DE2202762B1

DE2202762B1 - Elektronische quarzuhr mit monolithisch integrierten elektronischen schaltelementen

Info

Publication number: DE2202762B1
Application number: DE19722202762
Authority: DE
Inventors: Hans Dipl-Ing Keller; Walter Dipl-Ing Kreitz
Original assignee: Deutsche ITT Industries GmbH
Current assignee: TDK Micronas GmbH
Priority date: 1972-01-21
Filing date: 1972-01-21
Publication date: 1973-07-12
Also published as: DE2202762C2; US3775697A; AU465898B2; AU5083373A

Description

benen Art werden als autonome Uhren im allgemeinen von einer Trockenbatterie mit der zum Betrieb erforderlichen Energie versorgt, wobei es insbesondere für Armbanduhren auf Grund des geringen zur Verfügung stehenden Platzes nur möglich ist, als Betriebsspannung für den elektronischen Teil die Spannung einer einzigen Zelle zur Verfügung zu stellen, deren Energieinhalt und somit auch deren maximal mögliche Stromentnahme begrenzt ist.

Allerdings ist es möglich und auch üblich, wegen des im Vergleich zur gesamten Periodendauer des Ausgangsimpulses der Frequenzteilerschaltung nur kurzen Motortreiberimpulses während der Dauer dieses kurzen Impulses einen größeren Strom der Trokkenbatterie zu entnehmen, als dies der maximal möglichen Dauerstromentnahme eines kontinuierlichen Gleichstroms entsprechen würde.

Wie Untersuchungen gezeigt haben, tritt jedoch bei einer solchen Betriebsweise das Problem auf, daß auf Grund des endlichen Innenwiderstandes der Trokkenbatterie deren Klemmenspannung und somit auch die den elektronischen Teil der Quarzuhr versorgende Spannung kurzzeitig absinkt. Diese Spannungsdifferenz kann bis in die Größenordnung des Spitze-Spitze-Wertes der von der Oszillatorschaltung erzeugten Wechselspannung kommen. Bei ungünstiger Phasenlage zwischen dem impulsartigen Absinken der Versorgungsspannung und der Oszillatorwechselspannung können in der ersten bistabilen Flipflop-Stufe des Frequenzteilers Fehlschaltungen in der Weise auftreten, daß auch der der Versorgungsspannung überlagerte Impuls zu einem zusätzlichen Weiterschalten dieser Stufe führt, so daß der Frequenzteiler im ungünstigsten Falle pro 2" Impulse einen störenden Fehlimpuls erhält, was zu einer Gangabweichung der elektronischen Uhr führt.

Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, durch schaltungstechnische Maßnahmen die geschilderte störende Wirkung des Absinkens der Versorgungsspannung auf die Ganggenauigkeit der elektronischen Uhr zu verhindern. Diese Aufgabe wird bei der eingangs genannten elektronischen Quarzuhr nach der Erfindung dadurch gelöst, daß die Transistoren der Quarzoszillatorschaltung einschließlich der zugehörigen Konstantstromquellentransistoren einen Leitungstyp aufweisen, der zu dem der Schalttransistoren der Flipflop-Stufen komplementär ist. Eine besonders vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung besteht darin, daß dem gemeinsamen Emitteranschluß und dem gemeinsamen Basisanschluß der Transistoren der Mehrfachkonstantstromquelle ein Kondensator parallelgeschaltet ist, dessen Kapazität größer als 10 nF ist. Weitere zweckmäßige Ausgestaltungen der Erfindung sind den Unteransprüchen 3 und 4 zu entnehmen.

Die Erfindung wird nun an Hand der in der Zeichnung dargestellten Figuren näher erläutert. Es zeigt

Fig. 1 einen Ausschnitt aus dem elektronischen Teil einer elektronischen Quarzuhr mit einer Quarzoszillatorschaltung die einen einzigen Transistor enthält,

F i g. 2 den elektronischen Teil einer elektronischen Quarzuhr mit einer Quarzoszillatorschaltung, die zwei kreuzgekoppelte Transistoren enthält.

In Fig. 1 sind ausschnittsweise eine Quarzoszillatorschaltung, zwei Frequenzteilerstufen und eine Mehrfachkonstantstromquelle gezeigt. Die spezielle Schaltung der Frequenzteilerstufen und der Mehrfachkonstantstromquelle sollen hier nicht näher erläutert werden. Die Schalttransistoren der Frequenzteilerstufen sowie deren Steuertransistoren sind vom npn-Typ, während die Transistoren der Mehrfachkonstantstromquelle vom pnp-Typ sind. Solche Frequenzteilerstufen sind in der eingangs genannten Zeitschrift ausführlich beschrieben.

