水晶発振回路の設計値決定方法及び電子機器
【課題】水晶振動子を用いた発振回路の負荷容量ＣＬ値、負性抵抗ＲＬ値、および駆動電流Ｉos値の関係を明確にし、水晶発振回路の設計値の決定方法を提供する。
【解決手段】水晶発振回路において、負性抵抗値RL、負荷容量値CLおよび駆動電流Ｉosの３つの設計値のうち、２つの値を決定することにより、残りの１つの値を関係式或いは関係グラフを用いて決定する。負性抵抗値RLを一定値としたとき、駆動電流Ｉosおよび負荷容量値CLの関係式は、Ｉos＝α＊(CL)2＋β＊(CL)＋γ（α、β、γは定数）の２次式で表される。また、駆動電流Ｉosをパラメータ（一定値）としたとき、負荷容量値CLおよび負性抵抗値RLの関係式は、CL＝a＊(RL)b（a、bは定数）の累乗式で表される。この結果、水晶発振回路の低CL化により駆動電流を低下でき、水晶発振回路の低消費電力化を実現できる。
【解決手段】水晶発振回路において、負性抵抗値RL、負荷容量値CLおよび駆動電流Ｉosの３つの設計値のうち、２つの値を決定することにより、残りの１つの値を関係式或いは関係グラフを用いて決定する。負性抵抗値RLを一定値としたとき、駆動電流Ｉosおよび負荷容量値CLの関係式は、Ｉos＝α＊(CL)2＋β＊(CL)＋γ（α、β、γは定数）の２次式で表される。また、駆動電流Ｉosをパラメータ（一定値）としたとき、負荷容量値CLおよび負性抵抗値RLの関係式は、CL＝a＊(RL)b（a、bは定数）の累乗式で表される。この結果、水晶発振回路の低CL化により駆動電流を低下でき、水晶発振回路の低消費電力化を実現できる。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、低消費電力の水晶発振回路を実現するためのもので、特に水晶発振回路を構成する負荷容量、負性抵抗および駆動電流などの設計値決定方法、及びその設計値決定方法を用いて設計値が決定された発振回路を搭載した電子機器に関する。
【背景技術】
【０００２】
時計や携帯電話等の携帯機器において、当該機器の無充電による長時間動作や搭載される電池の充電頻度低減化の要求から、当該機器に用いられる水晶振動子等の圧電素子を組み込んだ発振回路の駆動電力の低減や発振回路の待機時（発振回路が発振した状態でかつ無負荷状態の時）における超低消費電力化がますます要求されている。
【０００３】
図９は、水晶振動子を用いた典型的な発振回路であり、反転増幅器となるＣＭＯＳインバータＩＶ０１、ＣＭＯＳインバータＩＶ０１の入力端子ＸＣＩＮと出力端子ＸＣＯＵＴとの間に接続された水晶振動子Ｘ２、ＣＭＯＳインバータＩＶ０１の入力端子ＸＣＩＮと接地電位の電源端子Ｖssとの間に接続された負荷容量Ｃgを構成する容量素子、およびＣＭＯＳインバータＩＶ０１の出力端子ＸＣＯＵＴと接地電位の電源端子Ｖssとの間に接続された負荷容量Ｃdを構成する容量素子を有している。
【０００４】
また、ＣＭＯＳインバータＩＶ０１は、電源電圧Ｖddが共有される第１の電源端子と接地電位が供給される第２の電源端子との間に直列接続されたPMOSトランジスタＰＭ１１とＮＭＯＳトランジスタＮＭ１１、及び帰還抵抗Ｒfから構成されている。
ＣＭＯＳインバータＩＶ０１のＰＭＯＳトランジスタＰＭ１1のソースと第１の電源端子との間、およびＣＭＯＳインバータＩＶ０１のＮＭＯＳトランジスタＮＭ１１と第２の電源端子との間には、水晶振動子Ｘ２を励振する駆動電流を制限する駆動電流調整用抵抗素子ｒ１およびｒ２が接続されている。
【０００５】
携帯機器等に搭載する発振回路は近年低消費電力化が要求されているが、そのためには発振回路における水晶振動子の駆動電流を低下させる必要がある。そのためには、発振回路におけるＣＭＯＳインバータの相互コンダクタンスＧmを小さくすることが好適であるが、相互コンダクタンスＧmを小さくすると発振回路の発振余裕度を低下させる場合がある。
【０００６】
発振回路の発振余裕度Ｍは次式（１）で与えられる。
Ｍ＝｛｜−Ｇm｜／(ω2Ｃg・Cd)｝＊(１／Ｒ１(max))＝＋ＲＬ／Ｒ１(max)・・・（１）
ここで、ωは発振周波数の角周波数、ＲＬは負性抵抗、Ｒ１(max)は水晶振動子の実効抵抗Ｒ１の最大値であり、発振余裕度Ｍは５以上の値が要求される。
【０００７】
水晶振動子の実効抵抗Ｒ１は水晶振動子の小型化の要請から決定される値であるから、余り小さくすることはできない。従って、相互コンダクタンスＧｍを小さくしても発振回路の発振余裕度Ｍを維持するには、ＣＭＯＳインバータに外付けされる負荷容量を構成するコンデンサの負荷容量値Ｃgおよび／またはCdを下げれば良いことが分かる。従ってそれを実現するためには、発振回路の水晶振動子は、組み込まれるマイコン等のＩＣに対して要求される低消費電力化の仕様に見合った負荷容量ＣＬを有することが要求される。すなわち、既に出願人は従来から使用されている水晶振動子の負荷容量ＣＬである12.5pFに対して、負荷容量ＣＬの低減すなわち低ＣＬ化（3pF〜5pF）を提案してきた。（特許文献１）
【０００８】
しかしながら、負荷容量ＣＬを小さくすると、負荷容量ＣＬの容量許容差と発振周波数の周波数偏差Δｆの問題が顕著になる。たとえば、負荷容量ＣＬが通常の容量許容差の範囲であるΔＣ（±５％）変化した場合の発振周波数の安定性Δｆ(ppm)は、負荷容量ＣＬが12.5pFのときΔＣが1.25pFで発振周波数の安定性Δｆは7.3ppmとなり、負荷容量ＣＬが6pFのときΔＣが0.6pFで発振周波数の安定性Δｆは13.2ppmとなり、負荷容量ＣＬが3pFのときΔＣが0.3pFで発振周波数の安定性Δｆは20.5ppmとなる。
すなわち、負荷容量ＣＬ(3pF)では、従来の12.5pFの場合よりも2.8倍も周波数偏差が大きくなるので、負荷容量CLの低容量化（低ＣＬ化）を実現するためには、負荷容量ＣＬの容量許容差に対する発振周波数の安定性を向上させる必要がある。
【０００９】
図９における入出力端子間ＸＣＩＮおよびＸＯＵＴ間の水晶振動子側の等価回路は図１０となる。水晶振動子Ｘ２には直列に負荷容量ＣＬが接続されていて、水晶振動子は圧電効果により生ずる機械的共振を等価的に表したインダクタンスＬ１、容量Ｃ１、抵抗Ｒ１の直列共振回路に電極間容量Ｃ0が並列接続した回路として表される。また入出力端子間ＸＣＩＮおよびＸＣＯＵＴ間にはＣＭＯＳ半導体基板や信号配線等により種々の浮遊容量が存在しているが、これらの（合成）浮遊容量をＣsとすると、図１１に示すように、負荷容量ＣＬは浮遊容量Ｃsと直列接続された外部（外付け）容量ＣgおよびＣdとの並列接続となっている。
従って、
ＣＬ＝Ｃs＋Ｃg＊Ｃd／（Ｃg＋Ｃd）・・・（２）
となる。
（２）の関係を満足するようなＣＬ値（2pF〜6pF）になるように、発振周波数にマッチングするような外付け容量素子ＣgおよびＣdを選択すれば、発振周波数の安定性を向上できる。すなわち、負荷容量ＣＬは浮遊容量Ｃsと外部容量素子（コンデンサ）Ｃext｛＝Ｃg＊Ｃd／（Ｃg＋Ｃd）｝の和であるため、負荷容量ＣＬと浮遊容量Ｃsとの差に相当するように、外部容量素子Ｃextの値を選定すれば、（２）式が満足され、水晶振動子の負荷容量ＣＬと、水晶振動子から見た発振回路側の負荷容量がマッチング（整合）することになる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１０】
