説明

水晶発振回路

【課題】差動回路を使用することで、貫通電流に起因した高調波ノイズの影響を排除した水晶発振回路を構成することができる。しかし、他の回路が動作することによって生じた高調波ノイズが、水晶発振回路の発振出力に影響を与える場合がある。そのため、電源電圧が変動したことによる影響を軽減し、発振出力のジッタを抑制した水晶発振回路が、望まれる。
【解決手段】水晶発振回路は、水晶振動子を含む共振回路と、共振回路と接続され、差動対を含む信号反転回路と、差動対にバイアス電流を供給する電流源回路と、信号反転回路及び電流源回路に電源を供給する電圧線と信号反転回路の間に接続され、水晶振動子の固有の発振周波数より低い遮断周波数を持つローパスフィルタ回路と、を備えている。

【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、水晶発振回路に関する。
【背景技術】
【0002】
ラジオ受信機等を初めとした電子機器や、信号の測定器などに水晶発振回路が用いられる場合が多い。水晶発振回路は周波数安定度が高いためである。構成の容易さ、周波数特性などが考慮され、水晶発振回路はCMOS(Complementary Metal Oxide Semiconductor)インバータを使用して構成されることが多い。
【0003】
水晶発振回路を、CMOSインバータを用いて構成すると、CMOSインバータへの入力信号が反転する際に、CMOSインバータを構成するPチャンネル型MOSトランジスタ及びNチャンネル型MOSトランジスタが、同時にON状態となる瞬間がある。すると、電源電圧から接地電圧間へ流れる貫通電流が生じる。貫通電流が発生することにより、電源電圧が変動し、高調波ノイズが電源電圧線及び接地電圧線に重畳する。この高調波ノイズが、水晶発振回路の出力だけではなく、水晶発振回路以外の回路に対しても影響を与える。
【0004】
ここで、特許文献1において、信号反転回路に差動回路を使用した水晶発振回路が開示されている。特許文献1が開示する水晶発振回路は、差動回路に接続された複数のスイッチを備えており、これらのスイッチを適宜切り替えることで、出力振幅と消費電力を抑制し、高調波ノイズを低減している。
【0005】
また、特許文献2において、感温センサを応用した制御回路等の温度特性を線形又は任意の傾斜に補正し、正確かつ安定した動作の保証できる温度特性補償装置が開示されている。
【0006】
さらに、特許文献3において、低電源電圧で動作し、消費電力が低く、増幅度が大きい差動増幅器を実現する技術が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0007】
【特許文献1】特開2008−263312号公報
【特許文献2】特開2003−273654号公報
【特許文献3】特開平10−303658号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0008】
なお、上記先行技術文献の各開示を、本書に引用をもって繰り込むものとする。以下の分析は、本発明の観点からなされたものである。
【0009】
特許文献1で開示された水晶発振回路に含まれる信号反転回路は、差動回路によって構成されている。特許文献1で開示された水晶発振回路は差動回路を使用し、CMOSインバータを使用していない。CMOSインバータを使用していないため、上述の貫通電流による電源電圧(又は、接地電圧)の変動は発生せず、高調波ノイズは抑制される。
【0010】
しかし、水晶発振回路にも電源供給が必要であり、他の回路に供給する電源電圧と共通して供給されることも多い。この電源電圧が、他の回路が動作することにより変動する場合がある。他の回路でCMOSインバータが使用されていれば、貫通電流が発生するためである。この電源電圧の変動は、水晶発振回路に影響する。具体的には、電源電圧の変動は、差動回路の反転信号出力に伝播し、差動回路の発振出力にジッタが生じてしまうという問題が発生する。そのため、電源電圧が変動したことによる影響を軽減し、発振出力のジッタを抑制した水晶発振回路が、望まれる。
【課題を解決するための手段】
【0011】
