KR101834860B1 - 고속 스타트-업을 갖는 저전류 수정 발진기 - Google Patents

Abstract

본 발명은 입출력단 사이에 수정 진동자와 병렬로 연결되고, PMOS와 NMOS로 구성되는 CMOS 인버터; 상기 CMOS 인버터의 입력단과 연결되는 제1 커패시터; 상기 CMOS 인버터의 출력단과 연결되는 제2 커패시터; 상기 입출력단 사이에 연결되는 궤환 저항 및 상기 PMOS에 전원전압을 제공하는 전원전압부를 포함하고, 상기 전원전압부와 PMOS 사이에 연결되어 전원전압을 정전압으로 변환하는 정전압부 및 상기 전원전압부와 CMOS 인버터의 출력단 사이에 연결되어 CMOS 인버터의 NMOS 트랜스컨덕턱스를 증가시키는 스타트-업 저항을 포함하여, 낮은 소비전류로 동작하면서 고속의 스타트-업 시간으로 동작하는 고속 스타트-업을 갖는 저전류 수정 발진기를 개시한다.

Description

고속 스타트-업을 갖는 저전류 수정 발진기{LOW CURRENT CRYSTAL OSCILLATOR HAVING FAST START-UP}

본 발명은 고속 스타트-업을 갖는 저전류 수정 발진기에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 전원전압이 바뀌어도 일정한 정전압을 제공하여 소비전력을 일정하게 유지시키고, 인버터를 구성하는 NMOS의 트랜스컨덕턱스를 증가시켜 고속의 스타트-업 시간으로 동작하는 기술에 관한 것이다.

수정 발진기는 수정 결정의 압전현상(piezoelectric effect)을 이용한 수정 진동자를 발진주파수의 제어소자로 사용하여 안정도가 높은 발진주파수를 얻는다.

수정 발진기는 수정 진동자와 트랜지스터, 저항 및 커패시터 등 다양한 소자를 조합하여 구성된다. 예를 들어, 수정 발진기는 CMOS 인버터 소자를 이용한 인버터형 수정 발진기를 포함한다.

도 1의 종래의 인버터형 수정 발진기를 도시한 회로도로서, 종래의 인버터형 수정 발진기(100)는 수정 진동자(110), CMOS 인버터(120), 제1 커패시터(131), 제2 커패시터(132), 궤환 저항(140) 및 전원전압부(VDD)를 포함한다.

CMOS 인버터(120)는 PMOS(121)과 NMOS(122)로 구성되며 입출력단(Vin, Vout) 사이에 수정 진동자(110)와 병렬로 연결되고, 수정 진동자(110)의 내부 등가 저항으로 인한 발진크기의 감소를 상쇄시키는 역할을 한다.

제1 커패시터(131)는 일단이 CMOS 인버터(120)의 입력단(Vin)과 연결되고, 타단이 접지된다. 제2 커패시터(132)는 일단이 CMOS 인버터(120)의 출력단(Vout)과 연결되고, 타단이 접지된다.

종래의 인버터형 수정 발진기(100)는 커패시터(131, 132)의 충방전과 수정 진동자(110)의 사용주파수에 따라 발진주파수가 조절된다.

궤환 저항(140)은 CMOS 인버터(120)의 입출력단(Vin, Vout) 사이에 연결되어 CMOS 인버터(120)의 동작점을 결정하고, 전원전압부(VDD)는 PMOS(121)에 연결되어 전원전압을 제공한다.

종래의 인버터형 수정 발진기(100)의 동작 방법은, 전원전압(VDD)이 인가되면 제1 및 제2 커패시터(131, 132)의 초기 충전전압이 0V이므로, PMOS(121)는 턴온되고, NMOS(122)는 턴오프된다. PMOS(121)가 턴온되면 제2 커패시터(132)와 수정 진동자(110)는 PMOS(121)를 통하여 전원전압(VDD)을 향하여 충전되고, 이후 제1 커패시터(131)는 궤환 저항(140)을 통하여 충전된다. 제1 커패시터(131) 전압이 일정전압 이상이 되면 NMOS(122)는 턴온되고, PMOS(121)는 턴오프되며, 제2 커패시터(132)와 수정 진동자(110)는 NMOS(122)를 통하여 방전되고, 제1 커패시터(131)는 궤환저항(140)을 통하여 방전된다. 제1 커패시터(131) 전압이 일정전압 이하로 내려가면 다시 상기 동작이 반복된다.

따라서, 종래의 인버터형 수정 발진기(100)는 궤환 저항(140)과 수정 진동자(110) 및 커패시터(131, 132)에 의해 결정되는 주파수로 발진하여 동작한다.

종래의 인버터형 수정 발진기(100)는 궤환 저항(140)보다 낮은 값을 가진 스타트-업 저항(150)과 스타트-업 저항(150)의 동작을 온오프하는 온오프 스위치(160)를 더 포함한다.

