JP5384959B2 - 電子回路 - Google Patents

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Description

本発明は、電子回路に関し、特に発振周波数の異なる複数の発振器を有する電子回路に関する。
従来、マイクロコンピュータは、CPU等の内部回路を動作させるためのクロック(システムクロック等)を発生するためのシステムクロック用発振器と、時計用のクロックを発生するための時計用発振器とを備えている。一般に、時計用発振器は水晶発振器で形成され、システムクロック用発振器に比べて低周波数(例えば32KHz)のクロックを発生する。
また、一般のマイクロコンピュータにおいては、処理速度の異なる複数の動作モードを有しており、各動作モードに対応して、速度(周波数)の異なるクロックを発生する複数のシステムクロック用発振器を持っている。つまり、高速処理の動作モードでは、高速の(高周波数の)システムクロック用発振器を動作させて高速のクロックを出力させ、低速処理の動作モードでは、低速の(低周波数の)システムクロック用発振器を動作させて低速のクロックを出力させる。
そして、マイクロコンピュータの動作時においては、1つのシステムクロック用発振器と時計用発振器を同時に動作させる。一方、マイクロコンピュータの待機時(スタンバイ時等)においては、すべてのシステムクロック用発振器を停止させ、時計用発振器のみを動作させる。この場合、マイクロコンピュータの待機時の消費電力を低く抑えるために、時計用発振器の電源インピーダンスは高く設定されていた。
この種のマイクロコンピュータは、特許文献1、2に記載されている。
特開2002−222024号公報 特開平9−34867号公報
しかしながら、時計用発振器の電源インピーダンスを高く設定すると、マイクロコンピュータの高速処理の動作モードでは、高速のシステムクロック用発振器から発生するノイズが大きいため、そのノイズが時計用発振器のクロックに影響を与え、時計が誤動作するという問題がある。一方、ノイズ対策のために時計用発振器の電源インピーダンスは低く設定すると、マイクロコンピュータの消費電力が大きくなるという問題がある。
本願で開示される発明の中、主なものを挙げれば以下の通りである。
本発明の電子回路は、第1のクロックを発生し電源インピーダンスが可変制御可能な第1の発振器と、前記第1のクロックより周波数が高い第2のクロックを発生する第2の発振器と、前記第2のクロックより周波数が高い第3のクロックを発生する第3の発振器と、前記第2の発振器及び第3の発振器のいずれか1つの発振器を動作させる動作モード切り替え信号を出力する動作モード切り替え回路と、前記第1の発振器の電源インピーダンスを可変制御するための制御信号を格納する制御レジスタと、前記動作モード切り替え信号に応じて、前記第2及び第3の発振器が停止している時は前記第1の発振器の電源インピーダンスを高インピーダンスに設定し、前記第2の発振器が動作し、前記第3の発振器が停止している時は前記第1の発振器の電源インピーダンスを中インピーダンスに設定し、前記第3の発振器が動作し、前記第2の発振器が停止している時は前記第1の発振器の電源インピーダンスを低インピーダンスに設定するとともに、前記第2及び第3の発振器が停止している時に前記動作モード切り替え信号に関わらず、前記制御レジスタに格納された前記制御信号に応じて、前記第1の発振器の電源インピーダンスを低インピーダンス又は中インピーダンスに設定する制御回路を備えることを特徴とする。
