電流而降低驅動電壓，故而不會犧牲振盪開始時間便可減小消耗電流。
另外，對利用定電流源41與PMOS電晶體P4使振盪開始時的驅動電流增加的構成進行了說明，但亦可使用其他電路構成。例如，亦可在振盪開始時變更形成電流鏡（current mirror）的NMOS電晶體N3與NMOS電晶體N1、PMOS電晶體P1與PMOS電晶體P2的鏡像比（mirror ratio）。另外，亦可在振盪開始時使節點VN1連接於電源VDD，使節點VP1連接於電源VSS。
圖4是表示本實施方式的水晶振盪電路的定電壓電路的另一例的電路圖。 定電壓電路11是自定電壓電路10去除PMOS電晶體P13，進而追加NMOS電晶體N14與開關（switch，SW）70而成。
NMOS電晶體N14的源極連接於節點VN5，NMOS電晶體N14的閘極及汲極連接於節點VN4。SW 70的一端連接於節點VN4，另一端連接於節點VN5，控制端子被輸入信號S1。SW 70例如在信號S1為高位準時接通，為低位準時斷開。
[通常動作時] 在通常動作時，信號S1成為高位準，故而SW 70接通。因此，定電壓電路11進行與定電壓電路10的通常時同樣的動作。
[振盪開始時] 在振盪開始時，將信號S1在規定時間的期間設為低位準。 由於信號S1為低位準，故而定電壓電路11的SW 70斷開。因此，對定電壓電路11的輸出端子，輸出與PMOS電晶體P11、NMOS電晶體N12及NMOS電晶體N14的臨限值電壓VTH的和成比例的電壓VREG。該電壓VREG與通常動作時的電壓相比，變大相當於NMOS電晶體N14的臨限值電壓VTH的量，因此可使振盪開始時間提早。
若驅動電壓高，則水晶振盪電路有轉變為諧波振盪之慮，但定電壓電路11所輸出的電壓VREG為較通常動作時的輸出電壓大相當於NMOS電晶體N14的臨限值電壓VTH的量的電壓，因此，可防止諧波振盪，且有使振盪開始時間提早的效果。
如以上所說明，水晶振盪電路100藉由在振盪開始時使振盪反相器的驅動電流與驅動電壓較通常動作時增加，而可使振盪開始時間穩定地提早。因此，在通常動作時可減小振盪反相器的驅動電流而降低驅動電壓，故而不會犧牲振盪開始時間便可減小消耗電流。因此，本發明的水晶振盪電路最適於需要消耗電流低且振盪開始時間穩定地短的水晶振盪電路的電子鐘等。
另外，本實施方式的水晶振盪電路的構成為一例，可在不脫離申請範圍的範圍內進行變形。 另外，亦可將偏壓電路50與定電壓電路10的一部分電路兼用。例如，將水晶振盪電路100的節點VP0、節點VN0分別與定電壓電路10的節點VP3、節點VN3連接。如此，可縮小晶片面積。
另外，電阻RP、電阻RN亦可使用傳輸閘極（transmission gate）或電壓跟隨器（voltage follower）電路等來代替電阻元件。 另外，對在振盪開始時變更驅動電流及驅動電壓兩者的情況進行了敍述，但亦可變更任一個。
10、11、19‧‧‧定電壓電路
20、29‧‧‧反饋電阻
30‧‧‧差動放大電路
40、41、42、49‧‧‧定電流源
50‧‧‧偏壓電路
60、69‧‧‧水晶振動元件
70‧‧‧開關
100、109‧‧‧水晶振盪電路
C1、C2、C3、C4、CC、CD、CG、CN、CP‧‧‧電容
I1、I2、I9‧‧‧電流
N1、N2、N3、N4、N10、N11、N12、N13、N14、N31、N32‧‧‧NMOS電晶體
P1、P2、P3、P4、P11、P12、P13、P31、P32‧‧‧PMOS電晶體
RN、RP‧‧‧電阻
S1‧‧‧信號
VDD、VSS‧‧‧電源
VG、VN1、VN3、VN4、VN5、VOUT、VP1、VP3、XIN、XOUT‧‧‧節點
VN0、VP0、VREG‧‧‧節點（電壓）
圖1是表示本實施方式的水晶振盪電路的電路圖。 圖2是表示本實施方式的水晶振盪電路的定電壓電路的一例的電路圖。 圖3是表示本實施方式的水晶振盪電路的動作的圖。 圖4是表示本實施方式的水晶振盪電路的定電壓電路的另一例的電路圖。 圖5是表示現有的水晶振盪電路的電路圖。
10‧‧‧定電壓電路
20‧‧‧反饋電阻
40、41‧‧‧定電流源
50‧‧‧偏壓電路
60‧‧‧水晶振動元件
100‧‧‧水晶振盪電路
CC、CD、CG、CN、CP‧‧‧電容
I1、I2‧‧‧電流
N1、N2、N3、N4‧‧‧NMOS電晶體
P1、P2、P3、P4‧‧‧PMOS電晶體
RN、RP‧‧‧電阻
S1‧‧‧信號
VG、VN0、VN1、VP0、VP1、VREG、XIN、XOUT‧‧‧節點

Claims (3)

  1. 一種水晶振盪電路，包括水晶振動元件、反饋電阻、偏壓電路、定電壓電路、以及包含定電流反相器的振盪反相器，所述振盪反相器由基於來自所述偏壓電路與所述水晶振動元件的輸入信號的電流而控制，且由所述定電壓電路的輸出電壓而驅動，其中所述振盪反相器由電流源電晶體與構成反相器的電晶體串聯連接而成，所述電流源電晶體的閘極經由電阻而與所述偏壓電路的輸出端子連接，且經由電容器而與所述水晶振動元件的輸入端子連接。
  2. 如申請專利範圍第1項所述的水晶振盪電路，其中在振盪開始時，使所述定電壓電路的輸出電壓與基於所述輸入信號的電流的至少任一個增加。
  3. 一種電子鐘，包括如申請專利範圍第1項或第2項所述的水晶振盪電路。
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