DE2244011C3 - Spannungsgesteuerter Oszillator - Google Patents

Description

F i g. 5 das Schaltschema eines für die Oszillatorschaitung nach F i g. 1 geeigneten bistabilen Multivibrators.

Sämtliche in F i g. 1 gezeigten Transistoren sind Isolierschicht-Feldeffekttransistoren (IGFETs), und zwar vorzugsweise solche mit Metall-Oxyd-Silicium-Aufbau (MOS-Transistoren) vom Anreichererungstyp (statt dessen können auch Verarmüngs-IG-FETs bei entsprechender Änderung der Spannungspolaritäten verwendet werden). Die Eingangskiemme 101 des in Fig. 1 gezeigten spannungsgesteuerten Oszillator;; ist an die Gat-jclektrode 102 eines N-Kanal-MOS-Transistors 103 angeschlossen. Die Sourceelektrode 104 des Transistors 103 ist über einen Widerstand 105 mit einem Bezugspotentialpunkv, beispielsweise Masse, verbunden. Das Substrat 106 des Transistors 103 ist mit dessen Sourceelektrode 104 verbunden.

Die Drainelektrode 107 des Transistors 103 ist an den Verbindungspunkt eines Widerstands 108 und der Drainelektrode 109 eines P-Kanal-MOS-Transistors 110 angeschlossen. Der Widerstand 108 liegt mit seinem anderen Ende an Masse. Die Sourceelektrode 111 des Transistors 110 ist an eine positive Betriebsspannung Vdd angeschlossen. Das Substrat 112 des Transistors 110 ist mit dessen Sourceelektrode 111 verbunden. Die Gateelektrode 113 des Transistors 110 ist an den Verbindungspunkt der Draineiektrode 109 des Transistors 110 und der Gateelektrode 114 eines P-Kanal-MOS-Transistors 115 angeschlossen. Das Substrat 116 des Transistors 115 ist mit dessen Sourceelektrode 117 verbunden, die ihrerseits an V_M angeschlossen ist. Die Drainelektrode 118 des Transistors 115 ist mit eiern Eingang 119 einer Brückenschaltung 120 verbunden.

Die Brückenschaltung 520 enthält zwei komplementärsymmetrische Umkehr- oder Inversionsstufen 121 und 12Γ. Die Inversionsstufe 121 besteht aus einem komplementären Transistorpaar 123, 124. Der Transistor 123 ist en P-Kanal-MOS-Transistor mit Gateelektrode 125, Drainelektrode 126, Sourceelektrode 127 und Substrat 128. Der Transistor 124 ist ein N-Kanal-MOS-Transistor mit Gateelektrode 129, Drainelektrode 130, Sourceelektrode 131 und Substrat 132 Das Substrat 128 ist an Vdd angeschlossen, während das Substrat 132 an Masse liegt. Die Gateelektroden 125 und 129 sind an den Inversionsstufeneingang 133 angeschlossen, und die Drainelektroden 126 und 130 sind an den Inversionsstufenausgang 134 angeschlossen. Die Sourceelektrode 127 des Transistors 125 ist an den Eingang 119 der Brückenschaltung 120 angeschlossen, und die Sourceelektrode 131 des Transistors 124 liegt an Masse. Die Inversionsstufe 121' mit den Transistoren 123' und 124' entspricht in ihrer Arbeitsweise und in ihrem Aufbau der Inversionsstufe 121. Der Ausgang der Inversionsstufe 121 ist über einen Kondensator 135 mit dem Ausgang der Inversionsstufe 12Γ verbunden.

Der Ausgang 134 der Inversionsstufe 121 ist über eine Leitung 141 mit dem ersten Eingang eines bistabilen Multivibrators 140 verbunden, und der Ausgang 134' des Inversionsgliedes 121' ist über eine Leitung 142 mit dem zweiten Eingang des bistabilen Multivibrators 140 verbunden. Ein erster Ausgang des bistabilen Multivibrators 140 ist über eine Leitung 143 mit dem Eingang 133 des Inversionsgliedes 121 verbunden, und ein zweiter, komplementärer Ausgang ist über eine Leitung 144, die außerdem an den Oszillatorausgang 156 angeschlossen ist, mit dem Eingang 133' der Inversionsstufe 12Γ verbunden.

