DE2207262A1

DE2207262A1 - Quarzoszillator

Info

Publication number: DE2207262A1
Application number: DE19722207262
Authority: DE
Inventors: Jean Pierre Gieres; Schuler Georges Grenoble; Moreau (Frankreich). HOIv 7-00
Original assignee: Societe Europeenne de Semi Conducteurs de Microelectronique SA SESCOSEM
Current assignee: Societe Europeenne de Semi Conducteurs de Microelectronique SA SESCOSEM
Priority date: 1971-02-17
Filing date: 1972-02-16
Publication date: 1972-08-31
Also published as: CH555112A; IT947543B; US3753154A; FR2126956A1; FR2126956B1; GB1376065A

Description

SESCOSEM (SOCIETE EUROPEEKIiE DE SEMICONDUCTEURS ET DE MICROELECTRONIQUES)

101, Bl. Murat, Paris I6^e, Frankreich

Quarzoszillator

Die Erfindung bezieht sich auf Quarzoszillatoren, die" insbesondere im Hinblick auf eine miniaturisierte Ausführung in Form von integrierten Schaltungen mit kleinem Stromverbrauch ausgelegt sind.

Bei bestimmten Anwendungsfällen, beispielsweise bei der Verwendung in Uhren, sind für den Aufbau der dem Quarzblättchen zugeordneten elektronischen Schaltung eine gewisse Anzahl von Bedingungen vorgeschrieben, insbesondere ein sehr kleiner Raumbedarf, ein geringer Herstellungspreis, ein kleiner Leistungsverbrauch und eine niedrige Speisespannung. Diese Bedingungen führen insbesondere dazu, in der zugehörigen elektronischen Schaltung eine bestimmte Art von Feldeffekttransistoren zu verwenden, die in der Technik unter der Bezeichnung MOS-Feldeffekttransistoren ("Metall-Oxid-Halbleiter-Feldeffekttransistoren") bekannt sind. Hierbei handelt es sich nämlich um hochohmige Schaltungselemente, deren Leistungsverbrauch sehr

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viel kleiner als derjenige von klassischen Transistoren ist.

Die bekannten Quarzoszillatorschaltungen enthalten hauptsächlich einen Verstärker, an dessen Klemmen das Quarzblättchen angeschlossen ist, und ein Lastglied, das an den Ausgang des Verstärkers angeschlossen ist. Damit eine solche Anordnung als Oszillator arbeitet, sind insbesondere genaue Phasenbedingungen für die Signale bei der Schwingungsfrequenz notwendig, v/as bedeutet, daß die aktiven Elemente der elektronischen Schaltung in einem sogenannten linearen Bereich ihrer Kennlinien arbeiten müssen, der einem linearen Betrieb entspricht. Dies bedeutet für einen Verstärker, der aus den zuvor erläuterten Gründen in der MOS-Technologie realisiert ist, daß der Betrieb in einem außerordentlich kleinen Spannungsintervall erfolgen muß, der einerseits durch die maximal zulässige Speisespannung begrenzt ist, und andererseits durch das Bestehen einer Leitfähigkeitsschwelle, bei deren Unterschreiten keine Verstärkung vorhanden ist, und in deren Nähe das Schaltungselement stark nichtlinear ist.

Insbesondere in den Fällen, wo die Anwendung eine Stromversorgung der Schaltungen durch Batterien erfordert, also durch Spannungsquellen, deren Spannung im Lauf des Betriebs allmählich abnimmt, hat dies zur Folge, daß die Verwendung der Batterien zeitlich auf die Periode begrenzt ist, in der die von innen gelieferte Spannung ausreichend groß ist, um einen linearen Betrieb zu gewährleisten; dieser Wert liegt in der Größenordnung des Zweifachen bis Dreifachen der Leitfähigkeitsschv/elle.

Eine Betriebsart des Verstärkerelements, die sich für einen großen Spannungsbereich eignet, ist der unter der

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Bezeichnung "C-Betrieb" bekannte nichtlineare Betrieb, bei dem Stromimpulse erhalten werden, welche im stationären Betrieb die Aufrechterhaltung der Schwingungen gewährleisten können.

Diese Betriebsart ermöglicht jedoch während des Übergangszustands beim Anlaufen nicht die Ausbildung der Schwingungen, weil dann die Linearität des Betriebs unerlässlich ist.

