JPH04167806A - 発振装置 - Google Patents

発振装置

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JPH04167806A
JPH04167806A JP29411290A JP29411290A JPH04167806A JP H04167806 A JPH04167806 A JP H04167806A JP 29411290 A JP29411290 A JP 29411290A JP 29411290 A JP29411290 A JP 29411290A JP H04167806 A JPH04167806 A JP H04167806A
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Fukuichi Hirohata
福一 広畑
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Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 (産業上の利用分野) 本発明は、1チツプマイクロコンピユータ(以下、1チ
ツプマイコンという)等の半導体集積回路に内蔵される
水晶発振回路に関するものである。
(従来の技術) 従来、このような分野の技術としては特開昭62−19
3321号公報(文献1)、及び特開平1−10100
8号公報(文献2)等に記載されるものがあった。
従来、クロック信号等を生成するための水晶発振回路は
、1チツプマイコン等の種々の半導体集積回路に設けら
れている。その−例として、従来の一般的な1チツプマ
イコンの構成ブロック図を第2図に示す。
この第2図の1チツプマイコン10は、例えば1.5■
の乾電池1コからなる電池20で動作し、携帯用音響機
器等といった周辺機器21のモータや増幅器等を制御、
駆動するものである。
1チツプマイコン10は、内部データバス11を有し、
そのデータバス11には、中央処理装置(以下、CPU
という〉12、プログラム格納用のROM等のプログラ
ムメモリ13、データ格納用のRAM等のデータメモリ
14、及び周辺機器21とのインターフェイスを行う入
出力ポート(以下、I10ボートという)15等が接続
されている。また、この1チツプマイコン10には、電
池20の電源電圧VCC(−1,5V)により動作して
クロック信号CLKを発生する水晶発振回路16と、ク
ロック信号CLKにより昇圧された電源電圧vpを生成
し、その電源電圧■P′@:cPU12等に供給する昇
圧回路17とが、設けられている。
この1チツプマイコン10では、電池20がら電源電圧
VCCが供給されると、水晶発振回路16が動作し、そ
の水晶発振回路16がらクロック信号CLKが出力され
て昇圧回路17等に与えられる。昇圧器&117は、ク
ロック信号CLKに基づき、昇圧された電源電圧VPを
生成し、CPU12等に与える。すると、CPU12は
、プログラムメモリ13内に格納されたプログラムに従
い、I10ボート15を介して周辺機器21の動作を制
御する。
この種の1チツプマイコン10では、電池20の消耗に
よってその電源電圧VCCが例えば1゜5Vから0.9
V程度まで低下した場合でも、周辺機器21内のモータ
や増幅器等は正常に動作する。ところが、1チツプマイ
コン10内の水晶発振回路16では、発振したり、異常
発振したりして暴走動作を引き起こす可能性がある。そ
のため、周辺機器21が正常動作しているにもかかわら
ず、1チツプマイコン10側であたかも故障したかのよ
うな印象をユーザーに与え、マイコンを用いた装置の信
頼性を疑わせるようなことがあった。
そこで、電源電圧VCCが低下しても、1チツプマイコ
ン10を正常に動作させるために、水晶発振回路16の
低消費電流化や、発振開始電圧の低電源電圧化のための
種々の提案が行われている。
この種の発振回路16に関する技術が前記文献1.2等
に記載されており、その構成を以下、説明する。
