JP4290334B2

JP4290334B2 - 発振器を含む集積回路

Info

Publication number: JP4290334B2
Application number: JP2000548949A
Authority: JP
Inventors: ヨハネス、エー．ティー．エム．バン、デン、ホムバーグ
Original assignee: NXP BV
Current assignee: NXP BV
Priority date: 1998-05-14
Filing date: 1999-04-30
Publication date: 2009-07-01
Anticipated expiration: 2019-04-30
Also published as: US6111473A; WO1999059240A2; DE69909399T2; KR20010021705A; EP0996995B1; EP0996995A2; WO1999059240A3; KR100618059B1; DE69909399D1; JP2002515664A

Description

【０００１】
本発明は、外部給電端子と外部信号端子との間に接続された外部共振器を含み、前記外部信号端子を集積発振器に必要な唯一の外部信号端子とする集積発振器に関するものである。
【０００２】
このような集積発振器は、IEEE Journal of Solid-State Circuits, Vol.SC-19, no.2, april 1984, pages 228-235 に記載されている。前記の出版物はすぐれた周波数安定性と高い信頼度とを有する結晶発振器を開示している。この集積発振器の利点は、唯一の外部信号端子を必要としまた結晶以外の外部素子を必要としない事にある。
【０００３】
前記の刊行物による発振器の問題点は、少なくとも１つのいわゆる浮動コンデンサを含む事にある。このような浮動コンデンサは、集積発振器の中において比較的大きな区域を必要とする。
【０００４】
本発明の目的は、前記の問題点を除去する改良型集積発振器を提供するにある。
【０００５】
そのため、本発明によれば、第１段落に記載の型の集積回路は、さらに前記発振器が第１増幅器と第２増幅器とを含み、前記第１増幅器は外部信号端子に接続された非反転入力端子、反転入力端子および前記非反転入力端子に接続された出力端子を有し、また前記第２増幅器は前記第１増幅器の非反転入力端子に接続された非反転入力端子、前記第１増幅器の反転入力端子に接続された反転入力端子、および前記第２増幅器の反転入力端子に接続された出力端子を有する事を特徴とする。
【０００６】
それぞれ外部給電端子に接続された少なくとも１つの電極を有する複数のコンデンサのみを発振器が備えるならば、大型コンデンサを避けることができる。このようなコンデンサは非浮動型コンデンサと呼ばれる。非浮動型コンデンサの使用は、エンハンスメント型電界効果トランジスタのゲートキャパシタンスをコンデンサとして使用する事を可能にする。コンデンサとして使用されるエンハンスメント型電界効果トランジスタは集積発振器の中において大きい面積を必要としない。
【０００７】
以下、本発明を図面に示す実施例について詳細に説明するが、本発明はこれらの実施例によって限定されるものではない。
【０００８】
これらの付図において同一機能または同一目的を有する部品または素子は同一参照記号を有する。
【０００９】
図１は本発明による発振器ＯＳＣを含む集積回路ＩＣの回路図である。集積回路ＩＣは電圧源Ｖｓによって給電され、この電圧源は集積回路ＩＣの外部給電端子１と外部給電端子２との間に接続される。集積回路ＩＣは外部信号端子ＸTを有する。外部信号端子ＸTは発振器ＯＳＣにとって必要とされる集積回路ＩＣの唯一の外部信号端子である。石英結晶として形成された共振器Ｑが外部信号端子ＸTと外部給電端子１との間に接続されている。