Der erste Eingang des bistabilen Multivibrators 140 mit der Leitung 141 ist übet eine Reihenschaltung von Inversionsgliedern 146,147,148 und 149 mit dem ersten Eingang eines NOR-Gliedes 145 verbunden. Der zweite Eingang des bistabilen Multivibrators 140 ist über eine Reihenschaltung von Inversionsgliedern 151, 152, 153 und 154tnit dem einen Eingang eines UND-Gliedes 150 verbunden. Die in Reihe geschalteten Inversionsglieder bilden Verzögerungsschaltungen, wie noch erläutert wird. Der Ausgang des Inversionsgliedes 148 ist an den anderen Eingang des UND-Gliedes 150 angeschaltet,

ίο und der Ausgang des UN D-Gliedes 150 ist an den ersten Eingang eines NOR-Gliedes 155 angeschaltet Der Ausgang des NOR-Gliedes 155 ist an den zweiten Eingang des NOR-Gliedes 145 sowie an die Ausgangsleitung 143 des bistabilen Multivibrators angeschlossen.

Der Ausgang des NOR-Gliedes 145 ist an den zweiten Eingang des NOR-Gliedes 155 und an die Ausgangsleitung 144 des bistabilen Multivibrators angeschlossen.

Was die Arbeitsweise des spannungsgesteuerten Oszillators betrifft, so soll als erstes betrachtet werden, was geschieht, wenn eine Eingangsspannung an den Eingang 101 gelegt wird. Der P-Kanal-Transistor 110 arbeitet als Diode, da seine Gateelektrode 113 mit seiner Drainelektrode 109 verbunden ist. Das heißt, da die Gate-Sourcespannung gleich der Spannung an der Drainelektrode 109 ist, beginnt der Transistor 110 zu leiten, wenn die Spannung an der Drainelektrode 109 den Wen der Schwellenspannung P_1n übersteigt. Die Schwellenspannung P_1n bei einem P-Kanal-MOS-Transistor (Nth bei einem N-Kanal-Transistor) ist diejenige Mindestspannung zwischen Gate- und Sourceelektrode, bei welcher der Transistor zu leiten beginnt. Es erscheint daher an der Drainelektrode 107 des Transistors 103 eine Spannung, die gleich ist der Speiseoder Betriebsspannung Vdd minus der Diodenschwellen-

.15 spannung P_1n.

Wenn die zwischen dem Eingang 101 und Masse liegende Eingangsspannung V,„ die Schwellenspannung N,h übersteigt, ist der N-Kanal-Transistor 103 leitend und gesättigt. Der Widerstand 105 ist so bemessen, daß sein Wert groß gegenüber der Source-Drainimpedanz des gesättigten Transistors 103 ist, so daß die Spannung am Widerstand 105 gleich ist der Eingangsspannung V_1n minus der Schwellenspannung N,„ des Transistors 103. Der Strom im Widerstand 105 ist somit linear von der Eingangsspannung V,„ abhängig.

Der Strom im Widerstand 105 bestimmt den Wert des Sättigungsstromes, der durch den als Diode geschalteten Transistors 110 fließt. Außerdem fließt, da die Spannung an der Drainelektrode 109 des Transistors 110 an den Wert Vdd minus der Schwellenspannung P_1n angeklammert ist, durch den Transistor 110 und den Widerstand 108 ein in Abhängigkeit vom Wert von V,„ sich ändernder konstanter Strom, entsprechend dem Wert des Widerstandes 108.

Der Transistor 115 hat die gleichen Eigenschaften, einschließlich Schwellenspannung, wie der Transistor 110. Da die Gateelektrode 114 des Transistors 115 mit dar Gateelektrode 113 des Transistors 110 verbunden ist, sind die Gate-Sourcespannungen der beiden Transistoren die gleichen. Folglich ist der Sättigungsstrom im Transistor 115 ebenfalls durch die Eingangsspannung Vi_n und den Wert des Widerstands 108 bestimmt. Wenn die Transistoren 110 und 115 gleichzeitig auf demselben integrierten Schaitungsplätt-

f>5 chen hergestellt werden, so haben sie identische Eigenschaften. Ferner können bei der Herstellung die räumlichen Abmessungen des leitenden Kanals des Transistors 115 um einen bekannten Faktor verändert

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werden, um die Verstärkung des Transistors zu beeinflussen.

