CH617050A5 - - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine integrierte Halbleiterschaltung mit einem Strompfad, der ein in Reihe mit einem aktiven Glied geschaltetes erstes Strombegrenzungsglied enthält, wobei die Schaltungsverbindung zwischen den Gliedern einen ersten Knotenpunkt bildet, und mit einem mit dem aktiven Glied verbundenen Frequenzsteuerungselement, welches das aktive Glied dazu veranlasst, mit einer von dem Frequenzsteuerungselement bestimmten Frequenz zu schwingen.

Die meisten digitalen Verarbeitungssysteme benötigen eine genaue Zeitbasis zum Steuern von Logikfunktionen. Im allgemeinen wird dazu eine Steueroszillatorschaltung verwendet, die ein frequenzbestimmendes Element aufweist, beispielsweise einen Quarzkristall, der entweder vom konventionellen Schwingertyp oder vom Stimmgabeltyp sein kann. Wenn nach der MOS/LSI-Technik hergestellte Bauelemente verwendet werden, ist es natürlich stets erwünscht, die Gesamtzahl der zusätzlichen externen Komponenten so klein wie möglich zu halten. Unglücklicherweise ist die Möglichkeit zum Herstellen gewisser elektrischer Komponenten in integrierter Schaltungsform durch die integrierte Schaltungstechnologie beschränkt. Beispielsweise ist die Herstellung von Widerständen mit 100 Kiloohm oder mehr nach der genannten Technik ausserordentlich schwierig, weshalb deren Fabrikation in integrierter Schaltungsform unzweckmässig oder sogar unausführbar ist. Üblicherweise werden darum bisher integrierte Schaltungen, welche solche Elemente erfordern, mit externen diskreten Komponenten bestückt. Wegen der dadurch vergrösserten Anzahl von Verbindungen und der zusätzlichen Kosten ist es höchst erwünscht, möglichst viele Komponenten zu integrieren, soweit es überhaupt praktikabel ist.

Der vorliegenden Erfindung liegt darum die Aufgabe zugrunde, eine als MOS-Kristalloszillatorschaltung verwendbare integrierte Halbleiterschaltung zu schaffen, die möglichst wenig externe Komponenten aufweist.

Erfindungsgemäss wird diese Aufgabe mit einer Halbleiterschaltung der eingangs genannten Art gelöst, welche gekennzeichnet ist durch einen zu dem Strompfad elektrisch parallel geschalteten zusätzlichen Strompfad, um separat und unabhängig vom Strompfad eine Vorspannung für das aktive Glied zu bilden, wobei der zusätzliche Strompfad in Reihe geschaltete zweite und dritte Strombegrenzungsglieder enthält, deren Schaltungsverbindung einen anderen Knotenpunkt bildet, von dem eine im wesentlichen mit der Vorspannung an dem ersten Knotenpunkt übereinstimmende Vorspannung geliefert wird, und durch einen zwischen den anderen Knotenpunkt sowie das aktive Glied geschalteten Transistor zum Liefern der Vorspannung an das aktive Glied.

Nachfolgend werden der bekannte Stand der Technik und ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Erfindung mit Hilfe der Figuren beschrieben. Es zeigen:

Fig. 1 das Schema einer nach dem Stand der Technik aufgebauten Oszillatorschaltung und

Fig. 2 das Schema einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.