また、本発明の電子回路は、第1のクロックを発生し電源インピーダンスが可変制御可能な第1の発振器と、前記第1のクロックより周波数が高い第2のクロックを発生する第2の発振器と、前記第2のクロックより周波数が高い第3のクロックを発生する第3の発振器と、前記第3のクロックより周波数が高い第4のクロックを発生する第4の発振器と前記第2の発振回路、第3の発振器及び第4の発振器のいずれか1つの発振器を動作させる動作モード切り替え信号を出力する動作モード切り替え部と、前記第1の発振器の電源インピーダンスを可変制御するための制御信号を格納する制御レジスタと、前記動作モード切り替え信号に応じて、前記第2、第3及び第4の発振器が停止している時又は前記第2の発振器が動作し、前記第3及び第4の発振器が停止している時は前記第1の発振器の電源インピーダンスを高インピーダンスに設定し、前記第3の発振器が動作し、前記第2及び第4の発振器が停止している時は前記第1の発振器の電源インピーダンスを中インピーダンスに設定し、前記第4の発振器が動作し、前記第2及び第3の発振器が停止している時は前記第1の発振器の電源インピーダンスを低インピーダンスに設定するとともに、前記第2の発振器が動作し、前記第3及び第4の発振器が停止している時に前記動作モード切り替え信号に関わらず、前記制御レジスタに格納された前記制御信号に応じて、前記第1の発振器の電源インピーダンスを低インピーダンス又は中インピーダンスに設定する制御回路を備えることを特徴とする。
本発明によれば、電子回路(例えば、マイクロコンピュータ)の動作モードに応じて、低周波数の発振器について適切な電源インピーダンスを設定することにより、前記発振器の誤動作を防止しながら、消費電力を適切に低減することができる。
本発明の実施形態によるマイクロコンピュータの回路図である。 本発明の実施形態による水晶発振器の第1の回路図である。 本発明の実施形態による水晶発振器の第2の回路図である。 本発明の実施形態による水晶発振器の第3の回路図である。
本発明の実施形態に係るマイクロコンピュータを図1乃至図4に基づいて説明する。先ず、マイクロコンピュータの全体構成を図1に基づいて説明する。
先ず、図示のようにシステムクロックのクロック源として、高速クロック(例えば、周波数8MHz)を発生する高速発振器11、中速クロック(例えば、周波数4MHz)を発生する中速発振器12、低速クロック(例えば、周波数1MHz)を発生する低速発振器13が設けられている。これらの3つの発振器は、例えば、抵抗Rと容量Cを含んで形成されたRC発振器である。
これらの3つの発振器はCPU10によって起動と停止が制御される。即ち、CPU10はROM14に格納されたプログラムに従って、動作モード切り替え部15を制御する。動作モード切り替え部15は、CPU10からのプログラム命令に基づき、高速発振器11、中速発振器12及び低速発振器13に、対応する制御信号S1、S2、S3を出力する。即ち、高速動作モードの場合は制御信号S1がHレベルになり高速発振器11が動作し、中速動作モードの場合は制御信号S2がHレベルになり中速発振器12が動作し、低速動作モードの場合は制御信号S3がHレベルになり低速発振器13が動作する。
また、クロック選択部16は、動作モード切り替え部15からの制御信号S4に基づき、高速発振器11、中速発振器12及び低速発振器13からのクロックを選択して、次段の分周器17に印加する。分周器17は動作モード切り替え部15からの制御信号S5に基づいて、選択されたクロックを所定の分周比で分周する。分周器17によって分周されたクロックはCPU10等を動作させるためのシステムクロックとして用いられる。
CPU10は、動作モード切り替え部15を制御する他に、ROM14に格納されたプログラムに従って、周辺デバイス18、電源インピーダンス制御レジスタ19、時計回路20、RAM等を制御する。周辺デバイス18には、タイマー、A/Dコンバータ、入出力回路等が含まれる。
一方、水晶発振器30は時計用クロックを発生するための発振器であり、発生された時計用クロックは時計回路20に印加される。時計回路20は、時計用クロックに基づいて動作するカウンタ回路を含み、年、日、時、分、秒等の計数を行う時計機能を持っている。水晶発振器30の発振周波数は例えば32Kzであり、高速発振器11(例えば8MHz)、中速発振器12(例えば4MHz)及び低速発振器13(例えば1MHz)の発振周波数と比べると相当低い周波数で発振する。
この水晶発振器30においては、マイクロコンピュータの端子P1,P2に水晶振動子XTAL、容量C1、C2が外付けされており、端子P1,P2の間に抵抗R、負帰還用のインバータ31(増幅器の一種)が接続されている。そして、インバータ31の電源インピーダンスを切り替える電源インピーダンス切り替え部32が設けられている。
