DE2153828B2

DE2153828B2 - Oszillatorschaltung mit Feldeffekttransistoren

Info

Publication number: DE2153828B2
Application number: DE2153828A
Authority: DE
Inventors: Fuad Hanna Tempe Ariz. Musa (V.St.A.)
Original assignee: Motorola Inc
Current assignee: Motorola Solutions Inc
Priority date: 1970-10-28
Filing date: 1971-10-28
Publication date: 1980-08-14
Also published as: NL7114874A; NL174513C; FR2110109A5; DE2153828A1; CH553271A4; US3676801A; NL174513B; CH633670B5; BE774635A; JPS5734684B1

Description

Die Erfindung betrifft eine Oszillatorschaltung mit Feldeffekttransistoren, mit einer Vorspannungsquelle, die zumindest einen ersten und einen zweiten Spannungspegel liefert, deren Kanalstrecken komplementäre Leitfähigkeiten haben, wobei das Trägermaterial eines ersten und zweiten Feldeffekttransistors vom Anreicherungstyp jeweils mit der Quelle des entsprechenden Feldeffekttransistors verbunden ist, die Quelle des ersten Feldeffekttransistors mit dem ersten Spannungspegel und die Quelle des zweiten Feldeffekttransistors mit dem zweiten Spannungspegel der Versorgungsspannungsquelle beaufschlagt sind, die Senken der beiden Feldeffekttransistoren in einem ersten Verbindungspunkt miteinander verbunden sind und den Ausgang der Oszillatorschaltung bilden, die Tore der beiden Feldeffekttransistoren in einem zweiten Verbindungspunkt miteinander verbunden sind und den Eingang der Oszillatorschaltung bilden, ein Schwingquarz zur Bestimmung der Oszillatorfrequenz zwischen den ersten und den zweiten Verbindungspunkt geschaltet ist und wobei parallel zu dem Schwingquarz ein Widerstand geschaltet ist.

Eine derartige Oszillatorschaltung ist aus der DE-OS 28 878 bekannt. Bei dieser bekannten Oszillatorschaltung besteht der Nachteil, daß nach dem Einschalten des Oszillators eine Verriegelung im statischen Zustand auftreten kann. Bei dieser bekannten Schaltung ist nämlich nicht gewährleistet, daß der Oszillator nach dem Einschnhen unter allen Umständen in zuverlässiger Weise anschwingt. Es kann nämlich bei dieser bekannten Schaltung durch parasitäre Kapazitäten der Oszillator im statischen Zustand blockiert werden, so daß er dadurch am Anschwingen gehindert ist.

Weiterhin ist aus der DE-OS 15 12 411 eine

v, Multivibratorschaltung bekannt, bei welcher das Anschwingen des Multivibrators durch ein Tiiggersignal gesteuert wird. Bei dieser bekannten Schaltung werden Streukapazitäten dazu ausgenutzt, das Tastverhältnis der Schaltung festzulegen.

^r)0 Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Oszillatorschaltung der eingangs näher genannten Art zu schaffen, bei welcher nach dem Einschalten ein unverzügliches Anschwingen des Oszillators mit besonders hoher Zuverlässigkeit gewährleistet ist.

« Zur Lösung dieser Aufgabe sieht die Erfindung vor, daß ein erster Vorspannungskondensator zwischen dem ersten Verbindungspunkt und dem zweiten Spannungspegel sowie ein zweiter Vorspannungskondensator zwischen dem zweiten Verbindungspunkt und dem

bo zweiten Spannungspegel angeordnet sind.

Gemäß der Erfindung wird der wesentliche Vorteil erreicht, daß die schädlichen Wirkungen von parasitären Kapazitäten in zuverlässiger Weise ausgeschaltet werden können, so daß ein Anschwingen des Oszillators

h5 unter allen Umständen gewährleistet ist. Vorteilhafte Weiterbildungen und bevorzugte Ausführungsformer des Erfindungsgegenstandes ergeben sich aus den

Die Erfindung wird in der nachfolgenden Beschreibung eines Ausfuhrungsbeispiels in Verbindung mit der Zeichnung erläutert Es zeigen

F i g. la und Ib die Schaltsymbole für Metiüloxyd-Silicium-Feldeffekttransistoren mit einem p- bzw. einem N-leitenden Kanal,

F i g. 2 eine Signalumkehrstufe mit komplementären Feldeffekttransistoren,

F i g. 3 einen quarzgesteuerten Rechteckgenerator,

Fig.4 einpn Rechteckgenerator gemäß Fig.3, bei dem alle Kapazitäten der Feldeffekttransistoren herausgezeichnet sind,

F i g. 5 eine elektrische Schaltung für einen Quarzkristall,

Fig.6 einen kristallgesteuerten Oszillator mit Einrichtungen zur Temperaturkondensation und zur Frequenznachstimmung,

F1 g. 7 schematisch einen Schaltkreis für einen Oszillator, der komplementäre Ausgangssignale abgibt,

Fig.8 die eingangsseitigen und ausgangsseitigen Schwingungsformen einer Signalumkehrstufe,

F i g. 9 das Schaltbild eines kristallgesteuerten Rechteckgenerators für hochfrequente Schwingungen.