Das Ziel der Erfindung ist die Schaffung eines Quarzoszillators, bei dem diese Schwierigkeit dadurch vermieden wird, daß das Anlaufen der Anordnung in einer Periode erfolgt, in welcher der Betrieb mit Hilfe einer Anlaufhilfsanordnung vorübergehend linear gemacht wird, und bei der die Aufrechterhaltung der Schwingungen im nichtlinearen Betrieb gewährleistet wird.

Der Quarzoszillator nach der Erfindung enthält:

- Einen als Oszillator arbeitenden ersten MOS-Feldeffekttransistor;

- Ein Quarzblättchen, das einerseits mit der Steuerelektrode und andererseits mit dem Abfluß des ersten MOS-Feldeffekttransistors verbunden ist;

- Einen zweiten, als Lastglied verwendeten MOS-Feldeffekttransistor, dessen Kanal vom entgegengesetzten Leitungstyp wie derjenige des ersten MOS-Feldeffekttransistors ist, und dessen Steuerelektrode auf einem festen Potential gehalten ist, wobei dieser zv;eite MOS-Feldeffekttransistor an eine Spannungsquelle angeschlossen ist;

- Eine Hilfsanordnung, die das Anlaufen des so gebildeten Oszillators ermöglicht, und die zwei weitere MOS-FeIdeffekttransistoren vom gleichen Leitungstyp wie der erste MOS-Feldeffekttransistor enthält, die so geschaltet sind, daß die Steuerelektrode des einen weiteren MOS-Feldeffekt-

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transistors mit dem Abfluß des ersten MOS-Feldeffekttransistors und die Steuerelektrode des anderen weiteren MOS-Feldeffekttransistors mit der Steuerelektrode des ersten MOS-Feldeffekttransistors verbunden sind.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt. Diese zeigt das Schaltbild eines Quarzoszillators nach der Erfindung.

Der in der Zeichnung dargestellte Quarzoszillator enthält hauptsächlich ein Quarzblättchen 1 und einen ersten MOS-Feldeffekttransistor M1, dessen Kanal beispielsweise vom Leitungstyp P ist. Das Substrat 13 und die Quelle 12 des MOS-Feldeffekttransistors M1 sind an ein Bezugpotential (Massepotential)gelegt, die Steuerelektrode 11 ist mit der Elektrode 4 des Quarzblättchens 1 verbunden, und der Abfluß 14 ist mit der Steuerelektrode 3 des Quarzblättchens 1 verbunden. Ferner enthält die Schaltung einen zweiten MOS-Feldeffekttransistor M2, dessen Kanal vom entgegengesetzten Leitungstyp wie derjenige des MOS-Feldeffekttransistors M1 ist, im vorliegenden Fall also ein N-Kanal. Die Steuerelektrode 21 des zweiten MOS-Feldeffekttransistors M2 ist mit Masse verbunden, der Abfluß 22 ist an den Abfluß 14 des ersten MOS-Feldeffekttransistors M1 angeschlossen, und das Substrat 23 sowie die Quelle 24 sind mit der negativen Klemme einer Spannungsquelle 2 verbunden, deren positive Klemme das Bezugspotential liefert.

Der Oszillator enthält ferner eine Anordnung mit zwei MOS-Feldeffekttransistoren M3 und M4 vom gleichen Leitungstyp wie der MOS-Feldeffekttransistor M1, im vorliegenden Fall also mit P-Kanal. Die Substrate 33 und 43 dieser MOS-Feldeffekttransistoren M3 und M4 sind an Masse gelegt,

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die Steuerelektrode 31 des MOS-Feldeffekttransistors M3 ist mit dem Abfluß 14 des MOS-Feldeffekttransistors M1 verbunden, und die Steuerelektrode 41 des MOS-Feldeffekttransistors M4 ist mit der Steuerelektrode 11 des MOS-Feldeffekttransistors M1 verbunden. Die Quelle 32 des MOS-Feldeffekttransistors M3 ist mit dem Abfluß 44 des MOS-Feldeffekttransistors M4 verbunden, und der Abfluß 34 des MOS-Feldeffekttransistors M3 ist mit der Quelle 42 des MOS-Feldeffekttransistors M4 verbunden.

Der Betrieb einer solchen Anordnung erfolgt in zwei Zeiten, nämlich dem Anlauf und der Aufrechterhaltung der Schwingungen.

