JP2005123799A - Piezoelectric oscillation circuit - Google Patents
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Abstract
【課題】 従来の圧電発振回路では、静電結合によって異常な発振信号が生じ、本来得るべき発振信号が得られないという問題があった。
【解決手段】 本発明に係る圧電発振回路は、水晶振動子Ｘを接続するためのパッドＸＧ及びＸＤと、出力信号を取り出すためのパッドＯＵＴを有する半導体チップ上に形成され、インバータＩＶ１及びコンデンサＣｇ、Ｃｄを含んで水晶振動子Ｘを励振するコルピッツ型の発振回路Ｏｓｃと、発振回路ＯｓｃとパッドＯＵＴ間に縦続接続された複数段の反転増幅器を含む増幅回路Ａｍｐとを有する圧電発振回路であって、前記反転増幅器の縦続接続段数を奇数としている。
【選択図】 図１
PROBLEM TO BE SOLVED: In a conventional piezoelectric oscillation circuit, there is a problem that an abnormal oscillation signal is generated by electrostatic coupling, and an oscillation signal that should be originally obtained cannot be obtained.
A piezoelectric oscillation circuit according to the present invention is formed on a semiconductor chip having pads XG and XD for connecting a crystal resonator X and a pad OUT for extracting an output signal, and includes an inverter IV1 and a capacitor Cg. , A Colpitts oscillation circuit Osc including Cd for exciting the crystal resonator X, and an amplification circuit Amp including a plurality of inverting amplifiers cascaded between the oscillation circuit Osc and the pad OUT. Thus, the number of cascade connection stages of the inverting amplifier is an odd number.
[Selection] Figure 1
Description
本発明は、水晶振動子のような圧電振動子を用いた圧電発振回路に関する。 The present invention relates to a piezoelectric oscillation circuit using a piezoelectric vibrator such as a crystal vibrator.
図３は、半導体チップ上に形成された従来の圧電発振回路の構成を示す回路図である。 FIG. 3 is a circuit diagram showing a configuration of a conventional piezoelectric oscillation circuit formed on a semiconductor chip.
従来の圧電発振回路１０は、図３に示されるように、パッドＸＧ及びＸＤを介して圧電振動子である水晶振動子Ｘと接続されており、水晶振動子Ｘを励振する発振回路Ｏｓｃと、発振回路Ｏｓｃから出力される発振信号Ｖｄを増幅して、パッドＯＵＴに発振信号Ｖｏを出力する増幅回路Ａｍｐとを含む。
As shown in FIG. 3, the conventional
発振回路Ｏｓｃは、インバータＩＶ１と、コンデンサＣｇ、Ｃｄとから構成される。インバータＩＶ１には、一対のＰチャネルＭＯＳトランジスタ及びＮチャネルＭＯＳトランジスタからなるＣＭＯＳインバータが用いられる。あるいは、１つを除いた残りの入力端子を定電位に接続して、等価的にインバータ動作を可能としたＮＡＮＤゲートやＮＯＲゲートであってもよい。 The oscillation circuit Osc includes an inverter IV1 and capacitors Cg and Cd. As the inverter IV1, a CMOS inverter including a pair of P-channel MOS transistors and N-channel MOS transistors is used. Alternatively, it may be a NAND gate or a NOR gate in which the remaining input terminals except for one are connected to a constant potential to enable an inverter operation equivalently.