第3図は、前記文献1に記載された従来の水晶発振回路
の回路図である。
この水晶発振回路は、並列接続された水晶振動子30及
び帰還抵抗31と、一端が水晶振動子30に接続され他
端が接地電位■SSに接続された充放電用キャパシタ3
2.33とを、有している。
電源電圧VCCには、発振制御信号CNによってオン、
オフ動作するPチャネル型MOSトランジスタ(以下、
PMO8という)34のソースが接続され、そのドレイ
ンが、負荷抵抗35及びNチャネル型MOSトランジス
タ(以下、NMO8という)36からなるNMOSイン
バータを介して、接地電位■SSに接続されている。N
MO836のドレインには、出力側ノードNが接続され
ている。
この水晶発振回路を発振停止状態にするには、“14′
°レベルの発振制御信号CNをPMO834−4= のゲートに与えてそのPMO834をオフ状態にする。
ここで、キャパシタ32がNMO836のスレッショル
ド電圧Vtn以上になっていれば、該NMO836がオ
ン状態となり、キャパシタ32.33が放電する。そし
て、キャパシタ32がNMO836のスレッショルド電
圧Vtn以下になると、該NMO836がオフ状態とな
り、出力側ノードNがスレッショルド電圧Vtnと接地
電位VSSとの間の電位におちつく。一方、キャパシタ
32がスレッショルド電圧Vtn以下になっていても、
前記と同様にスレッショルド電圧Vtnと接電位■SS
との間の電位に出力側ノードNがおちつく。
水晶発振回路を発振状態にするには、′°L′ルベルの
発振制御信号CNをPMO834のゲートに与え、該P
MO834をオン状態にする。この時、NMO836が
オフ状態になっていることより、出力側ノードNが電源
電位■CC方向へ変化し、キャパシタ33が充電され、
さらに帰還抵抗31及び水晶振動子30を介してキャパ
シタ32が充電される。キャパシタ32の電位がスレッ
ショルド電圧Vtn以上になると、NMO836がオン
し、キャパシタ32.33が放電し、出力側ノードNが
電源電位■CCから接地電位VSSへ、負荷抵抗35と
容量成分により徐々に変化する。
キャパシタ32.33の電位がNMO836のスレッシ
ョルド電圧Vtn以下になると、該NMO836がオフ
状態となり、キャパシター32.33は放電から充電に
変わり、出力側ノードNが接地電位VSSから電源電位
VCCへ変化し、これを繰り返す。
この水晶発振回路において、発振動作する最低電源電圧
VCCは、NMO836のスレッショルド電圧Vtnあ
れば動作するため、低電源電圧化が図れる。
第4図は、前記文献2に記載された従来の水晶発振回路
の回路図である。
この水晶発振回路では、第3図の負荷抵抗35に代えて
定電圧源35Aを設けると共に、NMO836のドレイ
ン及びゲートに比較増幅回路37を接続し、その比較増
幅回路37から発振信号SOを出力するようにしている
。そのため、低消費電力化を目的として定電流源35A
の電流を抑制すると、NMO836のドレイン及びゲー
トから出力される発振出力の振幅が狭くなる。そこで、
その発振出力を比較増幅回路37で増幅することにより
、充分な振幅を有する発振信号SOを出力でき、それに
よって低消費電力化が図れる。
第5図は、従来の一般的な水晶発振回路の回路図である
この水晶発振回路では、第3図の負荷抵抗35及びNM
O836からなるNMOSインバータに代え、PMO8
41及びNMO842からなるCMOSインバータ40
を設けて発振回路を構成したものである。この第5図の
水晶発振回路では、電源電圧VCCをCMOSインバー
タ40に印加することにより、発振動作が開始しする。
発振維持中は、PMO841及びNMO842が相互に
オン、オフ動作するので、CMOSインバータ40に貫
通電流が流れず、それによって低消費電流化が図れる。
(発明が解決しようとする課題) しかしながら、上記構成の回路では、次のような課題が
あった。
(a)  第3図の水晶発振回路では、発振開始電圧の
低電源電圧化が図れるものの、負荷抵抗35及びNMO