In den einzelnen Figuren der Zeichnung sind gleiche Teile mit gleichen Bezugszeichen versehen.

In F i g. Ib ist ein Metalloxyd-Silicium-Feldeffekttransistor mit N-leitendem Kanal dargestellt, bei dem ein Strom zwischen der Quelle und der Senke fließt, wenn die nachfolgenden Bedingungen erfüllt sind: Erstens muß sich die Senke auf einem gegenüber der Quel'e jo positiveren Potential befinden, und zweitens muß das positive Potential zwischen dem Tor und dem Trägermaterial einen bestimmten Wert einer Spannung übersteigen, die als Schwellenwertspannung für einen Feldeffekttransistor mit N-leitendem Kanal bekannt ist. r>

In Fig. la ist ein entsprechender Metalloxyd-Silicium-Feldeffekttransistor mit P-leitendem Kanal dargestellt, wobei der Feldeffekttransistor mit P-leitendem Kanal im wesentlichen in derselben Weise arbeitet wie ein Feldeffekttransistor mit N-leitenden. Kanal. Dieser Feldeffekttransistor führt einen Strom zwischen der Quelle und der Senke, wenn die nachfolgenden zwei Bedingungen erfüllt sind: Erstens muß die Senke auf einem negativeren Potential liegen als die Quelle, und zweitens muß das Potential des Tores gegenüber dem 4^r> Trägermaterial negativ sein und bezüglich der Amplitude eine bestimmte Spannung übersteigen, die als Schwellenwertspannung bezeichnet wird.

Diese beiden komplementären Feldeffekttransistoren können gemäß F i g. 2 zu einer Signalumkehrstufe 10 zusammengeschaltet werden. Dazu wird eine positive Potentialquelle 12 mit der Quelle eines ersten Feldeffekttransistors mit P-leitendem Kanal, .lachfolgend als P-Feldeffekttransistor 14 bezeichnet, verbunden. Eine gestrichelte Linie 16 deutet an, daß das Vi Trägermaterial des P-Feldeffekttransistors 14 mit der Potentialquelle 12 verbunden ist. Das Tor des P-Feldeffekttransistors 14 wird mit dem Tor eines Feldeffekttransistors mit N-leitendem Kanal, nachfolgend als N-Feldeffekttransistor 18 bezeichnet, verbun- mi den und an beide Tore die Eingangsklemme 20 angeschlossen. Das Trägermaterial des N-Feldeffekttransistors 18 und die Quelle dieses Transistors sind mit Massepotential verbunden, das an einer Klemme 22 angeschlossen i>>t. Die Kapazität einer an die Ausgangs- ιτ> klemme 24 abgeschlossenen Last wird durch einen Kondensator 26 verwirklicht, der zwischen den K lemmt-n 22 urfd 24 lieet.

Zur Beschreibung der Wirkungsweise der Signalumkehrstufe wird ein Gleichspannungspotential zunächst an die Umkehrstufe angelegt, wobei das Spannungsniveau an de·· Ausgangsklemme 24 zwischen Null und dem Niveau der Versorgungsspannung liegt Dieses Niveau wird durch die Werte der Streukapazitäten der P- und N-Feldeffekttransistoren 14 und 18 und vom Wert des Kondensators 26 bestimmt Wenn die Eingangsklemme 21 auf dem Potentialwert Null liegt, ist die Spannung zwischen dem Tor und dem Trägermaterial des Feldeffekttransistors 14 gleich oder kleiner als die Versorgungsspannung. Wenn die Versorgungsspannung größer ist als der absolute Wert der Schwellwertspannung des P-Feldeffekttrar.sistors 14, und da ein positives Potential zwischen der Quelle und der Senke des Feldeffekttransistors angenommen wurde, dann ist der P-Feldeffekttransistor 14 leitend. Jedoch ist bei der dargestellten Konfiguration mit den an den Klemmen 12 und 22 vorgesehenen Potentialen das Potential zwischen dem Tor und dem Trägermaterial des Feldeffekttransistors 18 Null, so daß dieser N-Feldeffekttransistor 18 abgeschaltet ist Deshalb hat der dem P-Feldeffekttransistor 14 zufließende Strom nur einen Weg, und dieser dient der Aufladung des Kondensators 26 auf das Niveau der Potentialquelle 12. Sobald das Potential an der Klemme 24 gleich dem Potential der Versorgungsspannung ist, nimmt das Potential zwischen der Quelle und der Senke des Feldeffekttransistors 14 den Wert Null an, und entsprechend wird dieser Feldeffekttransistor 14 abgeschaltet. Dieser Zustand ist zur Zeit To gemäß F i g. 8 gegeben.

