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セイコーインスツルは、新しい市場創出に向けた取り組みを行っております。その一環として、ルネサス エレクトロニクス様とのコラボレーション強化によるスタンバイ動作における待機電力の大幅な削減に寄与すべく、32kHz水晶発振回路の自己消費電流低減のためのソリューションを展開して参りました。
特に電池で駆動するさまざまな電子機器市場をターゲットに、今後益々重要な課題となってくる電池の長寿命・長時間化に関する弊社の技術的な取り組み（低CL発振子・ソリューション）をご紹介させて頂きます。
超低消費電力マイコン専用の低CL発振子のご紹介
音叉水晶振動子を用いたRTC（リアル・タイム・クロック）機能によるスタンバイ動作時の待機電力削減目標を少なくとも32kHz水晶発振回路の自己消費電流0.1μA以下とすることで、電池の長時間化（10年以上）に寄与できると考えております。（ 待機電流＝32kHz発振＋RTC＋etc < 0.7μA ）
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電池がその寿命の間に電子回路に供給できる電気量Qが２００ｍAｈである場合、電池の寿命を１０年以上持たせるためには、電子回路の待機電流と動作時の平均消費電流の和が、２００ｍAｈ/８７６００ｈ＝２.３μAよりも少なくなければ実現されません。
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待機電力とは、電源を切ってもコンセント（あるいは電池）につないでいるだけで、わずかに消費している電気の事です。リモコン待ち受け、時計などの機能が生きている、あるいは待機している時に定常的に消費する電力と云えます。テレビのリモコン指示待ちをする様な家電や電子レンジのデジタル表示などがそれです。
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発振とは、電子回路（水晶発振器）が外部から振動エネルギを受けることなく自立的振動を起こし、かつ持続的振動を行う現象です。一方、共振（固体、電気）や共鳴（音、分子結合）は、古代から知られた現象で小さな力でより大きな効果が得られますが、外部から加わる振動エネルギの授受に限界がないと振動の大きさは破壊するまで増大するので大変厄介な相手（制御が難しい）かも知れません。人間社会では共感ということばがそれに当たるでしょう。
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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。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。
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前回の低消費電力技術の紹介に引き続き、負帰還抵抗Rfで構成されるCMOS増幅回路の消費電力PACについて紹介いたします。CMOSに於ける動作時に消費される電力には、負荷容量の充放電の際に消費される電力Pcdがあります。それとは別に入力電圧の変化により、CMOSインバータを構成するPMOSとNMOS両方が半導通状態となり電源VddからGNDへ過渡的に貫通電流が流れて消費される電力Pdpがある。＜PAC＝Pcd＋Pdp(μW)＞
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発振器の原理についてもう少し詳しく紹介します。帰還回路（移相器）を有する反転増幅器で構成された帰還増幅器は図１に示すとおりです。帰還増幅器が安定に発振持続するには、帰還回路の損失分を何らかの方法で補わなければ入力信号は減衰してしまいます。その為に増幅率Aと帰還率（減衰率）βの積、すなわち発振利得が１以上必要とし、発振性能を左右する極めて重要なファクタとなる。＜ ループゲインG=A×β>１ ＞
典型的な帰還増幅器（コルピッツ回路）を図２に示します。LC発振回路と水晶発振回路を比較すれば、水晶振動子はコイルと等価な働きをしていることがわかります。 ...もっと読む
典型的な帰還増幅器（コルピッツ回路）を図２に示します。LC発振回路と水晶発振回路を比較すれば、水晶振動子はコイルと等価な働きをしていることがわかります。 ...もっと読む
電界効果トランジスタを用いた増幅回路では、電圧増幅率は負荷抵抗の値に比例する性質があります。このときの比例定数を相互コンダクタンスといい、gmの記号で表します。相互コンダクタンスが大きい増幅素子ほど高い増幅率が得やすくなり、相互コンダクタンスｇmは増幅素子の電流制御能力を示す値とも云えます。