836からなるNMOSインバータを使用しているため
、発振動作中、その負荷抵抗35に常時電流が流れるな
め、消費電流が多くなり、低消費電流化の点で不充分な
点があった。
(b)  第4図の水晶発振回路では、定電流源35A
を流れる電流を小さくすることにより、低消費電力化が
図れるものの、NMO836のドレイン及びゲートから
出力される発振波形の振幅が狭くなるため、それを比較
増幅回路37で増幅する必要があり、それによって回路
点数が増加して回路形成面積が大きくなるという問題が
ある。
(C)  第5図の水晶発振回路では、CMOSインバ
ータ40を用いているので、発振動作中の低消費電流化
が図れるが、発振開始電圧はPMO841のスレッショ
ルド電圧VtpとNMO842のスレッショルド電圧V
tnとの和で決定される。
そのため、低電源電圧化のためにスレッショルド電圧V
tp、Vtnを小さくしても、それぞれ−〇、4V、+
0.4Vが限界であり、それ以下のスレッショルド電圧
にすると、PMO341及びNMO842のオフ状態時
における電流リーク(電流洩れ)が発生しやすくなり、
ノイズによって誤動作するという問題があった。
このように、従来の水晶発振回路では、発振開始電圧が
低く、しかも低消費電力で動作する回路を得ることが困
難であった。
本発明は前記従来技術が持っていた課題として、発振開
始電圧の低電源電圧化及び低消費電力化の二つの要件を
兼ね備えた回路を得ることが困難である点について解決
した水晶発振回路を提供するものである。
(課題を解決するための手段) 本発明は前記課題を解決するために、並列接続された水
晶振動子及び帰還抵抗と、前記水晶振動子に接続された
充放電用のキャパシタと、NMO8及び2MO8からな
り前記キャパシタの充、放電の切換えを行って発振信号
を出力側ノートへ出力するCM(]Sインバータとを、
備えた水晶発振回路において、抵抗素子及びスイッチと
を設けたものである。
ここで、抵抗素子は、前記出力側ノードと電源電圧また
は接地電位との間に接続され、前記NMO8または前記
PMO8と共にNMOSインバータまたはPMOSイン
バータを構成している。さらに、スイッチは、前記出力
側ノードと前記抵抗素子との間に接続され、制御信号に
よって発振維持中、オフ状態となる機能を有している。
前記抵抗素子は、所定のオン抵抗値を有する2MO8ま
たはNMO8で構成してもよい。
(作用) 本発明によれば、以上のように水晶発振回路を構成した
ので、発振動作開始時に、電源電圧を印加すると共にス
イッチをオン状態にすれば、該スイッチによって抵抗素
子が、CMO8を構成するNMO8または2MO8のい
ずれかに接続され、NMOSインバータまたはPMOS
インバータが形成される。そして、このインバータのオ
ン、オフ動作により、キャパシタが充、放電し、発振動
作が開始する。発振動作が開始すると、制御信号によっ
てスイッチがオフ状態となるため、CMOSインバータ
のオン、オフ動作によってキャパシタの充、放電が切換
えられ、水晶振動子の持つ特定の周波数で発振し、その
発振信号が出力ノートから出力される。
このように、発振開始時には、NMOSインバータまた
はPMOSインバータにより発振動作が開始するので、
電源電圧を低下して発振開始電圧を低電源電圧化するこ
とが可能となる。しかも、発振維持中は、スイッチがオ
フ状態となって抵抗素子が切り離されるため、前記NM
OSインバータまたはPMOSインバータに代え、CM
OSインバータのオン、オフ動作によって発振動作が続
けられる。このCMOSインバータには、電源電圧から
接地電位への貫通電流が流れないため、低−一11 − 消費電流化が図れる。従って、前記課題を解決できるの
である。
(実施例) 第1図は、本発明の第1の実施例を示す水晶発振回路の
回路図である。
この水晶発振回路は、並列接続された水晶振動子50及
び帰還抵抗51を有し、その水晶振動子50の両端と接
地電位VSSとの間にはキャパシタ52.53がそれぞ
れ接続されている。水晶振動子50のキャパシタ52側