스타트-업 저항(150)은 입출력단(Vin, Vout) 사이에 궤환 저항(140)과 병렬로 연결되어 제1 커패시터(131)의 충전 시간이 빨라지고, 계속하여 인버터(120)의 동작을 빠르게 하여 발진의 스타트-업 시간을 줄인다.

온오프 스위치(160)는 발진 초기에 입출력단(Vin, Vout) 사이에 스타트-업 저항(150)이 연결되도록 제어하고, 정상 발진이 시작되면 연결이 해지되도록 제어한다. 종래의 인버터형 수정 발진기(100)의 자세한 설명은 특허문헌 1을 참조하기로 한다.

종래의 인버터형 수정 발진기(100)는 고속의 스타트-업과 안정된 발진을 제공하지만, [수식 1]을 참고하면 전원전압의 제곱에 비례하여 소비 전력이 증가하므로, 전원전압이 증가하면 소비전력도 증가하는 문제점이 있다.

[수식 1]

소비전력=f·C·VDD²

여기서, f는 동작주파수이고, C는 출력단 등가 커패시턴스이며, VDD는 전원전압이다.

1. 미국등록특허 제4704587호(1987.11.03.)

본 발명은 전원전압부와 PMOS 사이에 연결되어 전원전압을 정전압으로 변환하는 정전압부 및 전원전압부와 CMOS 인버터의 출력단 사이에 연결되어 CMOS 인버터의 NMOS 트랜스컨덕턱스를 증가시키기 위한 스타트-업 저항을 포함하는 고속 스타트-업을 갖는 저전류 수정 발진기를 제공한다.

본 발명의 고속 스타트-업을 갖는 저전류 수정 발진기는, 입출력단 사이에 수정 진동자와 병렬로 연결되고, PMOS와 NMOS로 구성되는 CMOS 인버터; 상기 CMOS 인버터의 입력단과 연결되는 제1 커패시터; 상기 CMOS 인버터의 출력단과 연결되는 제2 커패시터; 상기 입출력단 사이에 연결되는 궤환 저항 및 상기 PMOS에 전원전압을 제공하는 전원전압부를 포함하고, 상기 전원전압부와 PMOS 사이에 연결되어 전원전압을 정전압으로 변환하는 정전압부 및 상기 전원전압부와 CMOS 인버터의 출력단 사이에 연결되어 CMOS 인버터의 NMOS 트랜스컨덕턱스를 증가시키는 스타트-업 저항을 포함하여, 낮은 소비전류로 동작하면서 고속의 스타트-업 시간으로 동작하는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 고속 스타트-업을 갖는 저전류 수정 발진기는, 상기 스타트-업 저항과 CMOS 인버터의 출력단 사이의 연결을 제어하는 온오프 스위치를 더 포함하는 것을 특징으로 할 수 있다.

상기 온오프 스위치는 발진 초기에 스타트-업 저항과 CMOS 인버터의 출력단 사이가 연결이 되도록 제어하고, 정상 발진이 시작되면 연결이 해지되도록 제어하는 것을 특징으로 할 수 있다.

본 발명은 전원전압부와 PMOS 사이에 연결되어 전원전압을 정전압으로 변환시키는 정전압부를 통하여 낮은 소비전류로 동작시킬 수 있다.

본 발명은 전원전압부와 CMOS 인버터의 출력단 사이에 연결되어 CMOS 인버터의 NMOS 트랜스컨덕턱스를 증가시키는 스타트-업 저항을 통하여 고속의 스타트-업 시간으로 동작시킬 수 있다.

도 1의 종래의 인버터형 수정 발진기를 도시한 회로도이다.
도 2는 본 발명의 고속 스타트-업을 갖는 저전류 수정 발진기를 도시한 회로도이다.
도 3은 전원 인가시 초기 발진 파형을 도시한 예이다.

이하 첨부 도면들 및 첨부 도면들에 기재된 내용들을 참조하여 본 발명의 실시예를 상세하게 설명하지만, 본 발명이 실시예에 의해 제한되거나 한정되는 것은 아니다.

도 2는 본 발명의 고속 스타트-업을 갖는 저전류 수정 발진기를 도시한 회로도로서, 저전류 수정 발진기(200)는 수정 진동자(210), CMOS 인버터(220), 제1 커패시터(131), 제2 커패시터(132), 궤환 저항(140) 및 전원전압부(VDD)를 포함한다.

수정 진동자(210), CMOS 인버터(220), 제1 커패시터(131), 제2 커패시터(132), 궤환 저항(140) 및 전원전압부(VDD)의 동작 기능은 도 1의 설명과 동일하다.

