JP2006287765A - 水晶発振回路 - Google Patents

Abstract

【課題】バランスの良い状態を、使用者が発振特性を選択することのできるようにし、最終的に使用者において発振特性を合わせ込める水晶発振回路を実現する。
【解決手段】ＩＣに内蔵され、かつインバータ１の入力と出力の間に、水晶振動子２と帰還抵抗３が並列に接続されてなる水晶発振回路において、該インバータ１のレイアウト上のサイズを可変な構造とし、プログラム制御により、外部からある値が設定されると、設定された値に更新する設定手段６と、変更用のプログラムが起動されると、該変更用プログラムにより該インバータ１のレイアウト上のサイズを上記値に対応したサイズに変更する切換え変更手段とを具備する。設定手段６としては、値を設定するレジスタを設けるか、ＩＣ端子の状態を変更するか、あるいは、値を指定するＲＯＭを設ける方法がある。
【選択図】図１

Description

本発明は、半導体集積回路に内蔵された水晶発振子による発振回路に関し、特に発振インバータのサイズ調整を外部から行えるようにした水晶発振回路に関するものである。

まず、水晶発振回路に関する従来技術に関して説明する。
図２は、従来における水晶発振子などの圧電振動子を使用した発振回路の構成図である。
図２において、１はＰチャネルトランジスタとＮチャネルトランジスタとから構成される周知のＣＭＯＳインバータである。２は任意の水晶振動子、３はＣＭＯＳインバータ１のドレイン端子からゲート端子へ電圧帰還させる帰還抵抗、４，５は水晶振動子２の周波数調整を行うコンデンサである。このような構成の発振回路において、発振特性は、発振インバータ１の構成の変更によって大きな影響を受ける。

そもそも、水晶発振回路は、水晶とコンデンサで共振回路を作り、その共振回路にアンプを接続することで、持続した発振を行う回路であり、そのアンプの役割を行うインバータのサイズが大きければ消費電力は増えるが、安定した発振を行い、サイズが小さければ消費電力は少なくなるが、発振余裕度がなくなり、最悪の場合には発振しなくなる。
このようなインバータとの関係を利用して、発振特性を調整して利点を得ようという技術が、これまでも多々提案されている。

従来提案されているものとしては、例えば、特開平２−６９００５号公報（特性文献１参照）に記載の『発振回路』では、複数の発振インバータを設け、個々の発振インバータのオン／オフを制御することにより、発振インバータの電流駆動力を変えられるように、設定された回路を実現している。これにより、ＩＣの製造工程でのばらつきに応じて、最適な電流駆動力を作り込み、低電圧で動作して消費電力の少ないＩＣを製造しようというものである。

また、特開平４−１１７７０７号公報（特許文献２参照）に記載の『半導体装置』では、複数の発振インバータを持ち、発振開始時に限って発振開始時間を短くするなど、動作期間中での発振特性の変更を一度、チップ上に実現した後にも行えるような発振インバータを提案している。

また、ＷＯ９３／０５４６６号（特願平５−５０５１１０号）（特許文献３参照）に記載の『発振装置』においても、同じように複数の発振インバータを持ち、そのときの動作状況によって検出信号を出し、それによりインバータ選択信号を発生し、指定されたインバータをＯＮにすることで選択的にＯＮにし、発振特性を調整している。発振を持続するのに必要最低限の増幅能力を備える発振インバータだけが常に駆動され、その結果、余裕な電力消費が抑えられて、極めて低消費電力の発振回路が実現されるというものである。

また、特開２００３−２８３２４９号公報（特許文献４参照）に記載の『水晶発振回路および該水晶発振回路を用いた電子機器』では、発振周波数を調整できる可変的な容量に合わせてインバータの利得を調整する回路が紹介されている。これには、インバータの調整手段としてプログラム可能な記憶素子（ＥＰＲＯＭ、ＥＥＰＲＯＭ、ヒューズＲＯＭなど）が付属されている。

特開平２−６９００５号公報 特開平４−１１７７０７号公報 ＷＯ９３／０５４６６号（特願平５−５０５１１０号） 特開２００３−２８３２４９号公報

前述のような特許文献１〜４で挙げた技術は、複数のインバータを設けるため、発振回路自体が大型化してしまうという問題がある。
近年、パーソナル機器の小型化などから水晶振動子にも様々の種類のものが出現している。これまで主流であったＣＡＮ型（シリンダ型）のものから、小型化に対応したセラミック封止パッケージのものに変貌を遂げている。

