발진 방법 및 발진 회로

발진 방법 및 발진 회로 {OSCILLATION METHOD AND OSCILLATION CIRCUIT}

본 발명은 발진 방법 및 발진 회로에 관한 것이다.

인버터를 홀수개 접속하여 폐회로를 구성한 것은 발진기가 된다. 이러한 회로는 링 발진기로서 일반적으로 알려져 있다.

또한, 특허 문헌 1에는, 보다 높은 발진 주파수를 실현하기 위한 링 발진기가 개시되어 있다.

특허 문헌 1의 링 발진기는, 4개의 인버터(짝수개의 인버터)로 이루어지는 4각형상의 메인 루프 회로에, 3개의 인버터(홀수개의 인버터)로 이루어지는 삼각형상의 루프 회로를, 여기(勵起) 회로로서 복수개 설치하는 구성을 채용하고 있다.

특허 문헌 2에는, 3개의 인버터로 이루어지는 링형상의 메인 링이 복수개 설치되고, 복수의 인버터가 링형상으로 접속된 위상 결합 링이 설치되고, 각 메인 링의 접속 노드가, 각각 위상 결합 링의 상이한 제2 접속 노드에 접속되고, 위상 결합 링의 제2 접속 노드간이, 제2 위상 결합 소자인 저항에 의해 접속된 발진 회로가 기재되어 있다.

상술한 종래의 발진기는, 단순한 펄스파를 발진하는 것이었다. 그러나, 본 발명자 등은, 산이 적어도 2개 더 있는 볼록형상(계단형상) 펄스파의 생성을 검토해야 한다고 생각했다. 예를 들면 산이 2단계로 되어 있는 볼록형상의 펄스파에는, 펄스파의 최대치와 중간치와 최저치가 생성되는데, 본 발명자 등은, 중간치를 0으로 간주함으로써 ＋와 －의 연산을 용이하게 행할 수 있다는 것에 도달했다. 즉, 종래의 펄스파를 이용하여, 어떠한 연산을 행하고자 하는 경우에는, －의 값에는 보수(補數)를 취할 필요가 있지만, 볼록 형상의 펄스파를 이용함으로써 직접적으로 －의 값을 연산 가능해지는 것이다.

여기서, 본 발명은, 상기 과제를 해결하기 위해 이루어지고, 그 목적으로 하는 것은, 볼록형상의 펄스파의 생성이 가능한 발진 방법 및 발진 회로를 제공하는 것에 있다.

본 발명에 관련된 발진 방법에 의하면, MOSFET를 복수개 링형상으로 접속한 발진 회로를 이용한 발진 방법으로서, MOSFET의 구동 전원의 GND가 아니라 각 MOSFET끼리의 접속 회선 중의 일부에 GND를 취하고, GND를 취한 개소로부터 홀수개의 MOSFET를 접속한 곳의 접속 회선으로부터 프로브를 취하여, 프로브와 GND의 사이에서 발진 파형을 얻는 것을 특징으로 하고 있다.

이 방법에 의하면, 볼록형상의 펄스파의 생성이 가능하다.

