DE2202762C2

DE2202762C2 - Elektronische Quarzuhr mit monolithisch integrierten elektronischen Schaltelementen

Info

Publication number: DE2202762C2
Application number: DE2202762A
Authority: DE
Inventors: Hans Dipl.-Ing. 7803 Gundelfingen Keller; Walter Dipl.-Ing. 7831 Mundingen Kreitz
Original assignee: Deutsche ITT Industries GmbH
Current assignee: TDK Micronas GmbH
Priority date: 1972-01-21
Filing date: 1972-01-21
Publication date: 1974-01-31
Also published as: AU5083373A; DE2202762B1; US3775697A; AU465898B2

Description

bencn Art werden als autonome Uhren im allgemeinen von einer Trockenbatterie mit eier zum Betrieb erforderlichen Energie versorgt, wobei es insbesondere für Armbanduhren auf Grund des geringen zur Verfügung stehenden Platzes nur möglich isi, als Betriebsspannung für der. elektronischen Teil die Spannung einer einzigen Zelle zur Verfugung 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, d?ß auf Grund des endlichen Innenwiderstand « 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 Versorgungsspannungauf die Ganggenauigkeit der elektronischen Uhr zu verhindern. Diese Aufgabe wird bei der eineangs 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 is*, 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,

Fig. 2 den elektronischen Teil einer elektronischen Quarzuhr mit einer QMar/oszillatorschaltung, die zwei kreuzgekoppeltc Transistoren enthält.

In Fig. 1 sind abschnittsweise eine Quar/oszillalorschaltung, zwei F'rquenzteilcrsiufen und eine Mchrfachkonstantstromquelle gezeigt. Die spezielle Schaltung der Frequcn/teilcrstuf'-P und der Mehr faehkonslanlstromquelle sollen hier nicht niiher erläutert werden. Die Schalttransistoren der Frequen/-teiierstufen sowie deren Steuertransistoren sind vom npn-Typ, während die Transistoren der Mehrfachkonstantstromquelle vom pnp-Typ sind. Solche Fre CjUertzteilcrstufen sind in der eingangs genannten Zeitschrift ausführlich beschrieben.

Wie aus Fig. 1 ersichtlich ist, werden die Eingänge der ersten Flipflop-Stufe von einer Osziilatorschaltung aus angesteuert, die aus einem einzigen Transistor besteht, dessen Leitungstyp zu dem der Schalttransistcren 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 Versorgitngsspannungsquelle U_B angeschlossen ist.

An dieser Stelle sei angemerkt, daß die Mehrfach-

ao konstantstromquelle bei monolithischer Integrierung so ausgebildet ist, daß sie aus einem Lateialtransistor entsprechender Abmessungen besteht, dessen Basiszone und Emitterzone sämtlichen einzelnen Kollektoren der Mehrfachkonstantstromquelle gemeinsam ist.

a5 wobei dem Basisanschluß und dem Emitteranschluß der Kondensator C3 parallelgeschaitet 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 Al und dem zweiten Kondensator Ll parallelgeschaltet. Der Kollektor des Transistors 7"1 ist am Schaltungsnullpunkt 0 angeschlossen.

Der Vorteil der Wahl eines komplementären fransistors als Transistor für die Oszillatorschaltung ist auch darin zu sehen, daß bei monolithischer Integrierung mittels der üblichen Planartechnoloyie. bei denen die »planaren« Transistoren vom npn-T\p sind und dieser Oszillatortransistor also vom pnp-T\p 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 weiden, so daß mindestens ein Teil der Kapazität des zweiten

JJ Kondensators Cl nach Fig. 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 SubstraMransistor 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 I eiiungstyps beim Substrattransistor als Emitter wirkt und dessen Kollektor von den die üblicherweise als Kollekt :/onc wirkende Zone umgebenden Isoherzoncn und dem Substrat der monolithisch integrieren Schaltung gebildet wird, wodurch eine entsprechende Ciroßflächigkeit des Kollektor-Basis-pn-Uhergangs gegeben