Wie aus Fig. 1 ersichtlich ist, werden die Eingänge der ersten Flipflop-Stufe von einer Oszülatorschaltung aus angesteuert, die aus einem einzigen Transistor besteht, dessen Leitungstyp zu dem der Schalttransistoren der Flipflop-Stufen komplementär ist. Dieser Transistor 71 ist so geschaltet, daß sein Emitter mit dem Kollektor des ihm zugeordneten, als Konstantstromquelle wirkenden Transistors gleichen Leitungstyps verbunden ist, dessen Emitter seinerseits wiederum an spannungsführenden Pol + der Versorgungsspannungsquelle U_B angeschlossen ist.

An dieser Stelle sei angemerkt, daß die Mehrfach-

ao konstantstromquelle bei monolithischer Integrierung so ausgebildet ist, daß sie aus einem Lateraltransistor entsprechender Abmessungen besteht, dessen Basiszone und Emitterzone sämtlichen einzelnen Kollektoren der Mehrfachkonstantstromquelle gemeinsam ist, wobei dem Basisanschluß und dem Emitteranschluß der Kondensator C3 parallelgeschaltet sein kann. Die Kapazität dieses Kondensators soll größer als 10 nF sein, um störende Effekte der Basis-Emitterkapazität der integrierten Mehrfachkonstantstromquelle zu kompensieren.

Der Quarz Q ist der Baisis-Emitter-Strecke des Transistors 71 parallelgeschaltet, während die Kollektor-Emitter-Strecke von einem ersten Kondensator Cl überbrückt ist. Der Basis-Kollektor-Strecke des Transistors 71 ist die Parallelschaltung aus dem Widerstand Rl und dem zweiten Kondensator Cl parallelgeschaltet. Der Kollektor des Transistors 71 ist am Schaltungsnullpunkt 0 angeschlossen.

Der Vorteil der Wahl eines komplementären Transistors als Transistor für die Oszillatorschaltung ist auch darin zu sehen, daß bei monolithischer Integrierung mittels der üblichen Planartechnologie, bei denen die »planaren« Transistoren vom npn-Typ sind und dieser Oszillatortransistor also vom pnp-Typ ist, der Oszillatortransistor als sogenannter Substrattransistor ausgeführt werden kann. Er hat als solcher eine hohe Stromverstärkung, und außerdem kann seine Kollektor-Basis-Kapazität sehr groß gemacht werden, so daß mindestens ein Teil der Kapazität des zweiten Kondensators CI nach F i g. 1 durch diese innere Basis-Kollektor-Kapazität des Transistors 71 realisiert werden kann. Dies ist erwünscht, da Kondensatoren bekanntlich nur mit relativ kleinen Kapazitätswerten von einigen 10 pF wirtschaftlich integrierbar sind.

Als Substrattransistor ist dabei eine Anordnung zu verstehen, bei der die in monolithisch integrierten Schaltungen üblicherweise innerhalb einer Isolierwanne angeordnete Kollektorzone eines Transistors als Basiszone des Substrattransistors dient, während die üblicherweise als Basiszone in die Kollektorzone eindiffundierte Zone entgegengesetzten Leitungstyps beim Substrattransistor als Emitter wirkt und dessen Kollektor von den die üblicherweise als Kollektorzone wirkende Zone umgebenden Isolierzonen und dem Substrat der monolithisch integrierten Schaltung gebildet wird, wodurch eine entsprechende Großflächigkeit des Kollektor-Basis-pn-Ubergangs gegeben ist.

In F i g. 2 ist eine andere Quarzoszillatorschaltung gezeigt, die ebenfalls zum Ansteuern der ersten Flipflop-Stufe der Frequenzteilerschaltung der elektronischen Quarzuhr nach der Erfindung dienen kann. Diese Oszillatorschaltung besteht aus den beiden Transistoren 72 und 73, die im Ausführungsbeispiel nach Fig. 2 vom pnp-Typ und somit vom gleichen Leitungstyp wie die als Konstantstromquellen geschalteten Transistoren sind.