In einem ersten Zeitintervall, das dem Anlauf entspricht, wird die Quelle 24 des MOS-Feldeffekttransistors M2 durch eine an den Klemmen der Spannungsquelle 2 verfügbare Spannung gespeist. Je nach dem, ob die sogenannte "Steuerelektroden-Kapazität" zwischen Steuerelektrode und Substrat des MOS-Feldeffekttransistors M1 anfänglich gelagert ist oder nicht, kann das Anlaufen durch zwei verschiedene Mechanismen erfolgen. Es sei zu diesem Zweck daran erinnert, daß ein MOS-Feldeffekttransistor mit P-Kanal nur dann leitfähig ist, wenn an seine Steuerelektrode ein negatives Potential von ausreichender Größe angelegt wird, damit der Durchgang der Ladungen zwischen Quelle und Abfluß möglich ist.

Der erste mögliche Mechanismus entspricht dem Fall, daß diese Steuerelektroden-Kapazität anfänglich aufgeladen ist, das heißt bei dem hier gewählten Beispiel für das Anlegen der Vorspannungen dem Fall, daß die Steuerelektrode 11 auf einem negativen Potential gegenüber dem Substrat 13 liegt, das auf dem Bezugspotential gehalten ist. Der MOS-Feldeffekttransistor M1 ist dann leitfähig, und die Potentiale

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an der Elektrode 3, am Abfluß 44 und an der Steuerelektrode 31 liegen in der Nähe des Massepotentials. Da unter diesen Bedingungen die Steuerelektroden-Kapazität des MOS-Feldeffekttransistors M3 nicht ausreichend aufgeladen ist, befindet sich dieser im Sperrzustand, während der MOS-Feldeffekttransistor M4 im Leitungszustand ist, da seine Steuerelektrode 41 auf dem gleichen, im vorliegenden Fall negativen Potential wie die Steuerelektrode 11 des MOS-Feldeffekttransistors M1 liegt.

Beim Anlegen einer Speisespannung (Spannungsquelle 2) haben die zuvor beschriebenen Vorspannungen die Wirkung, daß das Potential der Quelle 42 des MOS-Feldeffekttransistors M4 und damit das Potential der Steuerelektrode 11 des MOS-Feldeffekttransistors M1 auf einen Wert V gebracht wird, das gleich der am Abfluß 22 des MOS-Feldeffekttransistors M2 erhaltenen Spannung U, verringert um den Spannungsabfall V_H im MOS-Feldeffekttransistor M4 ist. Damit das Anlaufen des Oszillators unter den zuvor angegebenen Bedingungen erfolgt, ist es notwendig, daß der Wert V der auf diese Weise an die Steuerelektrode des MOS-Feldeffekttransistors M1 angelegten Spannung etwas größer als die Linearitätsschwelle dieses Elements ist. Diese Bedingung ermöglicht die Bestimmung des Werts der Speisespannung, die in der Nähe der Spannung U liegt, da der MOS-Feldeffekttransistor M4 ebenfalls bei Spannungen arbeitet, die etwas größer als seine Linearitätsschwelle sind und dadurch einen Spannungsabfall verursacht, dessen Wert V_H praktisch sehr nahe bei dem Wert der Linearitätsschwelle liegt, wobei dieser Feldeffekttransistor annähernd die gleichen Eigenschaften v/ie die MOS-Feldeffekttransistoren M1 und M3 hat. Die Spannung U muß daher in der Praxis etwas größer als die doppelte Schwellenspannung der MOS-Feldeffekttransistoren M1, M3 oder M4 sein. Unter diesen Bedingungen gerät der MOS-FeId-

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effekttransistor M1 in Schwingungen.

Der zweite mögliche Anlaufmechanismus entspricht dem Fall, daß die Steuerelektroden-Kapazität des MOS-FeIdeffekttransistors M1 anfänglich entladen ist, so daß der MOS-Feldeffekttransistor M1 dann im Sperrzustand ist, ebenso wie der MOS-Feldeffekttransistor M4, dessen Steuerelektrode 41 auf dem gleichen Potential wie die Steuerelektrode 11 des MOS-Feldeffekttransistors M1 liegt. Beim Anlegen der Speisespannung liegen die Potentiale an der Elektrode 3, am Abfluß 32 und an der Steuerelektrode 31 in der Nähe der Spannung U. Die Steuerelektroden-Kapazität des MOS-Feldeffekttransistors M3 ist daher geladen, und dieser Feldeffekttransistor befindet sich im Strom führenden Zustand. In analoger Weise wie im vorhergehenden Fall, wobei nun der MOS-Feldeffekttransistor M3 an die Stelle des MOS-Feldeffekttransistors M4 tritt, wird das Potential der Steuerelektrode 11 des MOS-Feldeffekttransistors M1 auf einen Wert V gebracht, der etwas größer als die Linearitätsschwelle ist.

