JP2002261545A - Low-voltage oscillation circuit - Google Patents

Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a low-voltage oscillation circuit which operates with a low-voltage power supply, consumes a small quantity of current and exhibits proper phase noise characteristics. SOLUTION: The low-voltage oscillation circuit is provided with a DC power source, a stabilization circuit which stabilizes the output voltage of the DC power source at a still lower constant voltage, a crystal oscillator which operates with a constant output supplied from the stabilization circuit, a first buffer which amplifies the oscillation output of the crystal oscillator operating with the power supplied from the DC power source, a second buffer which forms the output waveform of the first buffer, and a third buffer which operates by a power supplied from the DC power source, amplifies the output waveform of the second buffer and outputs it to the outside with a low impedance.

Description

【発明の詳細な説明】DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION

【０００１】[0001]

【発明の属する技術分野】本発明は低電圧、低電流で動
作する小型の低電圧発振回路に関する。[0001] 1. Field of the Invention [0002] The present invention relates to a small-sized low-voltage oscillation circuit which operates at a low voltage and a low current.

【０００２】[0002]

【従来の技術】最近、携帯電話など移動体通信機器の小
型、軽量化に対応して周波数の基準として用いる水晶発
振器も低電圧、低電流、そして小型化が望まれている。
すなわちこの種の機器の小型、軽量化を図り、かつ長時
間の動作を可能にするためには、大きな容積と重量を占
める電池の小型化、低電圧化が選択肢の１つとなる。2. Description of the Related Art In recent years, there has been a demand for a low-voltage, low-current, and downsized crystal oscillator used as a frequency reference in response to the reduction in size and weight of mobile communication devices such as mobile phones.
That is, in order to reduce the size and weight of this type of device and to enable long-term operation, one of the options is to reduce the size and the voltage of the battery, which occupies a large volume and weight.

【０００３】したがって、このような機器に用いる発振
器も、たとえば５ｍｍ角程度の大きさで、２．４Ｖの低
電圧で動作し、かつ２ｍＡ以下の低消費電流で所定の温
度範囲で数ｐｐｍの周波数安定度を有することを要求さ
れる。図４は従来の２．４Ｖの電源電圧で動作する低電
圧発振回路の一例を示すブロック図である。Therefore, an oscillator used in such a device also has a size of, for example, about 5 mm square, operates at a low voltage of 2.4 V, has a low current consumption of 2 mA or less, and has a frequency of several ppm in a predetermined temperature range. It is required to have stability. FIG. 4 is a block diagram showing an example of a conventional low-voltage oscillation circuit that operates at a power supply voltage of 2.4 V.

【０００４】直流電源１は、たとえば出力電圧２．４Ｖ
で充電可能な２次電池である。そして半導体集積回路２
は、蓄電量の消耗、負荷変動、温度変化等による供給電
圧の変動を防ぎ、たとえば２．２Ｖの安定化した電圧を
供給する安定化回路３、水晶振動子４を外付けした発振
部５、第１バッファ６、第２バッファ７、第３バッファ
８を設けている。The DC power supply 1 has an output voltage of 2.4 V, for example.
It is a rechargeable battery that can be charged. And the semiconductor integrated circuit 2
A stabilizing circuit 3 for supplying a stabilized voltage of, for example, 2.2 V, a stabilizing circuit 3 for supplying a stabilized voltage of 2.2 V, an oscillating unit 5 having an externally mounted quartz oscillator 4, A first buffer 6, a second buffer 7, and a third buffer 8 are provided.

【０００５】発振部５は、たとえば温度変化による水晶
振動子４の共振周波数の変化を補償して数ｐｐｍの周波
数安定度を維持するようにしている。この半導体集積回
路２では、２．２Ｖ程度の低電圧動作、全体で２ｍＡ以
下の低消費電流を優先して設計するので、そのために全
体の素子数が増加することはある程度容認している。The oscillating unit 5 compensates for a change in the resonance frequency of the crystal unit 4 due to a change in temperature, for example, to maintain a frequency stability of several ppm. Since the semiconductor integrated circuit 2 is designed with priority given to low voltage operation of about 2.2 V and low current consumption of 2 mA or less as a whole, it is accepted to some extent that the number of elements as a whole increases.