Zur Zeit T\ wird eine Sprungfunktion an die Eingangsklemme 20 angelegt, wobei die Amplitude dieser Sprungfunktion gleich dem Potentialwert der Potentialquelle 12 entspricht. Zu diesem Zeitpunkt 71 ist die Spannung zwischen dem Tor und dem Trägermaterial des P-Feldeffekttransistors 14 gleich dem Wert Null, da sowohl die Eingangsklemme 20 als auch das Trägermaterial auf dem Potentialwert der Quelle 12 gehalten werden. Damit bleibt der P-Feldeffekttransistor 14 abgeschaltet. Jedoch hat die Spannung zwischen dem Tor und dem Trägermaterial des N-Feldeffekttransistors 18 einer. Wert, der gleich der Versorgungsspannung ist, und da diese Versorgungsspannung die Schwellwertspannung des N-Feldeffekttransistors 18 übersteigt, und außerdem das Potential zwischen der Senke und der Quelle des N-Feldeffekttransistors 18 positiv ist, sowie gleich dem Versorgungspotential, wird dieser Transistor leitend. Aufgrund des nicht leitenden Feldeffekttransistors 14 entsteht eine Ableitung des Kondensators 26 über den Feldeffekttransistor 18, so daß dieser sich auf Massepotential entladen kann. Zu diesem Zeitpunkt wird die Spannung zwischen der Senke und der Quelle des N-Feldeffekttransistors 18 Null, womit dieser abgeschaltet wird. Daher fließt ein Strom nur, wenn entweder der P-Feldeffekttransistor 14 zum Aufladen des Kondensators 26 auf die Spannung der Potentialquelle eingeschaltet ist, oder wenn der Feldeffekttransistor 18 leitend ist, um den Kondensator 26 auf Massepotential zu entladen. Damit wird Leistung nur während der Umschaltung verbraucht. Wenn an der Eingangsklemme 20 Massepotential entsprechend TO gemäb F i g. 8 liegt, steht an der Ausgangsklemme 24 die Spannung der Potentialquelle.

Liegt dagegen an der Eingangsklemme 20 die Spannung der Potentialquelle wie zum Zeitpunkt Γι gemäß Fig. 8, dann ist an der Ausgangsklemme 24 Massepotential wirksam, so daß vom Eingang zum

Ausgang eine Signalumkehr stattfindet. Ein an die Eingangsklemme 20 angelegter Impulszug mit einer oberen Spannung entsprechend der Potentialquelle und einer unteren Spannung entsprechend dem Massepotential ergibt einen Spannungsverlauf am Ausgang, wie er durch die umgekehrte Kurve in F i g. 8 dargestellt ist.

In Fig.3 ist das Schaltbild eines Oszillators dargestellt, der aus einer Signalumkehrstufe gemäß Fig.2 und einem Kondensator 27 besteht, welcher zwischen die gemeinsamen Tore der Feldeffekttransistoren 14 und 18 sowie Masse geschaltet ist. Ein Kristall 28 sowie ein Widerstand 29 sind parallel zwischen die gemeinsamen Senken und Tore der Feldeffekttransistoren 14 und 18 geschaltet

Der Kristall bestimmt die Frequenz des Oszillators und entspricht in bekannter Weise für solche Zwecke verwendeten Kristallen. Der Widerstand 29 dient als Starthilfe, um sicherzustellen, daß die Umkehrstufe nicht in einem statischen Schaltzustand gehalten wird, wobei der eine Feldeffekttransistor eingeschaltet und der andere Feldeffekttransistor abgeschaltet ist, insbesondere wenn die geschlossene Schleifenverstärkung kleiner als 1 ist. Die Größe des Widerstandes 29 liegt in einem Bereich von etwa 1 χ 10⁷ bis etwa 1 χ 10" Ohm. Die Kondensatoren 26 und 27 werden hauptsächlich zur Einstellung der richtigen Gleichvorspannung benutzt, wodurch die Feldeffekttransistoren 14 und 18 eine genügend kleine Signalverstärkung aufweisen, um eine kontinuierliche Schwingung aufrechtzuerhalten.