【特許文献１】特開２００８−２０５６５８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
上述したように、低い負荷容量ＣLを採用することにより、発振周波数の安定性を保持しながら低い相互コンダクタンスＧｍを達成することができると考えられる。しかしながら、低い負荷容量CL値を有する水晶振動子を用いた水晶発振回路を採用した場合、どの程度の駆動電流が得られるのかが問題となる。低い負荷容量ＣＬ値と駆動電流の間の関係についてはこれまで明確にされていない。しかし、ＩＣを設計するときに事前に水晶発振回路の駆動電流値を推定できるとＩＣの設計が非常に楽になる。あるいは、ＩＣのスペックとして水晶発振回路の駆動電流値の目標値を適当に設定したときに、その駆動電流値を実現できる水晶発振子が存在するのかが分かることは非常に重要なことである。従って、水晶発振回路の駆動電流値Ｉosと負荷容量ＣＬとの関係を知ることが切望されている。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
本発明の目的は、水晶振動子を用いた発振回路の駆動電流値Ｉosと負荷容量ＣＬ値の関係を明確にし、所望の駆動電流値Iosにするためにはどの程度の負荷容量ＣＬ値を用いれば良いかその方法を提供することである。さらに駆動電流Iosおよび負荷容量ＣＬに対して負性抵抗がどのように関係しているかを明確にすることである。すなわち、水晶振動子を用いた発振回路の負荷容量ＣＬ値、負性抵抗ＲＬ値、および駆動電流Ｉos値の関係を明確にし、水晶発振回路の設計値決定方法を提供することである。また、この設計値決定方法を用いて設計値が決定された水晶発振回路が搭載された電子機器を提供することである。
【００１３】
具体的には以下の方法により行なう。
（１）本発明は、水晶振動子を用いた水晶発振回路において、負性抵抗値RL、負荷容量値CLおよび駆動電流Ｉosの３つの設計値のうち、２つの値を決定することにより、残りの１つの値を関係式或いは関係グラフを用いて決定することを特徴とする、発振回路の設計値決定方法である。
（２）本発明は、負性抵抗値RLを一定値としたとき、駆動電流Ｉosおよび負荷容量値CLの関係式は、Ｉos＝α＊(CL)2＋β＊(CL)＋γ（α、β、γは定数）の２次式で表され、前記関係式を用いて負荷容量値CLから駆動電流Ｉosを決定するか、あるいは前記関係式を用いて駆動電流Ｉosから負荷容量値CLを決定することを特徴とする発振回路の設計値決定方法である。
（３）本発明は、事前に得られた少なくとも２つの負性抵抗値RL（RL1、RL2）における駆動電流値Ｉosおよび負荷容量値ＣＬの関係式は、
Ｉos＝ｃ1＊(ＣＬ)2＋d1＊(ＣＬ)＋e1 （RL＝RL1）
Ｉos＝ｃ2＊(ＣＬ)2＋d2＊(ＣＬ)＋e2 （RL＝RL2）
であり、上式を用いて負性抵抗値RL0のときの駆動電流Ｉosおよび負荷容量値ＣＬの関係式Ｉos＝ｃ0＊(ＣＬ)2＋d0＊(ＣＬ)＋e0 （RL＝RL0）
を決定することを特徴とする発振回路の設計値決定方法である。
（４）本発明は、RL1＜RL0＜RL2のとき、
Ｉos＝ｃ1＊(ＣＬ)2＋d1＊(ＣＬ)＋e1 （RL＝RL1）
Ｉos＝ｃ2＊(ＣＬ)2＋d2＊(ＣＬ)＋e2 （RL＝RL2）
を用いて単純比例で負性抵抗値RL0のときの駆動電流Ｉosおよび負荷容量値ＣＬの関係式
Ｉos＝ｃ0＊(ＣＬ)2＋d0＊(ＣＬ)＋e0 （RL＝RL0）
を決定することを特徴とする発振回路の設計値決定方法である。
【００１４】
（５）本発明は、駆動電流Ｉosをパラメータ（一定値）としたときの負荷容量値CLおよび負性抵抗値RLの関係式をCL＝a＊(RL)b（a、bは定数）の累乗式として表し、この関係式を用いて負性抵抗値RLから負荷容量値CLを決定するか、あるいはこの関係式を用いて負荷容量値CLから負性抵抗値RLを決定することを特徴とする発振回路の設計値決定方法である。
（６）本発明において、事前に得られた少なくとも２つの駆動電流値Ｉos（Ios1、Ios2）における負性抵抗値RLおよび負荷容量値ＣＬの関係式は、
CL＝a1＊(RL)b1 （Ｉos＝Ios1）
CL＝a2＊(RL)b2 （Ｉos＝Ios2）
であり、これらの式を用いて
駆動電流値Ios0のときの負性抵抗値ＲＬおよび負荷容量値ＣＬの関係式
CL＝a0＊(RL)b0 （Ｉos＝Ios0）
を決定することを特徴とする、発振回路の設計値決定方法である。
（７）本発明は、Ios1＜Ios0＜Ios2のとき、
CL＝a1＊(RL)b1 （Ｉos＝Ios1）
CL＝a2＊(RL)b2 （Ｉos＝Ios2）
を用いて単純比例で駆動電流値Ｉos0のときの負性抵抗値ＲＬおよび負荷容量値ＣＬの関係式CL＝a0＊(RL)b0 （Ｉos＝Ios0）
を決定することを特徴とする発振回路の設計値決定方法である。
（８）本発明において、負性抵抗値ＲＬは発振余裕度Ｍ（Ｍ＝ＲＬ／Ｒ１(max)で表され、Ｒ１(max)は水晶振動子の実効抵抗Ｒ１の最大値である）から決定されることを特徴とする発振回路の設計値決定方法である。
【発明の効果】
【００１５】
本発明により、発振回路の重要パラメータである負荷容量値ＣＬおよび負性抵抗値ＲＬと発振回路における駆動電流との間には一定の関係を有することが明らかになり、この関係を用いることにより、各パラメータの設計値を決定できる。特に低消費電流の発振回路を設計するときには有用である。たとえば、駆動電流の目標値Ｉos0を決めると、負荷容量値ＣＬは負性抵抗値ＲＬの累乗式、CL＝ａ＊(RL)bで示されるので、適切な負性抵抗値RL0に対する負荷容量値CL0を決定できる。或いは、負荷容量値CL0を選択すればそれに対応する負性抵抗値RL0を決定できる。また、負性抵抗値RLをパラメータとして、駆動電流値Ｉosは負荷容量値ＣＬの２次式、Ｉos＝α＊(CL)2＋β＊CL＋γで表されるので、適切な負荷容量値CL0を選択すれば、そのときの発振回路の駆動電流値Ｉos0を求めることができる。或いは、目標の駆動電流値Ｉos0を得るための負荷容量値CL0を決定できる。これまで、低CL値（８pＦ以下）を有する発振回路においては、どの程度の駆動電流値Ｉosを実現できるか、その低ＣＬ値に対応する負性抵抗値はどの程度が必要かが明確でなかったが、本発明を用いることにより、それらの関係が明確になり、発振回路設計が非常に容易となる。また、水晶発振回路の低CL化により駆動電流の微小化を実現でき、水晶発振回路の低消費電力化を実現できる。その結果として、当該水晶発振回路を組み込んだ電子機器の低消費電力化も実現できる。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】図１は、駆動電流Ｉos、負荷容量値ＣＬ、及び負性抵抗ＲＬの関係を明確にするために用いた測定回路を示す図である。
【図２】図２は、駆動電流Ｉosをパラメータ（Ｉos一定）としたときの負荷容量値ＣＬおよび負性抵抗ＲＬの関係を示すグラフである。
【図３】図３は、駆動電流Ｉosをパラメータ（Ｉos一定）としたときの負荷容量値ＣＬおよび負性抵抗値ＲＬの関係を示すグラフである。
【図４】図４は、負性抵抗値をパラメータ（ＲＬ一定）としたときの駆動電流Ｉosおよび負荷容量値ＣＬの関係を示すグラフである。