【０００６】発振部５の出力の振幅は１．０Ｖにも達し
ないため、Ｃ−ＭＯＳで構成したインバータからなる第
１バッファ６で充分な振幅まで増幅し、第２バッファ７
でデューティ５０％となるように波形成形して第３バッ
ファ８へ入力する。第１バッファ６、第２バッファ７は
消費電流を少なくするように構成し、このために特に出
力段のコンプリメンタリ回路の貫通電流を低減するよう
に小さなチップ面積で構成している。Since the amplitude of the output from the oscillating unit 5 does not reach 1.0 V, it is amplified to a sufficient amplitude by the first buffer 6 comprising an inverter constituted by a C-MOS, and
The waveform is shaped so as to have a duty of 50% and input to the third buffer 8. The first buffer 6 and the second buffer 7 are configured so as to reduce the current consumption, and for this purpose are configured with a small chip area particularly so as to reduce the through current of the complementary circuit in the output stage.

【０００７】また第３バッファ８は外部の低インピーダ
ンスの負荷へ充分な出力電流を供給することができるよ
うに、第１バッファ６，第２バッファ７に比べて大きな
チップ面積とし、たとえばＮチャンネルのソース・フォ
ロワを用いている。The third buffer 8 has a larger chip area than the first buffer 6 and the second buffer 7 so that a sufficient output current can be supplied to an external low impedance load. Source follower is used.

【０００８】しかしながら、このような発振回路では、
電源１の電圧は低電圧であり、このような低い電圧を有
効に利用するために安定化回路２の入・出力の電圧差を
小さくしなければならない。さらに、消費電力の低減の
ために安定化回路３自体の消費電力も極力小さくしなけ
ればならない背景がある。However, in such an oscillation circuit,
The voltage of the power supply 1 is low, and the voltage difference between the input and output of the stabilizing circuit 2 must be reduced in order to effectively use such a low voltage. Further, there is a background that the power consumption of the stabilizing circuit 3 itself must be reduced as much as possible in order to reduce the power consumption.

【０００９】このような場合、安定化回路２から供給さ
れる電源にノイズ成分が多くなるために出力される信号
は位相変調を受けノイズ特性が劣化する問題があった。
発明者らは、発振器のノイズ特性を研究した結果、ほと
んど直線動作する第１バッファがノイズ特性劣化の主な
原因であることをつきとめた。In such a case, there is a problem that the noise component is increased in the power supply supplied from the stabilizing circuit 2 so that the output signal is subjected to phase modulation and the noise characteristic is deteriorated.
As a result of studying the noise characteristics of the oscillator, the inventors have found that the first buffer, which operates almost linearly, is the main cause of the noise characteristic deterioration.

【００１０】[0010]

【発明が解決しようとする課題】
本発明は上記の事情に鑑みてなされたもので、低
電圧の電源で動作し、消費電流も小さく、しかも位相ノ
イズ特性の良好な低電圧発振回路を提供することを目的
とするものである。[Problems to be solved by the invention]
The present invention has been made in view of the above circumstances, and an object of the present invention is to provide a low-voltage oscillation circuit that operates with a low-voltage power supply, consumes less current, and has good phase noise characteristics.