In F i g. 4 ist die Oszillatorschaltung gemäß F i g. 3 mit den einzelnen Streukapazitäten dargestellt. Wenn alle Kondensatoren in der dargestellten elektrischen Schaltanordnung wirksam sind, dann ergeben sich an den Eingangsklemmen 20 und 24 Spannungen 30 und 32, wenn die Gleichstromversorgungsspannung von der Potentialquelle 12 aus angelegt wird, deren Amplituden von den Kondensatoren 26 und 27 sowie den Kondensatoren 33 bis 39 abhängen und der Kondensator 39 die Parallelkapazität des Kristalls kennzeichnet. Die Spannungen an den Klemmen 20 und 24 werden anfänglich so eingestellt, daß entweder der eine oder der andere der beiden Feldeffekttransistoren 14 bzw. 18 leitend ist. In jedem Fall jedoch muß einer der Feldeffekttransistoren 14 und 18 oder auch beide eine Signalverstärkung bei der gewünschten Frequenz aufweisen, die zumindest geringfügig größer als 1 ist, damit die gewünschte Schwingung aufrechterhalten wird.

In der nachfolgenden Tabelle werden die Verhältnisse zwischen den Spannungen an den Klemmen 20 und 24 der Versorgungsspannung sowie den Schwellwertspannungen der Feldeffekttransistoren 14 und 18 angegeben, die die vorausstehend genannte Bedingung erfüllen. In allen Fällen ist die Versorgungsspannung größer als die Amplitude der Schwellwertspannung sowohl des P-Feldeffekttransistors 14 als auch des N-Feldeffekttransistors 18.

Yj₀	>0	<	*-V,r*	N-FeldefTekt-	P-FeldefTekt-
	*<v_a.*	>		transistor	transistor
>K_Sw_N	>0	>	^SWp	ein	aus
"^SW_n	SW = Schwellwert.		^SWp	aus	ein
X^W_n		Ksw_P	ein	ein

Die nachfolgend angegebene Gleichung beschreibt Gleichvorspannung einstellenden Kondensatoren 26 mathematisch die Spannungsverhältnisse bezüglich der und 27. Größe der Kondensatoren 33 bis 39 sowie der die

^³⁰ (C₂₇ + C₃₄)(2C₃₅ + C₂₆) + (2C₃₇ ^C+ C₃₉)(C₃₅ + C₂₆ + C₂;+ 2C₃₄) 1 +

V₃₂ =

+ C₂₆) + (2C₃₇ + C₃₉)C₃₅ V_cc

(C₃₅ + C₂₆)(ZC₃₄ + C₂₇) + (2C₃₇ + C₃₉)(C₃₄ + C₂₆ + C₂₇ + 2C₃₅)

C₃₅ (2 C₃* + C₂₇) + (2 C₃₇ + C₃₉) C₃₄

Mit Ausnahme der Kondensatoren 26 und 27 sind alle Kapazitätswerte der Kondensatoren gemäß Fig.4 entweder durch die Feldeffekttransistoren oder die Kristallkapazität fixiert Daher wurden die Spannungen an den Klemmen 20 und 24 anfänglich angegeben, um eine Bedingung der Tabelle zu erfüllen, indem die Kondensatoren 26 und 27 auf die richtige Größe eingestellt werden. Wenn z.B. die Spannung der Gleichstromversorgung kleiner oder gleich der Summe der Schwellwertspannung des N-Feldeffekttransistors 18 zuzüglich dem absoluten Wert der Schwellwertspannung des P-Feldeffekttransistors 14 ist —

dann ist der P-Feldeffekttransistor 14 leitend und der N-Feldeffekttransistor 18 nicht leitend, wenn die Kondensatoren 26 und 27 viel größer sind als entweder die Streukapazitäten der Feldeffekttransistoren oder

die Parallelkapazität des Kristalls. Zusätzlich zur Einstellung der richtigen Gleichspannungsbedingungen haben die Kondensatoren 26 und 27 auch die richtige Größe, die ein Schwingen bei der gewünschten Frequenz zuläßt, indem die Netzwerk-Determinante bei 5 dieser Frequenz Null werden kann, wie nachfolgend im einzelnen beschrieben wird. Die Kondensatoren 26 und 27 werden auch als Trimmkondensatoren für die Frequenz verwendet. Durch eine Vergrößerung der Kapazität der Kondensatoren 26 und 27, entweder einzeln oder gleichzeitig, wird die Schwingfrequenz von der Parallelresonanzfrequenz in Richtung auf die Serienresonanzfrequenz des Kristalls verschoben. Ein Verkleinern der Kapazitätswerte bewirkt ein Verschieben der Schwingfrequenz in entgegengesetzter Rieh- tung.

