JP2017506446A - 超低電力用フィードバック制御デューティサイクリングを備えた低電圧水晶発振器（ｘｔａｌ）ドライバ - Google Patents

超低電力用フィードバック制御デューティサイクリングを備えた低電圧水晶発振器（ｘｔａｌ）ドライバ Download PDF

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Abstract

超低電力用フィードバック制御デューティサイクリングを備えた低電圧水晶発振器（ＸＴＡＬ）ドライバは、サブスレッショルド動作領域において、ＸＴＡＬ用増幅器に対してバイアスをかける。サブスレッショルド動作領域においてバイアスをかけられたＸＴＡＬ用増幅器に対してバイアスをかけるため、フィードバック制御方式を用いることができる。ＸＴＡＬ発振器の増幅器をデューティサイクル駆動することで節電が可能である。例えば、ＸＴＡＬドライバは、ＸＴＡＬ振動振幅が範囲内の最大値に達するとオフとなることで節電し、ＸＴＡＬ振動振幅が減衰し始めると再びオンに戻ることができる。これによって、振動を停止させずに維持することができる。加えて、又は、その代替法として、ＸＴＡＬ発振器の増幅器をデューティサイクル駆動するフィードバック制御方式を用いて、振動振幅をモニタリングすることができる。【選択図】図２

Description

いくつかの実施形態は、概して、低電力回路設計に関し、特に、超低電力用フィードバック制御デューティサイクリングを備えた低電圧ＸＴＡＬドライバに関する。
＜優先権主張＞本出願は非仮出願であり、本明細書に参照により明示的に組み込まれている、２０１４年１月１０日出願の「超低電力用フィードバック制御デューティサイクリングを備えた低電圧水晶発振器ドライバ」と題した米国仮特許出願第６１／９２６，０１４号による米国特許法第１１９条に基づく優先権を主張する。
バッテリーや周囲環境から電力を得て動作するポータブルシステムは、通常、利用可能な一定量のエネルギーに対するシステム稼働寿命を延長するためには、エネルギー消費を少なくする必要がある。ポータブルシステムは、小型化（バッテリーの容量が少ないと、それに伴って利用可能なエネルギーが減少する）、稼働寿命延長（エネルギーを長持ちさせる）、及び／又は、多機能化（同じエネルギー量でより多くのことを行う）のための諸要件が組み合わせに応じて応用分野が拡大しており、ポータブルシステムのエネルギー収支は重要性が増している。
さらに、無線センサノードなどのポータブル電子機器の多くは、通常、外部又は内部刺激によって復帰するのを待つスリープモードでほとんどの時間を過ごす。このようなスリープ（又はスタンバイ）モードにおいて、多くの装置が、とりわけ、その他の無線と再同期するためのコストを軽減するために、安定した計時用のクロック源を用いる。アクティブモードでは、とりわけ、正確なデータサンプリング、ＲＦ変調、同期デジタル計算を行うために、正確なタイミング基準を用いられる。
正確なクロック源を提供するための既知の方法の一つとしては、水晶発振器（ＸＴＡＬ）を使用することがある。ＸＴＡＬベースの発振器は、特に、スタンバイモードにおいて、利用可能なシステム電力量の内かなりの量を消費する。例えば、２００ｋＨｚのＸＴＡＬを有する発電ボディセンサネットワーク（ＢＳＮ）ＳｏＣ（システムオンチップ）は、数秒ごとにＥＣＧを測定し、心拍を抽出し、ＲＦパケットを送信しながら１９μＷ消費する。Ｆ．Ｚｈａｎｇ、Ｙ．Ｚｈａｎｇ、Ｊ．Ｓｉｌｖｅｒ、Ｙ．Ｓｈａｋｈｓｈｅｅｒ、Ｍ．Ｎａｇａｒａｊｕ、Ａ．Ｋｌｉｎｅｆｅｌｔｅｒ、Ｊ．Ｐａｎｄｅｙ、Ｊ．Ｂｏｌｅｙ、Ｅ．Ｃａｒｌｓｏｎ、Ａ．Ｓｈｒｉｖａｓｔａｖａ、Ｂ．Ｏｔｉｓ、Ｂ．Ｈ．Ｃａｌｈｏｕｎらによる「Ａ Ｂａｔｔｅｒｙ−ｌｅｓｓ Ｂａｎｄ Ｅｎｅｒｇｙ Ｈａｒｖｅｓｔｉｎｇ Ｂｏｄｙ Ａｒｅａ Ｓｅｎｓｏｒ Ｎｏｄｅ ＳｏＣ」（ＩＳＳＣＣ Ｄｉｇ．Ｔｅｃｈ．Ｐａｐｅｒｓ， 第２９８〜２９９ページ、２０１２年）が参照により組み込まれる。この例では、２００ｋＨｚのＸＴＡＬ Ｉｄにより総消費電力の２μＷ以上が消費される。
このように、微細超低電力電子機器に匹敵する、今よりはるかに低電力レベルにおいてＸＴＡＬ発振器により正確なクロック信号を生成する方法が必要とされている。
水晶発振器（ＸＴＡＬ）を、超低電圧で、例えば、金属酸化膜半導体（ＭＯＳ：Ｍｅｔａｌ Ｏｘｉｄｅ ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ）トランジスタのサブスレッショルド動作領域でも動作させるためのシステム、方法及び装置について説明する。いくつかの実施形態では、キャリブレーション方式によって、ＸＴＡＬドライバが低電圧動作に対し最適化される。さらなる省電力化を図るため、ＸＴＡＬドライバには、安定した出力クロックを保ちながらＸＴＡＬのデューティサイクル駆動を行うフィードバック制御モードが含まれてもよい。本明細書に記載のいくつかの実施形態は、ＭＯＳトランジスタを有する増幅器を有するＸＴＡＬドライバを備える装置を含む。ＸＴＡＬドライバは、ＭＯＳトランジスタがサブスレッショルド動作領域で動作している期間ＸＴＡＬを動作させる動作信号を生成するように構成されている。また、上記装置は、ＸＴＡＬドライバに動作可能に接続されたフィードバック制御部を備える。このフィードバック制御部は、ＸＴＡＬドライバからの動作信号を受信し、その動作信号に基づいて調整信号を生成するように構成されている。ＸＴＡＬドライバは、さらに、ＸＴＡＬドライバの増幅器の負性抵抗がＭＯＳトランジスタのサブスレッショルド動作領域内動作用の値に調整されるよう、調整信号に応じてＸＴＡＬドライバの回路レベル特性を調整するように構成されている。