【図５】図５は、負性抵抗値をパラメータ（ＲＬ一定）としたときの駆動電流Ｉosおよび負荷容量値ＣＬの関係を示すグラフである。
【図６】図６は、負性抵抗をパラメータ（ＲＬ一定）としたときの駆動電流Ｉosおよび負荷容量値ＣＬの関係を示すグラフである。
【図７】図７は、負性抵抗をパラメータ（ＲＬ一定）としたときの駆動電流Ｉosおよび負荷容量値ＣＬの関係を示すグラフである。
【図８】図８は、駆動電流Ｉosをパラメータ（Ｉos一定）としたときの負荷容量値ＣＬおよび負性抵抗値ＲＬの関係を示すグラフである。
【図９】図９は、水晶振動子を用いた発振回路を示す図である。
【図１０】図１０は、図９における入出力端子間ＸＣＩＮおよびＸＯＵＴ間の水晶振動子側の等価回路を示す図である。
【図１１】図１１は、負荷容量値ＣＬを構成する容量を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
本発明の目的は、水晶振動子を用いた水晶発振回路の駆動電流Ｉosと負荷容量ＣＬ値および負性抵抗ＲＬとの関係を明確にし、所望の駆動電流Ｉosを設計するためにはどの程度の負荷容量ＣＬ値および負性抵抗RＬ値を用いれば良いかその方法を提供することである。また、駆動電流Ｉosを小さくするには、負荷容量ＣＬ値をどの程度の値を用いれば良いのか、その時の負性抵抗ＲＬ値はどの程度になるかを見積もることができる方法を提供することである。すなわち、本発明は、水晶振動子を用いた発振回路において、負性抵抗値RL、負荷容量値CLおよび駆動電流Ｉosの３つの設計値のうち、任意の２つの値を決定することにより、残りの１つの値を関係式或いは関係グラフを用いて決定することを特徴とする水晶発振回路の設計値決定方法である。また、この設計値決定方法を用いて設計値が決定された水晶発振回路を搭載した電子機器に関する発明である。
【００１８】
図１は、水晶振動子を用いた水晶発振回路において、駆動電流Ｉosと負荷容量ＣＬおよび負性抵抗ＲＬの関係を明確にするために用いた測定回路を示す図である。基本的に図９と同様の図であり、水晶振動子１１にはＳＩＩ製水晶振動子SSP-T7-FL（基本周波数32.768KHz）を用いた。１２はCMOSインバータ、１３は定電流源で、水晶発振回路に一定の電流（この電流が駆動電流Ｉos）を流せるようにし、種々の容量ＣｇおよびＣｄを用いて負荷容量ＣＬ値および負性抵抗ＲＬ値を測定した。また、帰還抵抗Ｒｆとして１０ＭΩを用いた。
【００１９】
図２および図３は、駆動電流Ｉosをパラメータ（Ｉos一定）としたときの負荷容量ＣＬおよび負性抵抗ＲＬの関係を示すグラフである。図２(a)はＩos＝397n Aのとき、図２(b)はＩos＝287nAのとき、図３(a)はＩos＝172nAのとき、および図３(b)はＩos＝91nAのときのグラフである。これらの４つのグラフは、すべてｙ＝ａ＊ｘb＋ｃ（a、b、cは定数）の累乗関係にある（ｙはＣＬ、ｘはＲＬに対応する）。そこで、累乗近似式から各定数を求めると、Ｉos＝397nAのとき、図２(a)はｙ＝194.06ｘ-0.5（相関係数R＝１）、Ｉos＝287nAのとき、図２(b)はｙ＝163.74ｘ-0.4985（相関係数R＝１）、Ｉos＝172nAのとき、図３(a)はｙ＝131.73ｘ-0.5054（相関係数R＝0.999）、Ｉos＝91nAのとき、図３(b)はｙ＝91.406ｘ-0.5（相関係数R＝１）となり、相関係数も極めて高く、ｂ＝−０．５、ｃ＝０と考えて良い。この関係式CL＝ａ＊（ＲＬ）-0.5は、上述の（１）式において
ＲＬ＝｜−Ｇm｜／(ω2Ｃg・Cｄ)から予想される式であり、非常にリーズナブルな関係式（近似式）が得られた。以上から、低ＣＬ化した水晶発振回路は非常に低い消費電流でも動作可能で、低消費電力化を実現できる。
【００２０】
図４および図５は、負性抵抗ＲＬをパラメータ（ＲＬ一定）としたときの駆動電流Ｉosおよび負荷容量ＣＬの関係を示すグラフである。これらのグラフは、図２および図３において示したデータを用いた関係式から得られたものである。図４(a)〜図４(d)は負性抵抗ＲＬ＝300kΩ、400kΩ、500kΩ、および600kΩのときのグラフであり、図５(a)〜図５(f)は負性抵抗ＲＬ＝700kΩ、800kΩ、900kΩ、1000 kΩ、1100kΩ、および1200kΩのときのグラフである。これらの１０個のグラフは、すべてｙ＝α＊ｘ2＋β＊ｘ＋γ（α、β、γは定数）の２次式の関係にある（ｙはＩos、ｘはCLに対応する）。各負性抵抗ＲＬ値における駆動電流Ｉosおよび負荷容量ＣＬの関係式は、各グラフに示している。非常に高い相間係数を持つことから、駆動電流Ｉosは負荷容量CLの2乗に比例していると考えることができる。これは、上述の（１）式から導かれるＲＬ＝｜−Ｇm｜／(ω2Ｃg・Cd)において、Cｇ＝Cd=２CLとしたときに相互インダクタンスGmがCL2に比例していることから予想できる。従って低CL化すると、非常に低い駆動電流値Ｉosを実現できることが分かる。
【００２１】
これらのグラフを重ねてまとめたものが図６および図７である。図６は、300kΩ〜1100 kΩの負性抵抗値を200kΩごとに記載したものであり、図７は、400kΩ〜1200 kΩの負性抵抗値を200kΩごとに記載したものである。これらのグラフから、同じ負性抵抗RL値の場合、負性抵抗値が高いほど駆動電流Ｉosが連続的に小さくなることがわかる。従って、ある負性抵抗値RL0を選択したときに、そのときの駆動電流Ｉosと負荷容量CLとの関係を求めることができる。たとえば、負性抵抗値RL0が800kΩと900kΩの間の値であるとき、800kΩのときの関係式ｙ＝9.077ｘ2−7.504ｘ＋23.109から負荷容量CL0のときの駆動電流値Ｉos1を求め、900kΩのときの関係式ｙ＝10.181ｘ2−7.9361ｘ＋22.061から負荷容量CL0のときの駆動電流値Ｉos2を求め、これらの駆動電流値Ｉos1およびＩos2から単純比例計算により、負性抵抗値RL0で負荷容量CL0のときのＩos0が求められる。また、種々の負荷容量値CLに対する駆動電流値Ｉosを求めて、プロットして２次式を当てはめれば負性抵抗値RL0における駆動電流Ｉosと負荷容量CLとの関係式（２次式）も得られる。同様にして、300kΩ〜1200kΩの間における任意の負性抵抗RLに関しても特定の負荷容量CL値に関する駆動電流値Ｉosを求めることができ、駆動電流Ｉosと負荷容量CLとの関係式（２次式）も得ることができる。300kΩ以下の負性抵抗RLや1200kΩ以上の負性抵抗RLにおける場合にも、外分比を用いれば同様にして特定の負荷容量CL値に関する駆動電流値Ｉosを求めることができ、駆動電流Ｉosと負荷容量CLとの関係式（２次式）も得ることができる。
【００２２】