電源インピーダンス切り替え部32は、動作モード切り替え部15からの制御信号S1,S2、あるいは電源インピーダンス制御レジスタ19からの制御信号S6,S7に基づいて、その切り替え動作が制御されるようになっている。制御信号S1,S6は第1のOR回路21に入力され、制御信号S2,S7は第2のOR回路22に入力される。そして、第1のOR回路21から第1のインピーダンス制御信号Aが出力され、第2のOR回路22から第2のインピーダンス制御信号Bが出力される。
第1のインピーダンス制御信号AがHレベルの時、インバータ31の電源インピーダンスは低インピーダンスに設定され、第2のインピーダンス制御信号BがHレベルの時、インバータ31の電源インピーダンスは中インピーダンスに設定され、第1及び第2のインピーダンス制御信号A,BがいずれもLレベルの時は、インバータ31の電源インピーダンスは高インピーダンスに設定される。
即ち、動作モードと電源インピーダンス制御レジスタ19のデータ設定により、水晶発振器30の電源インピーダンスを最適に制御できるようになっている。
ここで、インバータ31は増幅器の一種であって、その電源インピーダンスを切り替えるということは、増幅器のゲイン(利得)を切り替えることと等価である。つまり、インバータ31の電源インピーダンスを低くすることは、そのゲインを小さくすることと等価であり、インバータ31の電源インピーダンスを大きくすることは、そのゲインを大きくすることと等価である。
また、図1の電源インピーダンス切り替え部32は、インバータ31の電源電位VDD供給用の電源端子と電源電位VDDの間に設けられるように図示されているが、電源インピーダンス切り替え部32は、インバータ31の接地電位VSS供給用の接地端子と接地電位VSSの間に設けられても良いし、電源電位VDD側と接地電位VSS側の両方に設けられてもよい。
水晶発振器30のさらに詳しい構成例を図2に基づいて説明する。図示のように、インバータ31は、Pチャネル型MOSトランジスタMP1とNチャネル型MOSトランジスタMN1を直列接続してなるCMOSインバータである。インバータ31は反転増幅器として用いられるので、CMOSインバータに限らず、他のタイプの反転増幅器であっても良い。
Pチャネル型MOSトランジスタMP1のソースと電源電位VDDを供給する電源ライン33の間に、Pチャネル型MOSトランジスタMP2,MP3,MP4(スイッチング素子の一例)が並列に挿入されている。Pチャネル型MOSトランジスタMP2のゲートには接地電位VSSが印加されることにより、Pチャネル型MOSトランジスタMP2は常にオン状態に設定されている。Pチャネル型MOSトランジスタMP3のゲートには第1のインピーダンス制御信号Aの反転された信号が印加される。Pチャネル型MOSトランジスタMP4のゲートには第2のインピーダンス制御信号Bの反転された信号が印加される。
また、Nチャネル型MOSトランジスタMN1のソースと接地電位VSSを供給する接地ライン34の間に、Nチャネル型MOSトランジスタMN2,MN3,MN4(スイッチング素子の一例)が並列に挿入されている。Nチャネル型MOSトランジスタMN2のゲートは電源電位VDDが印加されることにより、Nチャネル型MOSトランジスタMN2は常にオン状態に設定されている。Nチャネル型MOSトランジスタMN3のゲートには第1のインピーダンス制御信号Aが印加される。Nチャネル型MOSトランジスタMN4のゲートには第2のインピーダンス制御信号Bが印加される。
常時オンしているPチャネル型MOSトランジスタMP2、Nチャネル型MOSトランジスタMN2は、トランジスタサイズを小さくすることにより、(チャネル幅/チャネル長の比率を小さくする)オン状態のソースドレイン間インピーダンスが高インピーダンスに設定される。
第1のインピーダンス制御信号Aによりオンオフが制御されるPチャネル型MOSトランジスタMP3、Nチャネル型MOSトランジスタMN3は、トランジスタサイズを大きくすることにより、(チャネル幅/チャネル長の比率を大きくする)オン状態のソースドレイン間インピーダンスが低インピーダンスに設定される。