本明細書に記載のいくつかの実施形態は、ＭＯＳトランジスタのサブスレッショルド動作領域で動作し、振動を発生させるＸＴＡＬを備えた装置を含む。この装置は、ＸＴＡＬと通信可能に接続され、振動のエンベロープを変調させるデューティサイクル信号を生成するように構成されたＸＴＡＬドライバをさらに備える。上記装置は、ＸＴＡＬドライバとＸＴＡＬとに通信可能に接続され、振動からのフィードバックによって、振動のエンベロープの振幅が最小値に減衰する場合にＸＴＡＬドライバをオンにし、振動のエンベロープの振幅が最大値に達する場合にＸＴＡＬドライバをオフにする動作を繰り返し行うように構成されたフィードバック制御部をさらに備える。
本明細書に記載のいくつかの実施形態は、ＸＴＡＬのデューティサイクリングを行う方法を含む。この方法は、ＸＴＡＬ振動エンベロープの立ち上がり時間と立ち下がり時間の測定値を取得し、最大振幅に達するように構成されたＸＴＡＬ振動を開始する開始信号をＸＴＡＬに送信し、ＸＴＡＬ振動エンベロープの立ち下がり時間に比例する第１時間の間ＸＴＡＬドライバをオフにする第１信号を送信し、ＸＴＡＬ振動エンベロープの立ち上がり時間に比例する第２時間の間ＸＴＡＬドライバをオンにする第２信号を送信することを繰り返し実行することを含む。第１時間と第２時間は、ＸＴＡＬ振動が維持されるよう、ＸＴＡＬ振動エンベロープの増大遅延・減衰遅延に関連するものである。
既知のＸＴＡＬ回路とその等価回路を概略的に示す図である。 一実施形態に係る、サブスレッショルド領域内へも含め、低電圧で動作するＸＴＡＬドライバの出力からの情報を用いるフィードバック方式のブロック図である。 一実施形態に係る、超低供給電圧での動作に対してＸＴＡＬドライバのサイズ決定を行うキャリブレーション方法を利用可能なシステムのブロック図である。 一実施形態に係る、超低供給電圧での動作に対してＸＴＡＬドライバのサイズ決定を行うキャリブレーション回路を利用可能なシステムのブロック図である。 一実施形態に係る、超低供給電圧での動作に対してＸＴＡＬドライバのサイズ決定を行うキャリブレーション回路の例を示す回路図である。 ３００ｍＶの供給電圧での低電圧ＸＴＡＬドライバの一インスタンス化の適切な起動を示すシミュレーション結果の例である。 一実施形態に係る、ＸＴＡＬドライバと、振動信号ＸＩ及び／又はＸＯからのフィードバックによりドライバをオン・オフして節電を図るフィードバック制御方法のシステムブロック図と、デューティサイクルがＸＩエンベロープの振幅に対して制御される場合に、デューティサイクリングがいかに振動を止めずにＸＩ（及びＸＯ）のエンベロープを変調可能であるかを示すタイミング図である。 図８は、一実施形態に係る、ＸＴＡＬドライバをオン・オフすることでそのデューティサイクルを制御可能なシステムのシステムブロック図と、デューティサイクルがＸＩエンベロープの増加遅延及び減衰遅延（それぞれＴＧ、ＴＤ）に対して制御される場合に、デューティサイクリングがいかに振動を止めずにＸＩのエンベロープを変調可能であるかを示すタイミング図である。 一実施形態に係る、ＸＩの振動エンベロープの増加遅延ＴＧを測定する回路のブロック図である。 一実施形態に係る、ＸＩの振動エンベロープの低下遅延ＴＤを測定する回路を示すブロック図である。 完全なＸＴＡＬ発振器システムの例を示す回路図である。 デューティサイクル動作時のエンベロープを示すＸＯ波形とイネーブル信号波形のシミュレーション結果の例を示す図である。 一実施形態に係る、サブスレッショルド領域を含む低電圧での動作に対するＸＴＡＬドライバの調整を示すフローチャートである。 一実施形態に係る、振動を維持しつつ行われるＸＴＡＬのドライバのデューティサイクリングを示すフローチャートである。 別の実施形態に係る、振動を維持しつつ行われるＸＴＡＬのデューティサイクリングを示すフローチャートである。
超低電力用フィードバック制御デューティサイクリングを備えた低電圧水晶発振器（ＸＴＡＬ）ドライバは、サブスレッショルド動作領域において、ＸＴＡＬ用増幅器に対してバイアスをかける。また、サブスレッショルド動作領域においてバイアスをかけられたＸＴＡＬ用増幅器に対してバイアスをかけるため、フィードバック制御方式を用いることができる。
いくつかの実施形態において、ＸＴＡＬ発振器の増幅器をデューティサイクル駆動することで節電が可能である。例えば、ＸＴＡＬドライバ（例えば、金属酸化膜半導体（ＭＯＳ）トランジスタを含む増幅器１０５）は、ＸＴＡＬ振動振幅が範囲内の最大値に達するとオフにして節電し、ＸＴＡＬ振動振幅が減衰し始めると再びオンに戻すことができる。これによって、ＸＴＡＬ発振器が振動を停止するまで維持することができる。加えて、又は、その代替法として、ＸＴＡＬ発振器の増幅器をデューティサイクル駆動するフィードバック制御方式を用いて振動振幅をモニタリングすることができる。
図１は、並列モードの振動のための既知のＸＴＡＬ実装のアーキテクチャ（例えば、１０１）と等価回路（例えば、１０２）を示す。並列モードでは、水晶発振器ＸＴＡＬ１０６はインダクタ１０９として現れ、負荷キャパシタＣＬ１１２と共に振動する。ＸＴＡＬ自体の等価回路は、並列寄生容量ＣＰ１１３を有する直列ＲＬＣ回路である。水晶発振器の品質係数（Ｑ）は、正確な周波数出力が得られる５０，０００の範囲内である。反転増幅器１０５は、印加されたａｃ電流に対して負性抵抗１０８を示し、図１のＲＬＣ回路内にある水晶の等価直列抵抗（ＥＳＲ）１１１の減衰効果を克服する。振動のため、回路は、増幅器の負性抵抗１０８を水晶のＥＳＲ１１１より大きくすることで、発振のバルクハウゼン条件を満たすことができる。負性抵抗１０８の値は、周波数の関数である。水晶のＥＳＲ１１１は、エネルギー消散要素を表し、増幅器１０５は、水晶の消散エネルギーを供給・補給することによって、その負性抵抗１０８を介してこの消散に対する補償を行う。