弊社が取り組むテーマは、如何にして『発振性能の確保と相互コンダクタンスの極小な増幅素子の両立』を図るかと言い換える事もできます。 ...もっと読む
弊社が取り組むテーマは、如何にして『発振性能の確保と相互コンダクタンスの極小な増幅素子の両立』を図るかと言い換える事もできます。 ...もっと読む
SIIの低CL発振子は、超低消費電力マイコンの待機電力削減に向けた更なる展開を図っています。 お客様のご期待に応えるべく、当初の目標値である待機電流 ０.７μA以下の早期実現を目指しています。負荷容量 ３.７pFを用いて、低CL発振器の消費電流低減効果を確認する実証実験を行っています。 消費電流は予想通り ０.１μA以下は十分可能であることが実証され、良好な特性結果が得られましたのでご紹介致します。２０１０年度の待機電流低減 ０.７μA以下に向けて、マイコンメーカー様と共に今後も取り組んで参ります。
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発振余裕度（発振利得）は、発振性能を左右する極めて重要なファクタであり、相互コンダクタンスは増幅素子の電流制御能力を示す値です。そして、発振余裕度Mと相互コンダクタンスｇmには、次式の関係が成立ちます。着目すべきは、ｇmの値が例え小さくとも、小さな負荷容量CLで発振する『低CL発振子』を使えば、Mは容易に改善できるということです。例えMがR1maxの1.1倍であったとしても、CLを1/4にすれば約８倍の効果を齎す。
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負荷容量が小さくなると、水晶振動子の周波数感度は高くなり、製品基板上での周波数マッチング調整に、より高度なテクニックが要求されます。しかし、チューニングする際の行為は、外部容量Cextを用いてゲート容量Cg(pF)、ドレイン容量Cd(pF）にて調整することに変わりはありません。もし、製品基板上の回路に浮遊容量がなければ、話は非常に簡単で、回路の負荷容量CLは外部容量Cext＝Cg×Cd／（Cg+Cd)に等しく、机上のシミュレーションで事足りる。当然のことながら相互コンダクタンスgmが分かれば発振性能も一瞬にして完結し、何の苦労もなくなります。だが、現実はそんなに甘くはありません。見えざる浮遊容量の総和Csは発振性能に影響を与える存在だからです。残念ながらCsを事前に予測し見積るなど容易なことではございません。
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Low-CLテクノロジは線形代数幾何学として論ずる新発振論です。『数』をテーマにあらゆる定理を展開しています。低CLを構成する２つの有理数3.7と4.4は、最初の素数２の平方根との間に密接な関係式で繋がっています。
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RL78/G13 Stick スタータキット ユーザーズ・マニュアルおよびRL78/G13プロモーション・ボードをお持ちの方、必見です。低消費電力動作（HALT,STOP,SNOOZEモード）デモンストレーションで実際に消費電流が見られます。ボード上のJ3に電流計を接続することでマイコンの消費電流が測定可能だそうです。STOPモードでRTCが動作します。Low-CL用発振子（SSP-T7-FL)採用XT1発振は、超低消費発振モード（0.18μA)で、CPUのサブシステムクロック源としてもマイコンへ安定的に供給することができます。
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- 0. SIIの低ＣＬワールドへようこそ ！！ ( 2009/07/06 )
- 1. 電池の寿命とは ( 2009/07/06 )
- 2. 待機電力とは ( 2009/07/06 )
- 3. 発振の起源とは ( 2009/07/06 )
- 4. 32kHz水晶発振器の低消費電力技術の紹介 ( 2009/07/17 )
- 5. 増幅回路の消費電力 ( 2009/08/31 )
- 6. 発振利得（ループゲイン）と発振余裕度 ( 2009/09/17 )
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- 8. 低CL水晶発振器の省電力実証実験【特集】 ( 2009/11/06 )
- 9. 発振余裕度と発振起動時間の強い相関性 ( 2009/12/03 )
- 10. 低CL発振子の周波数感度 ( 2010/01/05 )
- 11. 低CL(Low-CL)テクノロジのご紹介 ( 2011/08/03 )
- 12．Low-CLテクノロジ採用マイコン「RL78/G13」の待機電流の事例紹介 ( 2011/09/01 )