のノードと、キャパシタ53の出力1則ノードNとの間
には、CMOSインバータ54が接続されている。CM
OSインバータ54は、PMO854a及びNMO85
4bを有し、それらが電源電圧VCCと接地電位■SS
との間に直列接続され、そのPMO854aとNMO8
54bとの接続点が、発振信号Soを出力する出力1則
ノードNに接続されている。
また、電源電圧VCCと出力側ノードNとの間には、抵
抗素子55と、制御信号C8によりオン。
オフ動作するPMO856とが、直列接続されている。
次に、動作を説明する。
発振動作を開始させるには、電源電圧VCCを印加する
と共に、“L”レベルの制御信号C8をPMO856の
ゲートに印加して該PMO356をオン状態にする。P
MO856がオン状態になると、このPMO856を介
して、抵抗素子55とNMO854bとでNMOSイン
バりが構成される。この時、NMO854bがオフ状態
のため、抵抗素子55及びPMO856を介して出力側
ノードNが電源電圧VCC方向へ変化し、キャパシタ5
3が充電され、さらに帰還抵抗51及び水晶振動子50
を通してキャパシタ52か充電される。
キャパシタ52の充電電圧がNMO854bのスレッシ
ョルド電圧Vtn以上になると、該NMO854bがオ
ン状態となる。すると、キャパシタ52.53の蓄積電
荷がNMO854bを通して接地電位VSS側へ放電さ
れ、出力側ノードNが電源電圧■CCから接地電位■S
S方向へ徐々に変化する。キャパシタ52.53の電圧
がNMO354bのスレッショルド電圧Vtn以下にな
ると、該NMO354bがオフ状態となる。NMO85
4bがオフ状態になると、キャパシタ52゜53は放電
から充電に変わり、出力側ノードNが接地電位VSSか
ら電源電位VCCへ変化し、これが繰り返されて発振動
作が行われる。
発振動作が安定化した後、制御信号C8をIIH″。
レベルにし、1MO856をオフ状態にする。1MO8
56がオフ状態になると、抵抗素子55が回路から切り
離されるので、NMOSインバータ54がキャパシタ5
2.53の充放電を制御する。
即ち、PMO854aのスレッショルド電圧VtpとN
MO354bのスレッショルド電圧Vtnとの和で決定
されるCMOSインバータ54のスレッショルド電圧V
tcよりもキャパシタ52の電圧が低い時には、PMO
354aがオン状態となり、そのPMO854aを介し
てキャパシタ52.53が充電される。キャパシタ52
.53が充電されて該キャパシタ52の充電電圧がCM
OSインバータ54のスレッショルド電圧Vtc以上に
なると、PMO354aがオフ状態になり、NMO85
4bがオン状態となるため、該NMO854bを通して
キャパシタ52.53が接地電位VSS側へ放電される
。これにより、水晶振動子50の持つ固有の周波数で発
振動作が続けられ、発振信号SOが出力側ノードNから
出力される。
発振停止状態するには、電源スィッチ等によって電源電
圧■CCの供給を遮断するとにより、キャパシタ52.
53の充放電が停止され、出力側ノードNの電位が、C
MOSインバータ54のスレッショルド電圧Vtcと接
地電位■SSとの間の電位におちつき、発振動作が停止
する。
本実施例では、次のような利点を有している。
(1) 発振開始時には、1MO856をオン状態にし
、抵抗素子55及びNMO854bによってNMOSイ
ンバータを構成し、そのNMOSインバータによって発
振動作を開始させるので、発振開始電圧はNMO854
bのスレッショルド電圧Vtnあれば良いことになる。
そのため、電源= 15 = 電圧VCCを低下させても、発振動作が開始し、それに
よって低電源電圧化が可能となる、。
本実施例による回路を半導体集積回路(例えば、1チツ
プマイコン)に内蔵して従来のものと比較したところ、
PMO8のスレッショルド電圧Vtp=−Q、4V、及
びNMO8のスレッショルド電圧V t n −−1−
0、4Vのプロセスにおいて、第5図に示す従来のCM
OSインバータによる発振回路での発振開始電圧は0.