ＸＴＡＬ回路の消費電力は、ＸＴＡＬ１０６と増幅器１０５の設計によって決まる。水晶発振器１０６のエネルギー消散要素は、水晶のＥＳＲ１１１である。ＥＳＲ１１１は、エネルギーの消散を熱損失の形で表し、Ｉ２Ｒで得られる。ここに、Ｒは水晶のＥＳＲ１１１の抵抗値であり、Ｉは水晶へと流れるＲＭＳ（二乗平均平方根）電流である。この損失は、振動振幅に正比例する。損失を低減し、よって、水晶発振器１０６の消費電力を低減するため、多くの場合、振動振幅を減少させる。これは、増幅器１０５をサブスレッショルド領域で動作させることにより行うことができる。Ｅ．ＶｉｔｔｏｚとＪ．Ｆｅｌｌａｒａｔｈによる「ＣＭＯＳ Ａｎａｌｏｇ Ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ Ｃｉｒｃｕｉｔｓ Ｂａｓｅｄ ｏｎ Ｗｅａｋ Ｉｎｖｅｒｓｉｏｎ Ｏｐｅｒａｔｉｏｎｓ」（ＩＥＥＥ固体回路ジャーナル、第１２巻、第３号、２２４〜２３１ページ、１９７７年１月）や、Ｗ．Ｔｈｏｍｍｅｎによる「Ａｎ ｉｍｐｒｏｖｅｄ Ｌｏｗ Ｐｏｗｅｒ Ｃｒｙｓｔａｌ Ｏｓｃｉｌｌａｔｏｒ」（１９９９年ＩＥＥＥ欧州固体回路会議）がそれぞれ参照により援用される。既知の回路技術によって、遅延ロックループ（ＤＬＬ）を使用する、又は、単に振動振幅を抑えることで振動振幅を減少させる。Ｄ．Ｙｏｏｎ、Ｄ．Ｓｙｌｖｅｓｔｅｒ、Ｄ．Ｂｌａａｕｗらによる「Ａ ５．５８ｎＷ ３２．７６８ｋＨｚ ＤＬＬ Ａｓｓｉｓｔｅｄ ＸＯ ｆｏｒ Ｒｅａｌ−Ｔｉｍｅ Ｃｌｏｃｋｓ ｉｎ ｗｉｒｅｌｅｓｓ Ｓｅｎｓｉｎｇ Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ」（２０１２年ＩＥＥＥ国際固体回路会議）や、Ｗ．Ｔｈｏｍｍｅｎによる「Ａｎ ｉｍｐｒｏｖｅｄ Ｌｏｗ Ｐｏｗｅｒ Ｃｒｙｓｔａｌ Ｏｓｃｉｌｌａｔｏｒ」（１９９９年ＩＥＥＥ欧州固体回路会議）がそれぞれ参照により援用される。これらの技術によって３２ｋＨｚの水晶発振器の消費電力が５．５８ｎＷまで減少し、低電力クロックが望まれる無線センサの水晶発振器の使用が可能となった。
上記のような既知の回路技術とは対照的に、本明細書では、水晶発振器（ＸＴＡＬ）を超低電圧で、（例えば、増幅器１０５の）ＭＯＳトランジスタのサブスレッショルド動作領域でも動作させるためのシステム、方法及び装置について説明する。いくつかの実施形態では、キャリブレーション方式によって、低電圧動作のためにＸＴＡＬドライバ（例えば、増幅器１０５）が最適化される。さらなる省電力化を図るため、ＸＴＡＬドライバには、安定した出力クロックを保ちながらＸＴＡＬ１０６をデューティサイクル駆動するフィードバック制御モード（図１には不図示、図２の２０２、図３の３０３、図４の４０３等を参照）が含まれていてもよい。
以下にさらに説明するように、補償増幅器によって低電圧での振動を維持し、フィードバック制御デューティサイクル方式によって電力を低減させることができる。
ＸＴＡＬ１０６の増幅器１０５は、低電圧でバルクハウゼン発振条件を満たすことができ、ＸＴＡＬの発振を確保する。増幅器の実装にはさまざまな反転増幅器アーキテクチャを採用することができる。図１に示す大きなバイアス抵抗器を有する簡素なプッシュプルインバータ（デジタルインバータ）を使用することができ、例えば、単一ステージで電力消費が少ない。Ｗ．Ｔｈｏｍｍｅｎによる「ｎ ｉｍｐｒｏｖｅｄ Ｌｏｗ Ｐｏｗｅｒ Ｃｒｙｓｔａｌ Ｏｓｃｉｌｌａｔｏｒ」（１９９９年ＩＥＥＥ欧州固体回路会議）。ドライバを低供給電圧で正しい負性抵抗を維持するようにサイジングすることは課題となり得る。低いドライバ強度（ｎＭＯＳやｐＭＯＳ向けの小さいサイズ）では、増幅器１０５の負性抵抗１０８が低く、発振条件を満たすことができない。負性抵抗は、ドライバのトランジスタのサイズの増加とともに増大するが、インバータの自動装荷のため、ある時点でサイズの増加とともに再び減少し始める。また、インバータのサイズが増加すると、消費電力も増大する。
増幅器１０５の開ループサイジングでは、プロセスのばらつきの影響により、サブスレッショルド領域で高歩留まりを有する機能的なＸＴＡＬ回路１０１が製造されにくく、この動作領域ではトランジスタの抵抗に指数関数的な影響を及ぼす。低電圧での動作をサポートするため、本明細書に開示されたいくつかの実施形態では、上記のようなばらつきに対処したキャリブレーション法が採用される。図２は、サブスレッショルド領域内へも含め、低電圧で動作するＸＴＡＬドライバ２０１（ＸＴＡＬ２０４は取り付けられていても取り付けられていなくてもよく、振動していてもしていなくてもよい）の出力からの情報を用いて、その負性抵抗を正確な（又は所望の又は所定の）値に修正するようＸＴＡＬドライバ２０１の回路レベル特性を調整するフィードバック方式のブロック図を示す。例えば、フィードバック回路には、ＸＴＡＬドライバ２０１からドライバ出力２０３を受け取るフィードバック制御部２０２が含まれる。フィードバック制御部２０２は、ドライバ出力２０３を用いて、振動の現状、例えば、振動振幅、消費電力などを決定することができる。そして、フィードバック制御部２０２は、ＸＴＡＬドライバ２０１に信号を送ってＸＴＡＬドライバ２０１の調整を行い、例えば、２０５において、ＸＴＡＬ２０４のサブスレッショルド動作のための負性抵抗を設定することができる。
