DE1954068A1 - Quartz oscillator circuit with parallel resonance - Google Patents
Quartz oscillator circuit with parallel resonanceInfo
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- H03B5/364—Generation of oscillations using amplifier with regenerative feedback from output to input with frequency-determining element being electromechanical resonator being a piezoelectric resonator active element in amplifier being semiconductor device the amplifier comprising field effect transistors
Description
Die Erfindung bezweckt die Verwirklichung eines Quarz-Oszillatorkreises, der sich in miniaturisierter Form ausführen lässt, insbesondere mindestens teilweise als integrierte (gedruckte) Schaltung, und der befähigt ist, bei sehr verringertem Leistungsaufwand ein periodisches Signal von besonders stabiler Frequenz zu erzeugen. The invention aims to realize a quartz oscillator circuit, which can be carried out in miniaturized form, in particular at least partially as integrated (printed) circuit, and which is capable of a periodic To generate a signal of a particularly stable frequency.
Diese beiden Bedingungen gewinnen namentlich dann ihre ganze Bedeutung, wenn ein solcher Quarz-Oszillatorkreis die Zeitbasis eines elektronischen Zeitmessgeräts, besonders einer Armbanduhr, darstellt, das bekanntlich eine Reihe von Frequenzteilerstufen für das von dem Oszillatorkreis erzeugte Signal umfasst sowie einen elektro-nechanisehen Wandler, der von dem durch diese Frequenzteilerstufen in der Frequenz verminderten Signal gespeist wird und zum Antrieb des Räderwerks derThese two conditions become particularly important when such a quartz oscillator circuit represents the time base of an electronic timepiece, especially a wristwatch, which is known comprises a number of frequency divider stages for the signal generated by the oscillator circuit and one electro-mechanical converter, which is carried out by this Frequency divider stages in the frequency reduced signal is fed and to drive the gear train of the
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Uhr dient.Clock serves.
Es ist bekannt, dass die in Schnittrichtung schwingenden Quarze eine geringe Alterung zeigen, dass sie wenig stossempfindlioh sind und dass sie so zugeschnitten werden können, dass ihr Temperaturkoeffizient in einen ziemlich weiten Temperaturbereich konstant bleibt und den von dem eigentlichen Sohwingungskreis herrührenden kompensiert· Diese Art Quarz eignet sich also besonders gut zur Verwendung in einer Armbanduhr· Es ist jedoch _ darauf hinzuweisen, dass der Energieverbrauch eines einen solchen Quarz enthaltenden Oszillators nur unter der Bedingung gering ist, dass man den Quarz in dem Kreis in Parallelresonanz arbeiten lässt. Ausserdem muss, wenn der Verbrauch des Oszillators bei der Lieferung einer Wechselspannung in der Grössenordnung eines Volt einige μ W nicht überschreiten soll, die Kapazität die der Oszillatorkreis für den Quarz darstellt, sehr klein sein, d.h. von der Grössenordnung der statischen Kapazität des Quarzes selbst sein.It is known that the crystals vibrating in the direction of the cut show little aging, that they do little are sensitive to shock and that they can be tailored so that their temperature coefficient is converted into a fairly wide temperature range remains constant and that resulting from the actual oscillation cycle compensated · This type of quartz is particularly suitable for use in a wristwatch · However, it is _ to point out that the energy consumption of an oscillator containing such a crystal is only below the condition is low that the quartz in the circle is allowed to work in parallel resonance. In addition, if the consumption of the oscillator on delivery an alternating voltage in the order of magnitude of one volt a few μ W should not exceed the capacity that the oscillator circle represents for the quartz must be very small, i.e. of the order of magnitude of the static Capacity of the quartz itself.
Bei den wohlbekannten, sogenannten Drei—Punkt-Oszillatorkreisen benötigt man nur einen einzigen Transistor, ) der das aktive Element des Kreises bildet, um das Aufrechterhalten der Schwingung zu gewährleisten. Nun muss der Transistor in diesen Schaltungen über wenigstens zwei Pole an Punkte des Stromkreises angeschlossen werden, die eine hohe Impedanz für die Schwingungsfrequenz aufweisen. Dieser Sachverhalt wixkt sich dann besonders störend aus, wenn der Oszillator sehr wenig Energie verbrauchen soll, da mindestens eine der erwähnten Impedanzen von dem Strom durchflossen werden muss, der für den Transistor zur Erfüllung der Schwingungsbedingungen benötigt wird. Diese einen hohen Wert aufweisende Impe-With the well-known, so-called three-point oscillator circuits you only need a single transistor,) which forms the active element of the circuit, in order to maintain it to ensure the vibration. Now the transistor in these circuits must have at least one two poles are connected to points on the circuit that have a high impedance for the oscillation frequency exhibit. This fact becomes particularly annoying when the oscillator consume very little energy should, since at least one of the impedances mentioned must be traversed by the current, which for the transistor is required to meet the oscillation conditions. This valuable imperative
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dans kann diejenige einer Spule, eines angeschlossenen
Stromkreises oder eines Widerstands von hohes
ohmschen Wert sein«dans can be that of a coil, a connected circuit or a resistance of high
be ohmic value "
Angesichts des geringen in einer Armbanduhr verfügbaren Hauses ist die Verwendung einer Spule oder eines angeschlossenen Stromkreises nicht sehr empfehlenswert, und sie ist ausserdem wenig wirtschaftlich..Given the small amount of housing available in a wrist watch, the use of a coil or a connected circuit is not very recommendable, and it is also not very economical ..