In F i g. 5 ist die Ersatzschaltung für den Kristall 28 dargestellt, wie sie für die nachfolgende Berechnung Verwendung findet. CP ist die Parallelkapazität des Kristalls, CS die Serienkapazität, R der Kristallwiderstand und L die Kristallinduktivität.

Wenn die Feldeffekttransistoren richtig vorgespannt sind, dann kann eine von mehreren Techniken dazu benutzt werden, um die Startbedingungen und die Frequenz der Schwingung zu bestimmen. Nachfolgend wird ein Matrixverfahren verwendet, wobei im besonderen eine Kurzschluß-Leitwertmatrix (V^) Verwendung findet. Es kann gezeigt werden, daß die Vierpol- V-Parameter, die den Oszillator gemäß den Fig.3 und 4 beschreiben, und eine Ersatzschaltung für den Kristall gemäß Fig.5 .verwenden, durch nachfolgende Gleichungen gegeben sind.

y„ = γ,+γ+ iiR„

Y_n = -[Y ₊ \IR_M)-S(C₃₁ + C₃₈)
Y₂₁ = G_m-(Y+ HR₂₉)-S(C₃₁ +C₃₈)
Y₂₂ = G+Y₀+(Y+ 1IR₁₉),

wobei ist:

Y₁ = S(C₂₁ + C₃₃ + C₃₄ + C₃₇ + C₃₈) Y₀ = S(C_2b + C₃₅ + C₃₆ + C₃₇ + C₃₈)

Y = Kristalleitwert = " G_n, = Steilheit der N- und P-Feldeffekttransistoren

G = Summe des Leitwertes zwischen der Senke und der Quelle der N- und P-Transistoren S = komplexe Frequenz = σ +jw .

Die Startbedingungen und die Frequenz der Schwin gung kann aus folgendem Ausdruck bestimmt werden:

Y22

Δ K₁₂ — V₁₂ K₂₁ =DY

wobei DVeine Funktion der komplexen Frequenz Sist Um eine stabile Schwingung zu garantieren, sollte nur

die eine komplexe Wurzel aus DY=O einen positiven

Wert für, um sichere Anschwingbedingungen zu gewährleisten, sowie einen positiven Wert für jw haben, der die Kreisfrequenz der Schwingung darstellt.

Wenn man für die Oszillatorschaltung gemäß den F i g. 3 und 4 diese Matrixanalyse anstellt, ergibt sich, daß diese Schaltung bei einer Frequenz zwischen der Serien- und Parallelresonanzfrequenz des Kristalls schwingt Bei der Frequenz des Oszillators hat der Kristall eine induktive Impedanz, was eine regenerative Rückkopplung vom Ausgang zum Eingang der Signalumkehrstufe gewährleistet Es wurde ferner festgestellt, daß der Leitwert der Feldeffekttransistoren in der Größenordnung von 10~⁵ Siemens liegt und dieselben Kapazitätskomponenten eine Schwingung zwischen 5 kHz und mehreren hundert kHz garantieren.

Die in F i g. 6 dargestellte Oszillatorschaltung ist eine weitere Ausführungsform der Erfindung. Bei Anwendungsfallen, bei welchen extrem enge Toleranzen für die Oszillatorfrequenz und außerdem extrem stabile Frequenzen gefordert werden, wie dies z.B. bei einer Oszillatorschaltimg for eine elektronische Uhr notwendig ist, werden Komponenten zum Nachstimmen der Frequenzen sowie zur Temperaturkompensation erforderlich. In Fig.6 stellt der Kondensator 50 einen solchen Trimmkondensator dar, mit dem die Oszillatorfrequenz um sehr kleine Bruchteile der Kristallreso-

nanzfrequenz geändert werden kann. Der mit dem Kristall 28 in Serie geschaltete Kondensator 52 dient sowohl der Temperaturstabilisierung als auch der Frequenzeinstellung.

