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KR101834860B1 - Low current crystal oscillator having fast start-up - Google Patents

Low current crystal oscillator having fast start-up Download PDF

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KR101834860B1
KR101834860B1 KR1020160134113A KR20160134113A KR101834860B1 KR 101834860 B1 KR101834860 B1 KR 101834860B1 KR 1020160134113 A KR1020160134113 A KR 1020160134113A KR 20160134113 A KR20160134113 A KR 20160134113A KR 101834860 B1 KR101834860 B1 KR 101834860B1
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KR
South Korea
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cmos inverter
crystal oscillator
power supply
supply voltage
pmos
Prior art date
Application number
KR1020160134113A
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송규상
김수선
백남일
이상복
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(주)인투칩스
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Abstract

The present invention relates to a low current crystal oscillator having high speed start-up which operates at high start-up speed while operating at low current consumption. The oscillator comprises: a CMOS inverter connected in parallel with the crystal oscillator between input and output terminals and comprising a PMOS and an NMOS; a first capacitor connected to the input terminal of the CMOS inverter; a second capacitor connected to the output terminal of the CMOS inverter; a power supply voltage unit supplying power to a feedback resistor connected between the input and output terminals and the PMOS; a constant voltage unit connected between the power supply voltage unit and the PMOS to convert the power supply voltage into a constant voltage; and a start-up resistance connected between the power supply voltage unit and the output terminal of the CMOS inverter to increase NMOS transconductance of the CMOS inverter.

Description

고속 스타트-업을 갖는 저전류 수정 발진기{LOW CURRENT CRYSTAL OSCILLATOR HAVING FAST START-UP}[0001] LOW CURRENT CRYSTAL OSCILLATOR HAVING FAST START-UP [0002]

본 발명은 고속 스타트-업을 갖는 저전류 수정 발진기에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 전원전압이 바뀌어도 일정한 정전압을 제공하여 소비전력을 일정하게 유지시키고, 인버터를 구성하는 NMOS의 트랜스컨덕턱스를 증가시켜 고속의 스타트-업 시간으로 동작하는 기술에 관한 것이다.The present invention relates to a low-current crystal oscillator having a high-speed start-up, and more particularly, to a low-current crystal oscillator having a fast start- Speed up start-up time.

수정 발진기는 수정 결정의 압전현상(piezoelectric effect)을 이용한 수정 진동자를 발진주파수의 제어소자로 사용하여 안정도가 높은 발진주파수를 얻는다.The crystal oscillator obtains a highly stable oscillation frequency by using a quartz oscillator using a piezoelectric effect of quartz crystals as a control element of the oscillation frequency.

수정 발진기는 수정 진동자와 트랜지스터, 저항 및 커패시터 등 다양한 소자를 조합하여 구성된다. 예를 들어, 수정 발진기는 CMOS 인버터 소자를 이용한 인버터형 수정 발진기를 포함한다.A crystal oscillator is composed of a combination of a crystal oscillator and various elements such as a transistor, a resistor and a capacitor. For example, a crystal oscillator includes an inverter type crystal oscillator using CMOS inverter elements.

도 1의 종래의 인버터형 수정 발진기를 도시한 회로도로서, 종래의 인버터형 수정 발진기(100)는 수정 진동자(110), CMOS 인버터(120), 제1 커패시터(131), 제2 커패시터(132), 궤환 저항(140) 및 전원전압부(VDD)를 포함한다.1, a conventional inverter type crystal oscillator 100 includes a crystal oscillator 110, a CMOS inverter 120, a first capacitor 131, a second capacitor 132, A feedback resistor 140, and a power supply voltage VDD.

CMOS 인버터(120)는 PMOS(121)과 NMOS(122)로 구성되며 입출력단(Vin, Vout) 사이에 수정 진동자(110)와 병렬로 연결되고, 수정 진동자(110)의 내부 등가 저항으로 인한 발진크기의 감소를 상쇄시키는 역할을 한다.The CMOS inverter 120 includes a PMOS 121 and an NMOS 122. The CMOS inverter 120 is connected in parallel with the quartz crystal 110 between the input and output stages Vin and Vout and oscillates due to an internal equivalent resistance of the quartz crystal 110. [ It serves to offset the decrease in size.