Die Verwendung eines Widerstands von höherem ohm—
sehen Wert würde den Gehrauch einer höheren Speisespannung
zur Erzielung des für den Transistor unentbehrlichen Gleichstroms erforderlich machen, der natürlich
dazu führen würde, dass ein verholtnismässig
beträchtlicher Leistungsverlust in diesem Widerstand auftritt.The use of a resistor of higher ohm-
see value would also make it necessary to use a higher supply voltage in order to achieve the direct current which is indispensable for the transistor, which of course would lead to a proportionally considerable loss of power in this resistor.
Verwendet man dagegen einen Widerstand von niedrigem ohmsohen Wert, so wird die infolge der Wechselspannung des Oszillatorausgangs verlorengehende Leistung verhältnismässig hoch.If, on the other hand, a resistor with a low ohmic value is used, this is due to the alternating voltage of the oscillator output lost power proportionally high.
Die heute üblichen, in das Gehäuse einer Armbanduhr
einsetzbaren Batterien von verhältnismässig kleinen
Abmessungen können nur eine sehr schwache und eine
niedrige Spannung aufweisende Energie liefern, was
natürlich die Möglichkeit der Verwendung eines Widerstands vom hohem ohmschen Wert aussohliesst. Die Verwendung
eines Widerstands von geringem ohmschen Wert würde zum Verbrauoh eines sehr grossen Anteils der in
der Batterie zur Verfugung stehenden Energie in dem
Oszillator führen, da diese Energie fast vollständig für die Speisung des Frequenzteilers und der Zeltanzeigevorrichtung
der Armbanduhr bestimmt werden müsste,The usual today, in the case of a wristwatch
usable batteries of relatively small
Dimensions can only be a very weak one and one
low voltage energy supply what
of course, eliminating the possibility of using a resistor with a high ohmic value. The use of a resistor with a low ohmic value would consume a very large proportion of the energy available in the battery
Lead oscillator, since this energy would have to be determined almost completely for the supply of the frequency divider and the tent display device of the wristwatch,
Es ist noch auf die Notwendigkeit hinzuweisen, dass
die Amplitude des von eines Oszillatorkreis der beschriebenen Art abgegebenen Signals, deren Wert durch
die von diesen Oszillator zu steuernden elektronischen Stromkreise, z.B. Frequenzteilerkreise,festcelect ist,
durch ein sehr einfaches Mittel einstellbar ist.It is also necessary to point out that
the amplitude of the signal emitted by an oscillator circuit of the type described, the value of which can be set by a very simple means by the electronic circuits to be controlled by this oscillator, for example frequency divider circuits.
Die Erfindung betrifft einen Quarz-Oezillatorkreis mit
Parallelresonanz von besonders geringem Energieverbrauch, obwohl er durch eine Stromquelle von niedriger Spannung
gespeist wird· Dieser Oszillatorkreis umfasst einen FeId-
W effekttransistor mit isolierter Steuerelektrode (MOS), der das aktive Element des Kreises darstellt, und eine
Einrichtung zur Festlegung der Amplitude des von dem
Kreis gelieferten Signals und ist dadurch gekennzeichnet, dass diese Einrichtung einerseits einen zweiten Feldeffekttransistor
mit isolierter Steuerelektrode, der in Reihe mit dem ersten Transistor angeordnet ist, und andererseits
eine Steuerspannungsquelle des zweiten Transistors umfasst, die ein Gleichstromsignal von einem Wert abgibt,
der mindestens ausreicht, um den zweiten Transistor in den Stromsättigungsbereich zu bringen.The invention relates to a quartz Oezillatorkreis with parallel resonance of particularly low power consumption, even though it is fed by a current source of low voltage · This oscillator circuit comprises a FeId- W effect transistor with insulated gate (MOS) representative of the active element of the circuit, and Device for determining the amplitude of the
Circuit supplied signal and is characterized in that this device comprises on the one hand a second field effect transistor with an isolated control electrode, which is arranged in series with the first transistor, and on the other hand a control voltage source of the second transistor, which emits a direct current signal of a value that is at least sufficient to bring the second transistor into the current saturation area.