또한, 본 발명에 관련된 발진 회로에 의하면, 3개의 인버터가 링 형상으로 접속된 6개의 소회로를 구비하고, 소회로 중 한쪽의 3개는, 전류가 시계방향으로 흐르도록 되어 있는 인버터의 접속 구성이며, 소회로 중 다른쪽의 3개는, 전류가 반시계방향으로 흐르도록 되어 있는 인버터의 접속 구성이며, 이들 6개의 소회로를, 각 소회로 중 어느 1개의 인버터가 육각형이 되도록 접속되고, 접속된 육각형의 꼭지점은, 소회로를 구성하는 인버터가 애노드끼리, 캐소드끼리 접속되고, 캐소드끼리 접속된 육각형의 3개의 꼭지점의 각각에, 인버터의 애노드가 접속되고, 3개의 꼭지점에 접속된 각 인버터의 캐소드가 1점에 접속되는 캐소드 중점(中點)을 가지는 제1 성형(星形) 회로를 구비하고, 3개의 인버터가 링 형상으로 접속된 6개의 소회로를 구비하고, 소회로 중 한쪽의 3개는, 전류가 시계방향으로 흐르도록 되어 있는 인버터의 접속 구성이며, 소회로 중 다른쪽의 3개는, 전류가 반시계방향으로 흐르도록 되어 있는 인버터의 접속 구성이며, 이들 6개의 소회로를, 각 소회로 중 어느 1개의 인버터가 육각형이 되도록 접속되고, 접속된 육각형의 꼭지점은, 소회로를 구성하는 인버터가 애노드끼리, 캐소드끼리 접속되고, 애노드끼리 접속된 육각형의 3개의 꼭지점의 각각에, 인버터의 캐소드가 접속되고, 3개의 꼭지점에 접속된 각 인버터의 애노드가 1점에 접속되는 애노드 중점을 가지는 제2 성형 회로를 구비하고, 제1 성형 회로의 소회로 2개와, 제2 성형 회로의 소회로 2개는 공유되고, 제1 성형 회로와 제2 성형 회로가 결합된 병렬 성형 회로를 구비하고, 병렬 성형 회로는 각각 동일한 구성인, 제1 병렬 성형 회로와, 제2 병렬 성형 회로와, 제3 병렬 성형 회로의 3개가 접속되어 있는 것을 특징으로 하고 있다.

이 구성을 채용함으로써, 3개 병렬 성형 회로 중 어느 하나의 애노드 중점과, 이 애노드 중점의 주위에 구성되어 있는 소회로 중 어느 하나의 꼭지점의 사이에서, 2단의 계단형상의 펄스파가 생성된다.

본 발명의 발진 방법 및 발진 회로에 의하면, 볼록 형상의 펄스파를 출력할 수 있다.

도 1은 본 발명에 관련된 발진 방법에 대하여 설명하는 설명도이다.
도 2는 도 1에 있어서의 프로브(P)로 얻어지는 파형이다.
도 3은 도 1에 있어서의 프로브(Q)로 얻어지는 파형이다.
도 4는 도 1에 있어서의 프로브(S)로 얻어지는 파형이다.
도 5는 도 1에 있어서의 프로브(R)로 얻어지는 파형이다.
도 6은 본 발명에 관련된 발진 회로의 실시 형태를 설명하는 개략도이다.
도 7은 측정 포인트를 나타내는 설명도이다.
도 8은 실제로 측정한 파형을 나타내는 설명도이다.

우선, 본 실시 형태의 발진 방법에 대하여 설명한다.

MOSFET를 링 형상으로 접속한 링 발진기 그 자체는 종래부터 알려져 있는데, 본 실시 형태에서는, 파형을 출력하는 개소를 어디부터 취할지에 특징을 가지고 있다.

도 1에, 본 실시 형태의 발진 방법에 이용하는 회로와, 그 발진 방법을 나타내고 있다. 도 1에 나타내는 실시 형태에서는, 9개의 MOSFET를 링 형상으로 접속하고 있다. 여기에서는, MOSFET로서, MOSFET의 인버터가 집적되어 있는 르네사스 일렉트로닉스 주식회사의 HD74HC14P를 이용했다.

도 1에서는, 전원 회로에 대해서는 도시하고 있지 않지만, 직류 1.4V를 HD74HC14P의 전원 단자(Vcc)와, 전원 단자(Vcc)의 GND 사이에 인가하고 있다.

도 1에 있어서의 9개 직렬로 접속한 인버터의 맨위의 인버터(1) 애노드에 프로브의 GND를 취한다. 그리고, GND를 취한 인버터(1)로부터 3개째의 인버터(3)의 캐소드에 프로브를 취한다. 이 인버터(3)로부터 출력되는 파형을 P로 한다.

또한, GND를 취한 인버터(1)로부터 5개째의 인버터(5)의 캐소드에 프로브를 취한다. 이 인버터(5)로부터 출력되는 파형을 Q로 한다.

또한, GND를 취한 인버터(1)로부터 7개째의 인버터(7)의 캐소드에 프로브를 취한다. 이 인버터(7)로부터 출력되는 파형을 S로 한다.

또한, GND를 취한 인버터(1)로부터 8개째의 인버터(8)의 캐소드에 프로브를 취한다. 이 인버터(8)로부터 출력되는 파형을 R로 한다.