제1 커패시터(131)는 일단이 CMOS 인버터(120)의 입력단(Vin)과 연결되고, 타단이 접지된다. 제2 커패시터(132)는 일단이 CMOS 인버터(120)의 출력단(Vout)과 연결되고, 타단이 접지된다. One end of the first capacitor 131 is connected to the input terminal Vin of the CMOS inverter 120, and the other end of the first capacitor 131 is grounded. The second capacitor 132 has one end connected to the output terminal Vout of the CMOS inverter 120 and the other end grounded.

종래의 인버터형 수정 발진기(100)는 커패시터(131, 132)의 충방전과 수정 진동자(110)의 사용주파수에 따라 발진주파수가 조절된다.The oscillation frequency of the conventional inverter type crystal oscillator 100 is controlled according to the charge and discharge of the capacitors 131 and 132 and the frequency of use of the quartz crystal 110. [

궤환 저항(140)은 CMOS 인버터(120)의 입출력단(Vin, Vout) 사이에 연결되어 CMOS 인버터(120)의 동작점을 결정하고, 전원전압부(VDD)는 PMOS(121)에 연결되어 전원전압을 제공한다.The feedback resistor 140 is connected between the input and output terminals Vin and Vout of the CMOS inverter 120 to determine the operating point of the CMOS inverter 120. The power supply voltage VDD is connected to the PMOS 121, Voltage.

종래의 인버터형 수정 발진기(100)의 동작 방법은, 전원전압(VDD)이 인가되면 제1 및 제2 커패시터(131, 132)의 초기 충전전압이 0V이므로, PMOS(121)는 턴온되고, NMOS(122)는 턴오프된다. PMOS(121)가 턴온되면 제2 커패시터(132)와 수정 진동자(110)는 PMOS(121)를 통하여 전원전압(VDD)을 향하여 충전되고, 이후 제1 커패시터(131)는 궤환 저항(140)을 통하여 충전된다. 제1 커패시터(131) 전압이 일정전압 이상이 되면 NMOS(122)는 턴온되고, PMOS(121)는 턴오프되며, 제2 커패시터(132)와 수정 진동자(110)는 NMOS(122)를 통하여 방전되고, 제1 커패시터(131)는 궤환저항(140)을 통하여 방전된다. 제1 커패시터(131) 전압이 일정전압 이하로 내려가면 다시 상기 동작이 반복된다.In the conventional inverter type crystal oscillator 100, when the power supply voltage VDD is applied, the initial charge voltage of the first and second capacitors 131 and 132 is 0 V, so that the PMOS 121 is turned on and the NMOS (122) is turned off. When the PMOS 121 is turned on, the second capacitor 132 and the quartz crystal 110 are charged toward the power supply voltage VDD through the PMOS 121. Thereafter, the first capacitor 131 receives the feedback resistance 140 . The NMOS 122 is turned on and the PMOS 121 is turned off while the second capacitor 132 and the quartz crystal 110 are discharged through the NMOS 122. In this case, And the first capacitor 131 is discharged through the feedback resistor 140. When the voltage of the first capacitor 131 falls below a predetermined voltage, the above operation is repeated.

따라서, 종래의 인버터형 수정 발진기(100)는 궤환 저항(140)과 수정 진동자(110) 및 커패시터(131, 132)에 의해 결정되는 주파수로 발진하여 동작한다.Therefore, the conventional inverter type crystal oscillator 100 operates by oscillating at a frequency determined by the feedback resistor 140, the crystal oscillator 110, and the capacitors 131 and 132.

종래의 인버터형 수정 발진기(100)는 궤환 저항(140)보다 낮은 값을 가진 스타트-업 저항(150)과 스타트-업 저항(150)의 동작을 온오프하는 온오프 스위치(160)를 더 포함한다.The conventional inverter type crystal oscillator 100 further includes a start-up resistor 150 having a value lower than the feedback resistance 140 and an on-off switch 160 for turning on and off the operation of the start-up resistor 150 do.