. Die in diesem Oszillatorkreis verwendeten Transistoren sind vorteilhafterweise solche vom"Trägeranreicherungs-n oder "enhancement"-Typ, deren Durchgangsstrom bekanntlich ausserordentlich schwach ist, wenn ihre Steuerspannung Hull beträgt, was die Verwirklichung eines Oszillatorkreises von sehr geringem Energieverbrauch ermöglicht.. The transistors used in this oscillator circuit are advantageously those "n Trägeranreicherungs- or from" enhancement "type, the through-current is known to be extremely weak when its control voltage Hull is what allows the achievement of an oscillator circuit of very low power consumption.
Ein weiteres Ziel der Erfindung ist die Erzielung einer Stabilisierung des von dem Oszillatorkreis abgegebenen periodischen Signals im Hinblick auf die Stabilisierung der Frequenz dieses Signals.Another object of the invention is to achieve stabilization of the output from the oscillator circuit periodic signal with a view to stabilizing the frequency of this signal.
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Zu diesem Zweck wird die erwähnte Steuerspannungsquelle Ton eine« Verstärker gebildet, der von einen von dem Ausgangssignal des Oszillatorkreises abgeleiteten Signal gesteuert wird und über seinen Ausgang mit der Steuerelektrode des zweiten Transistors verbunden ist.The aforementioned control voltage source is used for this purpose Sound an «amplifier formed by one of that Output signal of the oscillator circuit derived signal is controlled and via its output with the Control electrode of the second transistor is connected.
Pig» 1 das Schaltsohema eines Quarz-Oszillatorkreises mit Parallelresonanz bekannter Art;Pig »1 the circuit diagram of a quartz oscillator circuit with parallel resonance of a known type;
Fig. 2 das Schaltschema eines Quarz-Oszillatorkreises mit Parallelresonanz gemäss einer AusfUhrungsform der Erfindung;2 shows the circuit diagram of a quartz oscillator circuit with parallel resonance according to one embodiment the invention;
** Erläuterungsdiagramme und und 4** Explanatory diagrams and and 4
Fig. 5 das Schema einer eine Variante, des in Fig. 2 dargestellten AusfUhrungsbeispiels bildenden Schaltung.5 shows the diagram of a variant of the exemplary embodiment shown in FIG Circuit.
Der in Fig. 1 dargestellte Oszillatorkreis enthält einen Feldeffekttransistor T. mit isolierter Steuerelektrode, einen Widerstand R,, der in Reihe mit diesem Transistor sowie mit einer Gleichspannungsquelle P angeordnet ist, einen von zwei Kondensatoren C, und C2 gebildeten und zwischen der Steuerelektrode des Transistors T. und dem positiven Pol der Gleichspannungsquelle P angeordneten Spannungsteiler, wobei der Verbindungspunkt der Kondensatoren C1 und C2 mit dem Verbindungspunkt des Widerstands R. und des Transistors T1 verbunden ist, einen Quarz Q, dessen beide Elektroden mit den beiden Enden des Spannungsteilers C. und C2 und mit einem die Polarisation des Transistors T1 sichernden Widerstand R2 verbunden sind.The oscillator circuit shown in Fig. 1 contains a field effect transistor T. with an isolated control electrode, a resistor R ,, which is arranged in series with this transistor and with a DC voltage source P, one of two capacitors C, and C 2 formed and between the control electrode of the Transistor T. and the positive pole of the DC voltage source P arranged voltage divider, wherein the connection point of the capacitors C 1 and C 2 is connected to the connection point of the resistor R. and the transistor T 1 , a quartz Q, the two electrodes of which with the two ends of the Voltage divider C. and C 2 and connected to a resistor R 2 protecting the polarization of transistor T 1 .
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Der Widerstand R. trägt dazu bei, die Amplitude des periodischen, an den KIeuea a^ und a2, die an die eine bzw. die andere Elektrode des Quarzes Q angeschlossen sind, von des Oszillator gelieferten Signals festzulegen.The resistor R. helps to determine the amplitude of the periodic signal supplied by the oscillator to the KIeuea a ^ and a 2 , which are connected to one and the other electrode of the crystal Q, respectively.
Es wurde bereits gezeigt (vgl· z.B.Heising:"Quartz Crystals for electrical circuits11 D. Van No st rand), dass die inIt has already been shown (cf. eg Heising: "Quartz Crystals for electrical circuits 11 D. Van No st rand) that the in
V2 einen Quarz verbrauchte Leistung gleich , ist, wobeiV 2 is equal to the power consumed by a quartz, where
2Ep 2E p
V die Amplitude der an den Quarz gelegten Wechselspannung und R der Paralleläquivalenzwiderstand des Quarzes ist.V is the amplitude of the alternating voltage applied to the quartz and R is the parallel equivalent resistance of the quartz.
