(57)【要約】【課題】集積回路内に形成することができる低周波発振回路を提供することを目的とする。【解決手段】低周波発振回路は、電流が供給されることで自励発振を行う自励発振回路と、自励発振回路から供給される信号に応じて発振が励起される第１の他励発振回路と、を備え、第１の他励発振回路は、発振信号の大きさに応じて、自励発振回路に供給される電流を抑制し、自励発振回路は、第１の他励発振回路によって電流が抑制される結果、当該自励発振回路が単体で自励発振を行うときより低い周波数の自励発振を行う。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
電流が供給されることで自励発振を行う自励発振回路と、
前記自励発振回路から供給される信号に応じて発振が励起される第１の他励発振回路と、
を備え、
前記第１の他励発振回路は、
発振信号の大きさに応じて、前記自励発振回路に供給される前記電流を抑制し、
前記自励発振回路は、
前記第１の他励発振回路によって前記電流が抑制される結果、当該自励発振回路が単体で自励発振を行うときより低い周波数の自励発振を行う
ことを特徴とする低周波発振回路。
【請求項２】
さらに、第２〜第ｎ（ｎは、２以上の整数）の他励発振回路を備え、
前記第ｉ（ｉは、２以上ｎ以下の整数）の他励発振回路は、
前記第（ｉ−１）の他励発振回路から供給される信号によって発振が励起され、
前記自励発振回路は、
前記第１〜前記第ｎの他励発振回路によって前記電流が抑制される結果、当該自励発振回路が単体で自励発振を行うときより低い周波数の自励発振を行う
ことを特徴とする請求項１に記載の低周波発振回路。
【請求項３】
前記自励発振回路は、
自励発振が励起される基準となる第１の基準電圧源を備え、
前記他励発振回路は、
発振が励起される基準となる第２の基準電圧源として、前記第１の基準電圧源より低い電圧値の電圧源を備えることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の低周波発振回路。
【請求項４】
前記自励発振回路は、
当該自励発振回路によって自励発振された信号を、第１の所定電圧に基づいて積分する第１の積分回路を備え、
前記他励発振回路は、
当該他励発振回路によって発振された信号を、第２の所定電圧に基づいて積分する第２の積分回路を備え、
当該低周波発振回路の発振周波数は、
前記第１の所定電圧及び前記第２の所定電圧の電圧値に基づいて決定する
ことを特徴とする請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の低周波発振回路。
【請求項５】
前記自励発振回路は、
前記第１の積分回路によって蓄積された電荷の総量が所定の値になったタイミングで、当該自励発振回路に接続されている前記他励発振回路に前記電流を供給し、
前記他励発振回路は、
前記第２の積分回路によって蓄積された電荷の総量が所定の値になったタイミングで、発振信号の大きさに応じて、前記自励発振回路に供給される前記電流を抑制する
ことを特徴とする請求項４に記載の低周波発振回路。
【請求項６】
前記第１の積分回路は、第１のコンデンサを備え、
前記第２の積分回路は、第２のコンデンサを備え、
自低周波発振回路の発振周波数は、
前記第１のコンデンサの容量及び前記第２のコンデンサの容量に基づいて決定する
ことを特徴とする請求項４または請求項５に記載の低周波発振回路。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、低周波発振回路に関する。
【背景技術】
【０００２】
発振回路で発振された信号のパルス幅をパルス幅拡大回路が拡大することで、発振回路で発振されたパルス信号より周波数の低いパルス信号を生成する回路が知られている（例えば、特許文献１参照）。
【０００３】
また、一般的な発振回路として、コンデンサと抵抗によるＣＲ発振回路、コイルとコンデンサによるＬＣ同調発振回路などが知られている。このような発振回路を用いて、低周波の信号を発振させるには、一般的に容量の大きなコンデンサが必要である。
【０００４】
近年、システムに用いられる集積回路には、小型化、消費電力の低減が求められている。このような要求に応えるため、集積回路の微細化が行われている。例えば、アナログ集積回路の内部に形成できる容量は、約５０［ｆＦ］〜数１００［ｐＦ］程度である（例えば、非特許文献１参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開平５−３０８２６９
【非特許文献】
【０００６】
【非特許文献１】“第４章  ＣＭＯＳ−ＩＣ  上の抵抗とコンデンサ（キャパシタ）”、［ｏｎｌｉｎｅ］、有限会社アナロジスト、［平成２５年１１月２８日検索］、インターネット<www.analogist.co.jp/TG/chapter4.pdf>
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、従来の技術では、集積回路内に形成できるコンデンサの容量が限られているため、集積回路内に低周波発振回路を形成することが困難であるという課題があった。
【０００８】
本発明は、上記の問題点に鑑みてなされたものであって、集積回路内に形成することができる低周波発振回路を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上記目的を達成するため、本発明の一態様に係る低周波発振回路は、電流が供給されることで自励発振を行う自励発振回路と、前記自励発振回路から供給される信号に応じて発振が励起される第１の他励発振回路と、を備え、前記第１の他励発振回路は、発振信号の大きさに応じて、前記自励発振回路に供給される前記電流を抑制し、前記自励発振回路は、前記第１の他励発振回路によって前記電流が抑制される結果、当該自励発振回路が単体で自励発振を行うときより低い周波数の自励発振を行うことを特徴としている。