스타트-업 저항(150)은 입출력단(Vin, Vout) 사이에 궤환 저항(140)과 병렬로 연결되어 제1 커패시터(131)의 충전 시간이 빨라지고, 계속하여 인버터(120)의 동작을 빠르게 하여 발진의 스타트-업 시간을 줄인다.The start-up resistor 150 is connected in parallel with the feedback resistor 140 between the input and output stages Vin and Vout so that the charging time of the first capacitor 131 is increased and the operation of the inverter 120 is continued Reduce the start-up time of the oscillation.

온오프 스위치(160)는 발진 초기에 입출력단(Vin, Vout) 사이에 스타트-업 저항(150)이 연결되도록 제어하고, 정상 발진이 시작되면 연결이 해지되도록 제어한다. 종래의 인버터형 수정 발진기(100)의 자세한 설명은 특허문헌 1을 참조하기로 한다.The on-off switch 160 controls the start-up resistor 150 to be connected between the input and output stages Vin and Vout at the beginning of oscillation and controls the connection to be disconnected when normal oscillation starts. A detailed description of a conventional inverter type crystal oscillator 100 will be made in reference to Patent Document 1.

종래의 인버터형 수정 발진기(100)는 고속의 스타트-업과 안정된 발진을 제공하지만, [수식 1]을 참고하면 전원전압의 제곱에 비례하여 소비 전력이 증가하므로, 전원전압이 증가하면 소비전력도 증가하는 문제점이 있다.The conventional inverter type crystal oscillator 100 provides high-speed start-up and stable oscillation. However, referring to [Equation 1], the power consumption increases in proportion to the square of the power supply voltage. .

[수식 1][Equation 1]

소비전력=f·C·VDD2 Power consumption = f · C · VDD 2

여기서, f는 동작주파수이고, C는 출력단 등가 커패시턴스이며, VDD는 전원전압이다.Where f is the operating frequency, C is the output stage equivalent capacitance, and VDD is the power supply voltage.

1. 미국등록특허 제4704587호(1987.11.03.)1. U.S. Pat. No. 4,704,587 (November 3, 1987).

본 발명은 전원전압부와 PMOS 사이에 연결되어 전원전압을 정전압으로 변환하는 정전압부 및 전원전압부와 CMOS 인버터의 출력단 사이에 연결되어 CMOS 인버터의 NMOS 트랜스컨덕턱스를 증가시키기 위한 스타트-업 저항을 포함하는 고속 스타트-업을 갖는 저전류 수정 발진기를 제공한다.The present invention relates to a semiconductor integrated circuit device comprising a constant voltage part connected between a power supply voltage part and a PMOS to convert a power supply voltage to a constant voltage and a start-up resistor connected between a power supply voltage part and an output terminal of the CMOS inverter to increase NMOS transconductance of the CMOS inverter Current crystal oscillator having a high-speed start-up.

본 발명의 고속 스타트-업을 갖는 저전류 수정 발진기는, 입출력단 사이에 수정 진동자와 병렬로 연결되고, PMOS와 NMOS로 구성되는 CMOS 인버터; 상기 CMOS 인버터의 입력단과 연결되는 제1 커패시터; 상기 CMOS 인버터의 출력단과 연결되는 제2 커패시터; 상기 입출력단 사이에 연결되는 궤환 저항 및 상기 PMOS에 전원전압을 제공하는 전원전압부를 포함하고, 상기 전원전압부와 PMOS 사이에 연결되어 전원전압을 정전압으로 변환하는 정전압부 및 상기 전원전압부와 CMOS 인버터의 출력단 사이에 연결되어 CMOS 인버터의 NMOS 트랜스컨덕턱스를 증가시키는 스타트-업 저항을 포함하여, 낮은 소비전류로 동작하면서 고속의 스타트-업 시간으로 동작하는 것을 특징으로 한다.A low-current crystal oscillator having a fast start-up according to the present invention includes: a CMOS inverter connected in parallel with a crystal oscillator between input and output stages, the CMOS inverter comprising a PMOS and an NMOS; A first capacitor connected to an input terminal of the CMOS inverter; A second capacitor connected to an output terminal of the CMOS inverter; And a power supply voltage unit for supplying a power supply voltage to the PMOS, the constant voltage unit being connected between the power supply voltage unit and the PMOS to convert the power supply voltage into a constant voltage, And a start-up resistor which is connected between the output terminal of the inverter and increases the NMOS transconductance of the CMOS inverter, and operates at a low start-up time while operating at a low consumption current.