E=E =
(Co+CT)aRe (C o + C T ) a R e
wobeicu = Winkelfrequenzwhere cu = angular frequency
darstellt,
Rs Reihenäquivalenzwiderstand des Quarzes·represents
Rs series equivalent resistance of quartz
Die Kapazität CQ ist für einen Bit einer Frequenz von einigen MHz schwingenden Quarz z.B. von der Grössenordnung 1 bis 2 pF, während die Kapazität C„, eines klassischen Oszillatorkreises 10 bis 3OpF beträgt. Der Wert dieser Kapazität ist vergleichsweise wichtig; es folgt daraus, dass der Paralleläquivalentwiderstand des Quarzes klein ist, was zu einer erheblichen, in des Quarz verbrauchten Leistung führt.The capacitance C Q is for a bit of a frequency of a few MHz oscillating quartz, for example, of the order of magnitude 1 to 2 pF, while the capacitance C "of a classic oscillator circuit is 10 to 30 pF. The value of this capacity is comparatively important; It follows from this that the parallel equivalent resistance of the quartz is small, which leads to a considerable amount of power consumed in the quartz.
V2 Diese Leistung ist in Wirklichkeit grosser als ,V 2 This performance is actually greater than,
2V 2 V
denn zu dem Paralleläquivalenzwiderstand R konat einerseits ein von dea Widerstand R. herrührender Äquivalent-because on the one hand the parallel equivalent resistance R is related an equivalent derived from the resistance R.
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ist, und ande-is, and other-
Γ c ~Γ c ~
widerstand R1, so dass R* « R, i + 2resistance R 1 , so that R * «R, i + 2
1L "^rJ 1 L "^ rJ
rerselts der Widerstand R„, so dass die gesamte rerbrauefate Leistung gleich lets rerselt the resistance R ", so that the total rerbrauefate power lets the same
ρ ~ ]τ + \r + v2ρ ~] τ + \ r + v2
2 R FT1* 2 R2 2 R FT 1 * 2 R 2
Der Widerstand R„ kann einen sehr hohen ohmschen Wert haben, was eine Vernachlässigung des Ausdrucks „2 erlaubt. The resistor R "can have a very high ohmic value, which allows neglect of the expression “2.
Das wäre nur Möglich bei Anwendung einer hohen Speisespannung und zwar wegen des für den Transistor T. für das korrekte Funktionieren des Oszillatorkreises benötigten Stromes, was too Tornherein die Verwendung eines solchen Oszillatorkreise· in allen den Fällen ausschllessen würde, in denei die Speisung durch eine kleine Batterietablette erföl pt, wie z.B. wenn ein Oszillatorkreis der dargestellten Art dazu bestimmt wird, die Zeltbasis eines elektronischen Uhrwerke geringer Abmessungen, z.B. einer elektronischen Armbanduhr, zu bilden.That would only be possible when using a high supply voltage and that because of the transistor T. for the correct functioning of the oscillator circuit required current, which is too torn in the use of a such oscillator circuits · would be excluded in all cases in which it is powered by a small battery tablet fulfilled, such as when an oscillator circuit of the The type shown is intended to be the base of a tent to form electronic clockworks of small dimensions such as an electronic wristwatch.
Der in Fig. 2 dargestellte, hinsichtlich seines Aufbaus sehr einfache Oszillatorkreis erlaubt es, diesen Mangel zu beheben, und ist mit Ausnahme des Quarzes, des Trimmers Tr und eventuell der Widerstände R, und R., leicht in integrierter Fora so zu rerwirklichen, dass die Kapazität des Kreises auf einem besonders geringen Wert gehalten werden kann.The one shown in Fig. 2, in terms of its structure very simple oscillator circuit allows this shortcoming to fix, and with the exception of the quartz, the trimmer Tr and possibly the resistors R, and R., is easily integrated Fora to be realized in such a way that the capacity of the circle is kept at a particularly low value can be.
0 0 9 8 2 0/135?0 0 9 8 2 0/135?