9Vであったのに対し、同プロセスで本実施例を使用す
ると、発振開始電圧は0.7Vの測定値を得ることがで
きた。
トランジスタサイズ等の最適設計を行うと、さらに発振
開始電圧を低減させることが可能になり、それによって
低電源電圧化が可能となる。
そして、本実施例の水晶発振回路を例えば第2図のよう
な1チツプマイコンに搭載した場合、前記の測定値0.
7Vは周辺機器21におけるモータや増幅器等の最低動
作電圧をはるかに凌ぐものであるので、電池20の消耗
によって電源電圧VCCが低下し、周辺機器21におけ
るモータの回転むらや、増幅器の歪みによる再生音の歪
み等が生じた場合、その時点において1チツプマイコン
10が正常動作しているため、使用者は電池20の消耗
による電圧低下を容易に知ることかできる。
つまり、本実施例の水晶発振回路を用いることにより、
動作電源電圧の低い1チツプマイコンを実現でき、それ
によって装置全体の信頼性の向上が図れる。
(2) 発振動作開始後は、制御信号C8によってPM
O356がオフ状態となり、抵抗素子55が回路から切
り離される。そのため、CMOSインバータ54のオン
、オフ動作によってキャパシタ52.53の充放電が制
御され、発振動作が維持される。CMOSインバータ5
4は、PMO854aとNMO354bが交互にオン、
オフ動作し、電源電圧VCCと接地電位■SSとの間で
貫通電流が流れないため、消費電流を低減できる。
従って、第2図の1チツプマイコンにおける電池20の
消耗を少なくできる。
第6図は、本発明の第2の実施例を示す水晶発振回路の
回路図であり、第1図中の要素と共通の要素には共通の
符号が付されている。
この水晶発振回路では、第1図の抵抗素子55及びPM
O856に代えて、該抵抗素子55に相当するオン抵抗
値を持ったPMO856Aを、電源電圧■CCと出力側
ノードNとの間に接続している。そして、PMO856
Aのゲートに印加する制御信号C8を“L′°レベル及
び“H″レベルすることにより、第1図の回路と同様の
利点が得られるばかりか、抵抗素子55の省略によって
回路点数をより少なくできると共に、回路形成面積をよ
り減少させることができる。
なお、本発明は上記実施例に限定されず、種々の変形が
可能である。その変形例としては、例えば次のようなも
のがある。
(i)  第1図のスイッチであるPMO856は、制
御信号C8の極性を変えることによってNMo8に置き
換えてもよい。さらに、そのNMo8に、抵抗素子55
に相当するオン抵抗値を持ったNMo5を使用すること
により、第6図と同様の利点が得られる。
(11)  第1図では、電源電圧VCCと出力側ノー
ドNとの間に、抵抗素子55及びPMO856を挿入し
ているが、それに代えてその抵抗素子55及びPMO8
56(またはNMo8)を出力1則ノードNと接地電位
■SSとの間に設け、該抵抗素子とCMOSインバータ
54中のPMO854aとで、PMOSインバータを構
成しても、第1とほぼ同様の作用、効果が得られる。同
様に、第6図のスイッチであるPMO856A (また
はNMo8)を、出力側ノードNと接地電位■SSとの
間に接続してもよい。
(iii)  第1図及び第6図において、電源電圧■
CCの投入及び遮断を制御るなめに、従来の第3図に示
すような発振制御信号CNでオン1オフ制御されるPM
O834のようなスイッチ等を付加してもよい。さらに
、本発明の水晶発振回路は、第2図のような1チツプマ
イコンに限らず、種々の半導体集積回路に搭載すること
ができ、それによってその半導体集積回路の低消費電力
化と、発振開始電圧の低電源電圧化の効果が期待できる
(発明の効果) 以上詳細に説明したように、本発明によれば、出力側ノ
ードと電源電圧または接地電位との間に抵抗素子を設け
、その抵抗素子をスイッチによって遮断及び投入を制御
するようにしている。そのため、発振開始時において制
御信号によってスイッチをオシ状態とし、抵抗素子を出