Dieser Kondensator wird aus dielektrischem Material mit einer sehr hohen Dielektrizitätskonstante, z.B. Keramik plus Bariumtitanat, hergestellt. Ein solcher Kondensator hat einen Temperaturkoeffizienten von mehreren tausend/" C, wobei der Wert einen großen Temperaturbereich zwischen positiven und negativen Werten umfaßt Die den Kondensatoren 50 und 52 zugeschriebene Funktion kann sowohl von einem Kondensator allein oder von beiden Kondensatoren zusammen bzw. durch Austausch der Kondensatoren bewirkt werden.

Für einen Frequenzbereich zwischen 1 kHz bis 300 kHz ergeben sich für die Kondensatoren 50 und 52 Werte in der Größenordnung zwischen 1 pF und 10 pF. In Fig.7 ist eine weitere Ausführungsform der Erfindung dargestellt Diese Oszillatorschaltung ist in

der Lage, komplementäre Rechteckschwingungen als Ausgangssignale zu liefern. Eine solche Schaltung kann in synchronen Logikschaltungen Verwendung finden. Diese Schaltung gemäß F i g. 7 verwendet die Oszillatorschaltung gemäß Fig.3 und dazu zusätzlich eine zweite Stufe 60, die zwei als Signalumkehrstufe geschaltete komplementäre Feldeffekttransistoren 62 und 64 umfaßt Ein Kondensator 65 stellt die Lastkapazität aus der Eingangskapazität des Netzwer-

45

50

55

65

kes dar, welches vom Oszillator angesteuert wird. Der Wert des Kondensators 65 hängt von der Art der angesteuerten Schaltung ab und ist durch Versuch in einfacher Weise zu ermitteln. Zum besseren Verständnis der nachfolgenden Erläuterung dieser Schaltung wird auch auf die F i g. 8 Bezug genommen. Der Einfachheit halber wird angenommen, daß alle Schwingungsformen aus Sprungfunktionen zusammengesetzt sind.

Das an die Eingangsklemme 20 gemäß F i g. 7 angelegte Signal ist in Fig.8 dargestellt, die auch die ausgangsseitige Schwingung darstellt. Diese Schwingung an der Ausgangsklemme 24 ist komplementär zu der an die Eingangsklemme angelegten Schwingung und wird in entsprechender Weise erzielt, wie an Hand der F i g. 2 beschrieben ist.

In Fig.9 ist eine weitere Ausführungsform der Erfindung dargestellt, wobei diese Oszillatorschaltung nach denselben Prinzipien wie die zuvor anhand der Fig.3 und 7 beschriebenen Oszillatorschaltungen arbeitet. Bei dieser Schaltung ist jedoch die offene Schleifenverstärkung für kleine Signale viel größer als die Verstärkung, die mit den Schaltungen gemäß F i g. 3 und 7 erzielbar ist. Die höhere Schleifenverstärkung erlaubt, daß diese Schaltung mit höheren Frequenzen schwingt. Der Kristall ist bei der Ausführungsform gemäß Fig.9 zwischen die Ausgangsklemme 72 der dritten komplementären Umkehrstufe 70 und die Eingangsklemme 20 der ersten Umkehrstufe 10 geschaltet. Die dritte Umkehrstufe 70 umfaßt einen P-Feldeffekttransistor 73 und einen N-Feldeffekttransi- jo stör 74, die komplementär zusammengeschaltet sind. Bei der Schwingfrequenz hat der Kristall eine induktive Impedanz und erzeugt somit die für eine regenerative Rückkopplung notwendige Phasenumkehr. Mit denselben in Verbindung mit Fig.7 erwähnten Prinzipien r> wird an den Ausgangsklemmen 24 und 72 eine komplementäre Rechteckschwingung erzeugt