図８は、図２および図３に示した負荷容量ＣＬおよび負性抵抗ＲＬの関係のグラフを１つにまとめたものである。近似式から一部計算したデータも記載しているが、このグラフからも分かるように、任意の負性抵抗ＲＬに対して、負荷容量ＣＬを増加させると駆動電流Ｉosも連続的に増加するということが予想できる。このグラフおよび関係式を用いて、一定の駆動電流Ｉosにおける負荷容量ＣＬおよび負性抵抗ＲＬの関係を導くことができる。すなわち、既知の関係式が分かっている２つの関係曲線ＣＬ＝a1＊(RL)b1（Ｉos＝Ios1）およびＣＬ＝a2＊(RL)b2（Ｉos＝Ios2）を用いて、任意の負性抵抗値RLにおいて単純比例により負荷容量値CLを求めていくことにより、一定の駆動電流値Ｉos0における負性抵抗RLおよび負荷容量CLの関係曲線ＣＬ＝a0＊(RL)b0（Ｉos＝Ios0）を求めることができる。Ios1＜Ios0＜Ios2であれば、単純比例で任意の負性抵抗RL値における負荷容量CL値を求めてプロットして関係曲線ＣＬ＝a0＊(RL)b0（Ｉos＝Ios0）を求めれば良い。たとえば、172nA＜I os0＜287nAであれば、ｙ＝131.73x-0.5054およびｙ＝163.74ｘ-0.4985を用いて、単純比例を用いて任意のRL（ただし、200 kΩ＜RL＜1600kΩ）における負荷容量ＣＬを求めてプロットしていき近似式を当てはめれば、所望の関係式を得ることができる。これらの結果から、負荷容量CL＜8pFのとき、負性抵抗RLを200 kΩ＜RL＜1600kΩ（1600kΩ以上でも）、好適には400kΩ＜RL＜1600kΩ（1600kΩ以上でも）もっと好適には600kΩ＜RL＜1600kΩ（1600kΩ以上でも）とすれば、駆動電流Ｉos＜400nAを実現できることが分かる。
【００２３】
次に上述の（１）式の発振余裕度Ｍから各設計値を求める方法について説明する。まず発振余裕度Ｍの値を決めれば（Ｍ＝M0とする、安定した発振を確保するためには、通常Mは５以上必要である）、（１）式から負性抵抗値RL0を決定できる。｛RL0＝M0＊Ｒ１(max)｝このRL0が200〜1600の間にあれば、上述した方法によりＩos＝α0＊(CL)2＋β0＊(CL)＋γ0（α0、β0、γ0は定数）の２次式を決定する。この関係式を用いて、目標値の駆動電流値Ｉos0および負荷容量値CL0を決定できる。RL0が200〜1600の間になければ、上述した外分比を用いた方法により予想式Ｉos＝α0＊(CL)２＋β0＊(CL)＋γ0の２次式を決定すれば良い。或いは、負性抵抗ＲＬがこれらの範囲外にあるときの種々の駆動電流値Ｉosおよび負荷容量値CLを求めて、実測値を基にした新たな関係式を得ていけば良い。従来の高い負荷容量（ＣＬ＞１０ｐＦ、たとえば、12.5pF）を用いた場合には、駆動電流Ｉosを増やして（Ｇmを大きくする）発振余裕度Ｍを増加させる手法を取っていたため、消費電力の低減が困難であった。しかし、本出願人が追及している低ＣＬ化の手法を用いれば、発振余裕度Ｍを維持しながら（負性抵抗を調整しながら）負荷容量ＣＬ値を小さくして駆動電流を小さくすることが可能となる。
【００２４】
以上説明した様に、本発明は負性抵抗、負荷容量、および駆動電流の３つの設計値についてかなり強い相関関係があることを発見したことから見出されたものである。本発明を用いることにより低CL化しても発振余裕度Mを低下させずに極めて低い駆動電流Ｉosを有する発振回路を設計し実現できる。また、本発明の発振回路は、水晶振動子や他の圧電振動子を使用した発振器や電子機器に用いられる発振回路のすべてに搭載して適用できる。たとえば、時計、携帯電話、携帯端末、ノートパソコン等の電池駆動の電子機器である。さらには省エネや省電力化を要求されている車載用電子機器、テレビ・冷蔵庫・エアコン等の家電製品など広範な電子機器にも適用できる。
【産業上の利用可能性】
【００２５】
本発明は、水晶振動子を用いた水晶発振回路に用いることができる。特に低消費電力用の発振回路を設計する場合に有用である。また、圧電振動子を用いた発振回路を搭載した発振器や電子機器等に用いることができる。
【符号の説明】
【００２６】
１１水晶振動子、１２CMOSインバータ、１３低電流源
【技術分野】
【０００１】
本発明は、低消費電力の水晶発振回路を実現するためのもので、特に水晶発振回路を構成する負荷容量、負性抵抗および駆動電流などの設計値決定方法、及びその設計値決定方法を用いて設計値が決定された発振回路を搭載した電子機器に関する。
【背景技術】
【０００２】
時計や携帯電話等の携帯機器において、当該機器の無充電による長時間動作や搭載される電池の充電頻度低減化の要求から、当該機器に用いられる水晶振動子等の圧電素子を組み込んだ発振回路の駆動電力の低減や発振回路の待機時（発振回路が発振した状態でかつ無負荷状態の時）における超低消費電力化がますます要求されている。
【０００３】
図９は、水晶振動子を用いた典型的な発振回路であり、反転増幅器となるＣＭＯＳインバータＩＶ０１、ＣＭＯＳインバータＩＶ０１の入力端子ＸＣＩＮと出力端子ＸＣＯＵＴとの間に接続された水晶振動子Ｘ２、ＣＭＯＳインバータＩＶ０１の入力端子ＸＣＩＮと接地電位の電源端子Ｖssとの間に接続された負荷容量Ｃgを構成する容量素子、およびＣＭＯＳインバータＩＶ０１の出力端子ＸＣＯＵＴと接地電位の電源端子Ｖssとの間に接続された負荷容量Ｃdを構成する容量素子を有している。
【０００４】
また、ＣＭＯＳインバータＩＶ０１は、電源電圧Ｖddが共有される第１の電源端子と接地電位が供給される第２の電源端子との間に直列接続されたPMOSトランジスタＰＭ１１とＮＭＯＳトランジスタＮＭ１１、及び帰還抵抗Ｒfから構成されている。
ＣＭＯＳインバータＩＶ０１のＰＭＯＳトランジスタＰＭ１1のソースと第１の電源端子との間、およびＣＭＯＳインバータＩＶ０１のＮＭＯＳトランジスタＮＭ１１と第２の電源端子との間には、水晶振動子Ｘ２を励振する駆動電流を制限する駆動電流調整用抵抗素子ｒ１およびｒ２が接続されている。
【０００５】
携帯機器等に搭載する発振回路は近年低消費電力化が要求されているが、そのためには発振回路における水晶振動子の駆動電流を低下させる必要がある。そのためには、発振回路におけるＣＭＯＳインバータの相互コンダクタンスＧmを小さくすることが好適であるが、相互コンダクタンスＧmを小さくすると発振回路の発振余裕度を低下させる場合がある。
【０００６】
発振回路の発振余裕度Ｍは次式（１）で与えられる。
Ｍ＝｛｜−Ｇm｜／(ω2Ｃg・Cd)｝＊(１／Ｒ１(max))＝＋ＲＬ／Ｒ１(max)・・・（１）
ここで、ωは発振周波数の角周波数、ＲＬは負性抵抗、Ｒ１(max)は水晶振動子の実効抵抗Ｒ１の最大値であり、発振余裕度Ｍは５以上の値が要求される。
【０００７】
水晶振動子の実効抵抗Ｒ１は水晶振動子の小型化の要請から決定される値であるから、余り小さくすることはできない。従って、相互コンダクタンスＧｍを小さくしても発振回路の発振余裕度Ｍを維持するには、ＣＭＯＳインバータに外付けされる負荷容量を構成するコンデンサの負荷容量値Ｃgおよび／またはCdを下げれば良いことが分かる。従ってそれを実現するためには、発振回路の水晶振動子は、組み込まれるマイコン等のＩＣに対して要求される低消費電力化の仕様に見合った負荷容量ＣＬを有することが要求される。すなわち、既に出願人は従来から使用されている水晶振動子の負荷容量ＣＬである12.5pFに対して、負荷容量ＣＬの低減すなわち低ＣＬ化（3pF〜5pF）を提案してきた。（特許文献１）
【０００８】
しかしながら、負荷容量ＣＬを小さくすると、負荷容量ＣＬの容量許容差と発振周波数の周波数偏差Δｆの問題が顕著になる。たとえば、負荷容量ＣＬが通常の容量許容差の範囲であるΔＣ（±５％）変化した場合の発振周波数の安定性Δｆ(ppm)は、負荷容量ＣＬが12.5pFのときΔＣが1.25pFで発振周波数の安定性Δｆは7.3ppmとなり、負荷容量ＣＬが6pFのときΔＣが0.6pFで発振周波数の安定性Δｆは13.2ppmとなり、負荷容量ＣＬが3pFのときΔＣが0.3pFで発振周波数の安定性Δｆは20.5ppmとなる。