図３は、一実施形態に係る、ＸＴＡＬのサブスレッショルド動作領域に対して図２に示すキャリブレーション方式を採用したフィードバックシステムの回路実装のブロック図を示す。図３に示すように、ＭＯＳトランジスタ強度を調整するフィードバック制御信号を設定又は生成し、例えば、３０４におけるインバータ抵抗の調整に用いられるフィードバック制御部３０３（例えば、図２の２０２の等価物であってもよい）にインバータ３０１の出力３０２を送ることができる。
図４は、一実施形態に係る、例えば、インバータ出力４０２と抵抗の基準値を有するオフチップ抵抗器４０４とを接続することによって、図２に示すようなＸＴＡＬのサブスレッショルド動作のためのフィードバックシステムの代替回路実装のシステムブロック図を示す。インバータ出力４０２は電圧基準と比較され、フィードバック制御部４０３（例えば、図２の２０２に相当）は、その結果を用いて、例えば、４０６においてインバータ４０１のＭＯＳトランジスタの有効長を調節する制御信号を設定（又は生成）する。同様の方法では、キャリブレーションのためのオンチップ抵抗を用いてもよい。
図５は、増幅器のトランジスタＭＰ５０２ａ、ＭＮ５０２ｂの駆動強度を設定する図４に示すキャリブレーション方式の例を示すさらに詳細な回路図である。増幅器５０１は、ＥＮＰ（５０３ｂ）＝０かつＥＮＮ（５０３ａ）＝１の時に起動される。ＭＮ５０２ｂを一定の駆動強度までキャリブレーションを行うために、ＥＮＮ５０３ａとＥＮＰ５０３ｂを１に設定する。これにより、キャリブレーション回路が有効化され、ＭＮ５０２ｂと外部抵抗器Ｒｃ５０５とがスイッチＭＮＣ５０４を介して接続される。増幅器５０１への振動信号ＸＩ５０６（例えば、図１の１０３に相当）は、バランスのとれたインバータ電圧伝達特性の調整のためにＶＤＤ／２となるよう選択されるＲｅｆ５０８に接続される。トランジスタＭＮ５０２ｂのサイズは、フィードバックループ内の逐次近似レジスタ（ＳＡＲ）５０９ロジックとコンパレータ５１０によって変更される。これは以下のように起こり得る。振動信号ＸＩ５０６とＲｅｆ５０８は、ＶＤＤ／２に設定され、プルダウンパスが使用可能となる一方で、プルアップパスが使用不可能となる。外部抵抗器Ｒｃ５０５は、ＶＤＤに接続される。ＭＮ５０２ｂは、そのサイズが非常に大きいと、ＸＯノード５１２をＲｅｆ５０８未満に下げ、コンパレータ出力がローになる。このロー信号は、ＳＡＲロジック５０９にトランジスタＭＮ５０２ｂのサイズを縮小させる。ＭＮ５０２ｂのサイズは、そのサイズがバイナリで重み付けされたトランジスタＭＮ５０２ｂの異なるフィンガーをオン・オフすることによって、逐次近似される。本実施形態では、処理に５クロック周期かかり、外部抵抗器Ｒｃ５０５が設定したトランジスタＭＮ５０２ｂの正しい駆動強度の二分探索がアルゴリズムによって効果的に行われる。これによって、ＭＮ５０２ｂが正しい駆動強度に修正され、処理ばらつきの補償が行われる。同様に、ＭＮ５０２ａも、ＥＮＮ５０３ａとＥＮＰ５０３ｂをゼロに設定し、外部抵抗器Ｒｃ５０５を接地することでそのサイズが決定される。増幅器５０１が５〜２０ｎＡのバイアス電流を供給するサイズとなるよう、外部抵抗器Ｒｃ５０５のサイズを利用することができ、これにより、バルクハウゼン発振条件を十分に満たす駆動強度が得られる。
図６は、〜２ｎＷの消費電力、０．３ＶのＶＤＤで振動可能なことが確認された（図３〜図５に示すさまざまな実施形態で実施されるような）キャリブレーション後の発振器の例のシミュレーション結果を示す。
以下に述べるように、サブスレッショルド動作のために増幅器にバイアスをかけることに加えて、又は、その代替法として、発振器をフィードバック制御下のデューティサイクル駆動することで、ＸＴＡＬ特性を測定し、電力を軽減しつつ振動を維持することができる。水晶発振器のエネルギーは、等価インダクタ又はコンデンサに蓄積される。振動が飽和すると、水晶の等価インダクタやコンデンサに蓄積されたエネルギーが飽和する。増幅器がこの状態で使用不可能な状態になると、振動が減衰を始める。発振器が使用不可能な状態になると、消費電力が無視できるようになる。振動はすぐには止まらないが、その代わり、水晶のＥＳＲ（例えば、図１の１１１）とＬｍ（直列インダクタンス、例えば、図１の１０９）により定められた時定数と共に減衰する。水晶発振器の出力はそれでもなお有用であり、水晶発振器の出力の周波数が振幅の減衰中にドリフトしないために水晶発振器の出力が減衰している場合、クロックを得るのに利用することができる。従って、水晶発振器の消費電力は、増幅器のスイッチを切ることでさらに軽減することができる。水晶発振器出力の振幅が極端に減少される場合には、振動が停止し、その結果、振動が減衰しすぎる前に増幅器を再びオンに戻すことができる。