Wenn an der Steuerelektrode 11 ein Potential erhalten ist, das etwas über der Linearitätsschwelle liegt, arbeitet der Oszillator dann vorübergehend linear, und die Schwingungen entstehen mit einer Frequenz, die bekanntlich zwischen der Resonanzfrequenz des Serienschwingkreises und der Resonanzfrequenz des Parallelschwingkreises der elektrischen Ersatzschaltung eines Quarzblättchens liegt.

Im zweiten Zeitintervall des Betriebs, wenn die Schwingungen entstanden sind, haben die MOS-Feldeffekttransistoren M3 und M4 keine aktive Rolle mehr, aber die passive Rolle, den Wert der Spannung an der Steuerelektrode 11 mit den zuvor angegebenen Bedingungen aufrecht zu erhalten. Die Schwingungen an der Elektrode 3 können nämlich nicht die Grenzen des

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Intervalls überschreiten, das durch den Wert des Bezugspotentials und den Viert der Speisespannung gegeben ist, und der Mittelwert des Potentials an der Elektrode 4 und an der Steuerelektrode 11 wird durch die Begrenzungswirkung beschränkt, die von der aus den MOS-Feldeffekttransistoren M3 und M4 gebildeten Anordnung verursacht wird, die einer Diode äquivalent ist, die zwischen dem Abfluß 22 des MOS-Feldeffekttransistors M2 und der Steuerelektrode 11 des MOS-Feldeffekttransistors M1 angeschlossen ist.

Das Vorhandensein der MOS-Feldeffekttransistoren M3 und MA ergibt den weiteren Vorteil, daß sie die Stelle einer Schutzdiode vertreten, die wegen der Empfindlichkeit eines MOS-Feldeffekttransistors für statische Ladungen üblicherweise an dessen Steuerelektrode angebracht werden muß; da bekanntlich die Steuerelektrode eine hohe Impedanz aufweist, entsteht sehr schnell eine Ansammlung von Ladungen zwischen Steuerelektrode und Substrat, so daß die Gefahr eines zerstörenden Durchschlags durch die Isolierschicht der Steuerelektrode des MOS-Feldeffekttransistors besteht.

Sobald die Schwingungen angefacht sind, ist es in diesem zweiten Zeitintervall nicht mehr zwingend erforderlich, daß die Arbeitsweise linear ist, da für die Aufrechterhaltung der Schwingungen des Quarzblättchens Stromimpulse genügen, entsprechend den Eigenschaften des C-Betriebs eines Verstärkers (MOS-Feldeffekttransistor M1), was eine weitgehende Herabsetzung der Speisespannung mit den sich daraus ergebenden wichtigen Vorteilen ermöglicht, die insbesondere im Fall einer Stromversorgung durch Batterie ins Gewicht fallen, wie es vor allem bei der Verwendung in Uhren der Fall ist.

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Die MOS-Feldeffekttransistoren M3 und M4, welche die Hilfsanlaufschaltung bilden, können auch durch zwei Dioden D1 und D2 ersetzt werden, die gegenparallel an die Klemmen des Quarzblättchens angeschlossen sind. Der Kennlinienbereich, in dem eine Diode einen linearen Betrieb ergibt, ist jedoch sehr schmal, wodurch sich zusätzliche Einschränkungen ergeben. Die Leistungen einer solchen Dioden-Anlaufschaltung können jedoch durch die Hinzufügung von zwei Diodenanordnungen verbessert werden, wobei jede dieser Anordnungen durch Dioden gebildet ist, die in Serie mit den Dioden D1 und D2 geschaltet sind und die gleiche Durchlaßrichtung wie diese Dioden haben. Die sich daraus ergebenden Leistungen sind jedoch immer noch schlechter als die mit Hilfe der beiden MOS-Feldeffekttransistoren M3 und M4 erhaltenen Leistungen.

Andererseits ist es bei höheren Spannungen möglich, für den MOS-Feldeffekttransistor M2 unterschiedslos einen MOS-Feldeffekttransistor mit N-Kanal oder mit P-Kanal. zu verwenden; im zweiten Fall wird die Steuerelektrode des MOS-Feldeffekttransistors M2 mit der negativen Klemme der Spannungsquelle verbunden und das Substrat an das Bezugspotential gelegt.