【００１０】
また、本発明の一態様に係る低周波発振回路は、さらに、第２〜第ｎ（ｎは、２以上の整数）の他励発振回路を備え、前記第ｉ（ｉは、２以上ｎ以下の整数）の他励発振回路は、前記第（ｉ−１）の他励発振回路から供給される信号によって発振が励起され、前記自励発振回路は、前記第１〜前記第ｎの他励発振回路によって前記電流が抑制される結果、当該自励発振回路が単体で自励発振を行うときより低い周波数の自励発振を行うようにしてもよい。
【００１１】
また、本発明の一態様に係る低周波発振回路であって、前記自励発振回路は、自励発振が励起される基準となる第１の基準電圧源を備え、前記他励発振回路は、発振が励起される基準となる第２の基準電圧源として、前記第１の基準電圧源より低い電圧値の電圧源を備えるようにしてもよい。
【００１２】
また、本発明の一態様に係る低周波発振回路であって、前記自励発振回路は、当該自励発振回路によって自励発振された信号を、第１の所定電圧に基づいて積分する第１の積分回路を備え、前記他励発振回路は、当該他励発振回路によって発振された信号を、第２の所定電圧に基づいて積分する第２の積分回路を備え、当該低周波発振回路の発振周波数は、前記第１の所定電圧及び前記第２の所定電圧の電圧値に基づいて決定するようにしてもよい。
【００１３】
また、本発明の一態様に係る低周波発振回路であって、前記自励発振回路は、前記第１の積分回路によって蓄積された電荷の総量が所定の値になったタイミングで、当該自励発振回路に接続されている前記他励発振回路に前記電流を供給し、前記他励発振回路は、前記第２の積分回路によって蓄積された電荷の総量が所定の値になったタイミングで、発振信号の大きさに応じて、前記自励発振回路に供給される前記電流を抑制するようにしてもよい。
【００１４】
また、本発明の一態様に係る低周波発振回路であって、前記第１の積分回路は、第１のコンデンサを備え、前記第２の積分回路は、第２のコンデンサを備え、自低周波発振回路の発振周波数は、前記第１のコンデンサの容量及び前記第２のコンデンサの容量に基づいて決定するようにしてもよい。
【発明の効果】
【００１５】
本発明の低周波発振回路によれば、集積回路内に形成することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】本実施形態に係る低周波発振回路の構成を説明する図である。
【図２】本実施形態に係る低周波発振回路の回路図である。
【図３】本実施形態に係る自励発振回路の回路図である。
【図４】本実施形態に係る第１の他励発振回路の回路図である。
【図５】本実施形態に係る第３の他励発振回路の回路図である。
【図６】本実施形態に係る自励発振回路の発振状態の遷移を説明する図である。
【図７】本実施形態に係る自励発振回路の発振状態の遷移を説明する図である。
【図８】本実施形態に係る自励発振回路の発振状態の遷移を説明する図である。
【図９】本実施形態に係る自励発振回路の発振状態の遷移を説明する図である。
【図１０】本実施形態に係る自励発振回路を単体で発振させた場合の波形図である。
【図１１】本実施形態に係る低周波発振回路の設定の一例を説明する図である。
【図１２】図１１の設定時の自励発振回路の出力波形図である。
【図１３】図１１の設定時の第１の他励発振回路の出力波形図である。
【図１４】図１１の設定時の第２の他励発振回路の出力波形図である。
【図１５】図１１の設定時の第３の他励発振回路の出力波形図である。
【図１６】図２の低周波発振回路１が積分回路のコンデンサＣｓｎを有しない場合の発振周波数の例を説明する図である。
【図１７】図２の低周波発振回路１が積分回路のコンデンサＣｓｎを有する場合の発振周波数の例を説明する図である。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
以下、図面を参照しながら本発明の実施形態について説明する。
図１は、本実施形態に係る低周波発振回路１の構成を説明する図である。
図１に示すように、低周波発振回路１は、１個の自励発振回路１０と第１の他励発振回路２０−１〜第ｎ（ｎは１以上の整数）の他励発振回路２０−ｎを備えている。なお、第１の他励発振回路２０−１〜第ｎの他励発振回路２０−ｎのうち、特に限定しない場合は、単に他励発振回路２０という。図１に示した例では、他励発振回路２０が３個の例を示しているが、他励発振回路２０は１個以上であればよい。
図１において、矢印と白丸との組み合わせは、矢印の始点から矢尻に向けて電流が供給されることを表している。また、図１において、破線の矢印と黒丸との組み合わせは、破線の矢印の始点から矢尻に向けての電流の供給を抑制することを表している。なお、自励発振回路１０及び他励発振回路２０は、例えば電流入力、電圧出力の回路である。
【００１８】
自励発振回路１０は、発振を行うために必要な第１の基準電圧源ＶＡを備えている。また、自励発振回路１０には、外部の電圧源ＶＤＤから電力が供給される。また、自励発振回路１０には、外部の電流源から電流が供給される。自励発振回路１０は、第１の基準電圧源ＶＡを用いて、自励発振を開始し、発振した信号に応じた電力を符号３１が示す矢印と白丸のように第１の他励発振回路２０−１に供給する。
【００１９】
第１の他励発振回路２０−１〜第ｎの他励発振回路２０−ｎそれぞれは、発振を行うために必要な第２の基準電圧源ＶＡＳを備えている。