このような小型化に対応した水晶振動子はパッケージ技術の制限などから性能への制限も受けている。そのため、このような水晶振動子を使用し、充分なマージンを持って安定動作を可能とする発振回路の設計が求められる。
しかし、パーソナル機器に求められるのは、先述した小型化だけではない。限られた電源容量で駆動されるため、低消費電力であることが求められている。
上述のような動作マージンを持たせながら、省力化するという相反するものが求められている現状に対応するためには、二つの条件をバランスよく実現することが必要である。

（目的）
そこで、本発明の目的は、このような従来の課題を解消し、バランスの良い状態を、使用者が発振特性を選択することのできるようにし、最終的に使用者において発振特性を合わせ込める水晶発振回路を提供することである。

本発明の水晶発振回路は、ＩＣに内蔵され、かつインバータの入力と出力の間に、水晶振動子と帰還抵抗が並列に接続されてなる水晶発振回路において、該インバータのレイアウト上のサイズを可変な構造とし、プログラム制御により、外部からある値が設定されると、設定された値に更新する設定手段と、変更用のプログラムが起動されると、該変更用プログラムにより該インバータのレイアウト上のサイズを前記値に対応したサイズに変更する切り換え変更手段とを具備したことを特徴としている。

また、前記サイズが可変なインバータのサイズ変更は、前記ＩＣ内のレジスタに書き込まれた値により行われ、該レジスタと該ＩＣ外部との間のインターフェース回路を通してソフトウェアにより値を設定し、かつ書き換え可能であることも特徴としている。
また、前記サイズが可変なインバータのサイズ変更は、前記ＩＣのピンを含む外部端子の状態により行われ、該外部端子の状態を変更可能にすることにより、変更された状態に対応して、サイズを変更する前記切換え変更手段を動作させることも特徴としている。
さらに、前記サイズが可変なインバータのサイズ変更は、前記ＩＣ内のＲＯＭに書き込まれている値により行われ、該ＲＯＭ内の値を、該ＲＯＭと該ＩＣ外部との間のインターフェイス回路を通してソフトウェアにより選択指定することも特徴としている。

本発明によれば、以下のような効果を奏する。
（請求項１）
インバータの入力と出力との間に、水晶振動子と帰還抵抗が並列に接続されてなる水晶発振回路において、インバータのレイアウト上のサイズが可変であり、このサイズ調整がある値によるもので、その値をソフト的に書き換え可能にできるため、使用する水晶振動子に応じて発振余裕度を最適に確保し、かつ低消費電力で動作するという理想的な発振特性を実現できる。

（請求項２〜４）
発振インバータの調整を使用者側で、かなり自由度が高く設定することができる。
また、発振インバータの調整を、使用者側で簡単に設定することができる。

以下、本発明の実施例を、図面により詳細に説明する。
図１は、本発明の一実施例に係る水晶発振回路の構成図である。
図１において、１はサイズ可変な発振インバータ、２は任意の水晶発振子、３は帰還抵抗、４，５は周波数調整を行うコンデンサである。これらの素子のうち、水晶発振子２はＩＣ外付けで使用され、２を除く素子１，３，４，５のみがＩＣチップ内に搭載され、発振回路を構成している。

また、同チップ内には、ユーザからも書き換え可能な設定手段（レジスタ）６が存在し、このレジスタ６の値によって発振インバータ１のサイズを変更することができる。この発振インバータ１のサイズ変更の手段としては、外部からの変更が可能なものであれば、他のものを使用してもよい。例えば、ＩＣのピンとして外部端子を設け、その入力状態（Ｈ，Ｌ）によってサイズを選択する、ということも実現できる。また、設定手段６として、レジスタの代りに、ＲＯＭを設け、ＲＯＭ内に記憶されている固定値の１つを外部から選択指定することによっても、発振インバータ１のサイズを変更することができる。以下、各実施例を説明する。

（実施例１）
実施例１として、レジスタを用いて値を設定する場合を説明する。
インバータ１のサイズを可変にする場合、一般には、インバータ１を構成するＰチャネルトランジスタおよびＮチャネルトランジスタのゲート酸化膜の厚さまたは形状などのサイズを変更することが考えられる。ここでは、ゲートの形状のサイズを変更する場合を考える。ゲートのサイズを変更する場合、複数のサイズのゲートを用意しておき、指定された値のサイズのゲートを選択して、ＰチャネルおよびＮチャネルトランジスタのゲートとして接続する。

まず、外部の記憶装置に記憶されているサイズ設定用プログラムを起動して、ＩＣ内に設けられたレジスタにゲートのサイズの値をセットする。これにより、レジスタ内のある値は指定された値に更新される。次に、外部の記憶装置に記憶されているゲート切換え変更用プログラムを起動すると、複数のゲートの中から、レジスタにセットされた値に対応するサイズのゲートが選択されて、ＩＣ内の発振インバータ１を構成するＰチャネルとＮチャネルのトランジスタのゲートとして接続される。これにより、インバータの動作特性が変更されて、水晶振動子２はインバータのサイズに対応した発振を行う。