図７は、ＸＴＡＬドライバ７０３と、振動信号ＸＩ７０１及び／又はＸＯ７００からのフィードバックによりドライバ７０３をオン・オフして節電を図る振動制御装置７０５（例えば、図２のフィードバック制御部２０２と同様）のシステムブロック図を示す。ＸＴＡＬドライバ７０３は、デューティサイクル信号を生成してＸＴＡＬ７０２における振動のエンベロープを変調する。振動制御部７０５は、振動信号ＸＩ７０１及び／又はＸＯ７００からのフィードバックにより、ＸＴＡＬドライバを節電のためにオフにし、振動が停止するまでにオンにすることができるよう、ＸＴＡＬドライバ７０３を周期的にオン及び／又はオフにする。例えば、図７に示すように、増幅器／ドライバが（例えば、７０６において）オンになると、振動エンベロープ７０６の振幅が増加し、増幅器／ドライバが（例えば、７０７において）使用不可能となると、振動エンベロープ７０６の振幅が減少する。このように、節電と振動維持の両方を図るために、振動制御装置７０５は、振動信号エンベロープ（例えば、７０１と７００）の振幅に関するフィードバック情報を利用して、例えば、振動エンベロープの振幅が最小値（例えば、７０９）まで減衰すると増幅器／ＸＴＡＬドライバ７０３をオンにし、振動エンベロープの振幅が最大値（例えば、７０８）に達すると増幅器／ＸＴＡＬドライバ７０３をオフにするなど、振動維持のためにＸＴＡＬドライバ７０３が再びオンに戻るようにする。このように、ＸＴＡＬ振動エンベロープの振幅は、ＸＴＡＬ振動を維持することができるように、最大値７０９と最小値７０８の間で振動してもよい。
図８は、一実施形態に係る、振動が損なわれないままの状態を保ちながら、フィードバックによりＸＴＡＬ増幅器をデューティサイクル駆動して節電を図るシステム及び方法を示すシステムブロック図とタイミング図である。増幅器８０１は、受信回路が振動を検出するのに十分な高さに振動振幅を維持しながら周期的に切り替えられる。増幅器８０１が使用不可能となる（例えば、８０６）と、ＸＩ８０２の振動が、ＥＳＲ（例えば、図１の１１１）とＬｍ（例えば、図１の１０９）によって決まる時定数（ＴＤ）８０７と共に減衰する。８０８の間に増幅器８０１が再び使用可能になると、ＸＴＡＬ振動の振幅が、ＲＮ‐ＥＳＲとＬｍによって決まる時定数（ＴＧ）８０９と共に増加する。Ａ．Ｓｈｒｉｖａｓｔａｖａ、Ｒ．Ｙａｄａｖ、Ｐ．Ｋ．Ｒａｎａらによる「Ｆａｓｔ Ｓｔａｒｔ−ｕｐ Ｃｒｙｓｔａｌ Ｏｓｃｉｌｌａｔｏｒ」、米国特許第８，１２０，４３９号が参照により援用される。最適な節電のためには、増幅器８０１は、図８に示すように、ＴＤ８０７に比例する時間の間使用不可能とし、ＴＧ８０９に比例する時間の間使用可能としなければならない。振動エンベロープ振幅又は最大／最小値と電圧基準値との直接比較を含むその他の制御方式の実施形態が可能である。
図８のフィードバック制御部（「ＯＳＣＴＯＮ及びＴＯＦＦ制御」と示す）８０３は、ＴＧとＴＤを測定する。発振器の出力周波数に基づいて駆動するカウンタは、水晶発振器（ＸＴＡＬ）の出力振幅が設定閾値を超えると使用可能となる。カウンタは、Ｃ１までカウントし、水晶発振器の出力振幅がより高い閾値を超えると停止する。これにより、ＴＧに比例したデジタル出力パルスが生じる。同様に、ＴＤに比例した幅Ｃ２を有するパルスも得られる。フィードバック回路は、図８に示すように、Ｃ１を高位相幅、Ｃ２を低位相幅として、期間（Ｃ１＋Ｃ２）のクロックを生成できる。提案されている技術によって、水晶発振器ＸＴＡＬの増幅器８０１の切り替えが調整可能となり、１ｎＷ近く又はそれ以下まで電力が低減される。
図９は、一実施形態に係る、ＴＧを測定する回路図（例えば、回路実装は、図８の振動制御部８０３の一部であってもよい）と、ＸＴＡＬ振動のエンベロープの増大する振幅を示すタイミング図である。回路には、コンパレータ９０１ａ、９０１ｂとＳＲフリップフロップ９０２ａ、９０２ｂが備えられている。閾値電圧ＶＲＥＦＨ９０５ａ（例えば、ＶＤＤ＝０．３Ｖに対して２２０ｍＶ）とＶＲＥＦＬ９０５ｂ（例えば、ＶＤＤ＝０．３Ｖに対して２００ｍＶ）が各コンパレータの反転入力端子に印加され、ＸＩが各コンパレータの非反転入力端子に印加される。振動の振幅がＶＲＥＦＬを超えると、上側コンパレータ９０１ａの出力が高くなり、対応するＳＲフリップフロップ９０２ａが設定される。これによって、ＣｏｕｎｔＥｎ９０６がハイに設定される。カウンタ（不図示）は、この信号によって使用可能となり、カウントを開始する。振動の振幅は増加し続ける。振動がＶＲＥＦＨ９０５ａを超えると、下側コンパレータ９０１ｂがハイになり、対応するＳＲフリップフロップ９０２ｂが設定され、ＣｏｕｎｔＥｎ９０６がゼロに設定される。これによって、カウンタが停止し、振動の増大に比例するカウンタの値が設定される。カウンタの値はデジタルであり、図９の回路が節電のために停止している間格納される。提案されている回路は、カウント値が必要な場合のみ電力を消費する。
図１０は、一実施形態に係る、発振器に対してＴＤを取得するための回路実装（例えば、回路実装は、図８の振動制御部８０３の一部であってもよい）を示す図と、ＸＴＡＬ振動のエンベロープの減衰する振幅を示すタイミング図である。図１０の回路は、負トリガを捕獲するために２つのＤフリップフロップ１００２ａ、１００２ｂがさらに備えられているという点を除けば、図９に示すＴＧの取得に用いられる回路と酷似している。例えば、振動の振幅がＶＲＥＦＨ未満に減衰すると、下側コンパレータ１００１ｂの出力が低くなり、対応するＳＲフリップフロップ１００３ｂが設定され、Ｄフリップフロップ１００２ａがハイに設定される。これによって、ＣｏｕｎｔＥｎ９０６がハイに設定され、カウンタがカウントを開始することができるようになる。この振動の振幅が減衰し続け、ＶＲＥＦＬ１００５ｂを下回ると、上側コンパレータ１００１ａがローになることにより、対応するＳＲフリップフロップ１００３ａが設定され、Ｄフリップフロップ１００２ａが１００２ｂと同様の出力値を有するようになる。このように、ＣｏｕｎｔＥｎ９０６がゼロに設定される。これによって、カウンタが停止し、振動の減衰に比例するカウンタの値が設定される。