Nimmt man an, daß anfänglich die Spannung am Kondensator 135 null ist und die Ausgangsspannung des NOR-Gliedes 145 einen niedrigen oder negativen (gegenüber Masse) Wert hat, wenn die Ausgangsspannung des NOR-Gliedes 155 einen hohen oder positiven (gegenüber Masse) Weit hat, so ist die Arbeitsweise des spannungsgesteuerten Oszillators wie folgt:

Bei am Eingang 133 der Inversionsstufe 121 liegender hoher Spannung ist der N-Kanal-Transistor 124 voll leitend, während der P-Kanal-Transistor 123 gesperrt ist. Entsprechend ist bei am Eingang 133' der Inversionsstufe 12Γ anliegender niedriger Spannung der N-Kanal-Transistor 12Γ gesperrt, während der P-Kanal-Transistor 123' voll leitet. Da der Ausgang 134 der Inversionsstufe 121 durch die Transistoren 123 und 124 auf niedriger Spannung gehalten wird, hält der Ausgang des Inversionsgliedes 149 den ersten Eingang des NOR-Gliedes 145 auf niedriger Spannung.

Da die Spannung am Kondensator 135 anfänglich null ist, ist auch die Ausgangsspannung des Inversionsgliedes 154 anfänglich niedrig. Bei niedriger Spannung am Ausgang des Inversionsgliedes 154 und hoher Spannung am Ausgang des Inversionsgliedes 148 ist die Spannung am Ausgang des UND-Gliedes 150 und folglich am ersten Eingang des NOR-Gliedes 155 ebenfalls anfänglich niedrig. Die über Kreuz gekoppelten NOR-Glieder 145 und 155 sind als herkömmliche bistabile Kippschaltung vom Setz-Rücksetztyp ausgelegt. Der Ausgangszustand des bistabilen Multivibrators 140 bleibt daher stabil, und zwar mit niedriger Ausgangsspannung des NOR-Gliedes 145 und hoher Ausgangsspannung des NOR-Gliedes 155.

Um die weitere Beschreibung der Arbeitsweise des spannungsgesteuerten Oszillators nach Fig. 1 zu erleichtern, wird Bezug genommen auf F i g. 2a - 2d, wo Spannungsverläufe gezeigt sind, die an verschiedenen Stellen der Schaltung nach Fig. 1 erscheinen. Der Spannungsverlauf nach F i g. 2a gibt die am Eingang der Brückenschaltung 120 erscheinende Spannung wieder. Dieser Spannungsverlauf ist in F i g. 2a mit 119 bezeichnet, da er in der Eingangsleitung 119 in Fig. 1 erscheint.

Der Spannungsverlauf nach Fig. 2b ist mit 134' bezeichnet, da er am Inversionsstufenausgang 134' erscheint. Der Spannungsverlauf nach Fig. 2c ist mit 134 bezeichnet, da er am Inversionsstufenausgang 134 erscheint. Der mit VCO bezeichnete Spannungsverlauf nach F i g. 2d stellt die am Ausgang 156 erscheinende Ausgangsspannung des spannungsgesteuerten Oszillators dar.

Der (für einen gegebenen Wert von V_1n) konstante Strom vom Transistor 115 lädt den Kondensator 135 über die Transistoren 123' und 124 linear auf, bis die ansteigende Spannung am Ausgang 134' der Inversionsstufe 12Γ die Schwellenspannung des Inversionsgliedes 151 erreicht Wenn die Schwellenspannung, die typischerweise VW2 beträgt, erreicht ist, wird die Ausgangsspannung des Inversionsgliedes 154 hoch.