すなわち、負荷容量ＣＬ(3pF)では、従来の12.5pFの場合よりも2.8倍も周波数偏差が大きくなるので、負荷容量CLの低容量化（低ＣＬ化）を実現するためには、負荷容量ＣＬの容量許容差に対する発振周波数の安定性を向上させる必要がある。
【０００９】
図９における入出力端子間ＸＣＩＮおよびＸＯＵＴ間の水晶振動子側の等価回路は図１０となる。水晶振動子Ｘ２には直列に負荷容量ＣＬが接続されていて、水晶振動子は圧電効果により生ずる機械的共振を等価的に表したインダクタンスＬ１、容量Ｃ１、抵抗Ｒ１の直列共振回路に電極間容量Ｃ0が並列接続した回路として表される。また入出力端子間ＸＣＩＮおよびＸＣＯＵＴ間にはＣＭＯＳ半導体基板や信号配線等により種々の浮遊容量が存在しているが、これらの（合成）浮遊容量をＣsとすると、図１１に示すように、負荷容量ＣＬは浮遊容量Ｃsと直列接続された外部（外付け）容量ＣgおよびＣdとの並列接続となっている。
従って、
ＣＬ＝Ｃs＋Ｃg＊Ｃd／（Ｃg＋Ｃd）・・・（２）
となる。
（２）の関係を満足するようなＣＬ値（2pF〜6pF）になるように、発振周波数にマッチングするような外付け容量素子ＣgおよびＣdを選択すれば、発振周波数の安定性を向上できる。すなわち、負荷容量ＣＬは浮遊容量Ｃsと外部容量素子（コンデンサ）Ｃext｛＝Ｃg＊Ｃd／（Ｃg＋Ｃd）｝の和であるため、負荷容量ＣＬと浮遊容量Ｃsとの差に相当するように、外部容量素子Ｃextの値を選定すれば、（２）式が満足され、水晶振動子の負荷容量ＣＬと、水晶振動子から見た発振回路側の負荷容量がマッチング（整合）することになる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１０】
【特許文献１】特開２００８−２０５６５８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
上述したように、低い負荷容量ＣLを採用することにより、発振周波数の安定性を保持しながら低い相互コンダクタンスＧｍを達成することができると考えられる。しかしながら、低い負荷容量CL値を有する水晶振動子を用いた水晶発振回路を採用した場合、どの程度の駆動電流が得られるのかが問題となる。低い負荷容量ＣＬ値と駆動電流の間の関係についてはこれまで明確にされていない。しかし、ＩＣを設計するときに事前に水晶発振回路の駆動電流値を推定できるとＩＣの設計が非常に楽になる。あるいは、ＩＣのスペックとして水晶発振回路の駆動電流値の目標値を適当に設定したときに、その駆動電流値を実現できる水晶発振子が存在するのかが分かることは非常に重要なことである。従って、水晶発振回路の駆動電流値Ｉosと負荷容量ＣＬとの関係を知ることが切望されている。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
本発明の目的は、水晶振動子を用いた発振回路の駆動電流値Ｉosと負荷容量ＣＬ値の関係を明確にし、所望の駆動電流値Iosにするためにはどの程度の負荷容量ＣＬ値を用いれば良いかその方法を提供することである。さらに駆動電流Iosおよび負荷容量ＣＬに対して負性抵抗がどのように関係しているかを明確にすることである。すなわち、水晶振動子を用いた発振回路の負荷容量ＣＬ値、負性抵抗ＲＬ値、および駆動電流Ｉos値の関係を明確にし、水晶発振回路の設計値決定方法を提供することである。また、この設計値決定方法を用いて設計値が決定された水晶発振回路が搭載された電子機器を提供することである。
【００１３】
具体的には以下の方法により行なう。
（１）本発明は、水晶振動子を用いた水晶発振回路において、負性抵抗値RL、負荷容量値CLおよび駆動電流Ｉosの３つの設計値のうち、２つの値を決定することにより、残りの１つの値を関係式或いは関係グラフを用いて決定することを特徴とする、発振回路の設計値決定方法である。
（２）本発明は、負性抵抗値RLを一定値としたとき、駆動電流Ｉosおよび負荷容量値CLの関係式は、Ｉos＝α＊(CL)2＋β＊(CL)＋γ（α、β、γは定数）の２次式で表され、前記関係式を用いて負荷容量値CLから駆動電流Ｉosを決定するか、あるいは前記関係式を用いて駆動電流Ｉosから負荷容量値CLを決定することを特徴とする発振回路の設計値決定方法である。
（３）本発明は、事前に得られた少なくとも２つの負性抵抗値RL（RL1、RL2）における駆動電流値Ｉosおよび負荷容量値ＣＬの関係式は、
Ｉos＝ｃ1＊(ＣＬ)2＋d1＊(ＣＬ)＋e1 （RL＝RL1）
Ｉos＝ｃ2＊(ＣＬ)2＋d2＊(ＣＬ)＋e2 （RL＝RL2）
であり、上式を用いて負性抵抗値RL0のときの駆動電流Ｉosおよび負荷容量値ＣＬの関係式Ｉos＝ｃ0＊(ＣＬ)2＋d0＊(ＣＬ)＋e0 （RL＝RL0）
を決定することを特徴とする発振回路の設計値決定方法である。
（４）本発明は、RL1＜RL0＜RL2のとき、
Ｉos＝ｃ1＊(ＣＬ)2＋d1＊(ＣＬ)＋e1 （RL＝RL1）
Ｉos＝ｃ2＊(ＣＬ)2＋d2＊(ＣＬ)＋e2 （RL＝RL2）
を用いて単純比例で負性抵抗値RL0のときの駆動電流Ｉosおよび負荷容量値ＣＬの関係式
Ｉos＝ｃ0＊(ＣＬ)2＋d0＊(ＣＬ)＋e0 （RL＝RL0）
を決定することを特徴とする発振回路の設計値決定方法である。
【００１４】
（５）本発明は、駆動電流Ｉosをパラメータ（一定値）としたときの負荷容量値CLおよび負性抵抗値RLの関係式をCL＝a＊(RL)b（a、bは定数）の累乗式として表し、この関係式を用いて負性抵抗値RLから負荷容量値CLを決定するか、あるいはこの関係式を用いて負荷容量値CLから負性抵抗値RLを決定することを特徴とする発振回路の設計値決定方法である。
（６）本発明において、事前に得られた少なくとも２つの駆動電流値Ｉos（Ios1、Ios2）における負性抵抗値RLおよび負荷容量値ＣＬの関係式は、
CL＝a1＊(RL)b1 （Ｉos＝Ios1）
CL＝a2＊(RL)b2 （Ｉos＝Ios2）
であり、これらの式を用いて
駆動電流値Ios0のときの負性抵抗値ＲＬおよび負荷容量値ＣＬの関係式
CL＝a0＊(RL)b0 （Ｉos＝Ios0）
を決定することを特徴とする、発振回路の設計値決定方法である。
（７）本発明は、Ios1＜Ios0＜Ios2のとき、
CL＝a1＊(RL)b1 （Ｉos＝Ios1）
CL＝a2＊(RL)b2 （Ｉos＝Ios2）
を用いて単純比例で駆動電流値Ｉos0のときの負性抵抗値ＲＬおよび負荷容量値ＣＬの関係式CL＝a0＊(RL)b0 （Ｉos＝Ios0）
を決定することを特徴とする発振回路の設計値決定方法である。
（８）本発明において、負性抵抗値ＲＬは発振余裕度Ｍ（Ｍ＝ＲＬ／Ｒ１(max)で表され、Ｒ１(max)は水晶振動子の実効抵抗Ｒ１の最大値である）から決定されることを特徴とする発振回路の設計値決定方法である。
【発明の効果】
【００１５】