第１の他励発振回路２０−１には、符号３１が示す矢印と白丸のように、自励発振回路１０から電力が供給される。ここで、第１の他励発振回路２０−１〜第ｎの他励発振回路２０−ｎそれぞれが備える第２の基準電圧源ＶＡＳの電圧値は、第１の基準電圧源ＶＡの電圧値より低く設定される。この構成によって、第１の他励発振回路２０−１は、自励発振回路１０から供給される電力によって、発振が励起される。また、第１の他励発振回路２０−１は、符号３２が示す矢印と白丸のように、発振した信号に応じた電力を第２の他励発振回路２０−２に供給する。さらに、第１の他励発振回路２０−１は、発振した信号に応じて、符号４１が示す破線の矢印と黒丸のように、自励発振回路１０に供給される電力を抑制し（引き抜くともいう）、これにより自励発振回路１０による発振を抑制している。
【００２０】
第２の他励発振回路２０−２には、符号３２が示す矢印と白丸のように、第１の他励発振回路２０−１から電力が供給される。これにより、第２の他励発振回路２０−２は、第１の他励発振回路２０−１から供給される電力によって、発振が励起される。また、第２の他励発振回路２０−２は、符号３３が示す矢印と白丸のように、発振した信号に応じた電力を第３の他励発振回路２０−３に供給する。さらに、第２の他励発振回路２０−２は、発振した信号に応じて、符号４２が示す破線の矢印と黒丸のように、自励発振回路１０に供給される電力を抑制し、これにより自励発振回路１０による発振を抑制している。
【００２１】
第３の他励発振回路２０−３には、符号３３が示す矢印と白丸のように、第２の他励発振回路２０−２から電力が供給される。これにより、第３の他励発振回路２０−３は、第２の他励発振回路２０−２から供給される電力によって、発振が励起される。また、第３の他励発振回路２０−３は、発振した信号に応じて、符号４３が示す破線の矢印と黒丸のように、自励発振回路１０に供給される電力を抑制し、これにより自励発振回路１０による発振を抑制している。また、第３の他励発振回路２０−３は、発生した発振信号を外部に出力する。
【００２２】
以上のように、自励発振回路１０が自励発振を開始すると、自励発振回路１０から第１の他励発振回路２０−１に供給される電力に基づいて、第１の他励発振回路２０−１〜第ｎの他励発振回路２０−ｎが励起され発振が同時に開始される。また、自励発振回路１０に供給される電流は、第１の他励発振回路２０−１〜第ｎの他励発振回路２０−ｎによって抑制される。この結果、自励発振回路１０は、第１の他励発振回路２０−１〜第ｎの他励発振回路２０−ｎが接続されずに、単体で発振を行ったときと比較して、後述するように、発生する信号のレベルが小さくなり、さらに周期が長くなる。単体で発振を行ったときと比較して、周期が長くなることによって発生する周波数が低くなる。
【００２３】
なお、自励発振回路１０は、第１の他励発振回路２０−１〜第ｎの他励発振回路２０−ｎによって供給される電流が、他励発振回路２０の個数に応じて減少する。このため、第３の他励発振回路２０−３から出力される信号の周波数は、自励発振回路１０に接続される他励発振回路２０の個数に応じて低くなる。
【００２４】
次に、低周波発振回路１の具体的な回路構成の一例を説明する。
図２は、本実施形態に係る低周波発振回路１の回路図である。なお、図２に示す例は、他励発振回路２０が３個の場合である。
図２に示すように、低周波発振回路１は、自励発振回路１０、第１の他励発振回路２０−１〜第３の他励発振回路２０−３を備えている。また、低周波発振回路１には、電流源４０から電流が供給される。また、低周波発振回路１は、電圧源ＶＤＤに接続される。
【００２５】
次に、回路間の接続、回路内の接続について、図２〜図５を用いて説明する。
まず、自励発振回路１０について説明する。
図３は、本実施形態に係る自励発振回路１０の回路図である。図３に示すように、自励発振回路１０は、発振部１０１、積分回路１０２、及び電流供給部１０３を備えている。
【００２６】
発振部１０１は、電流源４０から供給される電流、第１の基準電圧源ＶＡの電圧、各スイッチング素子Ｍｃ１０〜Ｍｃ１３のセルの大きさ、コンデンサＣｇ１及びＣｍ１の容量に応じた周波数の信号を発振させ、発振させた信号を積分回路１０２に出力する。なお、電流源４０から供給される電流値は、第１の他励発振回路２０−１〜第３の他励発振回路２０−３によって電流値が抑制される。
【００２７】
発振部１０１は、スイッチング素子Ｍｃ１０〜スイッチング素子Ｍｃ１３、コンデンサＣｇ１、コンデンサＣｍ１、及び第１の基準電圧源ＶＡを備えている。スイッチング素子Ｍｃ１０及びＭｃ１３は、例えばＮチャネルＭＯＳＦＥＴ（電界効果トランジスタ）である。スイッチング素子Ｍｃ１１及びＭｃ１２は、例えばＰチャネルＭＯＳＦＥＴである。
【００２８】
スイッチング素子Ｍｃ１０のゲートは、スイッチング素子Ｍｃ１２のドレインとコンデンサＣｇ１の一端とに接続され、ソースは、スイッチング素子Ｍｃ１１のソースに接続される。スイッチング素子Ｍｃ１０のドレインは、スイッチング素子Ｍｃ１２のソースと第１の基準電圧源ＶＡの正極とスイッチング素子Ｍｃ１３のゲートとに接続され、バックゲートは、接地される。
【００２９】
スイッチング素子Ｍｃ１１のゲートは、接地され、ドレインは、スイッチング素子Ｍｃ１３のドレインとコンデンサＣｇ１の他端とコンデンサＣｍ１の一端と積分回路１０２におけるスイッチング素子Ｍｓ１０のゲートとに接続される。スイッチング素子Ｍｃ１１のドレインとスイッチング素子Ｍｃ１３のドレインとコンデンサＣｇ１の他端とコンデンサＣｍ１の一端とスイッチング素子Ｍｓ１０のゲートとの交点ａは、第１の他励発振回路２０−１〜第３の他励発振回路２０−３のスイッチング素子Ｍｉ２〜Ｍｉ４（図２）に接続され、電流源４０から電流が供給される。また、スイッチング素子Ｍｃ１１のバックゲートには、電源ＶＤＤから電力が供給される。