Wie im Ausführungsbeispiel nach Fig. 1 sind die Kollektoren der als Konstantstromquellen wirkenden pnp-Transistoren mit den Emittern der Transistoren Tl und 73 verbunden, während ihr gemeinsamer Emitter am spannungsführenden Pol + der Versorgungsspannungsquelle U_B angeschlossen ist. Die beiden Emitter der Transistoren 72 und 73 und somit auch die beiden Kollektoren der als Konstantstromquellen dienenden Transistoren sind über den Quarz β miteinander verbunden. Die Basen und die Kollektoren der Transistoren 72 und 73 sind kreuzweise miteinander verbunden, d. h., der Kollektor des Transistors 72 ist mit der Basis des Transistors 73 und der Kollektor des Transistors 73 mit der Basis des Transistors 72 verbunden. Von dem jeweiligen Verbindungspunkt führen die Kollektorwiderstände R2 und R3 zum Schaltungsnullpunkt 0. Die erste Flipflop-Stufe der Frequenzteilerschaltung wird vom Kollektor des Transistors Γ3 angesteuert, an welchem Punkt die sinusförmige Spannung mit der Oszillatorfrequenz entsteht. Dieser Spannung sind die durch die Motortreiberschaltung entstehenden Absenkungen der Versorgungsspannung U_B nicht mehr überlagert, wie dies im übrigen auch für die am Emitter des Transistors 71 nach Fig. 1 entnommene Oszillatorspannung gilt.

Die Wahl von komplementären Transistoren für die

ίο Transistoren der Quarzoszillatorschaltung erlaubt es, denjenigen Pol der Versorgungsspannungsquelle, also in den F i g. 1 und 2 den positiven Pol, dem das impulsartige Absinken überlagert ist, ebenfalls über die erwähnten Konstantstromquellen an die Oszillatorschaltung anzuschließen. Dadurch wird der Absinkimpuls von denjenigen Elektroden ferngehalten, an denen das Oszillatorsignal zur Speisung der Frequenzteilerstufen abgenommen wird, da Konstantstromquellen einen konstanten Strom unabhängig von der Spannung der Versorgungsspannungsquelle liefern.

Bei der Schaltung nach dem bekannten Stand der Technik dagegen liegen diese Konstantstromquellen zwischen der Oszillatorschaltung und dem Schal-

a5 tungsnullpunkt, so daß die Absinkimpulse sich voll auf den Abnahmepunkt des Oszillatorsignals auswirken können.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Elektronische Quarzuhr, deren elektronischer Teil eine Quarzoszillatorschaltung, eine mehrstufige, aus bistabilen Flipflop-Stufen bestehende Frequenzteilerschaltung und eine Motortreiberschaltung umfaßt, wobei zumindest alle aktiven elektronischen Schaltelemente in mindestens einer bipolaren monolithisch integrierten Halbleiterschaltung vereinigt sind und wobei die Arbeitswiderstände von Frequenzteilerschaltung und Motortreiberschaltung von als Konstantstromquellen geschalteten, zu den Schalttransistoren der Flipflop-Stufen komplementären Transistoren gebildet sind, die pro integrierte Halbleiterschaltung zu mindestens einer Mehrfach-Konstantstromquelle zusammengefaßt sind, und der oder die Arbeitswiderstände der Quarzoszillatorschaltung ebenfalls von als Konstantstromquellen geschalteten Transistoren gebildet sind, dadurch gekennzeichnet, daß die Transistoren (Tl, Tl, T3) der Quarzoszillatorschaltung einschließlich der zugehörigen Konstantstromquellentransistoren einen Leitungstyp aufweisen, der zu dem der Schalttransistoren der Flipflop-Stufen komplementär ist.

2. Quarzuhr nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß dem gemeinsamen Emitteranschluß und dem gemeinsamen Basisanschluß der Transistoren der Mehrfachkonstantstromquelle ein Kondensator (C3) parallelgeschaltet ist, dessen Kapazität größer als 10 nF ist.

3. Quarzuhr nach Anspruch 1 oder 2 mit-einem einzigen Transistor in der Quarzoszillatorschaltung, dessen Emitterstrom von einem als Konstantstromquelle geschalteten Transistor gleichen Leitungstyps geliefert wird, dadurch gekennzeichnet, daß der Kollektor des Transistors (71) der Quarzoszillatorschaltung am Schaltungsnullpunkt (0) angeschlossen ist und seiner Kollektor-Emitter-Strecke ein erster Kondensator (Cl), seiner Kollektor-Basis-Strecke die Parallelschaltung eines zweiten Kondensators (Cl) und eines Widerstandes (RT) und seiner Basis-Emitter-Strecke der Quarz (Q) parallelgeschaltet ist und daß der Emitter des Konstantstromquellentransistors am spannungsführenden Pol (+) der Versorgungsspannungsquelle (U_B) angeschlossen ist (Fig. 1).