（実施例２）
実施例２は、ＩＣの端子の状態により、インバータのサイズを変更する場合である。
ＩＣのピンなどの外部端子の状態をＨ状態またはＬ状態にした場合に、端子がＨのときには大きなサイズのゲートを切換え接続し、端子がＬのときには小さなサイズのゲートを切換え接続するようにすれば、少なくとも２つのサイズに変更することができる。また、Ｈ１状態とＨ２状態、Ｌ１状態とＬ２状態の４つの状態があれば、４つのサイズのゲートを選択することができる。

まず、外部の記憶装置に記憶されている状態設定用プログラムを起動して、ＩＣの端子の状態をＨまたはＬに設定する。次に、外部の記憶装置に記憶されているゲート切換え変更用プログラムを起動すると、複数のゲートの中から、ＨまたはＬに対応したサイズのゲートが選択されて、ＩＣ内の発振インバータ１を構成するＰチャネルとＮチャネルのトランジスタのゲートとして選択されたゲートが接続される。これにより、インバータ１の動作特性が変更されて、水晶振動子２はインバータ１のサイズに対応した発振を行う。この実施例では、実施例１に必要としたレジスタは不要になる。

（実施例３）
実施例３は、ＩＣ内のＲＯＭの値を選択指定して、インバータのサイズを変更する場合である。
サイズが可変な発振インバータ１のサイズ変更を、ＩＣ内のＲＯＭの値によるものとする。
その値は、同ＩＣ内に存在するＩＣ外とのインターフェース回路を通して書き込み可能とする。ＲＯＭ内に固定値としてＡ，Ｂの値が書き込まれている場合に、外部からインターフェース回路を通してＢを指定することにより、ＲＯＭのＢの値が選択され、このＢに対応したサイズのゲートが選択されて、インバータ１にそのゲートが接続される。

まず、外部の記憶装置に記憶されているサイズ設定用プログラムを起動して、ＩＣ外とのインターフェース回路を通してＲＯＭ内の特定の値を指定する。これにより、ＲＯＭに記憶された値が選択指定される。次に、外部の記憶装置に記憶されているゲート切換え変更用プログラムを起動すると、複数のゲートの中から、選択指定された値に対応したサイズのゲートが選択され、インバータ１に切換え接続される。これにより、インバータ１の動作特性が変更されて、水晶振動子２はインバータ１のサイズに対応した発振を行う。

各実施例によれば、動作にマージンを持たせつつ、省力化するという相反する二つの条件のバランスの良い状態を発振インバータを調整することで実現し、なおかつ、その調整は水晶振動子を選定したユーザ側で使用する水晶振動子に合わせて行えることから、最終的な使用段階において最も良いバランスを選択できるということになる。

本発明の一実施例に係る水晶発振回路の構成図である。 従来における水晶発振回路の一例を示す構成図である。

符号の説明

１：発振インバータ
２：水晶振動子
３：帰還抵抗
４：周波数調整用コンデンサ
５：周波数調整用コンデンサ
６：設定手段

Claims (4)

1. ＩＣに内蔵され、かつインバータの入力と出力の間に、水晶振動子と帰還抵抗が並列に接続されてなる水晶発振回路において、
   該インバータのレイアウト上のサイズを可変な構造とし、
   プログラム制御により、外部からある値が設定されると、設定された値に更新する設定手段と、
   変更用のプログラムが起動されると、該変更用プログラムにより該インバータのレイアウト上のサイズを上記値に対応したサイズに変更する切換え変更手段と
   を具備したことを特徴とする水晶発振回路。
2. 請求項１に記載の水晶発振回路において、
   前記サイズが可変なインバータのサイズ変更は、前記ＩＣ内のレジスタに書き込まれた値により行われ、該レジスタと該ＩＣ外部との間のインターフェース回路を通してソフトウェアにより値を設定し、かつ書き換え可能であることを特徴とする水晶発振回路。
3. 請求項１または２に記載の水晶発振回路において、
   前記サイズが可変なインバータのサイズ変更は、前記ＩＣのピンを含む外部端子の状態により行われ、該外部端子の状態を変更可能にすることにより、変更された状態に対応して、サイズを変更する前記切換え変更手段を動作させることを特徴とする水晶発振回路。
4. 請求項１に記載の水晶発振回路において、
   前記サイズが可変なインバータのサイズ変更は、前記ＩＣ内のＲＯＭに書き込まれている値により行われ、該ＲＯＭ内の値を、該ＲＯＭと該ＩＣ外部との間のインターフェイス回路を通してソフトウェアにより選択指定することを特徴とする水晶発振回路。

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