ここで、インバータＩＶ１は、入力端子及び出力端子が抵抗器Ｒｆで結ばれているため、電源が投入されると同時にインバータＩＶ１自身によって所定の直流動作点（通常は正負電源電圧の中心値）までバイアスされ、ほぼ線形な反転型の電圧−電流変換器として動作を開始する。抵抗器Ｒｆの抵抗値は、通常、数１００ｋΩ〜数ＭΩの十分に大きな値であることが多く、交流信号に対しては、その影響を無視することができる。このような回路はコルピッツ型発振回路として広く知られており、例えば、下記の特許文献１などにも詳細な記載がある。 Here, since the input terminal and the output terminal of the inverter IV1 are connected by the resistor Rf, when the power is turned on, the inverter IV1 itself reaches a predetermined DC operating point (usually the central value of the positive and negative power supply voltage). Biased and begins operation as a nearly linear inverting voltage-to-current converter. The resistance value of the resistor Rf is usually a sufficiently large value of several hundred kΩ to several MΩ, and the influence on the AC signal can be ignored. Such a circuit is widely known as a Colpitts type oscillation circuit, and for example, there is a detailed description in Patent Document 1 below.
増幅回路Ａｍｐは、縦続接続された４つのインバータＩＶ２〜ＩＶ５からなり、発振回路Ｏｓｃから出力される発振信号Ｖｄを順次反転増幅して、発振信号Ｖｄと同位相の発振信号ＶｏをパッドＯＵＴに出力する。ＩＶ２〜ＩＶ５の各インバータの出力電流は、パッドＯＵＴに向かうにつれて徐々に増やされており、最終段のインバータＩＶ５の出力電流は、パッドＯＵＴに接続される所定の負荷容量を駆動できるだけの十分な値とされている。このため、増幅回路Ａｍｐには、複数段の縦続接続されたインバータが必要となる。発振信号Ｖｄは、増幅回路Ａｍｐで増幅された後、発振信号ＶｏとしてパッドＯＵＴから出力される。
しかしながら、上記した従来の圧電発振回路１０では、半導体チップ上でパッドＯＵＴとパッドＸＧが近接した位置に設けられていると、両パッド間に静電結合が生じてしまい、これが原因となって、水晶振動子Ｘの共振周波数と無関係な異常発振が生じる危険性がある。集積化が進み、半導体チップが小型化された近年にあっては、この危険性は増加傾向にある。
However, in the conventional
このような従来の圧電発振回路の異常発振動作を、図４に基づいて説明する。図４において、点線で示した電圧レベルは、回路の直流動作点（ここでは、正負電源電圧の中心値と仮定）を表している。まず、パッドＯＵＴから方形波の異常な発振信号Ｖｏが出力されたと仮定する。このとき、パッドＯＵＴとパッドＸＧとの間に静電結合が存在すると、異常な発振信号Ｖｏに起因して、小振幅の発振信号ＶｇがパッドＸＧに生起する。発振信号Ｖｇは、発振回路ＯｓｃのインバータＩＶ１を動作させ、インバータＩＶ１は、発振信号Ｖｇと位相が逆で、ほぼ同一形状の方形波の電流を出力する。この電流によってコンデンサＣｄが充放電されるため、図４に示した三角波の発振信号Ｖｄが出力される。 An abnormal oscillation operation of such a conventional piezoelectric oscillation circuit will be described with reference to FIG. In FIG. 4, the voltage level indicated by the dotted line represents the DC operating point of the circuit (here, assumed to be the center value of the positive and negative power supply voltages). First, it is assumed that a square wave abnormal oscillation signal Vo is output from the pad OUT. At this time, if electrostatic coupling exists between the pad OUT and the pad XG, an oscillation signal Vg having a small amplitude is generated in the pad XG due to the abnormal oscillation signal Vo. The oscillation signal Vg causes the inverter IV1 of the oscillation circuit Osc to operate, and the inverter IV1 outputs a square-wave current having substantially the same shape as that of the oscillation signal Vg. Since the capacitor Cd is charged and discharged by this current, the triangular wave oscillation signal Vd shown in FIG. 4 is output.