도 2에는, 3개의 인버터에 의해서 발진한 파형 P를 나타낸다. 이 파형을 보면, 2단계로 산이 형성된 파형이 반복되고 있다. 따라서, 이러한 출력 파형은, 산이 2단계로 되어 있는 볼록 형상의 파형이라고 할 수 있다.

도 3에는, 5개의 인버터에 의해서 발진한 파형 Q를 나타낸다. 이 파형을 보면, 2단계로 산이 형성된 파형이 반복되고 있다. 따라서, 이러한 출력 파형은, 산이 2단계로 되어 있는 볼록형상의 파형이라고 할 수 있다.

도 4에는, 7개의 인버터에 의해서 발진한 파형 S를 나타낸다. 이 파형도, 도 2, 도 3과는 시간축 방향(횡축)의 길이의 밸런스가 다를뿐이고, 도 2, 도 3과 마찬가지로 산이 2단계로 되어 있는 볼록형상의 파형이라고 할 수 있다.

도 5에는, 8개의 인버터에 의해서 발진한 파형 R을 나타낸다. 일반적으로는, 짝수개의 인버터를 링 접속해도 발진하지 않지만, 본 실시 형태에서는 발진 파형이 얻어진다.

또한, 도 2~도 5에 나타낸 발진 파형 모두, 발진 파장이 1960nsec이다(즉, 발진 주파수는, 510.204081 kHz). 또한, 발진 파장의 1960은 7×7×40이며 7의 배수이다.

이와 같이, 볼록형상의 발진 파형이 얻어짐으로써, 장래적으로 이러한 파형을 이용한 연산 등이 용이하게 행해지는 것을 기대할 수 있다.

또한, 도 3에 나타낸 발진 파형은, 타 도면의 발진 파형과 비교하면 가장 볼록 형상의 밸런스가 좋다. 따라서, 본원 발명의 목적으로 하는 볼록형의 파형을 얻기 위해서는 5개의 인버터에 의해서 발진시키는 것이 바람직하다고 할 수 있다.

후술하는 성형 회로에 있어서도, 어느 하나의 애노드로부터 캐소드 중점에 이를 때에 홀수개의 인버터를 통과하는 최단 경로는 5개의 인버터를 통과하는 경우이며, 애노드 중점으로부터 어느 하나의 캐소드에 이를 때에 홀수개의 인버터를 통과하는 최단 경로는 5개의 인버터를 통과하는 경우이다. 즉, 후술하는 발진 회로는, 상술한 발진 방법을 응용한 것으로 생각할 수 있다.

다음에, 발진 회로의 실시 형태에 대하여 설명한다.

본 발명에 관련된 발진 회로는, 인버터를 복수 접속하여 구성되어 있다. 우선, 전체 구성을 설명하고, 서서히 상세한 구성을 설명한다.

본 실시 형태의 발진 회로(30)는, 도 6에 도시하는 바와 같이, 2개의 성형 회로(34, 36)를 평면적으로 접속한 병렬 성형 회로(32)를 3개 구비하고 있고, 각각 부호 32A, 32B, 32C로서 도시하고 있다.

이들 3개의 병렬 성형 회로(32A, 32B, 32C)는, 각각 동일한 구성이다. 각 병렬 성형 회로(32A, 32B, 32C)는, 2개의 상이한 성형 회로(34, 36)가 일부 중첩되어(겹쳐져) 구성되어 있다.

각 병렬 성형 회로(32A, 32B, 32C)를 구성하는 2개의 성형 회로는, 상기와 같이 2종류 있고, 중심을 향하여 전류가 흐르는 방향의 것(부호 36), 중심으로부터 전류가 주위 방향으로 흐르는 것(부호 34)이다.

부호 36의 성형 회로(36)의 중심은, 3개의 인버터의 캐소드가 1점에 접속되어 있고, 이하 캐소드 중점 K로 칭한다. 또한, 부호 34의 성형 회로의 중심은, 3개의 애노드가 1점에 접속되어 있고, 이하 애노드 중점 A로 칭한다.