4. Quarzuhr nach Anspruch 1 oder 2, mit zwei bezüglich ihrer Basen und Kollektoren kreuzgekoppelten Transistoren in der Quarzoszillatorschaltung, deren Emitterströme von als Konstantstromquellen geschalteten Transistoren gleichen Leitungstyps geliefert werden, zwischen deren beide Emitter der Quarz geschaltet ist und die je einen ohmschen Kollektorwiderstand aufweisen, dadurch gekennzeichnet, daß das kollektorferne Ende der Kollektorwiderstände (Rl, R3) am Schaltungsnullpunkt (0) und die Emitter der Konstantstromquellentransistoren am spannungsführenden Pol ( + ) der Versorgungsspannungsquelle (U_B) angeschlossen sind (Fig. 2).

Die Erfindung betrifft eine elektronische Quarzuhr, deren elektronischer Teil eine Quarzoszillatorschaltung, eine mehrstufige, aus bistabilen Flipflop-Stufen bestehende Frequenzteilerschaltung und eine Motortreibe rschaltung umfaßt, wobei zumindest alle aktiven elektronischen Schaltelemente in mindestens einer bipolaren monolithisch integrierten Halbleiterschaltung vereinigt sind und wobei die Arbeitswiderstände von Frequenzteilerschaltung und Motortreiberschaltung

ίο von als Konstantstromquellen geschalteten, zu den Schalttransistoren der Flipflop-Stufen komplementären Transistoren gebildet sind, die pro integrierte Halbleiterschaltung zu mindestens einer Mehrfach-Konstantstromquelle zusammengefaßt sind, und der oder die Arbeitswiderstände der Quarzoszillatorschaltung ebenfalls von als Konstantstromquellen geschalteten Transistoren gebildet sind. Eine solche Quarzuhr ist von den Erfindern in der Zeitschrift »radiomentor electronic«, 1971, Heft 7, Seiten 420-426, beschrieben worden.

Als Quarzoszillatorschaltung für Uhren haben sich im wesentlichen zwei Prinzipschaltungen bewährt, wovon die eine aus der genannten Literaturstelle bekannt ist und aus einem einzigen entsprechend beschalteten Transistor besteht, während die andere aus zwei bezüglich ihren Basen und Kollektoren kreuzgekoppelten Transistoren besteht, die mit ihren Emittern über jeweils einen Widerstand am einen Pol der Versorgungsspannung und mit ihren Kollektoren über jeweils einen weiteren Widerstand am anderen Pol der Versorgungsspannung liegen, wobei der Quarz die beiden Emitter verbindet und in Serienresonanz betrieben ist; diese Schaltung ist aus dem Buch von E. R. Hauri und A. E. Bachmann »Grundlagen und Anwendungen der Transistoren«, 2. verbesserte Auflage, Bern 1965, Seiten 507 und 508 sowie aus der französischen Patentschrift 1548137 bekannt.

Die Frequenzteilerschaltung besteht in Quarzuhren üblicherweise aus einer bestimmten Anzahl hintereinandergeschalteter gleichartiger Flipflop-Stufen, deren jede als binäre Untersetzerstufe mit dem Untersetzungsverhältnis 2 :1 wirkt, so daß mit η hintereinandergeschalteten bistabilen Flipflop-Stufen eine Frequenzteilung um den Faktor 2" erreicht werden kann.

Wie in der eingangs genannten Zeitschrift »radiomentor electronic« ausführlich dargelegt wird, sind solche bistabilen Flipflop-Stufen für Quarzuhren bezüglich ihrer speziellen Schaltung so auszubilden, daß sie keine ohmschen Widerstände, die sehr hochohmig sein müßten, enthalten, sondern daß die Arbeitswiderstände der Flipflop-Stufen durch als Konstantstromquellen geschaltete Transistoren ersetzt sind, die ihrerseits wiederum zu einer oder mehreren Mehrfachkonstantstromquellen vereinigt sind.

Bei monolithischer Integrierung dieser Frequenzteiler in Bipolartechnik sind die Transistoren der Mehrfachkonstantstromquelle(n) zu den Transistoren der bistabilen Flipflop-Stufen komplementär, d.h. also, bei nach der üblichen Planartechnik hergestellten integrierten Schaltungen sind die Konstantstromquellentranstistoren pnp-Transistoren.

Die Motortreiberschaltung besteht nach der eingangs genannten Zeitschrift aus einem Impulsformer, der aus dem Ausgangssignal der letzten bistabilen Flipflop-Stufe der Freqiienzteilerschaltung einen Impuls mit der zum Antrieb der Schrittschaltmotoren notwendigen Impulsdauer und Leistung erzeugt.
Elektronische Quarzuhren der eingangs beschrie-