さらに、発振信号Ｖｄは、インバータＩＶ２を動作させ、インバータＩＶ２は、発振信号Ｖｄと位相が逆で、ほぼ同一形状の三角波の電流を出力する。この電流によってインバータＩＶ２の出力に存在する寄生容量（図示せず）が充放電されるため、図４に示した発振信号Ｖが出力される。発振信号Ｖの立ち上がり及び立ち下がりは、ほぼ二次関数の軌跡に沿って変化するが、インバータＩＶ２の出力に存在する寄生容量は大きくないため、充放電が速やかに完了して、方形波に近い波形となる。このとき、発振信号Ｖｏの周波数によっては、発振信号Ｖが直流動作点と交差する立ち上がり（または立ち下がり）タイミングが、発振信号Ｖｏが直流動作点と交差する立ち下がり（または立ち上がり）タイミングよりも僅かに早い状態となり得る。 Further, the oscillation signal Vd causes the inverter IV2 to operate, and the inverter IV2 outputs a triangular wave current having a phase opposite to that of the oscillation signal Vd and substantially the same shape. Since this current charges and discharges a parasitic capacitance (not shown) present at the output of the inverter IV2, the oscillation signal V shown in FIG. 4 is output. The rising and falling edges of the oscillation signal V change substantially along the locus of the quadratic function, but since the parasitic capacitance present in the output of the inverter IV2 is not large, charging / discharging is completed quickly and is close to a square wave. It becomes a waveform. At this time, depending on the frequency of the oscillation signal Vo, the rising (or falling) timing at which the oscillation signal V intersects the DC operating point is slightly lower than the falling (or rising) timing at which the oscillation signal Vo intersects the DC operating point. Can be in an early state.
その後、発振信号Ｖは、さらに３段のインバータＩＶ３〜ＩＶ５で増幅されて、位相が反転した方形波の発振信号Ｖｏ’に波形整形されるが、その際、当該インバータ３段分の伝播遅延量が前述のタイミング差に一致すると、発振信号Ｖｏ’は、元の異常な発振信号Ｖｏとまったく一致した波形となる。このような状態に陥ると、正帰還が確立し、異常な発振信号Ｖｏは安定して持続してしまう。 Thereafter, the oscillation signal V is further amplified by three-stage inverters IV3 to IV5 and shaped into a square-wave oscillation signal Vo ′ whose phase is inverted. At this time, the propagation delay amount corresponding to the three stages of the inverter Is equal to the above-described timing difference, the oscillation signal Vo ′ has a waveform that exactly matches the original abnormal oscillation signal Vo. In such a state, positive feedback is established, and the abnormal oscillation signal Vo is stably maintained.
以上の説明から判るように、上述の異常発振は、水晶振動子Ｘと何ら関係なく成立しており、発振信号Ｖｏの周波数は、水晶振動子の共振周波数とは無関係な周波数である。このとき、水晶振動子Ｘは高いインピーダンスを示して、回路動作から切り離された状態となっている。ひとたび、このような異常発振が生起すると、水晶振動子は回路動作から切り離されたままとなり、水晶振動子の共振周波数における所望の発振信号は得ることができない。 As can be seen from the above description, the abnormal oscillation described above is established regardless of the crystal resonator X, and the frequency of the oscillation signal Vo is a frequency that is unrelated to the resonance frequency of the crystal resonator. At this time, the crystal unit X exhibits high impedance and is in a state of being disconnected from the circuit operation. Once such abnormal oscillation occurs, the crystal resonator remains disconnected from the circuit operation, and a desired oscillation signal at the resonance frequency of the crystal resonator cannot be obtained.
上記した課題を解決すべく、本発明に係る圧電発振回路は、圧電振動子を接続するための第１及び第２のパッドと、出力信号を取り出すための第３のパッドを有する半導体チップ上に形成され、少なくとも１個のインバータ及び２個のコンデンサを含んで前記圧電振動子を励振するコルピッツ型の発振回路と、前記発振回路と前記第３のパッド間に縦続接続された複数段の反転増幅器を含む増幅回路とを有する圧電発振回路であって、前記反転増幅器の縦続接続段数が奇数であることを特徴とする。 In order to solve the above-described problems, a piezoelectric oscillation circuit according to the present invention is provided on a semiconductor chip having first and second pads for connecting a piezoelectric vibrator and a third pad for taking out an output signal. A Colpitts-type oscillation circuit formed and including at least one inverter and two capacitors to excite the piezoelectric vibrator, and a plurality of inverting amplifiers cascaded between the oscillation circuit and the third pad A piezoelectric oscillation circuit including an amplifier circuit including: an inverting amplifier having an odd number of cascade connection stages.