【００３０】
コンデンサＣｍ１の他端は、接地される。
スイッチング素子Ｍｃ１２のゲートは、接地され、バックゲートには、電源ＶＤＤから電力が供給される。
スイッチング素子Ｍｃ１３のソースは、接地される。
第１の基準電圧源ＶＡの負極は、接地される。
【００３１】
積分回路１０２は、電源ＶＤＤから供給された電力を、発振部１０１から出力される電圧値と入力される周波数調整電圧ＶＩＮＴとに応じて積分し、積分した信号を電流供給部１０３に出力する。
【００３２】
積分回路１０２は、スイッチング素子Ｍｓ１０〜Ｍｓ１３、及びコンデンサＣｓ１を備えている。スイッチング素子Ｍｓ１０及びＭｓ１３は、例えばＮチャネルＭＯＳＦＥＴである。スイッチング素子Ｍｓ１１及びＭｓ１２は、例えばＰチャネルＭＯＳＦＥＴである。なお、スイッチング素子Ｍｓ１１及びＭｓ１２は、カレントミラー回路を構成している。
【００３３】
スイッチング素子Ｍｓ１０のゲートは、発振部１０１の交点ａに接続され、ドレインは、スイッチング素子Ｍｓ１１のドレインとスイッチング素子Ｍｓ１１及びＭｓ１２のゲートとに接続され、ソースは、接地される。
スイッチング素子Ｍｓ１１のソースには、電源ＶＤＤから電力が供給される。
【００３４】
スイッチング素子Ｍｓ１２のソースには、電源ＶＤＤから電力が供給され、ドレインは、スイッチング素子Ｍｓ１３のドレインとコンデンサＣｓ１の一端と電流供給部１０３におけるスイッチング素子Ｍｅ１０のゲートとに接続される。
スイッチング素子Ｍｓ１３のソースは、接地され、ゲートは、周波数調整電圧ＶＩＮＴが供給される。
コンデンサＣｓ１の他端は、接地される。
【００３５】
電流供給部１０３は、発振部１０１によって発振された信号に応じた電力を第１の他励発振回路２０−１に供給する。電流供給部１０３は、スイッチング素子Ｍｅ１０〜Ｍｅ１２を備える。スイッチング素子Ｍｅ１０は、例えばＮチャネルＭＯＳＦＥＴである。スイッチング素子Ｍｅ１１及びＭｅ１２は、例えばＰチャネルＭＯＳＦＥＴである。なお、スイッチング素子Ｍｅ１１及びＭｅ１２は、カレントミラー回路を構成している。
【００３６】
スイッチング素子Ｍｅ１０のゲートは、積分回路１０２の出力が接続され、ドレインは、スイッチング素子Ｍｅ１１のドレインとスイッチング素子Ｍｅ１１及びＭｅ１２のゲートとに接続され、ソースは接地される。
スイッチング素子Ｍｅ１１のソースには、電源ＶＤＤから電力が供給される。
スイッチング素子Ｍｅ１２のソースには、電源ＶＤＤから電力が供給され、ドレインは、第１の他励発振回路２０−１に接続される。
【００３７】
次に、第１の他励発振回路２０−１について説明する。
図４は、本実施形態に係る第１の他励発振回路２０−１の回路図である。図４に示すように、第１の他励発振回路２０−１は、発振部２０１、積分回路２０２、電流供給部２０３、及び電流引抜部２０４を備えている。
【００３８】
発振部２０１は、スイッチング素子Ｍｃ２０〜スイッチング素子Ｍｃ２３、コンデンサＣｇ２、コンデンサＣｍ２、及び第２の基準電圧源ＶＡＳを備えている。スイッチング素子Ｍｃ２０及びＭｃ２３は、例えばＮチャネルＭＯＳＦＥＴである。スイッチング素子Ｍｃ２１及びＭｃ２２は、例えばＰチャネルＭＯＳＦＥＴである。
【００３９】
スイッチング素子Ｍｃ２０のゲートは、スイッチング素子Ｍｃ２２のドレインとコンデンサＣｇ２の一端とに接続され、ソースは、スイッチング素子Ｍｃ２１のソースに接続される。スイッチング素子Ｍｃ２０のドレインは、スイッチング素子Ｍｃ２２のソースと第２の基準電圧源ＶＡＳの正極とスイッチング素子Ｍｃ２３のゲートとに接続され、バックゲートは、接地される。
スイッチング素子Ｍｃ２１のゲートは、接地され、ドレインは、スイッチング素子Ｍｃ２３のドレインとコンデンサＣｇ２の他端とコンデンサＣｍ２の一端と積分回路２０２におけるスイッチング素子Ｍｓ２０のゲートとに接続される。スイッチング素子Ｍｃ２１のドレインとスイッチング素子Ｍｃ２３のドレインとコンデンサＣｇ２の他端とコンデンサＣｍ２の一端とスイッチング素子Ｍｓ２０のゲートとの交点ａ２には、自励発振回路１０から電流が供給される。また、スイッチング素子Ｍｃ２１のバックゲートには、電源ＶＤＤから電力が供給される。
【００４０】
コンデンサＣｍ２の他端は、接地される。
スイッチング素子Ｍｃ２２のゲートは、接地され、バックゲートには、電源ＶＤＤから電力が供給される。
スイッチング素子Ｍｃ２３のソースは、接地される。
第２の基準電圧源ＶＡＳの負極は、接地される。
【００４１】
積分回路２０２は、スイッチング素子Ｍｓ２０〜Ｍｓ２３、及びコンデンサＣｓ２を備えている。スイッチング素子Ｍｓ２０及びＭｓ２３は、例えばＮチャネルＭＯＳＦＥＴである。スイッチング素子Ｍｓ２１及びＭｓ２２は、例えばＰチャネルＭＯＳＦＥＴである。
【００４２】
スイッチング素子Ｍｓ２０のゲートは、発振部２０１の交点ａ２に接続され、ドレインは、スイッチング素子Ｍｓ２１のドレインとスイッチング素子Ｍｓ２１及びＭｓ２２のゲートとに接続され、ソースは、接地される。
スイッチング素子Ｍｓ２１のソースには、電源ＶＤＤから電力が供給される。
スイッチング素子Ｍｓ２２のソースには、電源ＶＤＤから電力が供給され、ドレインは、スイッチング素子Ｍｓ２３のドレインとコンデンサＣｓ２の一端と電流供給部２０３におけるスイッチング素子Ｍｅ２０のゲートと電流引抜部２０４におけるスイッチング素子Ｍｉ２のゲートに接続される。
スイッチング素子Ｍｓ２３のソースは、接地され、ゲートは、周波数調整電圧ＶＩＮＴが供給される。
コンデンサＣｓ２の他端は、接地される。
【００４３】
電流供給部２０３は、スイッチング素子Ｍｅ２０〜Ｍｅ２２を備える。スイッチング素子Ｍｅ２０は、例えばＮチャネルＭＯＳＦＥＴである。スイッチング素子Ｍｅ２１及びＭｅ２２は、例えばＰチャネルＭＯＳＦＥＴである。