Bei hoher Spannung an den Ausgängen der Inversionsglieder 148 und 154 wird die Ausgangsspannung des UND-Gliedes 150 hoch. Die bistabile Kippschaltung mit den NOR-Gliedern 145 und 155 kippt dann um, indem die Ausgangsspannung des NOR-Gliedes 145 hoch und die Ausgangsspannung des NOR-Gliedes 155 niedrig wird. Dadurch werden die Transistoren 124 und 123' gesperrt und die Transistoren

123 und 124' geöffnet. Der Kondensator 135, der auf di Schwellenspannung VW2 des Inversionsgliedes 15 aufgeladen worden ist, schaltet dann auf Massepotentia am Ausgang 134' der Inversionsstufe 12Γ herunter. Di

s die Spannung am Kondensator sich nicht augenblicklicl ändern kann, nimmt die Spannung am Ausgang 134 de Inversionsstufe 121 einen negativen Wert gleich - V,iJ\ an.

Jedoch wirkt der Drain-Substratübergang desTransi

ίο stors 124 als durchlaßgespannte Diode für die negativ< Spannung am Ausgang 134. Eine solche Diode ist eir eigentümliches Konstruktionsmerkmal von Halbleiter bauelementen wie MOS-Transistoren, bei denen eil Gebiet aus Material gegebenen Leitungstyps in eir Substratmaterial des entgegengesetzten Leitungstyp eindiffundiert ist. Der Kondensator 135 wird daher übe die Ürain-Substratdiode des Transistors 124 sehr raset auf Massepotential entladen. Aufgrund des niederohmi gen Entladungsweges ergibt sich eine vernachlässigba kurze Entladezeit, verglichen mit der linearen Ladezei des Kondensators 135. Die Entladung dauert an, bis di Spannung am Kondensator 135 gleich -0,7 Volt ist, zi welchem Zeitpunkt die Drain-Substratdiode des Transi stors 124 gesperrt wird. Der Konstantstrom von Transistor 115 lädt dann den Kondensator 135 über di Transistoren 123 und 124' linear auf, bis die ansteigend!

Spannung am Ausgang 134 der Inversionsstufe 121 di< Schwellenspannung des Inversionsgliedes 146 erreicht.

Bei Erreichen der Schwellenspannung wird di< Ausgangsspannung des Inversionsgliedes 149 hoch. Di< bistabile Kippschaltung mit den NOR-Gliedern 145 un< 155 kippt dann um, indem die Ausgangsspannung de NOR-Gliedes 145 niedrig und die Ausgangsspannunj des NOR-Gliedes 155 hoch wird. Dadurch werden di<

vs Transistoren 123 und 124' gesperrt und die Transistorei

124 und 123' leitend. Die dann am Ausgang 134 erscheinende negative Spannung macht die Drain-Sub stratdiode des Transistors 124' leitend, so daß de Kondensator 135 entladen wird. Die Entladung dauer an. bis die Spannung am Kondensator 135 gleich -OJ Volt ist, woraufhin der gesamte Zyklus sich wiederholt.

Die Spannung an der Draineleklrode 118 de;

Transistors 115 ist gleich der Differenz zwischen dei Betriebsspannung V_dd und der Spannung am Kondensa tor 135. Da der Strom vom Transistor 115 dei Kondensator 135 auf eine die Schwellenspannunj

~- nicht übersteigende Spannung auflädt, arbeitet de

Transistor 115 mit einer minimalen Drain-Sourcespan nung von

Der Transistor 115 arbeitet somit ständig in Sättigunj und wirkt daher als Konstantstromquelle.

Die Ausgangsspannung des spannungsgesteuertei Oszillators wird vom Ausgang 156 abgenommen. Dii bistabile Kippschaltung mit den NOR-Gliedern 145 um 155 ändert ihren Zustand jedesmal, wenn der Kondensa tor 135 auf die Schwellenspannung des Inversionsglie des 146 oder des Inversionsgliedes 151 aufgeladen ist, s< daß an beiden Ausgängen der bistabilen Kippschaltunj 140 eine Rechteckschwingung erscheint Da dieselbi Konstantstromquelle den Kondensator 135 in beidei Richtungen auflädt, ist daher die Ausgangsschwingunj eine symmetrische Rechteckschwingung.