3개의 병렬 성형 회로(32A, 32B, 32C)는, 전기적으로 접속되어 있다. 구체적으로는, 병렬 성형 회로(32A)의 애노드 중점 A와, 병렬 성형 회로(32B)의 캐소드 중점 K가 접속되어 있다. 또한, 병렬 성형 회로(32A)의 캐소드 중점 K와, 병렬 성형 회로(32C)의 애노드 중점 A가 접속되어 있다. 또한, 병렬 성형 회로(32C)의 캐소드 중점 K와, 병렬 성형 회로(32B)의 애노드 중점 A가 접속되어 있다.

또한, 도 6에서, 각 병렬 성형 회로(32A, 32B, 32C)의 접속 배선은 파선으로 도시하고 있다.

도면에서는, 3개의 병렬 성형 회로(32A, 32B, 32C)를 평면 상에 배치시킨 것을 나타내고 있는데, 각 병렬 성형 회로(32A, 32B, 32C)는 상기와 같은 전기적인 접속이 이루어져 있기만 하면 되고, 특히 배치 방법에 대해서는 어떠한 것이어도 된다.

다음에, 병렬 성형 회로의 구성에 대하여 설명한다.

각 병렬 성형 회로(32A, 32B, 32G)는, 2개의 성형 회로가 일부 인버터를 공유하여 구성된 2개의 성형 회로(34, 36)를 가지고 있다.

각 성형 회로(34, 36)는, 3개의 인버터가 링 형상으로 접속된 소회로(20)를 6개 가지고 있다. 각 소회로(20)는, 인버터의 방향이 일정하고, 소회로 1개로 링 발진기를 구성하는 것도 가능하다.

각 소회로(20)는, 3개의 인버터를 사용하여 삼각 형상으로 되어 있는데, 3개의 인버터가 평면 상에 배치되었을 때에 평면에서 본 경우에 있어서, 전류가 시계방향으로 흐르는 구성인지, 반시계방향으로 흐르는 구성인지의 상위에 따라, 2종류의 구성이 있다.

또한, 2종류라고 해도, 표리를 뒤집음으로써, 인버터의 방향은 반대 방향을 향하도록 할 수 있으므로, 실질적으로 2종류 있는 것은 아니다. 즉, 복수의 소회로(20)를 접속할 때에 어떠한 방향으로 접속하는지에 상위가 있다.

성형 회로(34, 36)는, 6개의 소회로를 접속하여 구성되어 있다. 소회로(20)를 구성하는 3개의 인버터 중 1개의 인버터끼리 링 형상으로 접속함으로써, 성형 회로(34, 36)의 외주 부분의 육각형이 구성되어 있다.

또한, 각 성형 회로(34, 36)에서는, 외주 부분을 구성하는 6개의 소회로(20)는, 전류가 흐르는 방향이 교호로 역방향이 되도록 접속되어 있다. 즉, 전류가 시계방향으로 흐르는 구성의 소회로(20a)의 양옆은 전류가 반시계방향으로 흐르는 구성의 소회로(20b)가 접속되어 있고, 전류가 반시계방향으로 흐르는 구성의 소회로(20b)의 양옆은 전류가 시계방향으로 흐르는 구성의 소회로(20a)가 접속되어 있다.

또한, 성형 회로 중, 상술한 애노드 중점 A를 가지는 성형 회로(34)는, 6개의 소회로가 구성하는 육각형의 꼭지점 중 애노드끼리 접속되어 있는 3개소의 접속 부분(a1)으로부터, 중심 방향을 향하여, 인버터의 캐소드가 접속되어 있다.

성형 회로(34)의 외주 부분의 육각형을 구성하는 인버터는, 서로 틀리게 방향이 다르도록 접속되어 있으므로, 애노드끼리 접속되어 있는 접속 부분(a1)은 3개소이다. 따라서, 애노드끼리 접속되어 있는 접속 부분으로부터 중심 방향을 향해서 설치된 인버터는 3개이다. 이 3개의 인버터의 애노드가 1점에 접속되어 애노드 중점 A를 구성한다.

또한, 성형 회로 중, 상술한 캐소드 중점 K를 가지는 성형 회로(36)는, 6개의 소회로가 구성하는 육각형의 꼭지점 중 캐소드끼리 접속되어 있는 접속 부분(k1)으로부터 중심 방향을 향하여, 인버터의 애노드가 접속되어 있다.