本発明の第1の視点によれば、水晶振動子を含む共振回路と、前記共振回路と接続され、差動対を含む信号反転回路と、前記差動対にバイアス電流を供給する電流源回路と、前記信号反転回路及び前記電流源回路に電源を供給する電圧線と前記信号反転回路の間に接続され、前記水晶振動子の固有の発振周波数より低い遮断周波数を持つローパスフィルタ回路と、を備える水晶発振回路が提供される。
【発明の効果】
【0012】
本発明の第1の視点によれば、電源電圧が変動したことによる影響を軽減し、発振出力のジッタを抑制した水晶発振回路が、提供される。
【図面の簡単な説明】
【0013】
【図1】本発明の一実施形態の概要を説明するための図である。
【図2】本発明の第1の実施形態に係る水晶発振回路1の内部構成の一例を示す図である。
【図3】水晶発振回路に電源ノイズを印加した場合の出力周波数解析波形の一例を示す図である。
【図4】図2に示す水晶発振回路1に図3と同様の電源ノイズを印加した場合の出力周波数解析波形の一例を示す図である。
【図5】本発明の第2の実施形態に係る水晶発振回路2の内部構成の一例を示す図である。
【図6】図5に示す水晶発振回路2に図3と同様の電源ノイズを印加した場合の出力周波数解析波形の一例を示す図である。
【図7】本発明の第3の実施形態に係る水晶発振回路3の内部構成の一例を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【0014】
初めに、図1を用いて一実施形態の概要について説明する。なお、この概要に付記した図面参照符号は、理解を助けるための一例として各要素に便宜上付記したものであり、本発明を図示の態様に限定することを意図するものではない。
【0015】
上述のように、差動回路を使用することで、貫通電流に起因した高調波ノイズの影響を排除した水晶発振回路を構成することができる。しかし、他の回路が動作することによって生じた高調波ノイズが、水晶発振回路の発振出力に影響を与える場合がある。そのため、電源電圧が変動したことによる影響を軽減し、発振出力のジッタを抑制した水晶発振回路が、望まれる。
【0016】
そこで、一例として図1に示す水晶発振回路を提供する。図1に示す水晶発振回路は、水晶振動子を含む共振回路100と、共振回路100と接続され、差動対を含む信号反転回路200と、差動対にバイアス電流を供給する電流源回路300と、信号反転回路200及び電流源回路300に電源を供給する電圧線と信号反転回路200の間に接続され、水晶振動子の固有の発振周波数より低い遮断周波数を持つローパスフィルタ回路400と、を備えている。
【0017】
即ち、信号反転回路200に差動対を用いることで、信号反転回路200自身がノイズ発生源となることを防止する。さらに、信号反転回路200に供給する電源電圧をフィルタリングするローパスフィルタ回路400を備えることで、電源電圧の変動による影響を除去する。ここで、ローパスフィルタ回路400の遮断周波数を水晶振動子の固有の発振周波数よりも低い周波数に設定する。その結果、水晶振動子の発振周波数よりも高い周波数を持つ高周波ノイズの除去が可能になる。さらに、ローパスフィルタ回路400の遮断周波数は、水晶振動子の発振周波数よりも低い周波数であれば十分であり、ローパスフィルタ回路400の遮断周波数を過剰に低くする必要はない。そのため、ローパスフィルタ回路400を構成する素子が占有する面積が過剰となることもない。以上のような構成により、水晶発振回路の発振出力のジッタを抑制することができる。
【0018】
本発明において下記の形態が可能である。
【0019】
[形態1]上記第1の視点に係る水晶発振回路のとおりである。
【0020】
[形態2]前記共振回路は、前記水晶振動子と直列に接続された第1の容量と、前記水晶振動子と並列に接続された帰還抵抗と、を含み、前記信号反転回路に含まれる前記差動対は、第1のMOSトランジスタと第2のMOSトランジスタから構成され、前記第1のMOSトランジスタは、ゲートがバイアス電圧源に、ドレインが第1の抵抗の一端に、それぞれ接続され、前記第2のMOSトランジスタは、ゲートが前記帰還抵抗の一端に、ドレインが前記帰還抵抗の他の一端及び第2の抵抗の一端に、それぞれ接続され、前記第1及び第2のMOSトランジスタのソースは、それぞれ共通接続されると共に前記電流源回路と接続され、前記第1及び第2の抵抗の他の一端は、前記ローパスフィルタ回路と接続され、前記電流源回路は、第3のMOSトランジスタと第4のMOSトランジスタと、定電流源と、を含み、前記第3及び第4のMOSトランジスタのゲートが互いに接続され、前記第3及び第4のMOSトランジスタのソースは接地電圧に接続され、前記第3のMOSトランジスタのドレインは前記第3のMOSトランジスタのゲートに接続されると共に、前記定電流源に接続され、前記第4のMOSトランジスタのドレインは、前記第1及び第2のMOSトランジスタのソースと接続され、前記ローパスフィルタ回路は、第3の抵抗と第2の容量を含み、前記第3の抵抗の一端は電源を供給する前記電圧線に接続され、他の一端が前記第2の容量及び前記信号反転回路に含まれる前記第1及び第2の抵抗と接続され、前記第2の容量の他の一端は接地電圧に接続されていることが好ましい。
【0021】
[形態3]前記水晶発振回路は、一端が前記電圧線に接続される第4の抵抗と、ドレインが前記第4の抵抗の他の一端と接続され、ゲートが前記第3のMOSトランジスタのゲート及びドレインに接続され、ソースが接地電圧に接続される第5のMOSトランジスタと、を含む基準電圧生成回路と、非反転入力ノードが前記第2のMOSトランジスタのドレインと接続され、反転入力ノードが前記第5のMOSトランジスタのドレインと接続される差動回路と、を備えることが好ましい。
【0022】
[形態4]前記第4の抵抗の抵抗値は可変であることが好ましい。
【0023】
以下に具体的な実施の形態について、図面を参照してさらに詳しく説明する。
【0024】
[第1の実施形態]
本発明の第1の実施形態について、図面を用いてより詳細に説明する。
【0025】
図2は、本実施形態に係る水晶発振回路1の内部構成の一例を示す図である。
【0026】
水晶発振回路1は、電流源回路10と、信号反転回路20と、共振回路30から構成されている。
【0027】
電流源回路10は、Nチャンネル型MOSトランジスタN01及びN02と、定電流源CS01から構成されている。
【0028】
信号反転回路20は、Nチャンネル型MOSトランジスタN03及びN04と、抵抗R01〜R03と、容量C01から構成されている
【0029】
共振回路30は、水晶振動子31と、抵抗R04と、容量C02及びC03から構成されている。
【0030】
Nチャンネル型MOSトランジスタN01のゲートとドレインは共通接続され、Nチャンネル型MOSトランジスタN02のゲートと接続されている。Nチャンネル型MOSトランジスタN01のソースは接地電圧VSSに接続され、ゲート及びドレインは定電流源CS01の一端に接続されている。Nチャンネル型MOSトランジスタN02のゲートは、Nチャンネル型MOSトランジスタN01のゲート及びドレインに接続されている。Nチャンネル型MOSトランジスタN02のソースは接地電圧VSSに接続され、ドレインはNチャンネル型MOSトランジスタN03及びN04のソースに共通接続されている。電流源回路10に含まれるNチャンネル型MOSトランジスタN01及びN02によって、カレントミラー回路を構成している。
【0031】
信号反転回路20に含まれるNチャンネル型MOSトランジスタN03のゲートはバイアス電圧源Vbに接続され、ドレインが抵抗R01の一端に接続されている。Nチャンネル型MOSトランジスタN04のゲートは、信号反転回路20の入力端子Vinに接続されている。Nチャンネル型MOSトランジスタN04のドレインは、信号反転回路20の出力端子Voutに接続されると共に、抵抗R02の一端に接続されている。抵抗R01及びR02の他の一端は、抵抗R03の一端及び容量C01の一端に共通接続されている。
【0032】
抵抗R03の他の一端は電源電圧VDDに接続され、容量C01の他の一端は接地電圧VSSに接続されている。即ち、抵抗R03及び容量C01でローパスフィルタ(上述のローパスフィルタ回路400に相当)を構成しており、抵抗R01及びR02は、ローパスフィルタを介して電源電圧VDDに接続されている。
【0033】
また、信号反転回路20のバイアス電流はNチャンネル型MOSトランジスタN02により定まる。Nチャンネル型MOSトランジスタN03に接続されたバイアス電圧源Vbから所定の電圧及び電源電圧VDDを供給すると、出力端子Voutから水晶振動子31の直列共振周波数に比例した発振信号が出力される。
【0034】