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Die Reihenschaltungen der Inversionsglieder 146, 147, 148, 149 und der Inversionsglieder 151, 152, 153, 154 arbeiten als Verzögerungsglieder. Aus Fig. 1 sieht man, daß die bistabile Kippschaltung 140 umkippt, sobald die Spannung auf der einen oder der anderen Seite des Kondensators 135 den Wert der Schwellen-

spannung J^ä erreicht. Es ist ferner offensichtlich, daß

die gleiche Schwellenspannung in dem Augenblick, wo der bistabile Multivibrator 140 umkippt, auf niedrig gezogen wird. Jedoch braucht der bistabile Multivibrator 140 eine endliche Zeitspanne, um nach Auftreten eines Eingangssignals einen stabilen Zustand zu erreichen. Damit daher der bistabile Multivibrator 140 genügend Zeit hat, um vor dem Verschwinden der Schwellenspannung i* vollständig umzukippen, werden erfindungsgemäß die Eingangssignale um die Laufzeiten der Reihenschaltungen der Inversionsglieder 146, 147, 148, 149 und der Inversionsglieder 151, 152, 153,154 verzögert.

Unter normalen Betriebsbedingungen wird die eine Seite des Kondensators 135 auf Massepotential gehalten, während die andere Seite auf die Schwellenspannung aufgeladen wird. Wenn eine (gegenüber Masse) positive Spannung, die gleich oder größer ist als die Schwellenspannung, gleichzeitig an beiden Seiten des Kondensators 135 liegt (beispielsweise während des anfänglichen Einschaltens bei erstmaliger Einspeisung von Energie in die Schaltung oder bei einem zufälligen Anschluß an VdJ), werden die Eingangsspannungen der bistabilen Kippschaltung 140 hoch gehalten und die Spannungen an beiden Ausgängen auf niedrig gedrückt. Unter diesen Voraussetzungen werden die Transistoren 123 und 123' leitend und halten beide Seiten des Kondensators 35 auf hoher Spannung, so daß der spannungsgesteuerte Oszillator aufhört zu schwingen.

Bei der erfindungsgemäßen Schaltung verhindert jedoch das UND-Glied 150 ein solches Verriegeln oder Blockieren und stellt den normalen Betriebszustand wieder her. Es ergibt sich, daß immer dann, wenn die Ausgangsspannung des Inversionsgliedes 149 hoch ist, die Ausgangsspannung des Inversionsgliedes 148 niedrig sein muß. Da der Ausgang des Inversionsgliedes 148 auf den zweiten Eingang des UND-Gliedes 150 geschaltet ist, wird die Ausgangsspannung des UND-Gliedes 150 auch dann niedrig, wenn die Spannung am ersten Eingang hoch bleibt. Die niedrige Ausgangsspannung des UND-Gliedes 150 bewirkt, daß die Ausgangsspannung des NOR-Gliedes 155 hoch wird, so daß der Transistor 124 leitend wird, während der Transistor 124 sperrt Auf diese Weise werden die normalen Betriebsbedingungen wiederhergestellt, und der spannungsgesteuerte Oszillator beginnt zu schwingen.

Eine Analyse der spannungsgesteuerten Oszillatorschaltung nach F i g. 1 ergibt die folgende Gleichung für die Arbeiisfrequenz. Der durch den Widerstand 105 fließende Strom beträgt:

- N,„)

Der durch den Widerstand 108 fließende Strom beträgt:

Folglich beträgt der Gesamtstrom durch den Transistor 110 und damit durch den Transistor 115:

'; — 'tos + Ίο» ·

Während jeder Schwingungshalbperiode wird der Kondensator 135 von

-0.7VoIt auf +

aufgeladen. Der Strom im Kondensator 135 beträgt:

dr

und da der Strom /Y, bei einem beliebigen gegebenen Wert von V_1n, konstant ist:

i_r = C₁

135

Für eine vollständige Schwingungsperiode Tist:

K = T (7)

und

IK= 2 (~|" +0.7^= V_dd + 1,4. (8)
Somit ergibt sich:

T=

IA).

Daraus läßt sich die Arbeitsfrequenz mit Hilfe der Gleichung

^/""- ⁼ T ⁼ Γ,ΤϊΤ^+Τϊ) ⁽¹⁰⁾

errechnen. Durch Einsetzen der Gleichung (3) in Gleichung (10) ergibt sich:

./ »At

Durch Zerlegen der konstanten Ausdrücke der Gleichung(l 1) in Faktoren erhält man:

/«,= K₁ (I,»- N₁₁₁) + K₂.

worin K\ und K₂ die den Arbeitsbereich bestimmenden Parameter darstellen.