第2のインピーダンス制御信号Bによりオンオフが制御されるPチャネル型MOSトランジスタMP4、Nチャネル型MOSトランジスタMN4は、トランジスタサイズをPチャネル型MOSトランジスタMP3、Nチャネル型MOSトランジスタMN3に比して
小さくすることにより、(チャネル幅/チャネル長の比率を小さくする)オン状態のソースドレイン間インピーダンスが中インピーダンスに設定される。
上記構成によれば、第1のインピーダンス制御信号AがHレベル、かつ第2のインピーダンス制御信号BがLレベルの時、MP2,MN2,MP3,MN3だけがオンするので、インバータ31の電源インピーダンスは低インピーダンスになる。つまり、インバータ31と電源ライン33、インバータ31と接地ライン34の間のインピーダンスが低くなる。電源インピーダンスという概念は、インバータ31と電源ライン33との間のインピーダンス、インバータ31と接地ライン34の間のインピーダンスを含むものである。
第2のインピーダンス制御信号BがHレベル、かつ第1のインピーダンス制御信号AがLレベルの時、MP2,MN2,MP4,MN4だけがオンするので、インバータ31の電源インピーダンスは中インピーダンスになる。また、第1及び第2のインピーダンス制御信号A,BがいずれもLレベルの時は、MP2,MN2のみがオンするのでインバータ31の電源インピーダンスは高インピーダンスになる。
図2の水晶発振器30においては、電源インピーダンス切り替え部32は、電源電位VDD側(Pチャネル型MOSトランジスタMP1のソース側)と接地電位VSS側(Nチャネル型MOSトランジスタMN1のソース)の両方に設けられている。
電源インピーダンス切り替え部32はこのような構成に限らず、図3に示すように、インバータ31の電源電位VDD側(Pチャネル型MOSトランジスタMP1のソースと電源ライン33の間)にのみ設けても良い。また、図4に示すように、インバータ31の接地電位VSS側(Nチャネル型MOSトランジスタMN1のソースと接地ライン34の間)にのみ設けても良い。また、電源インピーダンス切り替え部32を構成する電源インピーダンス切り替え用のトランジスタは、上述のようなMOSトランジスタに限らず、バイポーラトランジスタ等の他のスイッチング素子を用いても良い。
上記のマイクロコンピュータの動作をまとめると表1の以下通りである。
Figure 0005384959
先ず、高速動作モードが選択されると、制御信号S1がHレベルになり高速発振器11が動作する。(制御信号S2、S3はLレベル)そして、マイクロコンピュータは高速発振器11によって発生された高速のシステムクロックに基づいて動作する。この時、制御信号S1に応じて、第1のインピーダンス制御信号AがHレベルになり、水晶発振器30の電源インピーダンスは低く設定される。
これにより、高速発振器11から大きなノイズが発生しても、水晶発振器30の電源インピーダンスは低いのでノイズによるクロック波形の乱れが抑制され、時計回路20は正常に動作する。
この場合、水晶発振器30の消費電力は増加するが、その消費電力は高速発振器11の動作時のマイクロコンピュータの消費電力に比べて無視できるほど小さいのでマイクロコンピュータ全体として見ると、水晶発振器30の消費電力の増加は問題にならない。これは、一般のマイクロコンピュータにおいて、高速発振器11の消費電流は数mA程度であるのに対して、水晶発振器30の消費電流は数μA以下だからである。
また、中速動作モードが選択されると、制御信号S2がHレベルになり中速発振器12が動作する。(制御信号S1、S3はLレベル)そして、マイクロコンピュータは中速発振器12によって発生された中速のシステムクロックに基づいて動作する。この時、制御信号S2に応じて、第2のインピーダンス制御信号BがHレベルになり、水晶発振器30の電源インピーダンスは中インピーダンスに設定される。これにより、中速発振器12により中程度のノイズが発生しても、水晶発振器30の電源インピーダンスが中位に設定されているのでノイズによるクロック波形の乱れが抑制され、時計回路20は正常に動作する。