Fig. 1 zeigt eine auf einem Halbleiterplättchen 10 in LSI-Technik ausgeführte Oszillatorschaltung mit MOS-Feldeffekt-transistoren Ql und Q2, mit isoliertem Gate, die in einer Serieschaltung an eine Spannungsquelle VDd angeschlossen sind und ein isoliertes Gate aufweisen. Der Transistors Ql ist typischerweise vom Anreicherungstyp, während der Transistor Q2 vom Verarmungstyp ist. In der gezeigten Schaltung arbeitet der Transistor Q2 als Lastimpedanz für den «aktiven» Transistor Ql. Der Drainanschluss des Transistors Ql ist mit einem Phasenschiebernetzwerk verbunden, das einen Widerstand R1 und einen Kondensator Cl aufweist, die bezüglich des Plättchens 10 diskrete externe Glieder sind. Der Widerstand R1 ist als Strombegrenzer für ein Frequenzsteuerungselement Y1 vorgesehen, das im gezeigten Beispiel als Stimmgabeltypquarzkristall ausgebildet ist. Es versteht sich, dass auch andere frequenzbestimmende Elemente verwendet werden können, wenn dies erwünscht oder notwendig ist. Der Widerstand R1 hat typischerweise einen Wert von etwa 500 K/Ohm. Weiter wird von einem zwischen die Drain- und Gateelektroden des Transistors Ql geschalteten Widerstand R2 eine Gleichstromvorspannung für den aktiven Oszillatortransistor Ql erzeugt. Da der Widerstand R2 zwischen die Drain- und Gateelektroden geschaltet ist, repräsentiert er ein Gegenkopplungselement, das die Verstärkung des Oszillatortransistors Ql begrenzen kann. Darum weist der Widerstand R2 typischerweise einen Wert in der Grössenordnung von 20 Megohm oder mehr auf. Weil der Transistor Ql praktisch keinen Gatestrom zieht, kann die notwendige Gleichstromvorspannung mit einem derartig hohen Widerstand R2 erzeugt werden.

Beim Betrieb der in Fig. 1 dargestellten Oszillatorschaltung tritt die zum Aufrechterhalten der Oszillation erforderliche Phasenverschiebung zwischen Drain und Gate nur bei der Frequenz auf, die von dem Frequenzsteuerungselement Y1 bestimmt wird. Bei allen anderen Frequenzen eignet sich die Phasenverschiebung nicht für die Aufrechterhaltung der Oszillation, und dementsprechend ist das Ausgangssignal der Oszillatorschaltung im wesentlichen eine Sinuswelle mit der von Y1 bestimmten Frequenz. Der Kondensator Cl ermöglicht in Verbindung mit dem Widerstand R1 kleine Änderungen der Phasenverschiebung und dadurch eine «Feinabstimmung» der Oszillatorausgangsfrequenz.

Obwohl die in Fig. 1 dargestellte Oszillatorschaltung für die meisten Anwendungsfälle als genaue Zeitbasis brauchbar ist, ist

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es, wie schon eingangs beschrieben, vom Standpunkt der Kosten und der Zuverlässigkeit aus erwünscht, die Anzahl der extern an die integrierte Schaltung angeschlossenen Komponenten zu verringern. Wie weiter ausgeführt wurde, lassen sich Ohm'sche integrierte Schaltungselemente, deren Widerstand 5 grösser als etwa 100 K/Ohm ist, nur ausserordentlich schwierig herstellen, und sie erfordern einen beträchtlichen Oberflächenbereich des Plättchens. Das gilt insbesondere, wenn sie durch Parallel- oder Serieschaltung einer Vielzahl von Widerständen (beispielsweise mit 100 K Ohm) hergestellt werden. 10

Fig. 2 zeigt eine Ausführungsform der Erfindung, bei der die angegebenen Nachteile der bekannten Schaltung gemäss Fig. 1 vermieden sind. Fig. 2 zeigt einen Teil eines LSI-Plättchens 11 mit MOS-Transistoren Ql und Q2, die in Serieschaltung an eine Spannungsquelle Vdd und ein Referenzpotential, nämlich die 15 Masse- bzw. Erdverbindung am Punkt 12, angeschlossen sind. Die Serieschaltung der Transistoren Ql und Q2 repräsentiert einen ersten Strompfad, in dem der Transistor Q2 als Last- oder Strombegrenzungsglied und der Transistor Ql als aktives Oszillationsglied wirken. Der Verbindungspunkt zwischen den 20 Transistoren Ql und Q2 bildet einen ersten Knotenpunkt 13. Die weiteren Transistoren Q3 und Q4, die als «zweite» und «dritte» Strombegrenzungsglieder betrachtet werden können, sind ebenfalls in Serie geschaltet und bilden einen zweiten Strompfad, der elektrisch parallel zum ersten Strompfad ange- & schlössen und «spiegelbildlich», d. h. bezüglich der Potentiale symmetrisch, dazu aufgebaut ist. Die Verbindung zwischen den Transistoren Q3 und Q4 enthält einen zweiten Knotenpunkt 14. Bei der gezeigten Ausführungsform der Oszillatorschaltung gehören die Transistoren Q1 und Q3 zum Anreicherungstyp

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und die Transistoren Q2 und Q4 sowie die Transistoren Q5 und Q6 zum Verarmungstyp.