電流供給部２０３における素子間の接続は、電流供給部１０３における素子間の接続と同じである。スイッチング素子Ｍｅ２０〜Ｍｅ２２は、スイッチング素子Ｍｅ１０〜Ｍｅ１２に対応する。
【００４４】
電流引抜部２０４は、自励発振回路１０に電流源４０から供給される電流を、積分回路２０２に応じて制御されるスイッチング素子Ｍｉ２によって抑制する（引き抜く）。
電流引抜部２０４は、スイッチング素子Ｍｉ２を備える。スイッチング素子Ｍｉ２は、例えばＮチャネルＭＯＳＦＥＴである。
スイッチング素子Ｍｉ２のゲートは、積分回路２０２におけるスイッチング素子Ｍｓ２２のドレインとスイッチング素子Ｍｓ２３のドレインとコンデンサＣｓ２の一端と電流供給部２０３におけるスイッチング素子Ｍｅ２０のゲートとに接続される。スイッチング素子Ｍｉ２のドレインには、電流源４０から電流が供給され、さらに自励発振回路１０、及び第２の他励発振回路２０−２〜第３の他励発振回路２０−３に接続される。スイッチング素子Ｍｉ２のソースは、接地される。
【００４５】
次に、第２の他励発振回路２０−２における素子間の接続は、第１の他励発振回路２０−１と同じである。図２に示すように、第２の他励発振回路２０−２は、発振部２１１、積分回路２１２、電流供給部２１３、及び電流引抜部２１４を備えている。
図２のように、スイッチング素子Ｍｃ３０〜スイッチング素子Ｍｃ３３は、スイッチング素子Ｍｃ２０〜スイッチング素子Ｍｃ２３に対応する。コンデンサＣｇ３は、コンデンサＣｇ２に対応し、コンデンサＣｍ３は、コンデンサＣｍ２に対応する。スイッチング素子Ｍｃ３３のドレインとコンデンサＣｇ３の他端とスイッチング素子Ｍｃ３１のドレインとコンデンサＣｍ３の一端との交点ａ３には、第１の他励発振回路２０−１から電流が供給される。
また、スイッチング素子Ｍｓ３０〜Ｍｓ３３は、スイッチング素子Ｍｓ２０〜Ｍｓ２３に対応し、コンデンサＣｓ３は、コンデンサＣｓ２に対応する。スイッチング素子Ｍｅ３０〜Ｍｅ３２は、スイッチング素子Ｍｅ２０〜Ｍｅ２２に対応し、スイッチング素子Ｍｉ３は、スイッチング素子Ｍｉ２に対応する。
【００４６】
次に、第３の他励発振回路２０−３について説明する。
図５は、本実施形態に係る第３の他励発振回路２０−３の回路図である。図５に示すように、第３の他励発振回路２０−３は、発振部２２１、積分回路２２２、及び電流引抜部２２４を備えている。
【００４７】
発振部２２１における素子間の接続は、第１の他励発振回路２０−１の発振部２０１と同じである。スイッチング素子Ｍｃ４０〜スイッチング素子Ｍｃ４３は、スイッチング素子Ｍｃ２０〜スイッチング素子Ｍｃ２３に対応する。コンデンサＣｇ４は、コンデンサＣｇ２に対応し、コンデンサＣｍ４は、コンデンサＣｍ２に対応する。スイッチング素子Ｍｃ４３のドレインとコンデンサＣｇ４の他端とスイッチング素子Ｍｃ４１のドレインとコンデンサＣｍ４の一端との交点ａ４には、第２の他励発振回路２０−２から電流が供給される。
【００４８】
積分回路２２２における素子間の接続は、第１の他励発振回路２０−１の積分回路２０２と同じである。スイッチング素子Ｍｓ４０〜Ｍｓ４３は、スイッチング素子Ｍｓ２０〜Ｍｓ２３に対応し、コンデンサＣｓ４は、コンデンサＣｓ２に対応する。
【００４９】
電流引抜部２２４は、スイッチング素子Ｍｉ４を備える。スイッチング素子Ｍｉ４は、例えばＮチャネルＭＯＳＦＥＴである。
スイッチング素子Ｍｉ４のゲートは、積分回路２２２におけるスイッチング素子Ｍｓ４２のドレインとスイッチング素子Ｍｓ４３のドレインとコンデンサＣｓ４の一端とに接続される。スイッチング素子Ｍｉ４のドレインには、電流源４０から電流が供給され、さらに自励発振回路１０、及び第１の他励発振回路２０−１〜第２の他励発振回路２０−２に接続される。スイッチング素子Ｍｉ４のソースは、接地される。
【００５０】
なお、上述した各回路において、スイッチング素子Ｍｃ１０、Ｍｃ１１、Ｍｃ２０、Ｍｃ２１、Ｍｃ３０、Ｍｃ３１、Ｍｃ４０、Ｍｃ４１以外の各スイッチング素子のソースとドレインとは、逆であってもよい。
【００５１】
次に、低周波発振回路１の動作について、図６〜図９を用いて説明する。
図６〜図９は、本実施形態に係る自励発振回路１０の発振状態の遷移を説明する図である。なお、図６〜図９において、符号ｙ１〜ｙ６が示す鎖線、一点鎖線、二点鎖線は、電流が流れる経路を表している。
【００５２】
自励発振回路１０の発振部１０１は、第１の基準電圧源ＶＡの電圧値に応じて、自励発振が開始される。発振が始まると、初期状態において、Ｍｃ１３のドレインとソースと間の電圧が０であり、このとき，Ｍｃ１３に電流は流れず、図６の符号ｙ１が示す一点鎖線のように、第１の基準電圧源ＶＡから、スイッチング素子Ｍｃ１２、コンデンサＣｇ１を介してコンデンサＣｍ１の向きに電流が流れる。
次に、第１の基準電圧源ＶＡから、スイッチング素子Ｍｃ１２、コンデンサＣｇ１を介してＣｍ１へ流れていた電流により、Ｃｍ１に電荷が蓄積される。そして、コンデンサＣｍ１の両端に、ある程度の電位差が生じると、Ｍｃ１３のドレインとソースと間の電圧が０でなくなるため、図７の符号ｙ２が示す一点鎖線のようにスイッチング素子Ｍｃ１３を介してグランドに電流が流れる。
【００５３】
また、第１の基準電圧源ＶＡからコンデンサＣｇ１へ電流が流れることにより、コンデンサＣｇ１に電荷が蓄積する。これにより、コンデンサＣｇ１の両端に生ずる電圧が、Ｍｃ１０のしきい値電圧より高くなると、図８に示したように、符号ｙ２が示す鎖線のように第１の基準電圧源ＶＡから、スイッチング素子Ｍｃ１２、コンデンサＣｇ１を介してスイッチング素子Ｍｃ１３を介してグランドに電流が流れ、または符号ｙ３が示す一点破線のように第１の基準電圧源ＶＡから、スイッチング素子Ｍｃ１０及びＭｃ１１を介してスイッチング素子Ｍｃ１３を介してグランドに電流が流れ、または符号ｙ３が示す一点破線のように第１の基準電圧源ＶＡから、スイッチング素子Ｍｃ１０及びＭｃ１１を介してコンデンサＣｍ１に電流が流れる。