ここで、Nチャンネル型MOSトランジスタN01に流れる電流をIaとすれば、Nチャンネル型MOSトランジスタN02に流れる電流もIaである。さらに、Nチャンネル型MOSトランジスタN03及びN04で差動対を構成しているため、Nチャンネル型MOSトランジスタN03及びN04(抵抗R01及びR02)には、電流Iaの1/2の電流値をもつ電流(以下、電流Ibとする)が流れ得る。従って、抵抗R03の抵抗値が、抵抗R02の抵抗値に比べて極めて小さく、その電圧降下を考慮しなければ、信号反転回路20の出力電圧(出力端子Voutの電圧)のコモンレベルは、抵抗R02と電流Ibにより定まる。
【0035】
上述のように、抵抗R03と容量C01でローパスフィルタを構成しているため、電源電圧VDDに重畳したノイズ成分が除去される。即ち、ローパスフィルタから供給される電圧が、信号反転回路20の第2の電源電圧として作用する。ローパスフィルタの遮断周波数fcを水晶発振回路の発振周波数fosc以下(fc<<fosc)に設定することで、発振周波数より高い周波数の高調波ノイズ成分を除去することができる。なお、遮断周波数は、fc=1/(2πR03×C01)と表すことができる。
【0036】
図3は、図2に示すローパスフィルタを備えていない水晶発振回路に電源ノイズを印加した場合の出力周波数解析波形の一例を示す図である。
【0037】
図4は、本実施形態に係る水晶発振回路1に図3と同様の電源ノイズを印加した場合の出力周波数解析波形の一例を示す図である。
【0038】
図3に示すように、ローパスフィルタを備えていない水晶発振回路では、その発振出力に、電源ノイズ成分が重畳されている。しかし、図4に示すように、本実施形態に係る水晶発振回路1に図3と同様の電源ノイズを印加しても、ノイズ成分は除去される。
【0039】
ここで、波形解析実施の条件の一例として、水晶発振回路1の発振周波数を8MHz、電源ノイズを周波数10MHz、振幅±10mVのスパイクノイズとする場合を考える。この場合には、ローパスフィルタを備えていない水晶発振回路では、発振出力に10MHzのノイズ成分が重畳される。一方、本実施形態に係る水晶発振回路1では、発振周波数8MHzより高い電源ノイズの影響が除去されることになる。
【0040】
このように、抵抗R03と容量C01で構成されるローパスフィルタにより、他の回路を動作させたことなどによって発生する高調波ノイズを除去することができる。従って、本実施形態に係る水晶発振回路1において、高調波ノイズ(電源ノイズ)が印加されたとしても、発振出力の低ジッタ化が実現できる。
【0041】
[第2の実施形態]
続いて、第2の実施形態について図面を参照して詳細に説明する。
【0042】
図5は、本実施形態に係る水晶発振回路2の内部構成の一例を示す図である。図5において図2と同一構成要素には、同一の符号を表し、その説明を省略する。なお、信号反転回路20の出力端子Voutを出力端子Vout1と置き換えて表記している。
【0043】
水晶発振回路1と水晶発振回路2の相違点は、リファレンス電圧Vrefを出力する基準電圧生成回路40と、差動回路50を追加している点である。
【0044】
基準電圧生成回路40は、Nチャンネル型MOSトランジスタN05と、抵抗R05及びR06から構成される。Nチャンネル型MOSトランジスタN05のゲートは、Nチャンネル型MOSトランジスタN01及びN02のゲートと共通接続され、ソースは接地電圧VSSに接続され、ドレインは抵抗R05の一端に接続されている。Nチャンネル型MOSトランジスタN01及びN05は、カレントミラー回路を構成する。Nチャンネル型MOSトランジスタN05のドレインを出力端子Vout2とし、出力端子Vout2からリファレンス電圧Vrefを出力する。
【0045】
抵抗R05及びR06は直列接続され、抵抗R06の一端は電源電圧VDDに接続されている。抵抗R05の抵抗値は、抵抗R01及びR02の抵抗値の2倍に設定され、抵抗R06の抵抗値は抵抗R03の抵抗値と等しく設定される。
【0046】
以上のような構成により、リファレンス電圧Vrefは、抵抗R05、抵抗R06及びNチャンネル型MOSトランジスタN05を流れる電流によって定まる。このリファレンス電圧Vrefと信号反転回路20の出力電圧(出力端子Vout1の電圧)のコモンレベルは同電圧となる。抵抗R03とR06の抵抗値は等しく、抵抗R05の抵抗値は抵抗R01及びR02の合成抵抗値と等しく、Nチャンネル型MOSトランジスタN02及びN05に流れる電流Iaも等しいためである。