また、ＸＩがＶＲＥＦＨ１００５ａからＶＲＥＦＬ１００５ｂの範囲内である場合にカウントを行うカウンタも可能である。増幅器（例えば、図８の８０１）が使用可能な場合にＴＧ（例えば、図８の８０９）を取得し、増幅器（例えば、図８の８０１）が使用不可能な場合にＴＤ（例えば、図８の８０７）を取得する。ＴＧとＴＤはいずれもデジタルに格納され、それらの対応する回路が節電のために停止される。ＴＧとＴＤを取得後、振動制御装置（例えば、図８の８０３）が増幅器（例えば、図８の８０１）をＴＤに比例する時間の間オンにし、ＴＧに比例する時間の間オフにする。このような増幅器のデューティサイクリングによって節電が行われ、フィードバック方式によって振動が保護され、損なわれないまま維持される。総消費電力は、例えば、１ｎＷ以下となり得る。
図１１は、提案された水晶発振回路（例えば、図７、図８に示すＸＴＡＬ回路の回路実装）の例を示す完全な回路図である。まず、キャリブレーション回路１１０１において増幅器（例えば、図８の８０１）の調整が行われる。増幅器の調整は、製造後に一度以上行うことができ、例えば、環境変化を補償する。キャリブレーション回路１１０１は、増幅器の駆動強度を設定し、処理ばらつきやその他の変化を補償する。調整後、時定数生成回路１１０２により増幅器の増大ＴＧの時間と減衰ＴＤの時間を取得する。これらの時定数により、増幅器のオン・オフを切り替えるクロックＤＣＣＬＫ１１０３が構成される。ＤＣＣＬＫ１１０３のデューティサイクルは、ハイ時間＝ＴＧ、ロー時間＝ＴＤであるＴＧとＴＤによって決定する。ＤＣＣＬＫ１１０３が構成されると、時定数生成回路１１０２が停止される。同様に、キャリブレーション回路１１０１は調整後停止され、デジタルビットはすべて格納される。これにより、キャリブレーション回路１１０１又は時定数生成回路１１０２の電力オーバーヘッドが解消される。消費電力は、デューティサイクリングを備える増幅器によって得られる。クロックバッファ１１０５によって、クロックを必要に応じてより高い電圧へとレベル変換する。
図１２は、ＸＴＡＬドライバのシミュレーション結果の例を示し、例えば、振動信号出力や節電のための鋸歯状のエンベロープをもたらす、ＸＴＡＬ増幅器のデューティサイクリングを示す。図１２の例のＸＴＡＬドライバは、１３０ｎｍの商業用ＣＭＯＳ処理に実装され、製造されたものである。波形は、１ｎＷ未満の平均消費電力、３２．７６８ｋＨｚの周波数における回路の正常な動作を示している。例えば、グラフ１２０１は振幅のデューティサイクリングを行った場合の振動を示し、グラフ１２０２は振動のデューティサイクリング時のＸＴＡＬ増幅器の周期イネーブル信号（例えば、図１１のＤＣＣＬＫ１１０３）を示す。
図１３は、一実施形態に係る、（例えば、図２のフィードバック制御部２０２によって実行されるような）サブスレッショルド領域を含む低電圧での動作に対するＸＴＡＬドライバの調整を示すフローチャートである。フィードバック制御部は、１３０１においてサブスレッショルドとなり得る低電圧でＸＴＡＬドライバにバイアスをかけるＸＴＡＬ回路に含まれることもある（例えば、図２のフィードバック制御部２０２を参照）。フィードバック制御部は、１３０２において、ＸＴＡＬドライバ特性の測定に用いられるフィードバック回路（例えば、図２参照）の負荷要素を構成することができ、１３０３において、例えば、電圧、電流などの負性抵抗に影響を与えるＸＴＡＬドライバの回路特性を測定することができる。フィードバック制御部は、その他のドライバ特性に対して、１３０４において、ステップ１３０２〜１３０３を必要に応じて繰り返し行い、例えば、振動振幅などのさまざまなドライバ特性を得てもよい。上述の測定に基づき、制御フィードバック制御部は、１３０５において、負性抵抗に影響を与えるＸＴＡＬドライバを調整し、低電圧で適切な振動を得るための負性抵抗を設定することができる。
図１４は、一実施形態に係る、（例えば、図７の振動制御部７０５又は図８の８０３によって実行されるような）振動を維持しつつ行われるＸＴＡＬのドライバのデューティサイクリングを示すフローチャートである。図１４に示すように、振動フィードバック制御部（例えば、図７の７０５、図８の８０３）は、１４０１において、ＸＴＡＬ振動エンベロープの立ち上がり時間と立ち下がり時間を測定してもよい（例えば、図７、図８の振動エンベロープの立ち上がり時間及び立ち下がりを参照）。振動フィードバック制御部は、１４０２において、ＸＴＡＬ振動を開始し、振動の振幅を、例えば、最大振動振幅（例えば、図７の７０８）に達することにより増加させてもよい。そして、フィードバック制御部は、１４０３においてＸＴＡＬドライバをオフにして節電し、ＸＴＡＬドライバが１４０５において再びオンになるまで１４０４において振動エンベロープの測定された立ち下がり時間に比例する時間待機してもよい。こうして、フィードバック制御部は、振動が停止するまで（例えば、振動振幅がゼロ又は受信回路が振動を検出できないくらいに十分に小さな値などに減少するまで）振動を維持する。その後、制御部は、１４０６において、振動エンベロープの測定された立ち上がり時間に比例する時間待機し、振動エンベロープの振幅が最大値に達するのを待ってもよい。ＸＴＡＬドライバのオン・オフは、節電及び振動を維持するデューティサイクルを形成するよう、１４０７において周期的に繰り返し行われてもよい。
図１５は、別の実施形態に係る、（例えば、図７の振動制御部７０５又は図８の８０３によって実行されるような）振動を維持しつつ行われるＸＴＡＬのデューティサイクリングを示すフローチャートである。図１４に説明した動作フローと同様、フィードバック制御部は、１５０１において、ＸＴＡＬ振動を開始し、振動の振幅を増加させてもよく、また、１５０２においてＸＴＡＬドライバをオフにして節電を行ってもよい。そして、制御部は、１５０３においてＸＴＡＬ振動エンベロープが範囲内の閾値又は極値、例えば、図７の最小値７０９に達するまでＸＴＡＬエンベロープを測定し、その後、１５０４においてＸＴＡＬドライバをオンにする。そして、制御部は、１５０５においてＸＴＡＬエンベロープが範囲内の最大閾値又は極値、例えば、図７の最大値７０８に達するまでＸＴＡＬエンベロープを測定してもよい。その後、制御部は、ＸＴＡＬ振動をモニタリングし、ステップ１５０２〜１５０５のようにＸＴＡＬドライバのオフ・オンを繰り返し行ってもよい。