また、低速動作モードが選択されると、制御信号S3がHレベルになり低速発振器13が動作する。そして、マイクロコンピュータは低速発振器13によって発生された低速のシステムクロックに基づいて動作する。低速発振器13の発生するノイズは小さく、水晶発振器30の誤動作は問題ならないことが多い。そこで、このような場合には、制御信号S1、S2はいずれもLレベルなので、第1及び第2のインピーダンス制御信号A,BはいずれもLレベルになり、水晶発振器30の電源インピーダンスは高インピーダンスに設定される。これにより、消費電力を極力抑えている。
さらに、マイクロコンピュータの待機時(スタンバイ時)には、制御信号S1、S2、S3をLレベルに設定し、高速発振器11、中速発振器12、低速発振器13の動作をすべて停止させる。この場合は、第1及び第2のインピーダンス制御信号A,BはいずれもLレベルになり、水晶発振器30の電源インピーダンスは高インピーダンスに設定される。
高速発振器11、中速発振器12、低速発振器13から発生するノイズは無いので、水晶発振器30の電源インピーダンスは高インピーダンスに設定しても水晶発振器30の誤動作のおそれはない。この場合、電源インピーダンスが高く設定されるので、インバータ31の動作電流が抑制される結果、水晶発振器30の消費電流は例えば1μA以下に低減される。これにより、マイクロコンピュータの消費電力は最小限に抑えられる。
動作モード切り替え部15によって選択された上記動作モードとは別に、水晶発振器30の電源インピーダンスは、電源インピーダンス制御レジスタ19に格納された制御信号S6,S7によっても制御することができる。つまり、制御信号S6がHレベルの時は、第1のインピーダンス制御信号AがHレベルになり、制御信号S7がHレベルの時は、第2のインピーダンス制御信号BがHレベルになる。
これにより、例えば、低速発振器13の発生するノイズにより水晶発振器30の誤動作するおそれがある場合は、電源インピーダンス制御レジスタ19の設定により、水晶発振器30の電源インピーダンスを低くすることも可能である。また、マイクロコンピュータの待機時(スタンバイ時)においても、外部ノイズにより水晶発振器30の誤動作するおそれがある場合は、電源インピーダンス制御レジスタ19の設定により、水晶発振器30の電源インピーダンスを低くすることも可能である。
また、上述の実施形態においては、高速発振器11、中速発振器12及び低速発振器13という3個のシステムクロック発生用の発振器が設けられているが、これには限定されず、システムクロック用の発振器が1個(例えば、高速発振器11、中速発振器12及び低速発振器13の中、いずれか1個のみ)、2個(例えば、高速発振器11、中速発振器12及び低速発振器13の中、いずれか2個)の場合にも本発明を適用できる。また、システムクロック用の発振器が4個(例えば、高速発振器11、中速発振器12及び低速発振器13に加えて、これらの発振器と発振周波数の異なるシステムクロック用発振器を追加する)以上の場合にも本発明を適用することができる。
また、マイクロコンピュータにおいて、システムクロック用の発振器(本実施形態では、高速発振器11、中速発振器12、低速発振器13)の他に、タイマー等を動作させるためのクロックを発生するセラミック・フィルタ発振器(CF発振器)が設けられている場合にも、本発明を適用することができる。
即ち、セラミック・フィルタ発振器が動作している時は、水晶発振器30の電源インピーダンスを低くして耐ノイズ性を向上させる。一方、セラミック・フィルタ発振器が動作していない待機時には、水晶発振器30の電源インピーダンスを高くして低消費電力化を図ることである。セラミック・フィルタ発振器も大きなノイズを発生するので、本発明の効果は大である。
なお、本発明はマイクロコンピュータ、特に、図1のシステムを水晶発振器30の水晶発振子XTAL等や、CF発振器のセラミック・フィルタ等を除いて、1チップ上に集積化した1チップマイクロコンピュータに好適であるが、これに限らず、発振周波数の異なる複数の発振器を有する電子回路(例えば、半導体集積回路)に広く適用することができる。
10 CPU 11 高速発振器 12 中速発振器
13 低速発振器 14 ROM 15 動作モード切り替え部
16 クロック選択部 17 分周器 18 周辺デバイス