— CJ —- CJ -
In dieses Kreis wird der aus Fig. 1 ersichtliche Widerstand R. durch einen zweiten Feldeffekttransistor T„ ■it isolierter Steuerelektrode ersetzt, an die. eine Polarisationsspannung angelegt wird, die einen ausreichenden Wert hat, um diesen Transistor in den Sättigungsbereich für den ihn durchfliessenden Strom zu bringen. Diese Spannung wird am Verbindungspunkt der beiden Widerstände R- und R. abgenommen, die in Reihe mit der Stromquelle angeordnet sind und einen Spannungsteiler darstellen. Die Einstellung der Frequenz dieses Oszillatorkreises erfolgt durch den Trimmer Tr.In this circuit, the resistance R. shown in FIG. 1 is replaced by a second field effect transistor T " ■ replaced with insulated control electrode to which. a polarization voltage is applied which has a sufficient Has value to bring this transistor into the saturation area for the current flowing through it. This voltage is taken from the junction of the two resistors R- and R., which are in series with the Power source are arranged and represent a voltage divider. The setting of the frequency of this oscillator circuit is done by the trimmer Tr.
Fig. 3 zeigt die Veränderung eines einen Feldeffekttransistor mit isolierter Steuerelektrode durchfliessenden Stromes in Abhängigkeit von der Speisespannung und für einen bestimmten Wert der an diese Elektrode gelegten Polarisationsspannung.3 shows the change in a field effect transistor with an isolated control electrode flowing through it Current as a function of the supply voltage and for a certain value of the applied to this electrode Polarization voltage.
Im Sättigungsbereich ist der Ausgarurswiderstand, der sog. Sättigungswiderstand, gleich^\/_ ; er wird fürIn the saturation area, the cooking resistance is the so-called saturation resistance, equal to ^ \ / _; he will for
'Bi kleine Ströme sehr gross. 'Bi small currents, very large.
Wenn die elektronischen Bauteile des dargestellten Oszillatorkreises in integrierter Form ausgeführt werden * und wenn infolgedessen die Kapazität des Kreises gering ist, ist der den Transistor T„ durchfliessende Strom sehr klein und also der Sättigungswiderstand sehr gross. Dies ist besonders vorteilhaft, denn aus diesem Grunde ist der Wert des oben erwähnten Widerstands R* selbst sehr gross, so dass die durch den Oszillatorkreis nach Fig. 2 verbrauchte Leistung sehr gering ist.When the electronic components of the oscillator circuit shown be implemented in an integrated form * and if, as a result, the capacity of the circuit is low is, the current flowing through the transistor T is very high small and so the saturation resistance is very large. This is particularly advantageous because it is for this reason The value of the resistance R * mentioned above is itself very large, so that the power consumed by the oscillator circuit according to FIG. 2 is very low.
Beispielsweise ist der Speisestrom eines Oszillatorkreises gemäss Fig. 2, der als Zeitbasis einer elektronischen Uhr dient, von der Grössenordnung von IvA. Für einen so ge-For example, the feed current of an oscillator circuit according to FIG. 2 is used as the time base of an electronic clock serves, of the order of magnitude of IvA. For such a
0 0 9 8 7 0 / 1 2 S 20 0 9 8 7 0/1 2 S 2
ringen Strom kann der Sättigungswiderstand eines Feldeffekttransistors einen Wert von 100 M&und mehr annehmen, was das Vernachlässigen des Einflusses der von dem Quarz Q verbrauchten Leistung in der Leistungsbilanz erlaubt. The saturation resistance of a field effect transistor can wrestle with current assume a value of 100 M & more, which is neglecting the influence of the Quartz Q consumed power allowed in the power balance.
Es kann ferner gezeigt werden, dass in einem Oszillatorkreis dieser Art die Amplitude der Wechselspannung an dem Quarz direkt proportional dem die Transistoren T. und T„ durohfliessenden Strom ist, so dass es möglich ist, die Wechselspannung an dem Quarz durch in geeigneter Weise erfolgendes Steuern des den Transistor T„ durchfliessenden Stromes einzustellen.It can also be shown that in an oscillator circuit of this type, the amplitude of the alternating voltage at the Quartz directly proportional to that of the transistors T. and T " continuous current is so that it is possible that AC voltage across the quartz through in a suitable manner taking place control of the transistor T "flowing through Set current.
In Fig. 2 sind V., V2 und V die Wechselspannungsamplituden, die zwischen den Punkten a, und a., a» und a,, a„ und &, des Kreises auftreten;In Fig. 2, V, V 2 and V are the alternating voltage amplitudes occurring between points a, and a., A »and a,, a« and &, of the circle;
V- ist die Steuergleichspannung des Transistors T„,
i der di
strom.V- is the DC control voltage of the transistor T ", i of the di
current.
der die Transistoren T, und T„ durchfliessende Gleich-the direct current flowing through the transistors T, and T
Wie ersichtlich sind der Sättigungsstrom i und die Steuer-Spannung V eines Feldeffekttransistors mit isolierterAs can be seen, the saturation current i and the control voltage are shown V of a field effect transistor with isolated
1S - K <Ve - Ve )2 1 S - K < V e - V e) 2
wobei K die Steilheit des Transistors in A/V und V seine Schwellenspannung ist.where K is the steepness of the transistor in A / V and V its Threshold voltage is.