【００１０】
図２は本発明による集積発振器の１つの実施態様の電気回路図である。発振器は第１増幅器ＡＭＰ１と第２増幅器ＡＭＰ2とを含む。これらの第１および第２増幅器ＡＭＰ1、ＡＭＰ2はそれぞれ非反転入力端子、反転入力端子および出力端子を有する。第１増幅器ＡＭＰ1の出力端子は第１増幅器ＡＭＰ1の非反転入力端子および第２増幅器ＡＭＰ2の非反転入力端子に接続されている。第２増幅器ＡＭＰ2の出力端子は第１増幅器ＡＭＰ１の反転入力端子およびこの第２増幅器ＡＭＰ２の反転入力端子に接続されている。第１増幅器ＡＭＰ１は、この第１増幅器ＡＭＰ１の出力端子と外部給電端子１との間に接続されたコンデンサＣによって負荷される。第２増幅器ＡＭＰ２は、この第２増幅器ＡＭＰ２の出力端子と外部給電端子１との間に接続されたコンデンサＣFによって負荷される。バイアス抵抗器ＲBがコンデンサＣと並列に接続される。発振器の動作を説明するため、図２は石英結晶の簡単な電気モデルを示す。このモデルは直列抵抗ＲSと、直列コンデンサＣSと、直列誘導器ＬSと、並列コンデンサＣPとを含む。直列抵抗ＲS、直列コンデンサＣS、および直列誘導器ＬSは外部信号端子ＸTと外部給電端子１との間に相互に直列に配置されている。並列コンデンサＣPは外部信号端子ＸTと外部給電端子１との間に接続されている。
【００１１】
発振器の動作は下記である。第１増幅器ＡＭＰ１の出力端子がこの第１増幅器ＡＭＰ１の非反転入力端子に接続され、従って正のフィードバックループが形成されているので、この第１増幅器ＡＭＰ１は負抵抗を成す。この負抵抗が石英結晶の正抵抗の作用と、バイアス抵抗ＲBの正抵抗の作用とを補償することができる。その結果、発振器ＯＳＣは並列モード共鳴で発振する。しかしまた正フィードバックループは直流電圧／直流に対して能動的であるので、発振器ＯＳＣの２安定ｄ．ｃ．設定が保証されない。第２増幅器ＡＭＰ2のメイン・タスクは発振器ＯＳＣの安定ｄ．ｃ．設定を保証するにある。第２増幅器ＡＭＰ２の出力がこの第２増幅器ＡＭＰ２の反転入力端子に接続されているので、負のフィードバックループが形成される。発振器ＯＳＣのｄ．ｃ．設定は正フィードバックループと負フィードバックループとの両方に依存している。負フィードバックループの作用が正フィードバックループの作用に勝る時に、発振器ＯＳＣの安定ｄ．ｃ．設定が保証される。これは例えば、第１および第２増幅器ＡＭＰ１、ＡＭＰ２が同形の場合である。この場合、第１増幅器ＡＭＰ１の利得は第２増幅器ＡＭＰ２の利得より低い。これは、直流の場合、第１増幅器ＡＭＰ１がｄ．ｃ．抵抗によって（すなわちバイアス抵抗ＲBによって）負荷されるが、第２増幅器ＡＭＰ２はｄ．ｃ．抵抗によって負荷されないからである。
【００１２】
第２増幅器ＡＭＰ２の出力インピーダンスと共に、第２コンデンサＣFが低域フィルタを成す。このようにして、負フィードバックループも交番電流に対して能動的となる事が防止される。さもなければ、第１増幅器ＡＭＰ１によって形成される負抵抗効果がキャンセルされ、従って発振器ＯＳＣが発振しないであろう。コンデンサＣは基本的に必要ないが、外部信号端子ＸTに接続された集積回路ＩＣのボンド・パッドの（寄生）キャパシタンスの故に、また外部信号端子ＸT の（寄生）キャパシタンスの故に、コンデンサＣはそれ自体常に存在する。しかし、寄生キャパシタンスが十分に高くなければ、コンデンサＣは意図的に加えられる。第１増幅器ＡＭＰ１の出力インピーダンスと共に、コンデンサＣは低域フィルタを成す。
【００１３】