19 電源インピーダンス制御レジスタ 20 時計回路
21 第1のOR回路 23 第2のOR回路 30 水晶発振器
31 インバータ 32 電源インピーダンス切り替え部
33 電源ライン 34 接地ライン

Claims (5)

  1. 第1のクロックを発生し電源インピーダンスが可変制御可能な第1の発振器と、
    前記第1のクロックより周波数が高い第2のクロックを発生する第2の発振器と、
    前記第2のクロックより周波数が高い第3のクロックを発生する第3の発振器と、
    前記第2の発振器及び第3の発振器のいずれか1つの発振器を動作させる動作モード切り替え信号を出力する動作モード切り替え部と、
    前記第1の発振器の電源インピーダンスを可変制御するための制御信号を格納する制御レジスタと、
    前記動作モード切り替え信号に応じて、前記第2及び第3の発振器が停止している時は前記第1の発振器の電源インピーダンスを高インピーダンスに設定し、前記第2の発振器が動作し、前記第3の発振器が停止している時は前記第1の発振器の電源インピーダンスを中インピーダンスに設定し、前記第3の発振器が動作し、前記第2の発振器が停止している時は前記第1の発振器の電源インピーダンスを低インピーダンスに設定するとともに
    、前記第2及び第3の発振器が停止している時に前記動作モード切り替え信号に関わらず、前記制御レジスタに格納された前記制御信号に応じて、前記第1の発振器の電源インピーダンスを低インピーダンス又は中インピーダンスに設定する制御回路を備えることを特徴とする電子回路。
  2. 第1のクロックを発生し電源インピーダンスが可変制御可能な第1の発振器と、
    前記第1のクロックより周波数が高い第2のクロックを発生する第2の発振器と、
    前記第2のクロックより周波数が高い第3のクロックを発生する第3の発振器と、
    前記第3のクロックより周波数が高い第4のクロックを発生する第4の発振器と
    前記第2の発振回路、第3の発振器及び第4の発振器のいずれか1つの発振器を動作させる動作モード切り替え信号を出力する動作モード切り替え部と
    前記第1の発振器の電源インピーダンスを可変制御するための制御信号を格納する制御レジスタと、
    前記動作モード切り替え信号に応じて、前記第2、第3及び第4の発振器が停止している時又は前記第2の発振器が動作し、前記第3及び第4の発振器が停止している時は前記第1の発振器の電源インピーダンスを高インピーダンスに設定し、前記第3の発振器が動作し、前記第2及び第4の発振器が停止している時は前記第1の発振器の電源インピーダンスを中インピーダンスに設定し、前記第4の発振器が動作し、前記第2及び第3の発振器が停止している時は前記第1の発振器の電源インピーダンスを低インピーダンスに設定するとともに、前記第2の発振器が動作し、前記第3及び第4の発振器が停止している時に前記動作モード切り替え信号に関わらず、前記制御レジスタに格納された前記制御信号に応じて、前記第1の発振器の電源インピーダンスを低インピーダンス又は中インピーダンスに設定する制御回路を備えることを特徴とする電子回路。
  3. 前記第1の発振器は水晶発振器であることを特徴とする請求項1又は2に記載の電子回路。
  4. 前記第1の発振器は、第1の端子と、第2の端子と、前記第1の端子と前記第2の端子の間に接続された水晶振動子及び増幅器と、前記増幅器に電源電位を供給する電源ラインと、前記増幅器に接地電位を供給する接地ラインと、前記増幅器の電源端子と前記電源ラインの間又は前記増幅器の接地端子と前記接地ラインの間に設けられた電源インピーダンス切り替え用のスイッチング素子を備える電源インピーダンス切り替え部を備え、
    前記制御回路により前記電源インピーダンス切り替え部の前記スイッチング素子のオンオフを制御するように構成したことを特徴とする請求項に記載の電子回路。
  5. 前記第2の発振器はRC発振器又はセラミック・フィルタ発振器であることを特徴とする請求項1乃至4のいずれかに記載の電子回路。
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