本発明により、発振回路の重要パラメータである負荷容量値ＣＬおよび負性抵抗値ＲＬと発振回路における駆動電流との間には一定の関係を有することが明らかになり、この関係を用いることにより、各パラメータの設計値を決定できる。特に低消費電流の発振回路を設計するときには有用である。たとえば、駆動電流の目標値Ｉos0を決めると、負荷容量値ＣＬは負性抵抗値ＲＬの累乗式、CL＝ａ＊(RL)bで示されるので、適切な負性抵抗値RL0に対する負荷容量値CL0を決定できる。或いは、負荷容量値CL0を選択すればそれに対応する負性抵抗値RL0を決定できる。また、負性抵抗値RLをパラメータとして、駆動電流値Ｉosは負荷容量値ＣＬの２次式、Ｉos＝α＊(CL)2＋β＊CL＋γで表されるので、適切な負荷容量値CL0を選択すれば、そのときの発振回路の駆動電流値Ｉos0を求めることができる。或いは、目標の駆動電流値Ｉos0を得るための負荷容量値CL0を決定できる。これまで、低CL値（８pＦ以下）を有する発振回路においては、どの程度の駆動電流値Ｉosを実現できるか、その低ＣＬ値に対応する負性抵抗値はどの程度が必要かが明確でなかったが、本発明を用いることにより、それらの関係が明確になり、発振回路設計が非常に容易となる。また、水晶発振回路の低CL化により駆動電流の微小化を実現でき、水晶発振回路の低消費電力化を実現できる。その結果として、当該水晶発振回路を組み込んだ電子機器の低消費電力化も実現できる。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】図１は、駆動電流Ｉos、負荷容量値ＣＬ、及び負性抵抗ＲＬの関係を明確にするために用いた測定回路を示す図である。
【図２】図２は、駆動電流Ｉosをパラメータ（Ｉos一定）としたときの負荷容量値ＣＬおよび負性抵抗ＲＬの関係を示すグラフである。
【図３】図３は、駆動電流Ｉosをパラメータ（Ｉos一定）としたときの負荷容量値ＣＬおよび負性抵抗値ＲＬの関係を示すグラフである。
【図４】図４は、負性抵抗値をパラメータ（ＲＬ一定）としたときの駆動電流Ｉosおよび負荷容量値ＣＬの関係を示すグラフである。
【図５】図５は、負性抵抗値をパラメータ（ＲＬ一定）としたときの駆動電流Ｉosおよび負荷容量値ＣＬの関係を示すグラフである。
【図６】図６は、負性抵抗をパラメータ（ＲＬ一定）としたときの駆動電流Ｉosおよび負荷容量値ＣＬの関係を示すグラフである。
【図７】図７は、負性抵抗をパラメータ（ＲＬ一定）としたときの駆動電流Ｉosおよび負荷容量値ＣＬの関係を示すグラフである。
【図８】図８は、駆動電流Ｉosをパラメータ（Ｉos一定）としたときの負荷容量値ＣＬおよび負性抵抗値ＲＬの関係を示すグラフである。
【図９】図９は、水晶振動子を用いた発振回路を示す図である。
【図１０】図１０は、図９における入出力端子間ＸＣＩＮおよびＸＯＵＴ間の水晶振動子側の等価回路を示す図である。
【図１１】図１１は、負荷容量値ＣＬを構成する容量を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
本発明の目的は、水晶振動子を用いた水晶発振回路の駆動電流Ｉosと負荷容量ＣＬ値および負性抵抗ＲＬとの関係を明確にし、所望の駆動電流Ｉosを設計するためにはどの程度の負荷容量ＣＬ値および負性抵抗RＬ値を用いれば良いかその方法を提供することである。また、駆動電流Ｉosを小さくするには、負荷容量ＣＬ値をどの程度の値を用いれば良いのか、その時の負性抵抗ＲＬ値はどの程度になるかを見積もることができる方法を提供することである。すなわち、本発明は、水晶振動子を用いた発振回路において、負性抵抗値RL、負荷容量値CLおよび駆動電流Ｉosの３つの設計値のうち、任意の２つの値を決定することにより、残りの１つの値を関係式或いは関係グラフを用いて決定することを特徴とする水晶発振回路の設計値決定方法である。また、この設計値決定方法を用いて設計値が決定された水晶発振回路を搭載した電子機器に関する発明である。
【００１８】
図１は、水晶振動子を用いた水晶発振回路において、駆動電流Ｉosと負荷容量ＣＬおよび負性抵抗ＲＬの関係を明確にするために用いた測定回路を示す図である。基本的に図９と同様の図であり、水晶振動子１１にはＳＩＩ製水晶振動子SSP-T7-FL（基本周波数32.768KHz）を用いた。１２はCMOSインバータ、１３は定電流源で、水晶発振回路に一定の電流（この電流が駆動電流Ｉos）を流せるようにし、種々の容量ＣｇおよびＣｄを用いて負荷容量ＣＬ値および負性抵抗ＲＬ値を測定した。また、帰還抵抗Ｒｆとして１０ＭΩを用いた。
【００１９】
図２および図３は、駆動電流Ｉosをパラメータ（Ｉos一定）としたときの負荷容量ＣＬおよび負性抵抗ＲＬの関係を示すグラフである。図２(a)はＩos＝397n Aのとき、図２(b)はＩos＝287nAのとき、図３(a)はＩos＝172nAのとき、および図３(b)はＩos＝91nAのときのグラフである。これらの４つのグラフは、すべてｙ＝ａ＊ｘb＋ｃ（a、b、cは定数）の累乗関係にある（ｙはＣＬ、ｘはＲＬに対応する）。そこで、累乗近似式から各定数を求めると、Ｉos＝397nAのとき、図２(a)はｙ＝194.06ｘ-0.5（相関係数R＝１）、Ｉos＝287nAのとき、図２(b)はｙ＝163.74ｘ-0.4985（相関係数R＝１）、Ｉos＝172nAのとき、図３(a)はｙ＝131.73ｘ-0.5054（相関係数R＝0.999）、Ｉos＝91nAのとき、図３(b)はｙ＝91.406ｘ-0.5（相関係数R＝１）となり、相関係数も極めて高く、ｂ＝−０．５、ｃ＝０と考えて良い。この関係式CL＝ａ＊（ＲＬ）-0.5は、上述の（１）式において
ＲＬ＝｜−Ｇm｜／(ω2Ｃg・Cｄ)から予想される式であり、非常にリーズナブルな関係式（近似式）が得られた。以上から、低ＣＬ化した水晶発振回路は非常に低い消費電流でも動作可能で、低消費電力化を実現できる。
【００２０】
図４および図５は、負性抵抗ＲＬをパラメータ（ＲＬ一定）としたときの駆動電流Ｉosおよび負荷容量ＣＬの関係を示すグラフである。これらのグラフは、図２および図３において示したデータを用いた関係式から得られたものである。図４(a)〜図４(d)は負性抵抗ＲＬ＝300kΩ、400kΩ、500kΩ、および600kΩのときのグラフであり、図５(a)〜図５(f)は負性抵抗ＲＬ＝700kΩ、800kΩ、900kΩ、1000 kΩ、1100kΩ、および1200kΩのときのグラフである。これらの１０個のグラフは、すべてｙ＝α＊ｘ2＋β＊ｘ＋γ（α、β、γは定数）の２次式の関係にある（ｙはＩos、ｘはCLに対応する）。各負性抵抗ＲＬ値における駆動電流Ｉosおよび負荷容量ＣＬの関係式は、各グラフに示している。非常に高い相間係数を持つことから、駆動電流Ｉosは負荷容量CLの2乗に比例していると考えることができる。これは、上述の（１）式から導かれるＲＬ＝｜−Ｇm｜／(ω2Ｃg・Cd)において、Cｇ＝Cd=２CLとしたときに相互インダクタンスGmがCL2に比例していることから予想できる。従って低CL化すると、非常に低い駆動電流値Ｉosを実現できることが分かる。
【００２１】