つまり、いくつかの実施形態では、サブスレッショルド動作領域において、ＸＴＡＬ用増幅器にバイアスをかける。それに加えて、又は、その代替法として、サブスレッショルド動作領域においてバイアスがかけられたＸＴＡＬ用増幅器にバイアスをかけるために、フィードバック制御方法を採用することができる。
いくつかの実施形態では、ＸＴＡＬ振動振幅が減衰し始めても増幅器を再びオンにして振動が停止するまで振動を維持することができる期間、節電を行うため、ＸＴＡＬ発振器用の増幅器に対してデューティサイクリングを行うことができる。それに加えて、又は、その代替法として、ＸＴＡＬ発振器用の増幅器に対してデューティサイクリングを行うフィードバック制御方法を採用して、ＸＴＡＬ振動振幅が減衰し始めても増幅器を再びオンにして振動が停止するまで振動を維持することができる期間、節電を行うことができる。
本明細書に記載の方法や装置は、（メモリに格納され、ハードウェア上で実行される）ソフトウェア、ハードウェア、又はその組み合わせによって実装可能である。例えば、上記の制御回路は、そのようなソフトウェア及び／又はハードウェアで実装される、又はそれらを含む制御モジュール又は制御装置であってもよい。ハードウェアモジュールには、例えば、汎用プロセッサ、フィールド・プログラマブル・ゲート・アレイ（ＦＰＧＡ）、及び／又は、特定用途向け集積回路（ＡＳＩＣ）が含まれてもよい。（ハードウェア上で実行される）ソフトウェアモジュールは、Ｃ、Ｃ＋＋、Ｊａｖａ（登録商標）、Ｒｕｂｙ、ＶｉｓｕａｌＢａｓｉｃ（登録商標）、及び、その他のオブジェクト指向言語、手続き型言語、又は、その他のプログラミング言語や開発ツールを含む、さまざまなソフトウェア言語（例えば、コンピュータ・コード）で表されてもよい。コンピュータ・コードの例としてはこれらに限定されないが、マイクロコード又はマイクロ命令、コンパイラで生成される機械命令、ウェブサービスを生成するためのコード、コンピュータがインタプリタにより実行する上位レベル命令を含むファイルが挙げられる。さらなるコンピュータ・コードの例としてはこれらに限定されないが、制御信号、暗号コード、圧縮コードが挙げられる。
本明細書に記載のいくつかの実施形態は、コンピュータで実施されるさまざまな動作を実行するための命令又はコンピュータ・コードを有する非一時的コンピュータ可読媒体（非一時的プロセッサ可読媒体とも称される）を備えたコンピュータストレージ製品に関する。コンピュータ可読媒体（又はプロセッサ可読媒体）は、それ自体一時的な伝搬信号（例えば、空間やケーブルなどの伝送媒体上の情報を伝える伝搬電磁波）を含まないという意味での非一時性を有する。そのような媒体やコンピュータ・コード（コードとも称する）は、一つ又は複数の特定の目的のために設計され構成されるものであってもよい。非一時的コンピュータ可読媒体の例としてはこれらに限定されないが、ハードディスク、フロッピーディスク、磁気テープなどの磁気記憶媒体、コンパクトディスク／デジタルビデオディスク（ＣＤ／ＤＶＤ）、コンパクトディスクー読み取り専用メモリ（ＣＤーＲＯＭ）、ホログラフィック装置などの光学記憶媒体、光学ディスクなどの光磁気記憶媒体、搬送波信号処理モジュール、特定用途向け集積回路（ＡＳＩＣ）、プログラム可能論理回路（ＰＬＤ）、読み取り専用メモリ（ＲＯＭ）、ランダムアクセスメモリ（ＲＡＭ）など、プログラムコードを記憶・実行するよう特別に構成されたハードウェア装置が挙げられる。
以上、種々の実施形態について説明してきたが、これらの実施形態は、例として提示したにすぎず、本発明の範囲を限定することを意図したものではない。上述した方法及び工程が、ある順序で起こるある事象を指示している場合には、ある工程の順序が変更可能である。また、ある工程は、可能である場合には、並列プロセスにおいて同時に実施されてもよく、上述したように連続的に実施されてもよい。また、種々の実施形態について、ある特定の特徴及び／又は構成要素のコンビネーションを有するものとして説明してきたが、本明細書に記載のいずれかの実施形態におけるいずれかの特徴及び／又は構成要素のコンビネーション又はサブコンビネーションを有するその他の実施形態も可能である。

Claims (20)

  1. 金属酸化膜半導体（ＭＯＳ）トランジスタを有する増幅器を備え、前記ＭＯＳトランジスタがサブスレッショルド動作領域で動作している間、水晶発振器（ＸＴＡＬ）を動作させる動作信号を生成するように構成されたＸＴＡＬドライバと、
    前記ＸＴＡＬドライバに動作可能に接続され、前記ＸＴＡＬドライバからの出力を受信し、前記出力に基づいて調整信号を生成し、前記ＸＴＡＬドライバに前記調整信号を送信するように構成されたフィードバック制御部と、
    を具備し、
    前記ＸＴＡＬドライバは、前記ＸＴＡＬドライバの増幅器の負性抵抗が前記ＭＯＳトランジスタの前記サブスレッショルド動作領域内動作用の値に調整されるよう、前記調整信号に応じて前記ＸＴＡＬドライバの回路レベル特性を調整するように構成されていることを特徴とする装置。
  2. 前記フィードバック制御部は、前記増幅器に前記サブスレッショルド動作領域内動作をするようバイアスをかけるように構成されていることを特徴とする請求項１に記載の装置。