【0047】
出力端子Vout1は、差動回路50の非反転入力及び共振回路30に接続され、出力端子Vout2は、差動回路50の反転入力端子に接続される。さらに、差動回路50の出力ノードを発振出力(出力端子Out)とする。出力端子Vout1及びVout2を差動回路50に接続することで、両端子に共通して重畳するノイズ成分(コモンモードノイズ)を除去することができる。
【0048】
従って、実施形態1で説明したような高調波ノイズが電源電圧VDDに重畳したとしても、出力端子Vout1及びVout2から出力される波形に重畳するノイズをより低減することができる。即ち、出力端子Vout1及びVout2を差動回路50と接続することで、発振周波数より低いノイズ成分の除去が可能である(発振出力のさらなる低ジッタ化に寄与する)。なお、発振周波数よりも高いノイズ成分に関してはローパスフィルタにより除去できる。
【0049】
図6は、本実施形態に係る水晶発振回路2に図3と同様の電源ノイズを印加した場合の出力周波数解析波形の一例を示す図である。図6には、電源ノイズを電源電圧VDDに重畳し、出力端子Vout1及びVout2、それぞれから出力される波形の差分が示されている。
【0050】
図4と図6を比較すれば、水晶振動子31以外の高調波成分が改善されているのが分かる。このように、信号反転回路20の出力電圧(出力端子Vout1の電圧)とリファレンス電圧Vref(出力端子Vout2の電圧)を差動回路50で受けることで、電源ノイズに対して強い耐性をもつ水晶発振回路が実現できる。なお、水晶発振回路2が、ローパスフィルタ(抵抗R03及び容量C01)を備えておらず、出力端子Vout1及びVout2を用いる差動構成のみであっても、ノイズ低減の効果を得ることができる。
【0051】
[第3の実施形態]
続いて、第3の実施形態について図面を参照して詳細に説明する。
【0052】
図7は、本実施形態に係る水晶発振回路3の内部構成の一例を示す図である。図7において図5と同一構成要素には、同一の符号を表し、その説明を省略する。なお、図7にはおいて、共振回路30及び差動回路50の記載は省略している。
【0053】
水晶発振回路2と水晶発振回路3の相違点は、基準電圧生成回路40aにおいて、可変抵抗Rvを使用している点である。
【0054】
可変抵抗Rvを使用することで、出力端子Vout2から出力するリファレンス電圧Vrefを調整可能とする。
【0055】
第2の実施形態において説明したように、リファレンス電圧Vrefは、抵抗R05、抵抗R06、Nチャンネル型MOSトランジスタN05によって定まる電流に依存する。そのため、理論的には(理想値は)、リファレンス電圧Vrefは出力端子Voutから出力する電圧のコモンレベルと等しくなる。
【0056】
しかし、実際には、Nチャンネル型MOSトランジスタN02及びN03の相対的な精度が異なり、オフセット電流が生じる。さらに、抵抗R01及びR02と、抵抗R05の相対的な精度が異なることから、これらの抵抗値を設計値と一致させるのは困難である。これら半導体素子の精度(ばらつき)に起因した問題により、リファレンス電圧Vrefと信号反転回路20の出力電圧(出力端子Vout1の電圧)のコモンレベルに電圧差が生じ、低ジッタ化の実現に対する障害となり得る。そこで、抵抗R05に代えて、可変抵抗Rvを使用し、コモンレベルを調整する。その結果、よりノイズが低減された水晶発振回路3が実現できる。
【0057】
なお、引用した上記の特許文献等の各開示は、本書に引用をもって繰り込むものとする。本発明の全開示(請求の範囲を含む)の枠内において、さらにその基本的技術思想に基づいて、実施形態ないし実施例の変更・調整が可能である。また、本発明の請求の範囲の枠内において種々の開示要素(各請求項の各要素、各実施例の各要素、各図面の各要素等を含む)の多様な組み合わせ、ないし、選択が可能である。すなわち、本発明は、請求の範囲を含む全開示、技術的思想にしたがって当業者であればなし得るであろう各種変形、修正を含むことは勿論である。
【符号の説明】
【0058】