これらのグラフを重ねてまとめたものが図６および図７である。図６は、300kΩ〜1100 kΩの負性抵抗値を200kΩごとに記載したものであり、図７は、400kΩ〜1200 kΩの負性抵抗値を200kΩごとに記載したものである。これらのグラフから、同じ負性抵抗RL値の場合、負性抵抗値が高いほど駆動電流Ｉosが連続的に小さくなることがわかる。従って、ある負性抵抗値RL0を選択したときに、そのときの駆動電流Ｉosと負荷容量CLとの関係を求めることができる。たとえば、負性抵抗値RL0が800kΩと900kΩの間の値であるとき、800kΩのときの関係式ｙ＝9.077ｘ2−7.504ｘ＋23.109から負荷容量CL0のときの駆動電流値Ｉos1を求め、900kΩのときの関係式ｙ＝10.181ｘ2−7.9361ｘ＋22.061から負荷容量CL0のときの駆動電流値Ｉos2を求め、これらの駆動電流値Ｉos1およびＩos2から単純比例計算により、負性抵抗値RL0で負荷容量CL0のときのＩos0が求められる。また、種々の負荷容量値CLに対する駆動電流値Ｉosを求めて、プロットして２次式を当てはめれば負性抵抗値RL0における駆動電流Ｉosと負荷容量CLとの関係式（２次式）も得られる。同様にして、300kΩ〜1200kΩの間における任意の負性抵抗RLに関しても特定の負荷容量CL値に関する駆動電流値Ｉosを求めることができ、駆動電流Ｉosと負荷容量CLとの関係式（２次式）も得ることができる。300kΩ以下の負性抵抗RLや1200kΩ以上の負性抵抗RLにおける場合にも、外分比を用いれば同様にして特定の負荷容量CL値に関する駆動電流値Ｉosを求めることができ、駆動電流Ｉosと負荷容量CLとの関係式（２次式）も得ることができる。
【００２２】
図８は、図２および図３に示した負荷容量ＣＬおよび負性抵抗ＲＬの関係のグラフを１つにまとめたものである。近似式から一部計算したデータも記載しているが、このグラフからも分かるように、任意の負性抵抗ＲＬに対して、負荷容量ＣＬを増加させると駆動電流Ｉosも連続的に増加するということが予想できる。このグラフおよび関係式を用いて、一定の駆動電流Ｉosにおける負荷容量ＣＬおよび負性抵抗ＲＬの関係を導くことができる。すなわち、既知の関係式が分かっている２つの関係曲線ＣＬ＝a1＊(RL)b1（Ｉos＝Ios1）およびＣＬ＝a2＊(RL)b2（Ｉos＝Ios2）を用いて、任意の負性抵抗値RLにおいて単純比例により負荷容量値CLを求めていくことにより、一定の駆動電流値Ｉos0における負性抵抗RLおよび負荷容量CLの関係曲線ＣＬ＝a0＊(RL)b0（Ｉos＝Ios0）を求めることができる。Ios1＜Ios0＜Ios2であれば、単純比例で任意の負性抵抗RL値における負荷容量CL値を求めてプロットして関係曲線ＣＬ＝a0＊(RL)b0（Ｉos＝Ios0）を求めれば良い。たとえば、172nA＜I os0＜287nAであれば、ｙ＝131.73x-0.5054およびｙ＝163.74ｘ-0.4985を用いて、単純比例を用いて任意のRL（ただし、200 kΩ＜RL＜1600kΩ）における負荷容量ＣＬを求めてプロットしていき近似式を当てはめれば、所望の関係式を得ることができる。これらの結果から、負荷容量CL＜8pFのとき、負性抵抗RLを200 kΩ＜RL＜1600kΩ（1600kΩ以上でも）、好適には400kΩ＜RL＜1600kΩ（1600kΩ以上でも）もっと好適には600kΩ＜RL＜1600kΩ（1600kΩ以上でも）とすれば、駆動電流Ｉos＜400nAを実現できることが分かる。
【００２３】
次に上述の（１）式の発振余裕度Ｍから各設計値を求める方法について説明する。まず発振余裕度Ｍの値を決めれば（Ｍ＝M0とする、安定した発振を確保するためには、通常Mは５以上必要である）、（１）式から負性抵抗値RL0を決定できる。｛RL0＝M0＊Ｒ１(max)｝このRL0が200〜1600の間にあれば、上述した方法によりＩos＝α0＊(CL)2＋β0＊(CL)＋γ0（α0、β0、γ0は定数）の２次式を決定する。この関係式を用いて、目標値の駆動電流値Ｉos0および負荷容量値CL0を決定できる。RL0が200〜1600の間になければ、上述した外分比を用いた方法により予想式Ｉos＝α0＊(CL)２＋β0＊(CL)＋γ0の２次式を決定すれば良い。或いは、負性抵抗ＲＬがこれらの範囲外にあるときの種々の駆動電流値Ｉosおよび負荷容量値CLを求めて、実測値を基にした新たな関係式を得ていけば良い。従来の高い負荷容量（ＣＬ＞１０ｐＦ、たとえば、12.5pF）を用いた場合には、駆動電流Ｉosを増やして（Ｇmを大きくする）発振余裕度Ｍを増加させる手法を取っていたため、消費電力の低減が困難であった。しかし、本出願人が追及している低ＣＬ化の手法を用いれば、発振余裕度Ｍを維持しながら（負性抵抗を調整しながら）負荷容量ＣＬ値を小さくして駆動電流を小さくすることが可能となる。
【００２４】
以上説明した様に、本発明は負性抵抗、負荷容量、および駆動電流の３つの設計値についてかなり強い相関関係があることを発見したことから見出されたものである。本発明を用いることにより低CL化しても発振余裕度Mを低下させずに極めて低い駆動電流Ｉosを有する発振回路を設計し実現できる。また、本発明の発振回路は、水晶振動子や他の圧電振動子を使用した発振器や電子機器に用いられる発振回路のすべてに搭載して適用できる。たとえば、時計、携帯電話、携帯端末、ノートパソコン等の電池駆動の電子機器である。さらには省エネや省電力化を要求されている車載用電子機器、テレビ・冷蔵庫・エアコン等の家電製品など広範な電子機器にも適用できる。
【産業上の利用可能性】
【００２５】
本発明は、水晶振動子を用いた水晶発振回路に用いることができる。特に低消費電力用の発振回路を設計する場合に有用である。また、圧電振動子を用いた発振回路を搭載した発振器や電子機器等に用いることができる。
【符号の説明】
【００２６】
１１水晶振動子、１２CMOSインバータ、１３低電流源
【特許請求の範囲】
【請求項１】
水晶振動子を用いた水晶発振回路において、負性抵抗値RL、負荷容量値CLおよび駆動電流値Ｉosの３つの設計値のうち、２つの値を決定することにより、残りの１つの値を関係式或いは関係グラフを用いて決定することを特徴とする水晶発振回路の設計値決定方法。
【請求項２】
負性抵抗値RLを一定値としたとき、駆動電流値Ｉosおよび負荷容量値CLの関係式は、
Ｉos＝α＊(CL)2＋β＊(CL)＋γ（α、β、γは定数）の２次式で表され、前記関係式を用いて負荷容量値CLから駆動電流値Ｉosを決定するか、あるいは前記関係式を用いて駆動電流値Ｉosから負荷容量値CLを決定することを特徴とする請求項１に記載の水晶発振回路の設計値決定方法。
【請求項３】
予め得られている少なくとも２つの負性抵抗値RL（RL1、RL2）における駆動電流値Ｉosおよび負荷容量値ＣＬの関係式は、
Ｉos＝ｃ1＊(ＣＬ)2＋d1＊(ＣＬ)＋e1 （RL＝RL1）
Ｉos＝ｃ2＊(ＣＬ)2＋d2＊(ＣＬ)＋e2 （RL＝RL2）
であり、
これらの式を用いて
負性抵抗値RL0のときの駆動電流値Ｉosおよび負荷容量値ＣＬの関係式
Ｉos＝ｃ0＊(ＣＬ)2＋d0＊(ＣＬ)＋e0 （RL＝RL0）
を決定することを特徴とする請求項２に記載の水晶発振回路の設計値決定方法。
【請求項４】
負性抵抗値RL の値がRL1＜RL0＜RL2の関係を有している場合、
Ｉos＝ｃ1＊(ＣＬ)2＋d1＊(ＣＬ)＋e1 （RL＝RL1）
Ｉos＝ｃ2＊(ＣＬ)2＋d2＊(ＣＬ)＋e2 （RL＝RL2）
を用いて単純比例で負性抵抗値RL0のときの駆動電流値Ｉosおよび負荷容量値ＣＬの関係式
Ｉos＝ｃ0＊(ＣＬ)2＋d0＊(ＣＬ)＋e0 （RL＝RL0）
を決定することを特徴とする請求項３に記載の水晶発振回路の設計値決定方法。