【００１１】[0011]

【課題を解決するための手段】本発明は、直流電源と、
この直流電源の出力電圧をさらに低い電圧の一定電圧に
安定化する安定化回路と、この安定化回路から供給され
る安定化出力で動作する水晶発振部と、上記直流電源か
ら供給される電力で動作し上記水晶発振部の発振出力を
増幅する第１バッファと、第１バッファの出力波形を成
形する第２バッファと、上記直流電源から供給される電
力で動作し第２バッファの出力波形を増幅して低インピ
ーダンスで外部へ出力する第３バッファとを具備するこ
とを特徴とするものである。SUMMARY OF THE INVENTION The present invention comprises a DC power supply,
A stabilizing circuit that stabilizes the output voltage of the DC power supply to a lower constant voltage, a crystal oscillation unit that operates with a stabilized output supplied from the stabilizing circuit, and power supplied from the DC power supply. A first buffer that operates and amplifies the oscillation output of the crystal oscillator, a second buffer that shapes the output waveform of the first buffer, and amplifies the output waveform of the second buffer that operates with power supplied from the DC power supply And a third buffer for outputting to the outside with low impedance.

【００１２】[0012]

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態を図１
に示すブロック図を参照して詳細に説明する。 １１は
リチュウム−イオン、ニッケル−水素等の充電可能な二
次電池を用いた、たとえば電圧２．４Ｖの直流電源であ
る。そして１２は直流電源１１から供給される電力で動
作する半導体集積回路である。FIG. 1 is a block diagram showing an embodiment of the present invention.
This will be described in detail with reference to the block diagram shown in FIG. Reference numeral 11 denotes a DC power supply of, for example, a voltage of 2.4 V using a rechargeable secondary battery such as lithium-ion or nickel-hydrogen. Reference numeral 12 denotes a semiconductor integrated circuit that operates with power supplied from the DC power supply 11.

【００１３】この半導体集積回路１２には、直流電源１
１から出力される、たとえば２．４Ｖの電圧を２．２Ｖ
の一定電圧に安定化する、直列型の安定化回路１３を設
けている。さらに半導体集積回路１２には水晶振動子１
４を外付けして動作する発振部１５、第１バッファ１
６、第２バッファ１７および第３バッファ１８を順次に
設けている。The semiconductor integrated circuit 12 includes a DC power supply 1
For example, a voltage of 2.4 V output from 1 is changed to 2.2 V
And a series-type stabilizing circuit 13 for stabilizing to a constant voltage. The semiconductor integrated circuit 12 further includes a quartz oscillator 1
Oscillator 15 operating externally with first buffer 1 and first buffer 1
6, a second buffer 17 and a third buffer 18 are sequentially provided.

【００１４】そして発振部１５および第２バッファ１７
は、安定化回路１３から供給される一定電圧の直流によ
って動作するようにしている。この発振部１５は発振周
波数の安定なことが必要であり、電源電圧の変動は発振
周波数の変動の要因の１つとなるために安定な電源電圧
を共給している。発振部１５の発振出力は、たとえば
０．６Ｖ（Ｐ−Ｐ）程度の振幅である。The oscillating unit 15 and the second buffer 17
Operate with a constant voltage DC supplied from the stabilizing circuit 13. The oscillating unit 15 needs to have a stable oscillation frequency, and a stable power supply voltage is commonly supplied because the fluctuation of the power supply voltage is one of the factors of the fluctuation of the oscillation frequency. The oscillation output of the oscillation unit 15 has an amplitude of, for example, about 0.6 V (PP).

【００１５】そこで上記直流電源１１から動作電圧を供
給される第１バッファ１６で２Ｖ（Ｐ−Ｐ）の振幅まで
増幅する。この第１バッファ１６は、たとえば入・出力
間に高抵抗を介挿したＣ−ＭＯＳインバータである。し
たがって電源電圧が高く、充分なゲインのある場合は、
入力信号のレベルに応じて、出力信号レベルは正または
負の電源電圧に略等しい飽和動作となる。The first buffer 16 supplied with the operating voltage from the DC power supply 11 amplifies the signal to an amplitude of 2 V (PP). The first buffer 16 is, for example, a C-MOS inverter having a high resistance inserted between input and output. Therefore, if the power supply voltage is high and there is sufficient gain,
Depending on the level of the input signal, the output signal level has a saturation operation substantially equal to the positive or negative power supply voltage.