t -t -
schaulicht dargestellt, die die Veränderung von~7/is in Abhängigkeit von V zeigt, 'graphically shown, which shows the change of ~ 7 / i s as a function of V, '
Ö09820/1352Ö09820 / 1352
Wenn die Steuerspannung V einen sinusförmigen Verlauf hat, wie das z.B. für den Transistor T. der Fall ist, ist der diesen durohfliessende Strom offenbar ein periodischer Strom, dessen Spitzenwert i dem Maximalwert dieser Spannung V (Fig. h) entspricht.When the control voltage V has a sinusoidal course, as the example is for the transistor T. is the case, the current durohfliessende this is obviously a periodic current whose peak value is equal to i to the maximum value of this voltage V (Fig. H).
Die Kurve des periodischen Stroms kann in eine Fourier-Reihe zerlegt werden, so dass man für den Transistor T. schreiben kann:The curve of the periodic current can be broken down into a Fourier series, so that one for the transistor T. can write:
a) iw = ip.f (Θ)a) i w = i p .f (Θ)
" wobei i = die Amplitude der Grundkomponente des Stromes,"where i = the amplitude of the basic component of the current,
i s der Spitzenstromi s the peak current
θ = der Wert des Winkels zwischen dem Augenblick, in dem der Sättigungsstrom sein Maximum erreicht, und dem, in dem dieser Strom null geworden ist.θ = the value of the angle between the instant in which the saturation current reaches its maximum, and in which this current has become zero is.
b) i = ip * ψ (β)b) i = i p * ψ (β)
wobei i = Gleichstromkomponente des Stromes, und die Werte f (θ) und ty (θ) sich von einer Fourierzerlegung der Stromkurve, wie beschrieben, herleiten.where i = direct current component of the current, and the values f (θ) and ty (θ) are derived from a Fourier decomposition of the current curve, as described.
" Man kann ferner schreiben:"You can also write:
c; V2 - iw Ha c; V 2 - i w H a
wobei B der Scheinwiderstand zwischen den Punkten awhere B is the impedance between points a
a- und a2 ista- and a is 2
ßa ß a
d.h. nach Kombination der Beziehungen a) und c):i.e. after combining the relationships a) and c):
009820/135?009820/135?
d) V2 = ip * f (Θ) -Hd) V 2 = i p * f (Θ) -H
und durch Kombination τοη b) und d):and by combining τοη b) and d):
Venn die Kapazität der Kondensatoren C1 und C2 ζ.Β«so 1st, dass C1 = C2, woraus sich Y1 = V2 ableitet, ist die Amplitude der Spannung V gleichIf the capacitance of the capacitors C 1 and C 2 ζ.Β «is such that C 1 = C 2 , from which Y 1 = V 2 is derived, the amplitude of the voltage V is the same
f) V » 2V2 - 2 -i .f) V »2V 2 - 2 -i.
.4 . f (O)- 11P' R2 .4. f (O) - 11 P ' R 2
Grundsätzlich kann θ zwischen 0° und 180° liegen, was für f (θ) einen Wert zwisohen 2 und 1,33 ergibt.In principle, θ can be between 0 ° and 180 °, which results in a value between 2 and 1.33 for f (θ).
Unter norealen Arbeitsbedingungen für den beschriebenen Oszillatorkreis ist β gleich 90° und a 1,7, soUnder normal working conditions for the described Oscillator circle is β equal to 90 ° and a 1.7, see above
dass die Amplitude der Wechselspannung an de* Quarz wird:that the amplitude of the alternating voltage at the quartz becomes:
R_ . R2 R_. R 2
h) V * i . 0,85h) V * i. 0.85
Diese Amplitude ist also effektir proportional de* die Transistoren T1 and T2 durchfliessenden Stroa, dessen Grosse durch Einwirken auf die Steuerspannung V- des Transistors T2 bestiaat werden kann, da »an bekanntlich diesen Stroa duroh die oben bereits angegebene Beziehung This amplitude is therefore effectively proportional to the stroke flowing through the transistors T 1 and T 2 , the magnitude of which can be determined by acting on the control voltage V- of the transistor T 2, so that this stroke is known to have the relationship already given above
i β K (v — V \^ 1 *2 ^V3 β ' i β K (v - V \ ^ 1 * 2 ^ V 3 β '
definiert, in der V = Schwellenspannung des Tran-.defined, in which V = threshold voltage of the tran-.
0 0 9 8 2 0/135?0 0 9 8 2 0/135?
sistore T2
K2 = Steilheit des Transistors T„ ist.sistore T 2
K 2 = steepness of the transistor T "is.
