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超低消費電力マイコン専用の低CL発振子のご紹介

4. 32kHz水晶発振器の低消費電力技術の紹介 ( 2009/07/17 ) 1

　32.768kHzの音叉振動子を使った一般的な低速標準回路（負荷容量が12.5pFの発振器)を例に、低消費電力化が如何にして実現できるかを簡単な発振回路を使ってわかり易くご紹介します。
　図１に示すCMOSインバータを使った発振回路に電流計（デジタルマルチメータTR６８４８）を接続して、実際に発振器の消費電流（平均値）を測ってみます。
標準発振回路の発振開始電圧は１．２V（発振停止電圧は0.97V)でしたので、電源電圧を１．２Vから２．４Vまで変化させ、その間の発振器の消費電流を測定しました。消費電流は、図２のグラフに示しす様に２次の近似曲線との間にずれがあるようで、特に２．６V以上で緩やかな曲線となっており、（Vdd－Vth)ｎとすると係数ｎ＜２の様にみえます。しきい値電圧Vthを考慮せずに電源電圧Vddを低くしたためかもしれませんが・・・・。これ以上考えても何もみえてこないので次に進みます。

　負荷容量が１２．５ｐＦの標準発振回路は、電源電圧が１．５Vから１．９Vの範囲で適正な発振性能（起動性と安定性）が得られる様です。故に適正な電源電圧範囲において、負荷容量１２．５ｐFの発振器にて消費する電流はIsub＝２．１４μAから１２．７μA程度は流す必要があると云えそうです。参考までに、３種類の電源電圧仕様（１．５V,１．６V、１．８V）における負荷容量１２．５ｐFの発振器の特性例を表１にまとめました。

　以上の計測の結果から、低消費電力化技術へのアプローチで最も効果的手法は、動作電圧の低減であると云えます。CMOSデバイスは、信号のオン・オフ期間（遷移時間）以外では直流電流は流れないという特長があり、低消費電力に有利であるといわれています。直流電流がほとんど流れないとすると、適正な回路での消費電流は、負荷容量の充放電成分で決まってしまうことになります。
　動作時の充放電による電力消費は、動作周波数F×負荷容量CL×信号電圧Vd×電源電圧Vddに比例する
と考えられ、CMOSの消費電力はほぼ電源電圧の２乗に大きく依存することになります。従って、CMOS発振器の超低消費電力化を実現する有効な手法は、動作周波数が同じであるならば、『電源電圧の低減と負荷容量の低減』を同時に行うことであるといえます。

　CMOＳ発振器の消費電力の低減例として、電源電圧を１．８Vから１．２Vに低減した後、負荷容量を１２．５ｐFから３．７ｐFに低減したら、如何ほどの効果が期待できるのかを実験で確かめてみます。

　CMOＳ発振器の消費電力の実験結果は、表２に示すとおりです。