【００１６】しかしながら電源電圧が低くなると、全体
のゲインが低くなり非飽和動作域が広くなる。このよう
な場合、入力信号の振幅レベルと第１バッファ１６のス
レッシホールドとの相対的な関係に応じて、入・出力信
号の位相にズレを生じる位相変調を受けやすくなる。However, when the power supply voltage is lowered, the overall gain is lowered and the non-saturated operation range is widened. In such a case, depending on the relative relationship between the amplitude level of the input signal and the threshold of the first buffer 16, the input / output signal is easily subjected to phase modulation that causes a shift in phase.

【００１７】すなわち、電源電圧が低くなると、第１バ
ッファ１６は位相変調感度が高くなり入・出力信号の位
相ズレを発生しやすくなり、デューティ５０％の出力信
号を得られなくなる。したがって、第１バッファ１６は
直流電源１１から直接、電源を供給するようにしてい
る。That is, when the power supply voltage decreases, the phase modulation sensitivity of the first buffer 16 increases, so that a phase shift of the input / output signal tends to occur, so that an output signal with a duty of 50% cannot be obtained. Therefore, the first buffer 16 supplies power directly from the DC power supply 11.

【００１８】そして、第１バッファ１６の出力を安定化
回路１２から供給される一定電圧の直流によって動作す
る第２バッファ１７によりデューティ５０％で正負対象
形状の波形に波形成形した信号を得る。第２バッファ１
７の出力信号は供給される電源電圧の飽和出力となるよ
うにしているので電源電圧の変動は、そのまま出力信号
の振幅の大きさに反映される。Then, a signal obtained by shaping the output of the first buffer 16 into a positive / negative target waveform at a duty of 50% by the second buffer 17 operated by a constant voltage DC supplied from the stabilizing circuit 12 is obtained. Second buffer 1
Since the output signal 7 is a saturated output of the supplied power supply voltage, the fluctuation of the power supply voltage is directly reflected on the magnitude of the amplitude of the output signal.

【００１９】このため第２バッファ１７は安定化回路１
３から供給される一定の電圧で動作させるようにしてい
る。このため第３バッファ１８は、たとえばＮチャンネ
ルＭＯＳのソース・フォロワ回路を用いて、いわゆるイ
ンピーダンス変換を行い出力するようにしている。For this reason, the second buffer 17 includes the stabilizing circuit 1
3 is operated at a constant voltage supplied from the control circuit 3. For this reason, the third buffer 18 performs so-called impedance conversion using, for example, an N-channel MOS source follower circuit, and outputs the result.

【００２０】このような構成であれば、安定化回路１３
で安定化した電圧で駆動するのは発振部１５と第２バッ
ファ１７だけになり、安定化回路の安定化電圧に含まれ
るノイズ成分によって位相変調を受け発振出力のノイズ
特性に最も大きな影響を与える第１バッファ１４を直流
電源によって直接、駆動しているので発振器の出力のノ
イズ特性を著しく改善することができる。With such a configuration, the stabilizing circuit 13
Only the oscillating unit 15 and the second buffer 17 are driven by the stabilized voltage, and are subjected to phase modulation by the noise component included in the stabilizing voltage of the stabilizing circuit, which has the greatest effect on the noise characteristics of the oscillation output. Since the first buffer 14 is directly driven by the DC power supply, the noise characteristics of the output of the oscillator can be remarkably improved.

【００２１】図４は従来の構成の低電圧発振回路と本発
明の低電圧発振回路との位相ノイズ特性を比較して示す
グラフで、曲線ａは従来の特性、曲線ｂは本願発明の特
性である。これによれば本願発明では１０ＫＨｚにおい
て４ｄＢ、１００ＫＨｚにおいて５ｄＢの位相ノイズ特
性の改善がなされている。FIG. 4 is a graph showing a comparison between the phase noise characteristics of the low-voltage oscillation circuit of the present invention and the low-voltage oscillation circuit of the present invention, wherein a curve a shows the conventional characteristics and a curve b shows the characteristics of the present invention. is there. According to this, in the present invention, the phase noise characteristic is improved by 4 dB at 10 KHz and 5 dB at 100 KHz.