  3. 前記増幅器は、前記ＭＯＳトランジスタを有するデジタルインバータを備えることを特徴とする請求項１に記載の装置。
  4. 前記増幅器はデジタルインバータを備え、
    前記増幅器の負性抵抗は、前記デジタルインバータのトランジスタ強度をフィードバック制御として前記出力に基づき調整することで調整が行われる、
    ことを特徴とする請求項１に記載の装置。
  5. 抵抗基準値を有し、前記ＸＴＡＬドライバに動作可能に接続されたオフチップ抵抗器をさらに具備し、
    前記ＸＴＡＬドライバは、電圧基準値を維持する際、前記オフチップ抵抗器にアクセスするように構成されている、
    ことを特徴とする請求項１に記載の装置。
  6. 前記フィードバック制御部は、前記出力と前記電圧基準値との比較に基づいて前記調整信号を生成し、前記ＭＯＳトランジスタの有効長を調整するように構成されていることを特徴とする請求項４に記載の装置。
  7. 前記値はＸＴＡＬ振動の条件を満たすのに十分な値である、
    ことを特徴とする請求項１に記載の装置。
  8. 振動を発生させる水晶発振器（ＸＴＡＬ）と、
    前記ＸＴＡＬと通信可能に接続され、前記振動のエンベロープを変調させるデューティサイクル信号を生成するように構成されたＸＴＡＬドライバと、
    前記ＸＴＡＬドライバと前記ＸＴＡＬとに通信可能に接続され、前記振動からのフィードバックを用いて、前記振動のエンベロープの振幅が最小値に減衰する場合に前記ＸＴＡＬドライバをオンにし、前記振動のエンベロープの振幅が最大値に達する場合に前記ＸＴＡＬドライバをオフにする動作を繰り返し行うように構成されたフィードバック制御部と、
    を具備することを特徴とする装置。
  9. 前記ＸＴＡＬは、金属酸化膜半導体（ＭＯＳ）トランジスタのサブスレッショルド動作領域で動作するように構成されていることを特徴とする請求項８に記載の装置。
  10. 前記ＸＴＡＬドライバは、デューティサイクル中は前記振動を止めないで振動のエンベロープを変調させるように構成され、
    前記フィードバック制御部は、前記振動のエンベロープの振幅が減少する場合に、振動を維持するのに間に合うように前記ＸＴＡＬドライバをオンにする、
    ことを特徴とする請求項８に記載の装置。
  11. 前記ＸＴＡＬドライバは、前記振動のエンベロープの振幅を受信回路が前記振動を検出するのに十分高い振幅に維持しつつ、繰り返し切り替えられるように構成された増幅器を備える、
    ことを特徴とする請求項８に記載の装置。
  12. 前記ＸＴＡＬドライバは、前記ＸＴＡＬ振動の立ち下がり時間に比例する期間、オフになるように構成されている、
    ことを特徴とする請求項８に記載の装置。
  13. 前記ＸＴＡＬドライバは、前記ＸＴＡＬ振動の立ち上がり時間に比例する期間、オンになるように構成されている、
    ことを特徴とする請求項８に記載の装置。
  14. ＸＴＡＬをディーティサイクリングする方法であって、
    ＸＴＡＬ振動エンベロープの立ち上がり時間と立ち下がり時間の測定値を取得し、
    最大振幅に達するように構成されたＸＴＡＬ振動を開始する開始信号を前記ＸＴＡＬに送信し、
    前記ＸＴＡＬ振動エンベロープの立ち下がり時間に比例する第１時間の間、前記ＸＴＡＬドライバをオフにする第１信号を送信し、
    前記ＸＴＡＬ振動エンベロープの立ち上がり時間に比例する第２時間の間、前記ＸＴＡＬドライバをオンにする第２信号を送信する、
    ことを繰り返し実行する、
    ことを含み、
    前記第１時間と前記第２時間は、前記ＸＴＡＬ振動が維持されるよう、前記ＸＴＡＬ振動エンベロープの増大遅延・減衰遅延に関連するものである、
    ことを特徴とする方法。
  15. 前記ＸＴＡＬ振動エンベロープの立ち上がり時間と立ち下がり時間の測定値は、前記ＸＴＡＬ振動振幅の増加時にカウンタがカウントを開始する高い値を設定する第１コンパレータと、前記ＸＴＡＬ振動振幅の減少時に前記カウンタがカウントを停止するゼロ値を設定する第２コンパレータとを備えた測定回路を介して取得する、
    ことを特徴とする請求項１４に記載の方法。
  16. 前記ＸＴＡＬ振動エンベロープの増大遅延・減衰遅延に対して前記第１時間と前記第２時間とをモニタリング及び制御する、
    ことをさらに含むことを特徴とする請求項１４に記載の方法。
  17. 前記ＸＴＡＬドライバは、前記ＸＴＡＬドライバのＭＯＳトランジスタのサブスレッショルド動作領域において前記ＸＴＡＬを動作させる、
    ことを特徴とする請求項１４に記載の方法。
  18. 前記ＸＴＡＬドライバは、デューティサイクルの間、前記ＸＴＡＬ振動を停止させずに前記ＸＴＡＬ振動エンベロープを変調させる、
    ことを特徴とする請求項１４に記載の方法。
  19. 前記ＸＴＡＬ振動からのフィードバックを用いて前記ＸＴＡＬドライバを周期的にオン・オフする、
    ことをさらに含むことを特徴とする請求項１４に記載の方法。
  20. 前記ＸＴＡＬ振動エンベロープが最小値に達するまで前記ＸＴＡＬドライバをオフにし、
    前記ＸＴＡＬ振動エンベロープが最大値に達するまで前記ＸＴＡＬドライバをオンにし、
    前記ＸＴＡＬ振動が維持されるよう前記ＸＴＡＬドライバのオン・オフを繰り返す、
    ことをさらに含むことを特徴とする請求項１４に記載の方法。
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