本発明に係る圧電発振回路によれば、増幅回路が、縦続接続された奇数個の反転増幅器から構成されていることから、パッドＯＵＴとパッドＸＧとの間に静電結合が生じたとしても、前述した正帰還が確立することがなく、水晶振動子Ｘの共振周波数と無関係な異常発振の発生を回避することが可能になる。 According to the piezoelectric oscillation circuit of the present invention, since the amplification circuit is composed of an odd number of inverting amplifiers connected in cascade, even if electrostatic coupling occurs between the pad OUT and the pad XG, The positive feedback described above is not established, and it is possible to avoid the occurrence of abnormal oscillation unrelated to the resonance frequency of the crystal unit X.
本発明に係る圧電発振回路の実施例について、図面を参照して説明する。 Embodiments of a piezoelectric oscillation circuit according to the present invention will be described with reference to the drawings.
図１は、実施例の圧電発振回路の構成を示す回路図であり、図２は、実施例の圧電発振回路によって得られる効果を説明するための波形図である。 FIG. 1 is a circuit diagram showing the configuration of the piezoelectric oscillation circuit of the embodiment, and FIG. 2 is a waveform diagram for explaining the effects obtained by the piezoelectric oscillation circuit of the embodiment.
実施例の圧電発振回路１は、図１に示されるように、パッドＸＧ及びＸＤを介して圧電振動子である水晶振動子Ｘと接続されており、水晶振動子Ｘを励振する発振回路Ｏｓｃと、発振回路Ｏｓｃから出力される発振信号Ｖｄを増幅して、パッドＯＵＴに発振信号Ｖｏを出力する増幅回路Ａｍｐとを含む。また、発振回路Ｏｓｃは、インバータＩＶ１と、コンデンサＣｇ、Ｃｄと、抵抗器Ｒｆとからなり、増幅回路Ａｍｐは、インバータＩＶａ、ＩＶ２〜ＩＶ５からなる。即ち、実施例１の圧電発振回路１の構成を示す図１と従来の圧電発振回路１０の構成を示す図３との比較から明らかなように、実施例の圧電発振回路１は、従来の圧電発振回路１０に比較して、インバータＩＶａが追加されており、これにより、増幅回路Ａｍｐが、合計５つのインバータＩＶａ、ＩＶ２〜ＩＶ５を有する点のみが異なっている。従って、従来の圧電発振回路１０と同一の部分については、説明の重複を避けることとする。
As shown in FIG. 1, the piezoelectric oscillation circuit 1 of the embodiment is connected to a crystal resonator X that is a piezoelectric resonator via pads XG and XD, and an oscillation circuit Osc that excites the crystal resonator X. And an amplifier circuit Amp that amplifies the oscillation signal Vd output from the oscillation circuit Osc and outputs the oscillation signal Vo to the pad OUT. The oscillation circuit Osc includes an inverter IV1, capacitors Cg and Cd, and a resistor Rf, and the amplifier circuit Amp includes inverters IVa and IV2 to IV5. That is, as is clear from a comparison between FIG. 1 showing the configuration of the piezoelectric oscillation circuit 1 of the first embodiment and FIG. 3 showing the configuration of the conventional