Wie man sieht, ist der Arbeitsfrequenzbereich durch die Werte des Kondensators 135, des Widerstands 105 und des Widerstands 108 bestimmt und wird die Schwingungsfrequenz des spannungsgesteuerten Oszillators durch Verändern der Eingangsspannung Vj_n gesteuert. Aus Gleichung (12) ergibt sich, daß die Schwingungsfrequenz des erfindungsgemäßen spannungsgesteuerten Oszillators über den gesamten Arbeitsbereich linear von der Eingangsspannung V_1n abhängt

Fig.3 und 4 zeigen die Frequenz/Spannungscharakteristiken des spannungsgesteuerten Oszillators nach Fig. 1. Und zwar zeigt Fig.3 die Ausgangsfre-

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ίο

quenz über den Bereich der Eingangsspannung V_1n bei aus der Schaltung entferntem Widerstand 108 nach Fig. 1, während Fig.4 die Charakteristik für den Fall zeigt, daß der Widerstand 108 einen endlichen Wert hat. Die maximale Arbeitsfrequenz /)„.,,, wie in F i g. 3 und 4 gezeigt, ergibt sich bei V,/> = Vjj. Wie man sieht, ergibt der Widerstand 108 eine anfängliche Ausgangsfrequenz bei Kn = O und begrenzt somit den Anstiegsteil der Charakteristik. Man kann also durch Einstellen des Wertes des Widerstands 108 die Ausgangsfrequenz auf einen gewünschten Bereich beschränken.

F i g. 5 zeigt das Schaltschema einer für den bistabilen Multivibrator 140 nach Fig. 1 geeigneten Anordnung, wobei gleiche Teile in Fig. 1 und 5 mit gleichen Bezugszeichen bezeichnet sind. Sämtliche Transistoren in Fig. 5 sind vom Anreicherungs-MOS-FET-Typ. Das Inversionsglied 146 besteht aus einem P-Kanal-Transistor 201 und einem dazu komplementären N-Kanal-Transistor 202. Die Gateelektroden der Transistoren 201 und 202 sind an den Inversionsgliedeingang angeschlossen, während die beiden Drainelektroden an den Inversionsgliedausgang angeschlossen sind. Die Sourceelektrode und das Substrat des Transistors 201 sind an eine positive Speise- oder Betriebsspannung Vm angeschlossen, während die Sourceelektrode und das Substrat des Transistors 202 an Masse liegen.

Wenn die Spannung am Eingang 141 über der

Schwellenspannung ,- ist, ist der Transistor 202 stark

leitend und somit niederohmig, während der Transistor 201, abgesehen von der kleinen Gate-Sourcespannung, gesperrt und somit hochohmig ist. Der Ausgang des Inversionsgliedes 146 führt daher eire niedrige Spannung, indem er über den Transistor 202 an Masse liegt. Wenn die Eingangsspannung unter der Schwellenspan-

nung y ist, ist der Transistor 201 leitend und der

Transistor 202 gesperrt. In diesem Fall führt der Ausgang des Inversionsgliedes 146 eine hohe Spannung, indem er über den leitenden Transistor 201 an Vm liegt.

Die Inversionsglieder 147,148,149, 151,152,153 und 154 entsprechen in ihrer Wirkungsweise und in ihrem Aufbau dem Inversionsglied 146.

Der erste Eingang A des NOR-Gliedes 145 ist an den Verbindungspunkt der Gateelektrode eines P-Kanal-Transistors 203 und der Gateelektrode eines N-Kanal-Transistors 204 angeschlossen. Die Sourceelektrode und das Substrat des Transistors 203 sind an V_di/ angeschlossen, während die Sourceelektrode und das Substrat des Transistors 204 an Masse liegen. Die Drainelektrode des Transistors 204 ist an den Verbindungspunkt der Drainelektrode eines P-Kanal-Transistors 205, der Drainelektrode eines N-Kanal-Transistors 206 und des Ausgangs des NOR-Gliedes 145 angeschlossen, während die Drainelektrode des Transistors 203 mit der Sourceelektrode des Transistors 205 verbunden ist. Das Substrat des Transistors 205 ist zusammen mit dem Substrat des Transistors 203 an V_Dy angeschlossen, während die Sourceelektrode und das Substrat des Transistors 206 an Masse liegen. Die Gateelektroden der Transistoren 205 und 206 sind an den Eingang ßdes NOR-Gliedes 145 angeschlossen.