Ib Falle des Oszillatorkreises nach Fig. 2 ist die Amplitude des von diesem erzeugten periodischen Signals ein für alle Mal über den Spannungsteiler festgelegt, der die Widerstände R, und R. enthält und von dem der Wert der Steuerspannung des Transistors T2 abhängt. In the case of the oscillator circuit according to FIG. 2, the amplitude of the periodic signal generated by this is fixed once and for all via the voltage divider which contains the resistors R and R and on which the value of the control voltage of the transistor T 2 depends.
Die AusfUhrungsvariante nach Fig. 5 erlaubt die Erzielung einer gewissermassen perfekten Stabilisierung der Amplitude des an den Klemmen des Quarzes erhaltenen periodischen Signals, und zwar unter entsprechender Steuerung der Steuerspannung des Transistors T„, so wie dies nachstehend beschrieben wird. Eine Stabilisierung der Signalamplitude ist in der Tat höchst wünschenswert, namentlich im Bereich der Ausführung als integrierter Stromkreis, da die Eingangekapazität dieser Art Transistoren ebenso wie die Kapazitäten der Verbindungsstellen der verschiedenen Bauelemente bekanntlich von der angelegten Spannung abhängen.The variant embodiment according to FIG. 5 allows this to be achieved a kind of perfect stabilization the amplitude of the periodic signal obtained at the terminals of the quartz, with a corresponding Control of the control voltage of the transistor T ", as will be described below. A stabilization the signal amplitude is indeed highly desirable, particularly in the area of execution as an integrated circuit, since the input capacitance of this type of transistors as well as the capacitance of the Connection points of the various components are known to depend on the applied voltage.
Gemäss der Erfindung ist es vorgesehen, diese Steuerung mit Hilfe eines Verstärkers zu verwirklichen, der von einem vom Ausgangssignal des Oszillatorkreises abgeleiteten Signal gesteuert wird und in der Weise auf den Transistor T„ einwirkt, dass bei jeder Vergrösserung der Amplitude dieses Ausgangssignals dieser eine proportionale Verminderung des diesen Transistor durchfliessenden Stromes entspricht und umgekehrt. Durch diese Gegenwirkung kann man leicht eine besonders gute Stabilisierung der Amplitude des von dem Oszillatorkreis erzeugten Signals erzielen.According to the invention, this control is provided to be realized with the aid of an amplifier derived from one derived from the output signal of the oscillator circuit Signal is controlled and acts on the transistor T "in such a way that each time the The amplitude of this output signal is a proportional reduction in the amount flowing through this transistor Current and vice versa. By this counteraction one can easily a particularly good stabilization of the Achieve amplitude of the signal generated by the oscillator circuit.
009820/13 5?009820/13 5?
- 13 - 1954066!- 13 - 1954066!
Da die Polarisationsspannung des Transistors T~ eine Gleichspannung sein nuss, ist es notwendig, die am Ausgang des Oszillatorkreises erhaltene, den Verstärker steuernde Spannung gleich zu richten oder,dass die Ausgangsspannung dieses Verstärkers gleichgerichtet wird.Since the polarization voltage of the transistor T ~ a DC voltage must be, it is necessary to use the amplifier obtained at the output of the oscillator circuit to rectify the controlling voltage or that the output voltage of this amplifier is rectified will.
Bei der in Fig.5 dargestellten Ausführungsvariante des Kreises wird von der zweiten dieser beiden Möglichkeiten Gebrauch gemacht.In the variant of the embodiment shown in FIG The second of these two possibilities is used.
Dieser Verstärker besteht aus einem Feldeffekttransistor mit isolierter Steuerelektrode und aus einem Widerstand R,, die mit der Stromquelle P in Reihe geschaltet und von einem kapazitiven, die in Reihe zwischen die Ausgangsklemmen a. und an äes Oszillatorkreises geschalteten Kondensatoren C„ und C. enthaltenden Spannungsteiler gesteuert werden. Eine Klemmdiode D bestimmt die Gleichspannung im Punkt d. Wenn die Spitze-Spitze-Spannung in diesem Punkt eine derjenigen der Schwellenspannung des Transistors T„ entsprechende Grosse erreicht, veranlasst der daraus in diesem Transistor resultierende Strom einen Abfall der Spannung an dem Widerstand R-, was zu einem gut bestimmten Wert der Steuerspannung des Transistors T„ führt. Diese Spannung ist umso niedriger bzw. umso mehr vermindert, als die Steuerspannung des Transistors T_erhöht ist, d.h. die Amplitude des von dem Oszillatorkreis abgegebenen Wechselspannungssignals ist erheblich bzw. gering. Man erhält auf diese Weise die Regelung des die Transistoren T. und T„ durchfliessenden Stromes auf den der gewünschten Spannung an dem Quarz entsprechenden Wert, der durch das Verhältnis der Kapazitäten der Kondensatoren C- und C. desThis amplifier consists of a field effect transistor with an isolated control electrode and a resistor R ,, which is connected in series with the current source P and a capacitive which is connected in series between the output terminals a. and connected to the oscillator circuit äes capacitors C 'and C. voltage divider containing controlled. A clamping diode D determines the DC voltage at point d. When the peak-to-peak voltage at this point reaches a value corresponding to that of the threshold voltage of the transistor T ", the current resulting therefrom in this transistor causes the voltage at the resistor R- to drop, which leads to a well-defined value for the control voltage of the transistor T "leads. This voltage is the lower or the more reduced, as the control voltage of the transistor T_ is increased, ie the amplitude of the alternating voltage signal emitted by the oscillator circuit is considerable or low. In this way, the control of the current flowing through the transistors T. and T.