次に、図２を用いて、インバータＩＶａが追加されたことによる効果を説明する。図２において、点線で示した電圧レベルは、回路の直流動作点（ここでは、正負電源電圧の中心値と仮定）を表している。まず、パッドＯＵＴから方形波の異常な発振信号Ｖｏが出力されたと仮定する。このとき、パッドＯＵＴとパッドＸＧとの間に静電結合が存在すると、異常な発振信号Ｖｏに起因して、小振幅の発振信号ＶｇがパッドＸＧに生起する。発振信号Ｖｇは、発振回路ＯｓｃのインバータＩＶ１を動作させ、インバータＩＶ１は、発振信号Ｖｇと位相が逆で、ほぼ同一形状の方形波の電流を出力する。この電流によってコンデンサＣｄが充放電されるため、図２に示した三角波の発振信号Ｖｄが出力される。 Next, the effect obtained by adding the inverter IVa will be described with reference to FIG. In FIG. 2, the voltage level indicated by the dotted line represents the DC operating point of the circuit (here, assumed to be the center value of the positive and negative power supply voltages). First, it is assumed that a square wave abnormal oscillation signal Vo is output from the pad OUT. At this time, if electrostatic coupling exists between the pad OUT and the pad XG, an oscillation signal Vg having a small amplitude is generated in the pad XG due to the abnormal oscillation signal Vo. The oscillation signal Vg causes the inverter IV1 of the oscillation circuit Osc to operate, and the inverter IV1 outputs a square-wave current having substantially the same shape as that of the oscillation signal Vg. Since the capacitor Cd is charged and discharged by this current, the triangular wave oscillation signal Vd shown in FIG. 2 is output.
さらに、発振信号Ｖｄは、インバータＩＶａを動作させ、インバータＩＶａは、発振信号Ｖｄと位相が逆で、ほぼ同一形状の三角波の電流を出力する。この電流によってインバータＩＶａの出力に存在する寄生容量（図示せず）が充放電されるため、図２に示した発振信号Ｖが出力される。発振信号Ｖの立ち上がり及び立ち下がりは、ほぼ二次関数の軌跡に沿って変化するが、インバータＩＶａの出力に存在する寄生容量は大きくないため、充放電が速やかに完了して、方形波に近い波形となる。このとき、発振信号Ｖが直流動作点と交差する立ち上がり（または立ち下がり）タイミングは、発振信号Ｖｏが直流動作点と交差する立ち下がり（または立ち上がり）タイミングと近くなる。 Further, the oscillation signal Vd operates the inverter IVa, and the inverter IVa outputs a triangular wave current having the same shape as that of the oscillation signal Vd. This current charges and discharges a parasitic capacitance (not shown) present in the output of the inverter IVa, so that the oscillation signal V shown in FIG. 2 is output. The rise and fall of the oscillation signal V change substantially along the locus of the quadratic function, but since the parasitic capacitance present in the output of the inverter IVa is not large, charging / discharging is completed quickly and is close to a square wave. It becomes a waveform. At this time, the rising (or falling) timing at which the oscillation signal V intersects the DC operating point is close to the falling (or rising) timing at which the oscillation signal Vo intersects the DC operating point.
その後、発振信号Ｖは、さらに４段のインバータＩＶ２〜ＩＶ５で増幅されて方形波の発振信号Ｖｏ’に波形整形され、元の異常な発振信号Ｖｏとほぼ位相が反転した波形となる。このような状態では、異常な発振信号Ｖｏは帰還されてきた発振信号Ｖｏ’によって打ち消されてしまい、安定して持続することができない。 Thereafter, the oscillation signal V is further amplified by the four-stage inverters IV2 to IV5 and shaped into a square wave oscillation signal Vo ', resulting in a waveform whose phase is substantially inverted from that of the original abnormal oscillation signal Vo. In such a state, the abnormal oscillation signal Vo is canceled by the feedback oscillation signal Vo 'and cannot be stably maintained.