Die Kondensatoren 26, 27 und 65 sowie der Kondensator 75 sind gemäß Fig.9 zwischen die Ausgangsklemme 72 und Masse geschaltet und werden teilweise als Elemente zur Erzeugung einer Vorspannung in der bereits erwähnten Weise benutzt. Die Spannungen V₃₀, V32 und V76 am Ausgang der zweiten Umkehrstufe 60 sowie die Spannung Vjt am Ausgang der dritten Umkehrstufe 71 sind anfänglich so ·»> eingestellt, daß die geschlossene Schleifenverstärkung für kleine Signale über die drei Stufen des Systems den Wert 1 übersteigt und damit ein Anschwingen der Oszillatorschaltung zuläßt Wenn die Gleichstromversorgungsspannung angeschaltet wird, ergeben sich die Werte für die Spannungen Vm, V₄O, Vje und Vn aus der Größe der KondensatorenC», Cn, Cks und Cn sowie aus der Größe der Streukapazitäten der P- und N-Feldeffekttransistoren und der Kapazität des parallel geschalteten Kristalls. Wenn alle Feldeffekttransistoren anfänglich unter der Bedingung, daß V_1x größer ist als die Summe der Schwellwertspannungen der Feldeffekttransistoren, eingeschaltet werden, oder wenn zumindest ein Transistor in jeder der drei Stufen 10,60 und 70 eingeschaltet wird, dann baut sich zwischen den t>o Klemmen 70 und 72 eine kleine Signalyerstärkung auf. Wenn V_1x kleiner ist als Vsw_N + Vswp, dann ergibt sich eine aus zwei Vorspannungsbedingungen in Abhängigkeit von der Größe der Kondensatoren im Netzwerk. Im einen Fall sind die Feldeffekttransistoren 14,64 und 73 eingeschaltet und die Feldeffekttransistoren 18, 62 und 74 abgeschaltet wogegen im anderen Fall die Feldeffekttransistoren 18, 62 und 74 eingeschaltet und die Feldeffekttransistoren 14, 64 und 73 abgeschaltet sind. In beiden Fällen sind jedoch die Kondensatoren 27 und 26 die bestimmenden Faktoren für die Einstellung der Vorspannungsbedingungen. So sind z. B. die Kapazitäten der Kondensatoren 27 und 26 um vieles größer als die Streukapazitäten der Feldeffekttransistoren und ferner die Spannungen V» und Va in Wirklichkeit gleich dem Massepotential. Deshalb ist der Feldeffekttransistor 18 abgeschaltet da er eine sehr kleine Spannung zwischen dem Tor und dem Trägermaterial hat. Zwischen der Quelle und der Senke des Feldeffekttransistors 14 liegt jedoch ein positives Potential und ferner ist die Spannung zwischen dem Tor und dem Trägermaterial nahezu gleich - K₀ Damit wird der Feldeffekttransistor 14 eingeschaltet und lädt den Kondensator 26 auf den Spannungswert der Potentialquelle auf, so daß K₃₂ gleich V_1x wird. Da anfänglich der Kondensator 65 ein positives Potential zwischen der Senke und der Quelle des Feldeffekttransistors 64 aufbaut, und da die Spannung zwischen dem Tor und dem Trägermaterial dieses Feldeffekttransistors nicht gleich V_1x ist wird dieser Feldeffekttransistor 64 eingeschaltet. Da die Spannung zwischen dem Tor und dem Trägermaterial des Feldeffekttransistors 62 sehr klein ist ist dieser abgeschaltet. Damit entlädt sich der Kondensator 65 über die Senken-Quellstrecke des Feldeffekttransistors 64 und senkt die Spannung V^ auf etwa Massepotential ab. Der Feldeffekttransistor 74 wird wegen der sehr kleinen Spannung zwischen dem Tor und dem Trägermaterial abgeschaltet. Der Feldeffekttransistor 73 hat jedoch eine Spannung zwischen dem Tor und dem Trägermaterial gleich — V_m und da der Kondensator 74 durch Spannungsteilung ein positives Potential zwischen der Quelle und der Senke des Feldeffekttransistors 73 aufbaut wird dieser eingeschaltet und lädt den Kondensator 75 auf den Spannungswert der Potentialquelle auf. Wenn daher die Kondensatoren 27 und 26 groß sind, werden die Feldeffekttransistoren 14, 64 und 73 eingeschaltet und die Feldeffekttransistoren 18,62 und 74 abgeschaltet da die Kondensatoren 65 und 75 zulassen, daß die Spannungen V76 und VVs anfänglich positiv sind. Zusätzlich zu der Tatsache, daß die Kondensatoren 27, 26,65 und 75 Elemente zur Einstellung der Vorspannungen sind, müssen sie auch die richtige Größe haben, um das Schwingen der Schaltung zu ermöglichen. Die Kondensatoren 27 und 75 können ebenfalls als Trimmkondensatoren Verwendung finden.