【請求項５】
駆動電流値Ｉosをパラメータ（一定値）としたとき、負荷容量値CLおよび負性抵抗値RLの関係式がCL＝a＊(RL)b（a、bは定数）で表され、前記関係式を用いて負性抵抗値RLから負荷容量値CLを決定するか、あるいは前記関係式を用いて負荷容量値CLから負性抵抗値RLを決定することを特徴とする請求項１に記載の水晶発振回路の設計値決定方法。
【請求項６】
事前に得られた少なくとも２つの駆動電流値Ｉos（Ios1、Ios2）における負性抵抗値RLおよび負荷容量値ＣＬの関係式は、
CL＝a1＊(RL)b1 （Ｉos＝Ios1）
CL＝a2＊(RL)b2 （Ｉos＝Ios2）
であり、これらの式を用いて
駆動電流値Ios0のときの負性抵抗値ＲＬおよび負荷容量値ＣＬの関係式
CL＝a0＊(RL)b0 （Ｉos＝Ios0）
を決定することを特徴とする請求項５に記載の水晶発振回路の設計値決定方法。
【請求項７】
ｂ＝b1＝b2＝b0＝−0.5であることを特徴とする請求項５または６に記載の水晶発振回路の設計値決定方法。
【請求項８】
駆動電流値がIos1＜Ios0＜Ios2の関係を有しているとき、
CL＝a1＊(RL)b1 （Ｉos＝Ios1）
CL＝a2＊(RL)b2 （Ｉos＝Ios2）
を用いて駆動電流値Ｉos0のときの負性抵抗値ＲＬおよび負荷容量値ＣＬの関係式
CL＝a0＊(RL)b0 （Ｉos＝Ios0）
を決定することを特徴とする請求項６または７に記載の水晶発振回路の設計値決定方法。
【請求項９】
負性抵抗ＲＬは発振余裕度Ｍ（Ｍ＝ＲＬ／Ｒ１(max)で表され、Ｒ１(max)は水晶振動子の実効抵抗Ｒ１の最大値とする）から決定されることを特徴とする請求項１乃至８のいずれか1項に記載の水晶発振回路の設計値決定方法。
【請求項１０】
負荷容量値CL＜8pF、400kΩ＜負性抵抗値RL＜1400kΩ、および駆動電流値Ios＜400nAの範囲の値であることを特徴とする請求項１乃至９のいずれか1項に記載の水晶発振回路の設計値決定方法。
【請求項１１】
請求項1乃至１０のいずれか1項に記載の水晶発振回路の設計値決定方法を用いて設計値を決定した水晶発振回路を搭載したことを特徴とする電子機器。
【請求項１】
水晶振動子を用いた水晶発振回路において、負性抵抗値RL、負荷容量値CLおよび駆動電流値Ｉosの３つの設計値のうち、２つの値を決定することにより、残りの１つの値を関係式或いは関係グラフを用いて決定することを特徴とする水晶発振回路の設計値決定方法。
【請求項２】
負性抵抗値RLを一定値としたとき、駆動電流値Ｉosおよび負荷容量値CLの関係式は、
Ｉos＝α＊(CL)2＋β＊(CL)＋γ（α、β、γは定数）の２次式で表され、前記関係式を用いて負荷容量値CLから駆動電流値Ｉosを決定するか、あるいは前記関係式を用いて駆動電流値Ｉosから負荷容量値CLを決定することを特徴とする請求項１に記載の水晶発振回路の設計値決定方法。
【請求項３】
予め得られている少なくとも２つの負性抵抗値RL（RL1、RL2）における駆動電流値Ｉosおよび負荷容量値ＣＬの関係式は、
Ｉos＝ｃ1＊(ＣＬ)2＋d1＊(ＣＬ)＋e1 （RL＝RL1）
Ｉos＝ｃ2＊(ＣＬ)2＋d2＊(ＣＬ)＋e2 （RL＝RL2）
であり、
これらの式を用いて
負性抵抗値RL0のときの駆動電流値Ｉosおよび負荷容量値ＣＬの関係式
Ｉos＝ｃ0＊(ＣＬ)2＋d0＊(ＣＬ)＋e0 （RL＝RL0）
を決定することを特徴とする請求項２に記載の水晶発振回路の設計値決定方法。
【請求項４】
負性抵抗値RL の値がRL1＜RL0＜RL2の関係を有している場合、
Ｉos＝ｃ1＊(ＣＬ)2＋d1＊(ＣＬ)＋e1 （RL＝RL1）
Ｉos＝ｃ2＊(ＣＬ)2＋d2＊(ＣＬ)＋e2 （RL＝RL2）
を用いて単純比例で負性抵抗値RL0のときの駆動電流値Ｉosおよび負荷容量値ＣＬの関係式
Ｉos＝ｃ0＊(ＣＬ)2＋d0＊(ＣＬ)＋e0 （RL＝RL0）
を決定することを特徴とする請求項３に記載の水晶発振回路の設計値決定方法。
【請求項５】
駆動電流値Ｉosをパラメータ（一定値）としたとき、負荷容量値CLおよび負性抵抗値RLの関係式がCL＝a＊(RL)b（a、bは定数）で表され、前記関係式を用いて負性抵抗値RLから負荷容量値CLを決定するか、あるいは前記関係式を用いて負荷容量値CLから負性抵抗値RLを決定することを特徴とする請求項１に記載の水晶発振回路の設計値決定方法。
【請求項６】
事前に得られた少なくとも２つの駆動電流値Ｉos（Ios1、Ios2）における負性抵抗値RLおよび負荷容量値ＣＬの関係式は、
CL＝a1＊(RL)b1 （Ｉos＝Ios1）
CL＝a2＊(RL)b2 （Ｉos＝Ios2）
であり、これらの式を用いて
駆動電流値Ios0のときの負性抵抗値ＲＬおよび負荷容量値ＣＬの関係式
CL＝a0＊(RL)b0 （Ｉos＝Ios0）
を決定することを特徴とする請求項５に記載の水晶発振回路の設計値決定方法。
【請求項７】
ｂ＝b1＝b2＝b0＝−0.5であることを特徴とする請求項５または６に記載の水晶発振回路の設計値決定方法。
【請求項８】
駆動電流値がIos1＜Ios0＜Ios2の関係を有しているとき、
CL＝a1＊(RL)b1 （Ｉos＝Ios1）
CL＝a2＊(RL)b2 （Ｉos＝Ios2）
を用いて駆動電流値Ｉos0のときの負性抵抗値ＲＬおよび負荷容量値ＣＬの関係式
CL＝a0＊(RL)b0 （Ｉos＝Ios0）
を決定することを特徴とする請求項６または７に記載の水晶発振回路の設計値決定方法。
【請求項９】
負性抵抗ＲＬは発振余裕度Ｍ（Ｍ＝ＲＬ／Ｒ１(max)で表され、Ｒ１(max)は水晶振動子の実効抵抗Ｒ１の最大値とする）から決定されることを特徴とする請求項１乃至８のいずれか1項に記載の水晶発振回路の設計値決定方法。
【請求項１０】
負荷容量値CL＜8pF、400kΩ＜負性抵抗値RL＜1400kΩ、および駆動電流値Ios＜400nAの範囲の値であることを特徴とする請求項１乃至９のいずれか1項に記載の水晶発振回路の設計値決定方法。
【請求項１１】
請求項1乃至１０のいずれか1項に記載の水晶発振回路の設計値決定方法を用いて設計値を決定した水晶発振回路を搭載したことを特徴とする電子機器。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【公開番号】特開２０１２−１７５３６２（Ｐ２０１２−１７５３６２Ａ）
【公開日】平成２４年９月１０日（２０１２．９．１０）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−３４８４５（Ｐ２０１１−３４８４５）
【出願日】平成２３年２月２１日（２０１１．２．２１）
【出願人】（０００００２３２５）セイコーインスツル株式会社 (3,629)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２４年９月１０日（２０１２．９．１０）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年２月２１日（２０１１．２．２１）
【出願人】（０００００２３２５）セイコーインスツル株式会社 (3,629)
【Ｆターム（参考）】
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