본 발명의 고속 스타트-업을 갖는 저전류 수정 발진기는, 상기 스타트-업 저항과 CMOS 인버터의 출력단 사이의 연결을 제어하는 온오프 스위치를 더 포함하는 것을 특징으로 할 수 있다.The low current crystal oscillator having the fast start-up of the present invention may further include an on-off switch for controlling connection between the start-up resistor and the output terminal of the CMOS inverter.

상기 온오프 스위치는 발진 초기에 스타트-업 저항과 CMOS 인버터의 출력단 사이가 연결이 되도록 제어하고, 정상 발진이 시작되면 연결이 해지되도록 제어하는 것을 특징으로 할 수 있다.The on-off switch controls the connection between the start-up resistor and the output terminal of the CMOS inverter at the beginning of the oscillation, and controls the connection to be disconnected when the normal oscillation starts.

본 발명은 전원전압부와 PMOS 사이에 연결되어 전원전압을 정전압으로 변환시키는 정전압부를 통하여 낮은 소비전류로 동작시킬 수 있다.The present invention can operate at a low current consumption through a constant voltage unit connected between the power source voltage unit and the PMOS to convert the power source voltage into a constant voltage.

본 발명은 전원전압부와 CMOS 인버터의 출력단 사이에 연결되어 CMOS 인버터의 NMOS 트랜스컨덕턱스를 증가시키는 스타트-업 저항을 통하여 고속의 스타트-업 시간으로 동작시킬 수 있다.The present invention can operate at a high start-up time through a start-up resistor connected between the power supply voltage unit and the output terminal of the CMOS inverter to increase the NMOS transconductance of the CMOS inverter.

도 1의 종래의 인버터형 수정 발진기를 도시한 회로도이다.
도 2는 본 발명의 고속 스타트-업을 갖는 저전류 수정 발진기를 도시한 회로도이다.
도 3은 전원 인가시 초기 발진 파형을 도시한 예이다.1 is a circuit diagram showing a conventional inverter type crystal oscillator of Fig. 1. Fig.
2 is a circuit diagram showing a low-current crystal oscillator having a fast start-up of the present invention.
3 shows an example of an initial oscillation waveform when the power is applied.

이하 첨부 도면들 및 첨부 도면들에 기재된 내용들을 참조하여 본 발명의 실시예를 상세하게 설명하지만, 본 발명이 실시예에 의해 제한되거나 한정되는 것은 아니다.Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings and accompanying drawings, but the present invention is not limited to or limited by the embodiments.

도 2는 본 발명의 고속 스타트-업을 갖는 저전류 수정 발진기를 도시한 회로도로서, 저전류 수정 발진기(200)는 수정 진동자(210), CMOS 인버터(220), 제1 커패시터(131), 제2 커패시터(132), 궤환 저항(140) 및 전원전압부(VDD)를 포함한다. 2 is a circuit diagram showing a low-current crystal oscillator having a fast start-up according to the present invention. The low-current crystal oscillator 200 includes a crystal oscillator 210, a CMOS inverter 220, a first capacitor 131, Two capacitors 132, a feedback resistor 140, and a power supply voltage VDD.

수정 진동자(210), CMOS 인버터(220), 제1 커패시터(131), 제2 커패시터(132), 궤환 저항(140) 및 전원전압부(VDD)의 동작 기능은 도 1의 설명과 동일하다.The operation functions of the crystal oscillator 210, the CMOS inverter 220, the first capacitor 131, the second capacitor 132, the feedback resistor 140, and the power supply voltage VDD are the same as those in FIG.