【００５４】
ここで、自励発振回路１０における発振波形の振幅値は、スイッチング素子Ｍｃ１０とＭｃ１１との負性抵抗回路中のＰＭＯＳＦＥＴであるＭｃ１１のボディに印加された電圧値に依存する。
出力の振幅を決定するコンデンサＣｍ１にかかる電圧値がスイッチング素子Ｍｃ１１のボディに印加されている電圧源の電圧値ＶＤＤを超えると、スイッチング素子Ｍｃ１１のソースとボディとの接続がＰＮ接合の順方向接続になる。このため、コンデンサＣｍ１に蓄積されたエネルギーは、符号ｙ４の一点鎖線が示すようにスイッチング素子Ｍｃ１３を介してグランドに流れるだけではなく、符号ｙ５が示す破線のようにスイッチング素子Ｍｃ１１と電圧源ＶＤＤを介してグランドに流れる。また、符号ｙ６が示す二点鎖線のように、コンデンサＣｇ１に蓄積されたエネルギーは、スイッチング素子Ｍｃ１２、及び第１の基準電圧源ＶＡを介してグランドに流れる。
【００５５】
なお、図６〜図９では、自励発振回路１０に発振について説明したが、第１の他励発振回路２０−１〜第３の他励発振回路２０−３の発振における発振状態の遷移は同様である。ただし、第１の他励発振回路２０−１は、自励発振回路１０から供給された電流によって発振が励起され、第２の他励発振回路２０−２は、第１の他励発振回路２０−１から供給された電流によって発振が励起され、第３の他励発振回路２０−３は、第２の他励発振回路２０−２から供給された電流によって発振が励起される。
【００５６】
図１０は、本実施形態に係る自励発振回路１０を単体で発振させた場合の波形図である。図１０において、横軸は時刻、縦軸は電圧である。また、符号ｇ１が示す波形は、発振波形である。
図１０の符号ｇ１が示す波形のように、発振波形の周期は約０．４［ｕｓｅｃ］、周波数は約２．５［ＭＨｚ］である。また、発振波形のピーク電圧値は、約１．４［Ｖ］である。なお、発振周波数は、第１の基準電圧源ＶＡの電圧値、各スイッチング素子のサイズ、電圧源ＶＤＤの電圧値、コンデンサＣｇ１及びＣｍ１の容量に応じて、変化させることができる。また、出力の振幅は、コンデンサＣｍ１によって決定される。
【００５７】
自励発振回路１０の発振部１０１は、第１の基準電圧源ＶＡの電圧値が所定の電圧値であるとき発振が発生する。一方、第１の基準電圧源ＶＡの電圧値が所定の電圧値未満であるとき発振が発生しない。このため、第１の他励発振回路２０−１〜第３の他励発振回路２０−３の第２の基準電圧源ＶＡＳの電圧値は、第１の基準電圧源ＶＡの電圧値未満に設定される。
【００５８】
図１１は、本実施形態に係る低周波発振回路１の設定の一例を説明する図である。
図１１（Ａ）は、自励発振回路１０と第１の他励発振回路２０−１〜第３の他励発振回路２０−３における各スイッチング素子のアスペクト比の例を説明する図である。なお、図１１（Ａ）において、ｎ＝１は、自励発振回路１０におけるスイッチング素子のアスペクト比、ｎ＝２〜４は、第１の他励発振回路２０−１〜第３の他励発振回路２０−３におけるスイッチング素子のアスペクト比である。ここで、アスペクト比とは、幅Ｗと長さＬとの比である。また、図１１（Ｂ）において、ｎ＝１は、自励発振回路１０における各コンデンサ、ｎ＝２〜４は、第１の他励発振回路２０−１〜第３の他励発振回路２０−３における各コンデンサである。
図１１（Ａ）のように、スイッチング素子Ｍｃｎ０（ｎ＝１〜４）、Ｍｃｎ１、Ｍｃｎ２、Ｍｃｎ３、Ｍｓｎ０、Ｍｓｎ１、Ｍｓｎ２、Ｍｓｎ３、Ｍｅｎ０、Ｍｅｎ１、Ｍｅｎ２、Ｍｉｎそれぞれのアスペクト比は１０、１０、０．１、０．１４、２．２、２．２、０．０８８、１、２．３、２．３、１である。
図１１（Ａ）に示した例では、自励発振回路１０と第１の他励発振回路２０−１〜第３の他励発振回路２０−３におけるスイッチング素子のアスペクト比は等しい。
【００５９】
図１１（Ｂ）は、自励発振回路１０と第１の他励発振回路２０−１〜第３の他励発振回路２０−３における各コンデンサの容量の例を説明する図である。
図１１（Ｂ）のように、発振部１０１、２０１、２１１、２２１のコンデンサＣｇｎ及びコンデンサＣｍｎ、積分回路１０２、２０２、２１２、２２２のコンデンサＣｓｎそれぞれの容量は９００［ｆＦ］である。
図１１（Ｂ）に示した例では、自励発振回路１０と第１の他励発振回路２０−１〜第３の他励発振回路２０−３における各コンデンサＣｇｎ、Ｃｍｎ、Ｃｓｎ（ｎ＝１〜４）の容量はそれぞれ等しく、かつ９００［ｆＦ］と非常に小さな容量である。
【００６０】
図１１（Ｃ）は、自励発振回路１０と第１の他励発振回路２０−１〜第３の他励発振回路２０−３における各電源の電圧値の例を説明する図である。
図１１（Ｃ）のように、第１の基準電圧源ＶＡの電圧値は１．５［Ｖ］、第２の基準電圧源ＶＡＳの電圧値は０．６［Ｖ］、周波数調整電圧ＶＩＮＴの電圧値は０．１３［Ｖ］、電圧源ＶＤＤの電圧は１．８［Ｖ］である。
図１１（Ｃ）のように、自励発振回路１０における第１の基準電圧源ＶＡの電圧値は、第１の他励発振回路２０−１〜第３の他励発振回路２０−３における第２の基準電圧源ＶＡＳの電圧値よりも高い。
図１１の設定にした場合、第３の他励発振回路２０−３から得られる発振信号の周波数は、約６［Ｈｚ］である。すなわち、自励発振回路１０のみを発振して得られる発振周波数と比較して、非常に低い周波数の信号が得られている。
【００６１】