Ein praktisches Ausführungsbeispiel eines Quarzoszillators mit einem MOS-Feldeffekttransistor M2 mit N-Kanal, der eine Leitfähigkeitsschwelle von 1 bis 2 V und einen äquivalenten Widerstand unter diesen Bedingungen von 1 bis 4 Megohm hat, sowie mit drei MOS-Feldeffekttransistoren M1, M3 und M4 mit P-Kanal mit einer Leitfähigkeitsschwelle von -0,8 bis -1V und einer Kanalgeometrie in der Größenordnung von 30 ergab einen Betrieb mit einer Speisespannung von mehr als 2V für das Anlaufen, während der Schwingungszustand für jede

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Spannung über 1 V aufrechterhalten wurde, und zwar mit einem sehr kleinen Leistungsverbrauch, der unter 2 pW lag. Diese Ergebnisse entsprechen vollkommen den Anwendungsbedingungen eines solchen Oszillators für den Antrieb von Uhren, insbesondere von elektronischen Armbanduhren.

Diese vorbeschriebene Ausführungsform ist natürlich nur als Beispiel anzusehen. So können beispielsweise die MOS-Feldeffekttransistoren M1, M3 und M4 durch MOS-FeIdeffekttransistoren mit N-Kanal und der MOS-Feldeffekttransistor M2 durch einen MOS-Feldeffekttransistor mit P-Kanal ersetzt werden, mit gleichzeitiger Vertauschung der Klemmen der Spannungsquelle 2.

Patentansprüche

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Claims

Patentansprüche

1.) Quarzoszillator mit einem ersten MOS-Feldeffekttransistor, der im Selbsterregungsbetrieb arbeitet, einem Quarzblättchen, das die Frequenz der selbsterregten Schwingung festlegt und mit zwei Elektroden versehen ist, von denen die eine mit der Steuerelektrode und die andere mit dem Abfluß des ersten MOS-Feldeffekttransistors verbunden ist, einem Lastglied für den ersten MOS-Feldeffekttransistor, von dem ein Anschluß mit dem Abfluß des ersten MOS-Feldeffekttransistors verbunden ist, während ein zweiter Anschluß an eine erste Klemme einer Spannungsquelle angeschlossen ist, deren zweite Klemme ein Bezugspotential liefert, dadurch gekennzeichnet, daß eine Anlaufschaltung für den Selbsterregungsbetrieb vorgesehen ist, die an die beiden Elektroden (3» 4) des Quarzblattchens (1) angeschlossen ist und aus wenigstens zwei MOS-Feldeffekttransistoren (M3, M4) besteht, die bewirken, daß zwischen der Steuerelektrode (11) und dem Substrat (13) des ersten MOS-Feldeffekttransistors (M1) eine Spannung angelegt wird, deren V/ert wenigstens gleich dem Wert der Linearitätsschwelle des ersten MOS-Feldeffekttransistors (M1) ist.

2. Quarzoszillator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Anlaufschaltung aus zwei MOS-Feldeffekttransistoren (M3, M4) gebildet ist, deren Kanäle vom gleichen Leitungstyp wie der Kanal des ersten MOS-Feldeffekttransistors (M1) sind, daß die Substrate (33, 43) der beiden MOS-Feldeffekttransistoren (M3, M4) der Anlaufschaltung auf dem Bezugspotential gehalten sind, daß die Quellen (32, 42)

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und Abflüsse (34, 44) der beiden MOS-Feldeffekttransistoren (M3, M4) der Anlaufschaltung zwischen der Steuerelektrode (11) und dem Abfluß (14) des ersten MOS-Feldeffekttransistors (M1) angeschlossen und ihre Steuerelektroden (31» 41) mit dem Abfluß (14) bzw. der Steuerelektrode (11) des ersten MOS-FeIdeffekttransistors (M1) verbunden sind, und daß die Quelle (12) und das Substrat (13) des ersten MOS-Feldeffekttransistors (M1) an das Bezugspotential gelegt sind.

3. Quarzoszillator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Lastglied durch einen v/eiteren MOS-Feldeffekttransistor (M2) gebildet ist, dessen Abfluß (22) den ersten Anschluß und dessen Quelle (24) den zweiten Anschluß bilden, und daß die Steuerelektrode (21) des weiteren MOS-Feldeffekttransistors (M2) auf einem festen Potential gehalten ist.

4. Quarzoszillator nach Anspruch 3» dadurch gekennzeichnet, daß der Kanal des weiteren MOS-Feldeffekttransistors (M2) vom entgegengesetzten Leitungstyp wie der Kanal des ersten MOS-Feldeffekttransistors (M1) ist, und daß die Steuerelektrode (21) des zweiten MOS-Feldeffekttransistors (M2) auf dem Bezugspotential gehalten ist, während sein Substrat (23) mit der ersten Klemme der Spannungsquelle (2) verbunden ist.

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