저전류 수정 발진기(200)는 정전압부(250)를 더 포함하고, 정전압부(250)는 전원전압부(VDD)와 PMOS(221) 사이에 연결되어 전원전압(VDD)을 정전압(Vreg)으로 변환하여 낮은 소비전류로 동작시킨다. 예를 들어, 정전압부(250)는 전원전압(VDD)이 바뀌어도 일정한 정전압(Vreg)을 제공하여 소비전력을 일정하게 유지시킬 수 있다.The low current crystal oscillator 200 further includes a constant voltage unit 250. The constant voltage unit 250 is connected between the power source voltage unit VDD and the PMOS 221 to convert the power source voltage VDD into a constant voltage Vreg And operates with a low current consumption. For example, the constant voltage unit 250 can maintain constant power consumption by providing a constant voltage Vreg even if the power supply voltage VDD is changed.

본 발명은 정전압부(250)의 제한된 대역폭 또는 기준 이상의 출력 임피던스에 의해 발진주파수가 높아지면 스타트-업이 느려지거나 발진하지 못하는 경우가 발생할 수 있으므로, 고속의 스타트-업 시간으로 동작하기 위한 스타트-업 저항(260)을 포함한다. 스타트-업 저항(260)은 전원전압부(VDD)와 CMOS 인버터(220)의 출력단(Vout) 사이에 연결되어 CMOS 인버터(220)의 NMOS 트랜스컨덕턴스(trans-conductance, gm)를 증가시켜 고속의 스타트-업 시간으로 동작시킨다.The start-up may be delayed or the oscillation may not occur if the oscillation frequency is increased due to the limited bandwidth of the constant voltage unit 250 or the output impedance of the reference or higher. Therefore, the start- Up resistor (260). The start-up resistor 260 is connected between the power supply voltage VDD and the output terminal Vout of the CMOS inverter 220 to increase the NMOS transconductance gm of the CMOS inverter 220, Start-up time.

저전류 수정 발진기(200)는 온오프 스위치(270)를 더 포함하고, 온오프 스위치(270)는 스타트-업 저항(260)과 CMOS 인버터(220)의 출력단(Vout) 사이의 연결을 제어한다.The low current crystal oscillator 200 further includes an on-off switch 270 and the on-off switch 270 controls the connection between the start-up resistor 260 and the output Vout of the CMOS inverter 220 .

온오프 스위치(270)는 발진 초기에 스타트-업 저항(260)과 CMOS 인버터(220)의 출력단(Vout) 사이가 연결이 되도록 제어하고, 정상 발진이 시작되면 연결이 해지되도록 제어하는 것을 특징으로 할 수 있다.The on-off switch 270 controls the connection between the start-up resistor 260 and the output terminal Vout of the CMOS inverter 220 at the beginning of oscillation and controls the connection to be disconnected when normal oscillation starts. can do.

본 발명의 저전류 수정 발진기(200)는 정전압부(250)와 스타트-업 저항(260)을 통하여 낮은 소비전류로 동작하면서 고속의 스타트-업 시간으로 동작한다.The low current crystal oscillator 200 of the present invention operates at a high start-up time while operating at a low current consumption through the constant voltage unit 250 and the start-up resistor 260.

도 3은 전원 인가시 초기 발진 파형을 도시한 예로서, 도 3a는 정전압부(250), 스타트-업 저항(260) 및 스위치를 포함하는 수정 발진기의 초기 발진 파형을 도시한 예이고, 도 3b는 정전압부(250)만 포함하는 수정 발진기의 초기 발진 파형이며, 도 3c는 일반적인 수정 발진기의 초기 전원전압 파형을 도시한 것이다.3 shows an example of an initial oscillation waveform of a crystal oscillator including a constant voltage unit 250, a start-up resistor 260, and a switch, and FIG. 3B 3C shows an initial power supply voltage waveform of a quartz crystal oscillator, which is an initial oscillation waveform of the crystal oscillator including only the constant voltage unit 250. FIG.

일반적인 수정 발진기는 전원전압(VDD)으로 하여 초기 발진하고, 정전압부(250)만 포함하는 수정 발진기는 전원전압(VDD)을 정전압으로 하여 초기 발진하여 낮은 소비전류로 동작한다. 정전압부(250), 스타트-업 저항(260) 및 스위치를 포함하는 수정 발진기는 낮은 소비전류로 동작할 뿐만 아니라 고속의 스타트-업 시간으로 동작한다.A general crystal oscillator oscillates at a power supply voltage VDD and oscillates at an initial stage. The crystal oscillator including only the constant voltage section 250 operates at a low current consumption by initially oscillating the power supply voltage VDD as a constant voltage. The crystal oscillator including the constant voltage section 250, the start-up resistor 260, and the switch operates not only at a low current consumption but also at a high start-up time.