力側ノードに接続すれば、該抵抗素子とCMOSインバ
ータ中のNMo8またはPMO8とで、NMOSインバ
ータまたはPMOSインバータが形成される。そして、
このインバータによってキャパシタの充放電が制御され
、発振動作が開始する。この際、発振開始電圧はCMO
Sインバータ中のNMo8またはPMO3のスレッショ
ルド電圧あればよいので、発振開始電圧が低下しても、
適確に発振動作が開始するので、低電源電圧化が可能と
なる。
しかも、発振開始後は、制御信号によってスイッチをオ
フ状態にすることにより、抵抗素子が切り離され、CM
OSインバータのオン、オフ動作−2〇 − によってキャパシタの充放電が制御されて安定した発振
動作が行える。この際、CMOSインバータはPMO8
とNMo8が交互にオン、オフ動作するので、電源電圧
と接地電位との間の貫通電流が流れず、それによって発
振後の消費電流を低減することができる。
従って、本発明の水晶発振回路を、1チツプマイコン等
の半導体集積回路に搭載することにより、低消費電力化
、及び発振開始電圧の低電源電圧化を図ることができ、
それによって半導体集積回路の信頼性の向上が期待でき
る。
【図面の簡単な説明】
第1図は本発明あ第1の実施例を示す水晶発振回路の回
路図、第2図は従来の一般的な1チツプマイコンの構成
ブロック図、第3図、第4図及び5図は従来の水晶発振
回路の回路図、第6図は本発明の第2の実施例を示す水
晶発振回路の回路図である。 50・・・水晶振動子、51・・・帰還抵抗、52.5
3・・・キャパシタ、54・・・CMOSインバータ、
54a、56.56A・ PMO8,54b−NM○S
、55・・・抵抗素子、CS・・・制御信号、VCC・
・・電源電圧、VSS・・・接地電位。 出願人 株式会社沖マイクロデザイン宮崎(ほか1名)

Claims (1)

  1. 【特許請求の範囲】 1、並列接続された水晶振動子及び帰還抵抗と、前記水
    晶振動子に接続された充放電用のキャパシタと、Nチャ
    ネル型MOSトランジスタ及びPチャネル型MOSトラ
    ンジスタからなり前記キャパシタの充、放電の切換えを
    行つて発振信号を出力側ノードへ出力するCMOSイン
    バータとを、備えた水晶発振回路において、 前記出力側ノードと電源電圧または接地電位との間に接
    続され、前記Nチャネル型MOSトランジスタまたは前
    記Pチャネル型MOSトランジスタと共にインバータを
    構成する抵抗素子と、前記出力側ノードと前記抵抗素子
    間に接続され制御信号によって発振維持中オフ状態とな
    るスイッチとを、 設けたことを特徴とする水晶発振回路。 2、請求項1記載の水晶発回路において、 前記抵抗素子は、所定のオン抵抗値を有するMOSトラ
    ンジスタで構成した水晶発振回路。
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JPH07154143A (ja) * 1993-11-26 1995-06-16 Nec Corp 発振回路
JPH07193428A (ja) * 1993-12-27 1995-07-28 Nippon Precision Circuits Kk 発振用集積回路および発振回路
KR100717493B1 (ko) * 1999-12-21 2007-05-14 에따 쏘시에떼 아노님 파브리끄 데보슈 개선된 열특성을 가지는 저주파 쿼츠 발진기 장치
KR100723226B1 (ko) * 2005-11-30 2007-05-29 삼성전기주식회사 수정 발진 회로

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* Cited by examiner, † Cited by third party
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