【００２２】なお本発明は上記実施例に限定されるもの
ではなく、たとえば図１と同一部材に同一符号を付与し
て示す図２のブロック図のように、第１バッファ１６と
第２バッファ１７との間に分周１９を介挿して発振部１
５の発振出力を分周するようにしても良いことは勿論で
ある。The present invention is not limited to the above embodiment. For example, as shown in the block diagram of FIG. Between the oscillation unit 1 and the frequency divider 19
Of course, the oscillation output of No. 5 may be divided.

【００２３】[0023]

【発明の効果】以上詳述したように、本発明によれば、
低電圧、低電流で動作し、集積回路化に適し、しかも位
相ノイズ特性も良好で、特に小型化にも適する低電圧発
振回路を提供することができる。As described in detail above, according to the present invention,
It is possible to provide a low-voltage oscillation circuit which operates at low voltage and low current, is suitable for integration into a circuit, and has good phase noise characteristics, and is particularly suitable for miniaturization.

【図面の簡単な説明】[Brief description of the drawings]

【図１】本発明の実施の形態の一例を説明するブロック
図である。FIG. 1 is a block diagram illustrating an example of an embodiment of the present invention.

【図２】本発明の実施の形態の他の例を説明するブロッ
ク図である。FIG. 2 is a block diagram illustrating another example of the embodiment of the present invention.

【図３】従来の低電圧発振回路の一例を示すブロック図
である。FIG. 3 is a block diagram illustrating an example of a conventional low-voltage oscillation circuit.

【図４】本発明による位相ノイズ直性の改善を示すグラ
フである。FIG. 4 is a graph showing an improvement in phase noise directivity according to the present invention.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

１１・・ 直流電源 １２・・ 半導体集積回路 １３・・ 安定化回路 １４・・ 水晶振動子 １５・・ 発振部 １６・・ 第１バッファ １７・・ 第２バッファ １８・・ 第３バッファ 11 DC power supply 12 Semiconductor integrated circuit 13 Stabilization circuit 14 Crystal oscillator 15 Oscillator 16 First buffer 17 Second buffer 18 Third buffer

Claims (4)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項１】直流電源と、この直流電源の出力電圧をさ
らに低い電圧の一定電圧に安定化する安定化回路と、 この安定化回路から供給される安定化出力で動作する水
晶発振部と、 上記直流電源から供給される電力で動作し上記水晶発振
部の発振出力を増幅する第１バッファと、 第１バッファの出力波形を成形する第２バッファと、 上記直流電源から供給される電力で動作し第２バッファ
の出力波形を増幅して低インピーダンスで外部へ出力す
る第３バッファと、 を具備することを特徴とする低電圧発振回路。1. A DC power supply, a stabilizing circuit for stabilizing an output voltage of the DC power supply to a lower constant voltage, a crystal oscillator operating with a stabilized output supplied from the stabilizing circuit, A first buffer that operates with the power supplied from the DC power supply and amplifies the oscillation output of the crystal oscillation unit; a second buffer that shapes the output waveform of the first buffer; and operates with the power supplied from the DC power supply And a third buffer for amplifying the output waveform of the second buffer and outputting the amplified output to the outside with low impedance. 【請求項２】特許請求の範囲第１項に記載のものにおい
て、第１バッファの出力を分周して第２バッファへ入力
することを特徴とする低電圧発振器。2. The low-voltage oscillator according to claim 1, wherein the output of the first buffer is divided and input to the second buffer. 【請求項３】第２バッファは安定化回路から供給される
安定化出力で動作することを特徴とする低電圧発振回
路。3. The low voltage oscillation circuit according to claim 1, wherein the second buffer operates with a stabilized output supplied from the stabilization circuit. 【請求項４】第３バッファはＮチャンネルＭＯＳソース
・フォロワ回路であることを特徴とする低電圧発振回
路。4. The low-voltage oscillation circuit according to claim 3, wherein the third buffer is an N-channel MOS source follower circuit.