次に、第１増幅器ＡＭＰ１と第２増幅器ＡＭＰ２が同形であってコンデンサＣのキャパシタンスが第２コンデンサＣFのキャパシタンスより高い場合を考慮しよう。この場合、第１増幅器ＡＭＰ１が交番電流に対して第２増幅器ＡＭＰ２よりも強く負荷される。その結果、負のフィードバックループが正のフィードバックループより支配的となる。この故に発振器ＯＳＣは発振しないと思われる。発振器が正常に発振すると期待される周波数はターゲット周波数と呼ばれる。ターゲット周波数において石英結晶ＱとコンデンサＣとによって形成されるインピーダンスは実であって（高く）、すなわちこのインピーダンスは仮想成分を有しない。従ってターゲット周波数においてコンデンサＣはフィルタ機能を形成しない。その結果として、ターゲット周波数においては正のフィードバックループが負のフィードバックループにまさる。これはコンデンサＣが第２キャパシタンスＣFより高いキャパシタンスを有するにも関わらず、この発振器ＯＳＣが発振する事を意味する。実際に、コンデンサＣのキャパシタンスが第２コンデンサＣFのキャパシタンスよりも少し高い時に、発振器ＯＳＣの有利なディメンショニングが得られる。
【００１４】
コンデンサＣのキャパシタンスが第２キャパシタンスＣFより高ければ、ターゲット周波数以外のすべての周波数について負フィードバックループが正フィードバックループにまさる。このことは、発振器がターゲット周波数のみにおいて発振することができるように保証されるという利点を有する。このようにして、発振がいわゆる間違ったオーバ・トーン周波数において発生するという石英結晶発振器の公知の問題点が避けられる。また石英結晶が除去されていれば発振器ＯＳＣが発振できないように保証される。
【００１５】
また発振器ＯＳＣが、第１増幅器ＡＭＰ１および第２増幅器ＡＭＰ２の利得を低下させるための振幅制御回路（図示されていない）を備えることができる。これは例えば第１増幅器ＡＭＰ１と第２増幅器ＡＭＰ２を通る電流を低減させることによって実施することができる。その結果、例えば第１増幅器ＡＭＰ１の出力から取られる発振器信号が純粋なサイン波となることができ、これは出力信号のひずみが非常に低い事を意味する。さらに、発振器信号のいわゆるレールからレールへの出力揺動が許される事を注意しよう。
【００１６】
幾つかの用途においては、集積回路ＩＣの発振器ＯＳＣを使用する事なく、その代わりに他の外部（レールからレールへの）クロック信号を使用する事が望ましい場合がある。外部（レールからレールへの）クロック信号が外部信号端子ＸTに加えられると、振幅制御回路が自動的に発振器ＯＳＣの機能を抑止する。
【００１７】
従来、第１増幅器ＡＭＰ１と第２増幅器ＡＭＰ２を同形にする事が非常に実際的であると考えられていたが、これは実際上必要ない。前記のすべての利点を達成するためには、ターゲット周波数以外のすべてのまた周波数について正のフィードバックループが負のフィードバックループにまさるように第１増幅器ＡＭＰ１および第２増幅器ＡＭＰ２をコンデンサＣおよび第２コンデンサＣFと共に準備すれば十分である。
【００１８】
図３は本発明による発振器ＯＳＣの他の実施態様の回路図である。発振器ＯＳＣは、外部信号端子ＸTに接続された制御電極、第１メイン電極および第２メイン電極を有する第１トランジスタＴ１と、制御電極、第１トランジスタＴ１の第１メイン電極に接続された第１メイン電極、および第２メイン電極を有する第２トランジスタＴ２と、制御電極、第２外部給電端子２に接続された第１メイン電極、制御電極、および第２トランジスタＴ２の第２メイン電極に接続された第２メイン電極を有する第３トランジスタＴ３と、第３トランジスタＴ３の制御電極に接続された制御電極、第２外部給電端子２に接続された第１メイン電極、および第２メイン電極を有する第４トランジスタＴ４と、第４トランジスタＴ４の第２メイン電極に接続された制御電極、外部給電端子１に接続された第１メイン電極、および前記制御電極に接続された第２メイン電極を有する第５トランジスタＴ５と、第５トランジスタＴ５の制御電極に接続された制御電極、外部給電端子１に接続された第１メイン電極、および第２トランジスタＴ２の制御電極に接続された第２メイン電極を有する第６トランジスタＴ６と、第１トランジスタＴ１の第２メイン電極に接続された制御電極、第２外部給電端子２に接続された第１メイン電極、および前記制御電極に接続された第２メイン電極を有する第７トランジスタＴ７と、第７トランジスタＴ７の制御電極に接続された制御電極、第２外部給電端子２に接続された第１メイン電極、および第１トランジスタＴ１の制御電極に接続された第２メイン電極を有する第８トランジスタＴ８と、第５トランジスタ５の制御電極に接続された制御電極、外部給電端子１に接続された第１メイン電極、および第１トランジスタＴ１の制御電極に接続された第２メイン電極を有する第９トランジスタＴ９と、第７トランジスタＴ７の制御電極に接続された制御電極、第２外部給電端子２に接続された第１メイン電極、および第２トランジスタＴ２の制御電極に接続された第２メイン電極を有する第１０トランジスタＴ１０と、第１トランジスタＴ１の第１メイン電極と外部給電端子１との間に接続され第１トランジスタＴ１と第２トランジスタＴ２とを通して電流を供給するための電流源ＩTLとを含む。第１乃至第１０トランジスタＴ１−Ｔ１０および電流源ＩTLは図２に図示の第１増幅器ＡＭＰ１および第２増幅器ＡＭＰ２の変形を成す。第１および第２トランジスタＴ１，Ｔ２は第１増幅器ＡＭＰ１と第２増幅器ＡＭＰ２との両方にとって特質的ペアを成す。これは、第１トランジスタＴ１の制御電極が第１増幅器ＡＭＰ１および第２増幅器ＡＭＰ２の非反転入力を成し、また第２トランジスタＴ２の制御電極が第１増幅器ＡＭＰ１および第２増幅器ＡＭＰ２の反転入力を成す事を意味する。また発振器は、第１トランジスタＴ１の制御電極に接続されたゲートおよびいずれも第２外部給電端子２に接続されたソースとドレンを有する第１１トランジスタＴ１１と、第１トランジスタＴ１の制御電極に接続されたゲートおよびいずれも外部給電端子１に接続されたソースとドレンを有する第１２トランジスタＴ１２と、第２トランジスタＴ２の制御電極に接続されたゲートおよびいずれも第２外部給電端子２に接続されたソースとドレンを有する第１３トランジスタＴ１３と、第２トランジスタＴ２の制御電極に接続されたゲートおよびいずれも外部給電端子１に接続されたソースとドレンを有する第１４トランジスタＴ１４と、第２外部給電端子２と第１トランジスタＴ１の制御電極との間に接続された第１抵抗ＲＢ１と、第１トランジスタＴ１の制御電極と外部給電端子１との間に接続された第２抵抗ＲＢ２とを含む。第１および第２抵抗ＲＢ１，ＲＢ２の組合わせは図２に図示のバイアス抵抗ＲBと等価である。第１１トランジスタＴ１１と第１２トランジスタＴ１２との組合わせ、および第１３トランジスタＴ１３と第１４トランジスタＴ１４との組合わせはそれぞれ図２に図示のコンデンサＣおよび第２コンデンサＣFと等価である。
【００１９】
第１増幅器ＡＭＰ１および第２増幅器ＡＭＰ２は実際上、オペレーショナル・トランスコンダクタンス増幅器（ＯＴＡ）の形を取る事を注意しよう。
【００２０】
図４は本発明の実施態様において使用する事のできるコンデンサバンクの回路図である。二、三の用途においては、集積回路の中のコンデンサＣおよび／または第２コンデンサＣFのキャパシタンスが容易に適合されうる事が望ましい。これは例えば発振器ＯＳＣが位相ロック・ループ（ＰＬＬ）システムの中に使用される場合であって、このシステムにおいては発振器の周波数を少し変動できる必要がある。そのため図４に図示のコンデンサ・バンクは可変コンデンサとして使用することができる。このコンデンサ・バンクは数段階ＳＴＧＳを含む。一例として図４に図示の段階ＳＴＧＳの数は３である。