図１２は、図１１の設定時の自励発振回路１０の出力波形図である。図１３は、図１１の設定時の第１の他励発振回路２０−１の出力波形図である。図１４は、図１１の設定時の第２の他励発振回路２０−２の出力波形図である。図１５は、図１１の設定時の第３の他励発振回路２０−３の出力波形図である。図１２〜図１５において、横軸は時刻、縦軸は電圧である。
【００６２】
図１２の符号ｇ１１に示す波形のように、自励発振回路１０の発振波形は、第１の他励発振回路２０−１〜第３の他励発振回路２０−３によって抑制されたため、ピーク電圧値が約０．１［Ｖ］、周波数が約６［Ｈｚ］である。
【００６３】
ここで、図１０に示したように自励発振回路１０を単体で発振させた場合と、図１２に示したように自励発振回路１０に３個の他励発振回路２０を接続して発振させた場合との比較を行う。
図１０に示したように、自励発振回路１０を単体で発振させた場合の発振波形は、ピーク電圧値が約１．４［Ｖ］、周波数が約２．５「ＭＨｚ」である。一方、図１２に示した発振信号は、図１０の発振波形よりピーク電圧値が下がり、さらに周波数が低くなる。ピーク電圧値が下がり、周波数が低くなる理由は、自励発振回路１０が、第１の他励発振回路２０−１〜第３の他励発振回路２０−３の発振によって、発振に用いられるエネルギーである電流の供給が引き抜かれる、すなわち抑制されるためである。
このように、第１の他励発振回路２０−１〜第３の他励発振回路２０−３の発振によって電流が抑制されるため、自励発振回路１０の発振波形のピーク電圧値が下がる。これにより、発振部１０１から積分回路１０２に供給される電力が減少する。この結果、積分回路１０２のコンデンサＣｓ１に電荷が蓄積されるまで経過の時間が、単体で発振させたときよりも長い時間になる。例えば、図１２において、時刻が約２．５［ｓｅｃ］において、積分回路１０２の蓄積が完了し、電流供給部１０３のスイッチング素子Ｍｅ１０をオン状態になるように制御する。このタイミングで、スイッチング素子Ｍｅ１２を介して第１の他励発振回路２０−１に電流が供給される。そして、時刻が約２．５［ｓｅｃ］から時刻が約０．４［ｓｅｃ］の間、積分回路１０２は、コンデンサＣｓ１に電荷の蓄積を行う。
【００６４】
すなわち、本実施形態の低周波発振回路１において、自励発振回路１０は、第１の積分回路１０２によって蓄積された電荷の総量が所定の値になったタイミングで、当該自励発振回路１０に接続されている第１の他励発振回路２０−１に電流を供給し、他励発振回路（２０−１〜２０−３）は、第２の積分回路（２０２、２１２、２２２）によって蓄積された電荷の総量が所定の値になったタイミングで、発振信号の大きさに応じて、自励発振回路１０に供給される電流を抑制する。
【００６５】
このような動作によって、本実施形態では、単体で発振させた場合と比較して、自励発振回路１０の発振波形のピーク電圧値が下がり、かつ発振波形の周波数が低くなる。そして、周波数の低くなった電流が、後段の各他励発振回路２０に供給されるため、最終段の第３の他励発振回路２０−３から、低周波の発振信号を得ることができる。
また、このような構成によって、本実施形態では、自励発振回路１０に接続される他励発振回路２０の個数が増える程、自励発振回路１０から電流が引き抜かれる、すなわち抑制される。このため、自励発振回路１０に接続される他励発振回路２０の個数が増える程、図１２を用いて説明したように、積分回路１０２における積分時間が長くなり、他励発振回路２０に電流が供給される間隔が長くなる。すなわち、本実施形態では、自励発振回路１０に接続される他励発振回路２０の個数が増える程、発振信号の周波数を低くすることができる。
【００６６】
次に、図１３の符号ｇ１２に示す波形のように、第１の他励発振回路２０−１の発振波形は、ピーク電圧値が約０．４［Ｖ］、周波数が約６［Ｈｚ］である。このように、第１の他励発振回路２０−１の発振波形の周波数は、自励発振回路１０の発振波形の周波数と同じである。しかしながら、ピーク電圧値は、自励発振回路１０のピーク電圧値の約４倍になっている。ただし、ピーク電圧値が０．４［Ｖ］が維持される期間は短い。
【００６７】
次に、図１４の符号ｇ１３に示す波形のように、第２の他励発振回路２０−２の発振波形は、ピーク電圧値が約１．８［Ｖ］、周波数が約６［Ｈｚ］である。このように、第２の他励発振回路２０−２の発振波形の周波数は、自励発振回路１０の発振波形の周波数と同じである。しかしながら、ピーク電圧値は、第１の他励発振回路２０−１のピーク電圧値の約４．５倍になっている。なお、図１１（Ｃ）に示したように、図１２〜図１４の波形は、低周波発振回路１に供給される電圧源ＶＤＤの電圧値が１．８［Ｖ］の場合であるため、ピーク電圧値が１．８［Ｖ］でクランプされている状態である。このため、発振によって発生したエネルギーは、時刻方向に広がっている。このため、第２の他励発振回路２０−２において、ピーク電圧値が１．８［Ｖ］になっている期間は、約０．０７［ｓｅｃ］に広がっている。
【００６８】
次に、図１５の符号ｇ１４に示す波形のように、第３の他励発振回路２０−３の発振波形は、ピーク電圧値が約１．８［Ｖ］、周波数が約６［Ｈｚ］である。第２の他励発振回路２０−２と同様にピーク電圧値が１．８［Ｖ］でクランプされている状態である。このため、発振によって発生したエネルギーは、時刻方向にさらに広がっている。このため、第３の他励発振回路２０−３において、ピーク電圧値が１．８［Ｖ］になっている期間は、約０．３５［ｓｅｃ］に広がっている。
【００６９】
なお、図１１の設定であっても、自励発振回路１０と第１の他励発振回路２０−１〜第２の他励発振回路２０−２とによる３段構成では、図１４の符号ｇ１３に示した波形は得られない。この場合、第２の他励発振回路２０−２から得られる発振信号の周波数は、６「Ｈｚ」ではなく、高い周波数となる。この理由は、第３の他励発振回路２０−３が接続されていない場合、自励発振回路１０への抑制量が減少するためである。この結果、自励発振回路１０の発振信号の周波数が６［Ｈｚ］にはならず、例えば数１０［Ｈｚ］の発振信号となる。