성형 회로(36)의 외주 부분의 육각형을 구성하는 인버터는, 서로 틀리게 방향이 다르도록 접속되어 있으므로, 캐소드끼리 접속되어 있는 접속 부분(k1)은 3개소이다. 따라서, 캐소드끼리 접속되어 있는 접속 부분으로부터 중심 방향을 향해서 설치된 인버터는 3개이다. 이 3개의 인버터의 캐소드가 1점에 접속되어 캐소드 중점(K)을 구성한다.

애노드 중점 A를 가지는 성형 회로(34)와, 캐소드 중점 K를 가지는 성형 회로(36)는, 2개의 소회로(20a, 20b)를 공유하여 접속되어 있다. 또한, 공유 부분에 있어서는, 성형 회로(34)의 애노드 중점 A를 구성하는 인버터의 캐소드와, 성형 회로(36)의 캐소드 중점 K를 구성하는 인버터의 애노드가 접속되어 있다. 따라서, 1개의 병렬 성형 회로에 있어서, 성형 회로(34)의 애노드 중점 A와 성형 회로(36)의 캐소드 중점 K는 최단으로 2개의 인버터로 접속되게 된다.

본 실시 형태의 발진 회로는, 3개의 병렬 성형 회로(32A, 32B, 32C)를, 어느 1개의 캐소드 중점 K와 다른 병렬 성형 회로의 애노드 중점 A를 접속하고, 이 애노드 중점 A를 가지는 병렬 성형 회로의 캐소드 중점 K를 또 다른 병렬 성형 회로의 애노드 중점 A에 접속하고, 이 애노드 중점 A를 가지는 병렬 성형 회로의 캐소드 중점을 최초의 병렬 성형 회로의 애노드 중점 A에 접속하고 있다.

그리고, 도 7에 나타내는 바와 같이, 이 발진 회로의, 어느 하나의 병렬 성형 회로의 애노드 중점 A에 그라운드를 취한다. 프로브를 취하는 장소는, 그라운드를 취한 개소 이외의 어느 하나의 병렬 성형 회로의 애노드 중점 A 또는 캐소드 중점 K이다. 그러면, 볼록 형상의 파형이 출력된다.

(실시예)

실제로, 본 실시 형태의 발진 회로를 제작하여, 파형의 취득을 시도했다.

인버터는 르네사스 일렉트로닉스 주식회사의 HD74HC14P를 이용하여, 이를 도 2에 나타낸 회로 구성이 되도록 접속했다. HD74HC14P로의 공급 전압은 직류 1.202V로 했다.

측정 기기는, 애질런트 테크놀로지 사의 U1600B를 채용했다. 이는 핸드헬드형의 측정기이다.

도 8에 나타내는 바와 같이, 이 발진 회로에서는, 파장이 56μsec이고, 최고치, 중간치, 최저치의 3개의 값이 순서대로 반복하여 나타나는 계단형상의 파형이 출력되었다. 발진 파장이 56μsec이므로, 주파수로는 17857.142857Hz이다.

또한, 도 8에 나타난 발진 파장의 56도 7×8로 7의 배수이다. 도 2~도 5에 나타낸 파형도 그 파장은 7의 배수이다. 이와 같이, 본 발명에 관련된 발진 방법 및 발진 회로에 의하면, 7의 배수가 되는 발진 파형이 얻어지는 것이 명확해졌다.

여기서 특필해야 할 것은, 출력 파형의 측정 포인트를 취하는 방법이다. 이번 발진 회로에서는, GND를 어느 하나의 병렬 성형 회로의 애노드 중점 또는 캐소드 중점으로부터 취하도록 하고 있다. 또한, 전원 회로의 GND는 병렬 성형 회로의 애노드 중점 또는 캐소드 중점에는 접속되어 있지 않다. 이 때문에, 도 8에 나타내는 특징적인 파형이 생성되는 것으로 생각할 수 있다.

20 : 소회로 30 : 발진 회로
32A, 32B, 32C : 병렬 성형 회로
34, 36 : 성형 회로 A : 애노드 중점
K : 캐소드 중점