200: 저전류 수정 발진기 210: 수정 진동자
220: CMOS 인버터 221: PMOS
222: NMOS 231: 제1 커패시터
232: 제2 커패시터 240: 궤환 저항
VDD: 전원전압부 250: 정전압부
260: 스타트-업 저항 270: 온오프 스위치200: Low current crystal oscillator 210: Crystal oscillator
220: CMOS inverter 221: PMOS
222: NMOS 231: first capacitor
232: second capacitor 240: feedback resistance
VDD: power supply voltage unit 250: constant voltage unit
260: Start-up resistor 270: On-off switch

Claims (3)

입출력단 사이에 수정 진동자와 병렬로 연결되고, PMOS와 NMOS로 구성되는 CMOS 인버터;
상기 CMOS 인버터의 입력단과 연결되는 제1 커패시터;
상기 CMOS 인버터의 출력단과 연결되는 제2 커패시터;
상기 입출력단 사이에 연결되는 궤환 저항 및
상기 PMOS에 전원전압을 제공하는 전원전압부를 포함하는 수정 발진기에 있어서,
상기 전원전압부와 PMOS 사이에 연결되어 전원전압을 정전압으로 변환하는 정전압부 및
상기 전원전압부와 CMOS 인버터의 출력단 사이에 연결되어 CMOS 인버터의 NMOS 트랜스컨덕턱스를 증가시키기 위한 스타트-업 저항을 포함하되,
상기 전원전압부는 정전압부로 제1 경로의 전류를 제공하고, 스타트-업 저항으로 제2 경로의 전류를 제공하며,
상기 CMOS 인버터는 제1 경로의 전류를 공급받아 낮은 소비전류로 동작하고, 제2 경로의 전류를 공급받아 NMOS 트랜스컨덕턱스를 증가시켜 고속 스타트-업으로 동작하는 것을 특징으로 하는 고속 스타트-업을 갖는 저전류 수정 발진기.A CMOS inverter connected in parallel with the crystal oscillator between the input and output stages, the CMOS inverter comprising a PMOS transistor and an NMOS transistor;
A first capacitor connected to an input terminal of the CMOS inverter;
A second capacitor connected to an output terminal of the CMOS inverter;
A feedback resistance connected between the input and output stages, and
And a power supply voltage unit for supplying a power supply voltage to the PMOS,
A constant voltage part connected between the power source voltage part and the PMOS to convert the power source voltage into a constant voltage,
And a start-up resistor connected between the power supply voltage unit and an output terminal of the CMOS inverter to increase the NMOS transconductance of the CMOS inverter,
The power supply voltage section provides the current of the first path to the constant voltage section, the current of the second path to the start-up resistance,
Wherein the CMOS inverter is operated at a low current consumption by receiving a current of a first path and by increasing the NMOS transconductance by receiving a current of a second path to operate at a high speed start- Current crystal oscillator. 제1항에 있어서,
상기 스타트-업 저항과 CMOS 인버터의 출력단 사이의 연결을 제어하는 온오프 스위치를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 고속 스타트-업을 갖는 저전류 수정 발진기.The method according to claim 1,
Further comprising an on-off switch for controlling a connection between said start-up resistor and an output end of said CMOS inverter. 제2항에 있어서,
상기 온오프 스위치는,
발진 초기에 스타트-업 저항과 CMOS 인버터의 출력단 사이가 연결이 되도록 제어하고, 정상 발진이 시작되면 연결이 해지되도록 제어하는 것을 특징으로 하는 고속 스타트-업을 갖는 저전류 수정 발진기.3. The method of claim 2,
The on-
Up resistor and the output terminal of the CMOS inverter are connected to each other at an initial stage of oscillation and the connection is terminated when a normal oscillation is started.
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