各段階が１つのコンデンサを含み、このコンデンサは例えば図３に図示のような第１１および第１２トランジスタＴ１１，Ｔ１２から成るコンデンサＣと同様に形成される。さらに各段階はその対応のコンデンサをコンデンサ・バンクの出力端子ＣVに接続するためのスイッチＳＷを含み、このスイッチは例えばＮチャンネル・トランジスタとＰチャンネル・トランジスタの並列配置から成るいわゆるパス−ゲートによって形成される。各段階ＳＴＧＳのスイッチに対して論理「高」または論理「低」電圧レベルを加える事により、出力端子ＣVに接続されるコンデンサの数をプログラミングすることができる。可変でなければならないコンデンサが浮動コンデンサである発振器においては一般にコンデンサ・バンクを使用できない事に注意すべきである。これはコンデンサ・バンクのスイッチの寄生キャパシタンスに原因がある。しかし本発明の発振器ＯＳＣは非浮動コンデンサ（Ｃ、ＣF）のみを含むので、コンデンサ・バンクはこの発振器ＯＳＣにおいて使用するのに非常に適している。
【００２１】
また共振器Ｑは外部コンデンサと外部コイルとの組合わせ回路によって形成することができる。発振器ＯＳＣによって加えられる発振器信号は発振器ＯＳＣの種々の端子／節点からとられる。例えば、外部信号端子ＸTから、または第２増幅器ＡＭＰ２の出力からとられる。第１乃至第１０トランジスタＴ１−Ｔ１０はあらゆる型のトランジスタ、例えば両極性トランジスタまたはＭＯＳ−トランジスタによって形成することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明による発振器を含む集積回路を示す回路図。
【図２】本発明による発振器の１つの実施の形態を示す回路図。
【図３】本発明による発振器の他の実施の形態を示す回路図。
【図４】本発明の実施の形態において使用する事のできるコンデンサ・バンクを示す回路図。
【符号の説明】
１外部給電端子
２外部給電端子
Ｑ外部共振器（石英結晶）
ＸT 外部信号端子
ＩＣ集積回路
ＯＳＣ集積発振器
ＡＭＰ１第１増幅器
ＡＭＰ２第２増幅器
Ｃコンデンサ
ＣF 第２コンデンサ

Claims

外部給電端子と外部信号端子との間に接続された外部共振器を含み、前記外部信号端子を集積発振器に必要な唯一の外部信号端子とする集積発振器において、さらに前記発振器は第１増幅器と第２増幅器とを含み、前記第１増幅器は外部信号端子に接続された非反転入力端子、反転入力端子および前記非反転入力端子に接続された出力端子を有し、また前記第２増幅器は前記第１増幅器の非反転入力端子に接続された非反転入力端子、前記第１増幅器の反転入力端子に接続された反転入力端子、および前記第２増幅器の反転入力端子に接続された出力端子を有する事を特徴とする集積発振器。
前記第１増幅器と前記第２増幅器との少なくとも一方の増幅器がオペレーショナル・トランスコンダクタンス増幅器であることを特徴とする請求項１に記載の集積発振器。
前記第１増幅器の出力端子がコンデンサによって負荷されることを特徴とする請求項１に記載の集積発振器。
前記第２増幅器の出力端子が第２コンデンサによって負荷されることを特徴とする請求項１に記載の集積発振器。
前記外部共振器が圧電素子であることを特徴とする請求項１に記載の集積発振器。
前記外部共振器が外部コンデンサと外部コイルとの組合わせ回路を備えることを特徴とする請求項１に記載の集積発振器。
前記第１増幅器と前記第２増幅器がオペレーショナル・トランスコンダクタンス増幅器であって、これらのオペレーショナル・トランスコンダクタンス増幅器がその出力端子においてコンデンサによって負荷され、また前記外部共振器が圧電素子であることを特徴とする請求項１に記載の集積発振器。
前記コンデンサの少なくとも一方がコンデンサ・バンクを備えることを特徴とする請求項７に記載の集積発振器。