【００７０】
一方、さらに低周波の発振信号が必要な場合、第３の他励発振回路２０−３の後段に、さらに他励発振回路２０を接続していくことで、例えば０．１［Ｈｚ］〜１［Ｈｚ］程度の周波数を得ることも可能である。この場合、図１１に示した設定を、さらに変更するようにしてもよい。
【００７１】
以上のように、本実施形態の低周波発振回路１は、電流が供給されることで自励発振を行う自励発振回路１０と、自励発振回路１０から供給される信号に応じて発振が励起される他励発振回路（第１の他励発振回路２０−１）と、を備え、他励発振回路（第１の他励発振回路２０−１）は、発振信号の大きさに応じて、自励発振回路１０に供給される電流を抑制し、自励発振回路１０は、他励発振回路（第１の他励発振回路２０−１）によって電流が抑制される結果、当該自励発振回路１０が単体で自励発振を行うときより低い周波数の自励発振を行う。
【００７２】
この構成によって、本実施形態の低周波発振回路１によれば、他励発振回路２０を多段接続することで、自励発振回路１０を抑圧して低周波の発振信号を得ることができる。そして、本実施形態によれば、図１１のように使用するコンデンサの容量が、例えば９００［ｆＦ］と非常に小さいため、集積回路上に低周波発振回路１を形成することができる。
【００７３】
低周波発振回路１において、発振周波数を決定している要素は、図１１に示したように、第１の基準電圧源ＶＡの電圧値、第２の基準電圧源ＶＡＳの電圧値、電圧源ＶＤＤの電圧値、周波数調整電圧ＶＩＮＴの電圧値、積分回路１０２、２０２、２０３のコンデンサＣｓｎ（ｎ＝１〜４）の容量、各スイッチング素子のアスペクト比等である。
【００７４】
ここで、図１１に示した設定において、周波数調整電圧ＶＩＮＴの電圧値のみを変更した場合の周波数について説明する。また、参考として、積分回路１０２、２０２、２０３のコンデンサＣｓｎがある場合と無い場合についても、比較例として説明する。
【００７５】
図１６は、図２の低周波発振回路１が積分回路１０２、２０２、２０３のコンデンサＣｓｎを有しない場合の発振周波数の例を説明する図である。図１７は、図２の低周波発振回路１が積分回路１０２、２０２、２０３のコンデンサＣｓｎを有する場合の発振周波数の例を説明する図である。なお、図１６〜図１７において、２段とは、自励発振回路１０と第１の他励発振回路２０−１とによる２段構成を表し、３段とは、自励発振回路１０と第１の他励発振回路２０−１〜第２の他励発振回路２０−２とによる３段構成を表し、４段とは、自励発振回路１０と第１の他励発振回路２０−１〜第３の他励発振回路２０−３とによる４段構成を表している。
【００７６】
図１６のように、積分回路１０２、２０２、２０３がコンデンサＣｓｎを有していず、周波数調整電圧ＶＩＮＴが０．２［Ｖ］の場合、得られる発振周波数は、２段構成では６．１［ｋＨｚ］、３段構成では２．７［ｋＨｚ］、４段構成では２［ｋＨｚ］である。他励発振回路２０の段数を増加することで、発振周波数が下がるが、ｋＨｚオーダーである。また、周波数調整電圧ＶＩＮＴが０．８［Ｖ］の場合、得られる発振周波数は、２段構成では６７６［ｋＨｚ］、３段構成では３１２［ｋＨｚ］、４段構成では２１５［ｋＨｚ］である。すなわち、周波数調整電圧ＶＩＮＴが低い方が高い電圧の場合よりも低い周波数が得られる。
【００７７】
図１７のように、積分回路１０２、２０２、２０３がコンデンサＣｓｎを有し、周波数調整電圧ＶＩＮＴが０．２［Ｖ］の場合、得られる発振周波数は、２段構成では１８１［Ｈｚ］、３段構成では８０［ｋＨｚ］、４段構成では５１．７［Ｈｚ］である。このように、積分回路１０２、２０２、２０３のコンデンサＣｓｎによって積分が行われることで、コンデンサＣｓｎを有しない場合と比較して、発振周波数は、約１／３０〜１／４０に下がっている。また、周波数調整電圧ＶＩＮＴが０．８［Ｖ］の場合、得られる発振周波数は、２段構成では３０３［ｋＨｚ］、３段構成では１６４［ｋＨｚ］、４段構成では１１１［ｋＨｚ］である。コンデンサＣｓｎを有する構成であっても、周波数調整電圧ＶＩＮＴが低い方が高い電圧の場合よりも低い周波数が得られる。
このように、周波数調整電圧ＶＩＮＴを変更することで、出力される周波数を変更することができる。低周波発振回路１の設計者は、目的の周波数に応じた周波数調整電圧ＶＩＮＴを、例えば、シミュレーションや実験によって、予め決定することができる。
【００７８】
本実施形態の低周波発振回路１は、例えば０．１Ｈｚ〜０．５Ｈｚの低周波信号を、容量の大きなコンデンサ等を用いずに集積化したＩＣ、ＬＳＩで精度良く生成できる。このようなＩＣやＬＳＩは人型のロボットの制御、及び心拍計や血圧計などの医療機器等に広く適用できる。
【符号の説明】
【００７９】
１…低周波発振回路、１０…自励発振回路、２０、２０−１〜２０−３…他励発振回路、４０…電流源、１０１、２０１、２１１、２２１…発振部、１０２、２０２、２１２、２２２…積分回路、１０３、２０３、２１３…電流供給回路、２０４、２１４、２２４…電流引抜部
【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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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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