Weil der die Transistoren Q3 und Q4 aufweisende zweite Strompfad «spiegelbildlich» oder elektrisch symmetrisch zum ersten Strompfad ausgebildet ist, entsteht am Knotenpunkt 14 eine Vorspannung, die praktisch mit derjenigen am Knotenpunkt 13 übereinstimmt. Das ermöglicht, die am Gate des Transistors Ql erforderliche Vorspannung am Knotenpunkt 14 des zweiten Strompfades abzunehmen und über den Transistor Q5 separat und unabhängig vom ersten Strompfad an das Gate des Transistors Ql zu leiten. Bei der neuen Schaltung gemäss Fig. 2 übernimmt der die Transistoren Q3, Q4 und Q5 aufweisende integrierte zweite Strompfad die Funktion des externen Widerstands R2 in der bekannten Schaltung gemäss Fig. 1, jedoch mit dem Unterschied, dass bei der neuen Schaltung die Impedanz zwischen Drain und Gate des Transistors Ql nunmehr praktisch unbegrenzt hoch ist, während sie bei der Schaltung gemäss Fig. 1 auf den Wert des Widerstands R2 beschränkt ist.

Bei der in Fig. 2 gezeigten Ausführungsform ist weiter ein Transistor Q6 vorgesehen, der als viertes Strombegrenzungselement zwischen den Knotenpunkt 13 und den externen Kondensator Cl geschaltet ist. Der Transistor Q6 erfüllt hauptsächlich die Funktion des Widerstands R1 in der Schaltung gemäss Fig. 1. Weiter enthält die in Fig. 2 gezeigte Oszillatorschaltung ebenfalls ein frequenzbestimmendes Element Y1, welches praktisch in derselben Weise wie in der Schaltung gemäss Fig. 1 angeschlossen ist.

Die neue in Fig. 2 gezeigte Ausführungsform der Erfindung erfüllt dieselbe Funktion wie die bekannte Schaltung gemäss Fig. 1, ohne deren Nachteile aufzuweisen.

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1 Blatt Zeichnungen

Claims (4)

617050 PATENTANSPRÜCHE

1. Integrierte Halbleiterschaltung mit einem Strompfad, der ein in Reihe mit einém aktiven Glied geschaltetes erstes Strombegrenzungsglied enthält, wobei die Schaltungsverbindung zwischen den Gliedern einen ersten Knotenpunkt bildet, und mit einem mit dem aktiven Glied verbundenen Frequenzsteuerungselement, welches das aktive Glied dazu veranlasst, mit einer von dem Frequenzsteuerungselement bestimmten Frequenz zu schwingen, gekennzeichnet durch einen zu dem Strompfad elektrisch parallel geschalteten zusätzlichen Strompfad, um separat und unabhängig vom Strompfad eine Vorspannung für das aktive Glied (Ql) zu bilden, wobei der zusätzliche Strompfad in Reihe geschaltete zweite und dritte Strombegrenzungsglieder (Q3, Q4) enthält, deren Schaltungsverbindung einen anderen Knotenpunkt (14) bildet, von dem eine im wesentlichen mit der Vorspannung an dem ersten Knotenpunkt (13) übereinstimmende Vorspannung geliefert wird, und durch einen zwischen den anderen Knotenpunkt (14) sowie das aktive Glied (Ql) geschalteten Transistor (Q5) zum Liefern der Vorspannung an das aktive Glied (Ql).

2. Integrierte Schaltung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch ein viertes Strombegrenzungsglied (Q6), das mit dem aktiven Glied (Ql) und dem Frequenzsteuerungselement (Y 1) verbunden ist, um den Stromfluss zu begrenzen.

3. Integrierte Schaltung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Strombegrenzungsglieder (Q2, Q3, Q4, Q6), das aktive Glied (Ql) und der Transistor (Q5) gateisolierte Feldeffekttransistoren sind.

4. Integrierte Schaltung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das aktive Glied (Ql) und das zweite Strombegrenzungsglied (Q3) Transistoren vom Anreicherungstyp und die anderen Glieder (Q2, Q4, Q5, Q6) Transistoren vom Verarmungstyp sind.