Vorausstehend wurde eine komplementäre Signalumkehrstufe gemäß der Erfindung aus Feldeffekttransistoren beschrieben, die für einen stabilen Kristalloszillator Verwendung findet Für die Schaltung werden keine Teile benötigt, die kritische Toleranzen aufweisen, außerdem kann die Schaltung mit einem Minimum an Komponenten aufgebaut werden. Die Signalumkehrstufe umfaßt zwei Feldeffekttransistoren, von denen einer oder beide eingeschaltet werden, und von denen dann einer oder beide Feldeffekttransistoren eine geringe Signalverstärkung bei der gewünschten Oszillatorfrequenz aufweisen, wobei die Verstärkung den Wert 1 übersteigt Bei einer weiteren Ausführungsform sind Kondensatoren für die Frequenzeinstellung und zur Temperaturkompensation vorgesehen. Entsprechend einer dritten Ausführungsform der Erfindung werden zwei Signalumkehrstufen identischer Ausführung zur Erzeugung von komplementären Ausgangssignalen verwendet Zur Erzielung einer größeren Verstärkung und zur Erreichung einer höheren Frequenz kann die

Schaltung aus zwei Signalumkehrstufen mit einer dritten Signalumkehrstufe erweitert werden. Damit ist es möglich, einen Quarzoszillator zu schaffen, der Rechteckschwingungen mit einer sehr stabilen Frequenz liefert.

Hierzu 3 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Oszillatorschaltung mit Feldeffekttransistoren, mit einer Vorspannungsquelle, die zumindest einen ersten und einen zweiten Spannungspegel liefert, deren Kanalstrecken komplementäre Leitfähigkeiten haben, wobei das Trägermaterial eines ersten und zweiten Feldeffekttransistors vom Anreicherungstyp jeweils mit der Quelle des entsprechenden Feldeffekttransistors mit dem ersten Spannungspegel und die Quelle des zweiten Feldeffekttransistors mit dem zweiten Spannungspegel der Versorgungsspannungsquelle beaufschlagt sind, die Senken der beiden Feldeffekttransistoren in einsm ersten Verbindungspunkt miteinander verbunden sind und den Ausgang der Oszillatorschaltung bilden, die Tore der beiden Feldeffekttransistoren in einem zweiten Verbindungspunkt miteinander verbunden sind und den Eingang der Oszillatorschaltung bilden, ein Schwingquarz zur Bestimmung der Oszillatorfrequenz zwischen den ersten und den zweiten Verbindungspunkt geschaltet ist und wobei parallel zu dem Schwingquarz ein Widerstand geschaltet ist, dadurch gekennzeichnet, daß ein erster Vorspannungskondensator (26) zwischen dem ersten Verbindungspunkt und dem zweiten Spannungspegel sowie ein zweiter Vorspannungükondensator (27) zwischen dem zweiten Verbindungspunkt und dem zweiten Spannungspegel angeordnet sind. i< >

2. Oszillator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine zweite Ausgangsklemme vorgesehen ist, an welcher in bezug auf die Signale an der ersten Ausgangsklemme komplementäre Ausgangssignale erzeugt werden, daß weiterhin ein dritter v> Feldeffekttransistor (62) des ersten Leitfähigkeitstyps vorhanden ist, dessen Source mit dem ersten Potentialpegel beaufschlagt ist, daß weiterhin ein vierter Feldeffekttransistor (64) vorgesehen ist, dessen Source mit dem zweiten Potentialpegel beaufschlagt ist, daß ein dritter Vorspannungskondensator (65) zwischen der zweiten Ausgangsklemme und dem zweiten Potentialpegel angeordnet ist, daß die Drain des dritten und des vierten Feldeffekttransistors an einem dritten Verbindungspunkt gemeinsam mit der zweiten Ausgangsklemme verbunden sind und daß die Gate-Anschlüsse über einsn vierten Verbindungspunkt gemeinsam mit der ersten Ausgangsklemme verbunden sind.

3. Schaltungsanordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß eine dritte Ausgangsklemme (72) vorgesehen ist, daß ein fünfter Feldeffekttransistor (73) des ersten Leitfähigkeitstyps und ein sechster Feldeffekttransistor (74) des zweiten Leitfähigkeitstyps vorgesehen sind, daß die Source des fünften Feldeffekttransistors (73) mit dem ersten Potentialpege! beaufschlagt ist, daß die Source des sechsten Feldeffekttransistors (74) mit dein zweiten Potentialpegel beaufschlagt ist, daß die Drain-Anschlüsse über einen fünften Verbindungspunkt mit der dritten Ausgangsklemme verbunden sind, daß die Gate-Anschlüsse über einen sechsten Verbindungspunkt mit der zweiten Ausgangsklemme verbunden sind, daß ein vierter Vorspannungskondensator (75) zwischen der dritten Ausgangsklemme (72) und dem zweiten Potentialpegel angeordnet ist und daß der Schwingquarz zwischen dem zweiten Verbindungspunkt und der dritten Ausgangsklemme (72) angeordnet ist.