3 43 4
Spannungsteilers gut bestimmt ist, an welohen die Steuerelektrode des Transistors T, angeschlossen ist, und durch die Schwellenspannung diesesVoltage divider is well determined to which the control electrode of transistor T, is connected, and by the threshold voltage this
0/135°0/135 °
Die Gleichrichtung der für die Steuerung des Transistors T2 benötigten Spannung wird ia vorliegenden Fall durch den Transistor T- verwirklicht, wobei ein Kondensator C- die Weohselkomponenten der Ausgangsspannung des von diesem Transistor und dem Widerstand R_ gebildeten Verstärkers unterdrückt.The rectification of the voltage required to control the transistor T 2 is generally achieved by the transistor T- in the present case, a capacitor C- suppressing the fluctuating components of the output voltage of the amplifier formed by this transistor and the resistor R_.
Die Gesamtheit der mit den Bezugszeichen T1, T2, T-, C., C„, C-, C., C_ und D bezeichneten Bauelemente lässt sioh leicht in integrierter Bauweise ausführen.The entirety of the components denoted by the reference symbols T 1 , T 2 , T, C., C ", C-, C., C_ and D can easily be implemented in an integrated design.
Selbstverständlich könnte der von dem Transistor T- und dem Widerstand R- gebildete Verstärker als Variante von unterschiedlicher Beschaffenheit sein, ohne von der Erfindung abzuweichen.Of course, the amplifier formed by the transistor T- and the resistor R- could be used as a variant be of different nature without departing from the invention.
Der beschriebene Oszillatorkreis ist für die Speisung durch eine Quecksilberoxid- oder Silber-Batterie P vorgesehen, deren ausgezeichnete SpannungsStabilität bekannt ist. Da andererseits die von diesem Oszillatorkreis erzeugte Signalamplitude auf die beschriebene Weise besonders gut stabilisiert wird, folgt daraus, dass der Quarz-Oszillatorkreis nach der Erfindung eine sehr hohe Stabilität hinsichtlich der Frequenz des erzeugten Signals bei sehr geringem Leistungsverbrauch aufweist.The oscillator circuit described is for supply by a mercury oxide or silver battery P. provided, their excellent tension stability is known. On the other hand, the signal amplitude generated by this oscillator circuit is reduced to that described Way is particularly well stabilized, it follows that the quartz oscillator circuit according to the invention is a very high stability with regard to the frequency of the generated signal with very low power consumption having.
Die in den beschriebenen Schaltungen verwendeten Transistoren sind vom P-Typ; selbstverständlich könnten dieselben Kreise mit N-Typ—Translatoren ausgeführt werden, wobei einfach die Polaritäten der Speisequelle jedes Kreises umgekehrt werden müssen.The transistors used in the circuits described are of the P-type; of course could the same circles are executed with N-type translators, simply reversing the polarities of the supply source of each circle.
009820/1352009820/1352
Obwohl in der vorstehenden Beschreibung der Oszillatorkreis in Verbindung «it einer Verwendung auf dem Gebiet der Zeitnesstechnik erläutert wurde, lässt sich ein solcher Kreis sehr wohl auch auf anderen Gebieten gebrauchen, namentlich in allen den Fällen, in denen die Konstanz der Amplitude und Frequenz des erzeugten Signals eine besonders wichtige Bedingung darstellt wie auch gleichzeitig der Energiebedarf einer der geringstauglichen sein soll.Although in the above description the oscillator circuit in connection with a use on the In the area of timing technology, such a circle can very well be applied to others Areas, especially in all cases in which the constancy of the amplitude and frequency of the generated signal is a particularly important condition as well as the energy demand should be one of the least suitable.
ο ο s β :"ο ο s β: "
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