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

Wie im Ausfiihrungsbeispiel nach Fig. 1 sind die Kollektoren der als Konstantstromquellen wirkenden pnp-Transistoren mit den Emittern der Transistoren Tl und 7"3 verbunden, während ihr gemeinsamer Emitter am spannungsführenden Pol + der Versorgungsspannungsquelle U_n angeschlossen ist. Die beiden Emitter der Transistoren Tl und Ti und somit auch die beiden Kollektoren der als Konstantstromquellen dienenden Transistoren sind über den Quarz Q miteinander verbunden. Die Basen und die Kollektoren der Transistoren Tl und Ti sind kreuzweise miteinander verbunden, d. h., der Kollektor des Transistors Tl ist mit der Basis des Transistors Ti und der Kollektor des Transistors Γ3 mit der Basis des Transistors Tl verbunden. Von dem jeweiligen Verbindungspunkt führen die Kollektorwiderstände Rl und Ri zum Schaltungsnullpunkt 0. Die erste Flipflop-Stufe der Frequenzteilerschaltung wird vom Kollektor tics Transistors 7*3 angesteuert, an welchen Punkt die sinusförmige Spannung mit der Oszillatorfrequenz entsteht. Dieser Spannung sind die durch die Motortreiberschaltung entstehenden Absenkunger 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 Vcrsorgungsspannungsquelle, alsc 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, ar denen das Oszillatorsignal zur Speisung der Frequenzteilerstufen abgenommen wird, da Konstantstromquellen einen konstanten Strom unabhängig von

ao der Spannung der Versorgungsspannungsquelle liefern.

Bei der Schaltung nach dem bekannten Stand der Technik dagegen liegen diese Konstantstromquellen zwischen der Oszillatorschaltung und dem Schaltun&snullpunkt, 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 QuarzoszillatorschaKung, eine mehrstufige, aus bistabilen Flipflop-Stufen bestehende Frequenzteilerschaltung und eine Motortreiborschaltung 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 zij 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 (71, T2, 73) der Quarzobzillatorschaltung einschließlich der zugehörigen Konstantstromquellentransistoren einen Leitungstyp aufweisen, der zu dem der Schalttransistoren der Flipflop-Stufen komple -.entär ist.

2. Quarzuhr nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß dem gemeinsamen Emitteranschluß und dem gemeinsamen B'sisanschluß der Transistoren der Mehrfachkonsiantstromquelle 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 (Tl) der Quarzoszillatorschaltung am Schaltungsnullpunkt (0) angeschlossen ist und seiner Kollcktor-Emitter-Strecke ein erster Kondensator (Cl), seiner Kollektor-Basis-Strecke die Parallelschaltung eines zweiten Kondensators (C2) und eines Widerstandes (Al) und seiner Basis-Emitter-Strecke der Quarz (Q) parallelgeschaltet ist und daß der Emitter des Konstantstromquellentransistors am spannungsführenden Pol ( + ) der Versorgungsspannungsqucllc (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, /wischen deren beide Emitter der Quarz geschaltet ist und die je einen ohmschen Kollektorwiderstand aufweisen, dadurch gekennzeichnet, daß das kollektorferne Ende der Kollektorwiderstände (Rl, A3) am Schaltungsnullpunkt (0) und die Emitter der Konstantstromquellentransistoren am spannungsführenden Pol ( + ) der Vcrsorgungsspannungsquelle (U_B) angeschlossen sind (Fig. 2).

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

ίο von als Konstantstromquellen geschalteten, zu den S'halttransistoren der Flipflop-Stufen komplementären Transistoren gebildet sind, die pro integrierte Halbleiterschaltung zu mindestens einei 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 d< r 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 1548 137 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 /1 hintereinandergeschalteten bistabilen Flipflop-Stufen eine Frequenzteilung um den Faktor 2" erreicht werden kann.

Wie in der eingangs genannten Zeitschrift »radiomentor electronic« ausführlich dargelegt wird, sinü 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 Konstantstrnmqucllcntranstistoren pnp-Transistorcn.

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