저전류 수정 발진기(200)는 정전압부(250)를 더 포함하고, 정전압부(250)는 전원전압부(VDD)와 PMOS(221) 사이에 연결되어 전원전압(VDD)을 정전압(Vreg)으로 변환하여 낮은 소비전류로 동작시킨다. 예를 들어, 정전압부(250)는 전원전압(VDD)이 바뀌어도 일정한 정전압(Vreg)을 제공하여 소비전력을 일정하게 유지시킬 수 있다.

본 발명은 정전압부(250)의 제한된 대역폭 또는 기준 이상의 출력 임피던스에 의해 발진주파수가 높아지면 스타트-업이 느려지거나 발진하지 못하는 경우가 발생할 수 있으므로, 고속의 스타트-업 시간으로 동작하기 위한 스타트-업 저항(260)을 포함한다. 스타트-업 저항(260)은 전원전압부(VDD)와 CMOS 인버터(220)의 출력단(Vout) 사이에 연결되어 CMOS 인버터(220)의 NMOS 트랜스컨덕턴스(trans-conductance, gm)를 증가시켜 고속의 스타트-업 시간으로 동작시킨다.

저전류 수정 발진기(200)는 온오프 스위치(270)를 더 포함하고, 온오프 스위치(270)는 스타트-업 저항(260)과 CMOS 인버터(220)의 출력단(Vout) 사이의 연결을 제어한다.

온오프 스위치(270)는 발진 초기에 스타트-업 저항(260)과 CMOS 인버터(220)의 출력단(Vout) 사이가 연결이 되도록 제어하고, 정상 발진이 시작되면 연결이 해지되도록 제어하는 것을 특징으로 할 수 있다.

본 발명의 저전류 수정 발진기(200)는 정전압부(250)와 스타트-업 저항(260)을 통하여 낮은 소비전류로 동작하면서 고속의 스타트-업 시간으로 동작한다.

도 3은 전원 인가시 초기 발진 파형을 도시한 예로서, 도 3a는 정전압부(250), 스타트-업 저항(260) 및 스위치를 포함하는 수정 발진기의 초기 발진 파형을 도시한 예이고, 도 3b는 정전압부(250)만 포함하는 수정 발진기의 초기 발진 파형이며, 도 3c는 일반적인 수정 발진기의 초기 전원전압 파형을 도시한 것이다.

일반적인 수정 발진기는 전원전압(VDD)으로 하여 초기 발진하고, 정전압부(250)만 포함하는 수정 발진기는 전원전압(VDD)을 정전압으로 하여 초기 발진하여 낮은 소비전류로 동작한다. 정전압부(250), 스타트-업 저항(260) 및 스위치를 포함하는 수정 발진기는 낮은 소비전류로 동작할 뿐만 아니라 고속의 스타트-업 시간으로 동작한다.

200: 저전류 수정 발진기 210: 수정 진동자
220: CMOS 인버터 221: PMOS
222: NMOS 231: 제1 커패시터
232: 제2 커패시터 240: 궤환 저항
VDD: 전원전압부 250: 정전압부
260: 스타트-업 저항 270: 온오프 스위치

Claims (3)

1. 입출력단 사이에 수정 진동자와 병렬로 연결되고, PMOS와 NMOS로 구성되는 CMOS 인버터;
   상기 CMOS 인버터의 입력단과 연결되는 제1 커패시터;
   상기 CMOS 인버터의 출력단과 연결되는 제2 커패시터;
   상기 입출력단 사이에 연결되는 궤환 저항 및
   상기 PMOS에 전원전압을 제공하는 전원전압부를 포함하는 수정 발진기에 있어서,
   상기 전원전압부와 PMOS 사이에 연결되어 전원전압을 정전압으로 변환하는 정전압부 및
   상기 전원전압부와 CMOS 인버터의 출력단 사이에 연결되어 CMOS 인버터의 NMOS 트랜스컨덕턱스를 증가시키기 위한 스타트-업 저항을 포함하되,
   상기 전원전압부는 정전압부로 제1 경로의 전류를 제공하고, 스타트-업 저항으로 제2 경로의 전류를 제공하며,
   상기 CMOS 인버터는 제1 경로의 전류를 공급받아 낮은 소비전류로 동작하고, 제2 경로의 전류를 공급받아 NMOS 트랜스컨덕턱스를 증가시켜 고속 스타트-업으로 동작하는 것을 특징으로 하는 고속 스타트-업을 갖는 저전류 수정 발진기.
2. 제1항에 있어서,
   상기 스타트-업 저항과 CMOS 인버터의 출력단 사이의 연결을 제어하는 온오프 스위치를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 고속 스타트-업을 갖는 저전류 수정 발진기.
3. 제2항에 있어서,
   상기 온오프 스위치는,
   발진 초기에 스타트-업 저항과 CMOS 인버터의 출력단 사이가 연결이 되도록 제어하고, 정상 발진이 시작되면 연결이 해지되도록 제어하는 것을 특징으로 하는 고속 스타트-업을 갖는 저전류 수정 발진기.

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