なお、異常な発振信号Ｖｏの周波数が極めて高い場合には、増幅器Ａｍｐ内部の伝播遅延によって、発振信号Ｖｏ’の位相がちょうど反転し、元の異常な発振信号Ｖｏの位相と一致してしまうことが考えられる。しかしながら、例えこのような状態になったとしても、異常な発振信号Ｖｏが安定して持続することは難しい。なぜならば、異常な発振信号Ｖｏの周波数が高くなるにつれて、発振信号Ｖｄの振幅が小さくなり、結果として発振信号Ｖｏ’の振幅も小さくなる。すると、発振信号Ｖｏ’の振幅は、元の異常な発振信号Ｖｏの振幅と同一にならず、小さくなってしまう。このような状態では、異常な発振信号Ｖｏは、徐々に減衰してしまい、安定して持続することはできないのである。 When the frequency of the abnormal oscillation signal Vo is extremely high, the phase of the oscillation signal Vo ′ is just inverted by the propagation delay inside the amplifier Amp, and coincides with the phase of the original abnormal oscillation signal Vo. Can be considered. However, even in such a state, it is difficult for the abnormal oscillation signal Vo to be stably maintained. This is because the amplitude of the oscillation signal Vd decreases as the frequency of the abnormal oscillation signal Vo increases, and as a result, the amplitude of the oscillation signal Vo ′ also decreases. Then, the amplitude of the oscillation signal Vo ′ is not the same as the amplitude of the original abnormal oscillation signal Vo, and becomes small. In such a state, the abnormal oscillation signal Vo gradually attenuates and cannot be stably maintained.
上述したように、実施例の圧電発振回路１では、発振回路Ｏｓｃに後続する増幅回路Ａｍｐが、直列接続された５つのインバータＩＶａ、ＩＶ２〜ＩＶ５から構成されている。これにより、増幅回路Ａｍｐの出力端子側のパッドＯＵＴから出力された異常な発振信号Ｖｏが、静電結合によって、発振回路Ｏｓｃの入力端子側のパッドＸＧに誘起されたとしても、最終的にパッドＯＵＴに帰還されて出力される発振信号Ｖｏ’の位相は、元の異常な発振信号Ｖｏとほぼ逆相関係になる。従って、異常な発振信号Ｖｏが正帰還によって安定な発振を持続することはなくなり、この結果、実施例の圧電発振回路１は、水晶振動子Ｘの共振周波数で規定される本来の周波数で発振することが可能になる。 As described above, in the piezoelectric oscillation circuit 1 according to the embodiment, the amplifier circuit Amp subsequent to the oscillation circuit Osc includes the five inverters IVa and IV2 to IV5 connected in series. As a result, even if the abnormal oscillation signal Vo output from the pad OUT on the output terminal side of the amplifier circuit Amp is induced by the electrostatic coupling to the pad XG on the input terminal side of the oscillation circuit Osc, finally the pad The phase of the oscillation signal Vo ′ that is fed back and output to OUT is almost in reverse phase with the original abnormal oscillation signal Vo. Therefore, the abnormal oscillation signal Vo does not continue stable oscillation due to positive feedback, and as a result, the piezoelectric oscillation circuit 1 of the embodiment oscillates at an original frequency defined by the resonance frequency of the crystal resonator X. It becomes possible.
１ 圧電発振回路
Ｘ 水晶振動子
Ｏｓｃ 発振回路
Ａｍｐ 増幅回路
ＩＶａ、ＩＶ１〜ＩＶ５ インバータ
Ｃｇ、Ｃｄ コンデンサ
Ｒｆ 抵抗器
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Piezoelectric oscillation circuit X Crystal oscillator Osc Oscillation circuit Amp Amplifier circuit IVa, IV1-IV5 Inverter Cg, Cd Capacitor Rf Resistor
Claims (1)
Formed on a semiconductor chip having first and second pads for connecting a piezoelectric vibrator and a third pad for taking out an output signal, including at least one inverter and two capacitors; A piezo-oscillation circuit comprising: a Colpitts oscillation circuit for exciting a piezoelectric vibrator; and an amplification circuit including a plurality of stages of inverting amplifiers connected in cascade between the oscillation circuit and the third pad, the inverting amplifier A piezoelectric oscillation circuit characterized in that the number of cascade connection stages is an odd number.
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