1〜3 水晶発振回路
10、300 電流源回路
20、200 信号反転回路
30、100 共振回路
31 水晶振動子
40、40a 基準電圧生成回路
50 差動回路
400 ローパスフィルタ回路
C01〜C03 容量
CS01 定電流源
N01〜N05 Nチャンネル型MOSトランジスタ
R01〜R06 抵抗
Rv 可変抵抗

【特許請求の範囲】
【請求項1】
水晶振動子を含む共振回路と、
前記共振回路と接続され、差動対を含む信号反転回路と、
前記差動対にバイアス電流を供給する電流源回路と、
前記信号反転回路及び前記電流源回路に電源を供給する電圧線と前記信号反転回路の間に接続され、前記水晶振動子の固有の発振周波数より低い遮断周波数を持つローパスフィルタ回路と、
を備えることを特徴とする水晶発振回路。
【請求項2】
前記共振回路は、前記水晶振動子と直列に接続された第1の容量と、前記水晶振動子と並列に接続された帰還抵抗と、を含み、
前記信号反転回路に含まれる前記差動対は、第1のMOSトランジスタと第2のMOSトランジスタから構成され、
前記第1のMOSトランジスタは、ゲートがバイアス電圧源に、ドレインが第1の抵抗の一端に、それぞれ接続され、前記第2のMOSトランジスタは、ゲートが前記帰還抵抗の一端に、ドレインが前記帰還抵抗の他の一端及び第2の抵抗の一端に、それぞれ接続され、前記第1及び第2のMOSトランジスタのソースは、それぞれ共通接続されると共に前記電流源回路と接続され、前記第1及び第2の抵抗の他の一端は、前記ローパスフィルタ回路と接続され、
前記電流源回路は、第3のMOSトランジスタと第4のMOSトランジスタと、定電流源と、を含み、
前記第3及び第4のMOSトランジスタのゲートが互いに接続され、前記第3及び第4のMOSトランジスタのソースは接地電圧に接続され、前記第3のMOSトランジスタのドレインは前記第3のMOSトランジスタのゲートに接続されると共に、前記定電流源に接続され、前記第4のMOSトランジスタのドレインは、前記第1及び第2のMOSトランジスタのソースと接続され、
前記ローパスフィルタ回路は、第3の抵抗と第2の容量を含み、
前記第3の抵抗の一端は電源を供給する前記電圧線に接続され、他の一端が前記第2の容量及び前記信号反転回路に含まれる前記第1及び第2の抵抗と接続され、前記第2の容量の他の一端は接地電圧に接続されている請求項1の水晶発振回路。
【請求項3】
一端が前記電圧線に接続される第4の抵抗と、ドレインが前記第4の抵抗の他の一端と接続され、ゲートが前記第3のMOSトランジスタのゲート及びドレインに接続され、ソースが接地電圧に接続される第5のMOSトランジスタと、を含む基準電圧生成回路と、
非反転入力ノードが前記第2のMOSトランジスタのドレインと接続され、反転入力ノードが前記第5のMOSトランジスタのドレインと接続される差動回路と、
を備える請求項2の水晶発振回路。
【請求項4】
前記第4の抵抗の抵抗値は可変である請求項3の水晶発振回路。

【図1】
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【図2】
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【図3】
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【図4】
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【図5】
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【図6】
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【図7】
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【公開番号】特開2013−90188(P2013−90188A)
【公開日】平成25年5月13日(2013.5.13)
【国際特許分類】
【出願番号】特願2011−229729(P2011−229729)
【出願日】平成23年10月19日(2011.10.19)
【出願人】(302062931)ルネサスエレクトロニクス株式会社 (8,021)
【Fターム(参考)】