Wenn beide Eingänge A und Ädes NOR-Gliedes 145 hohe Spannung führen, sind die Transistoren 203 und 205 leitend, dagegen die Transistoren 204 und 206 gesperrt. Die Ausgangsspannung des NOR-Gliedes 145 ist daher hoch. Jede andere Kombination von Eingangsspannungen des NOR-Gliedes 145 hat zur Folge, daß dessen Ausgangsspannung niedrig wird. Der Ausgangszustand für jede der möglichen Eingangskombinationen ist in der nachstehenden Funktionstabelle, gemäß Tabelle 1 angegeben. Der Wahrheitswert einer logischen »1« stellt eine gegenüber Masse positive Spannung dar, im vorliegenden Fall als »hoch« bezeichnet. Ein logischer »0«-Wert stellt eine Spannung dar, die Massepotential entspricht oder »niedrig« ist.

Tabelle 1

Eingang A	Eingang B	Ausgang
0	0	1
0	1	0
1	0	0
1	1	0

1st der Ausgang eines herkömmlichen UND-Gliedes mit zwei Eingängen an den Eingang A des NOR-Gliedes 145 angeschlossen, so sind die Ausgangszustände des NOR-Gliedes 145 für jede mögliche Kombination von Eingangsgrößen entsprechend der nachstehenden Tabelle 2, wobei von den Eingängen des UND-Gliedes der erste mit A 'und der zweite mit Λ "bezeichnet sind.

Tabelle 2

Eingang A'	Eingang A"	Eingang C	Ausgang
0	0	0	1
0	0	1	0
0	1	0	1
0	1	1	0
1	0	0	1
1	0	1	0
1	1	0	0
1	1	1	0

Der erste Eingang C des kombinierten UND/NOR-Gliedes 155' ist an den Verbindungspunkt der Gateelektrode eines P-Kanal-Transistors 207 und der Gateelektrode eines N-Kanal-Transistors 208 angeschlossen. Die Sourceelektrode und das Substrat des Transistors 208 liegen an Masse, während die Sourceelektrode und das Substrat des Transistors 207 an V^ angeschlossen sind. Die Drainelektrode des Transistors 207 ist an den Verbindungspunkt der Drainelektrode eines P-Kanal-Transistors 203' und der Sourceelektrode eines P-Kanal-Transistors 205' angeschlossen. Die Abflußelektrode des Transistors 208 ist mit der Sourceelektrode eines N-Kanal-Transistors 204' verbunden, dessen Drainelektrode an den Verbindungspunkt der Drainelektrode des Transistors 205', der Drainelektrode eines N-Kanal-Transistors 206' und des Ausgangs des UND/NOR-Gliedes 155' angeschlossen ist und dessen Substrat an Masse liegt

Die Sourceelektrode und das Substrat des Transistors 206' liegen an Masse, während die Sourceelektrode und das Substrat des Transistors 203' zusammen mit dem Substrat des Transistors 205' an Vdd angeschlossen sind. Der Verbindungspunkt der Gateelektroden der Transistoren 203' und 204' ist an den zweiten Eingang D des UND/NOR-Gliedes 155' angeschlossen. Der Eingang E ist an den Verbindungspunkt der Gateelektroden der Transistoren 205' und 206' angeschlossen.

Bei an den Eingängen C D und E anliegender niedriger Spannung sind die P-Kanal-Transistoren 207,

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203' und 205' leitend, dagegen die N-Kanal-Transistoren 208, 204' und 206' gesperrt. Somit wird die Ausgangsspannung des UND/NOR-Gliedes 155' über die leitenden Transistoren auf hoch geschaltet. Bei an den Eingängen C Dund fanliegender hoher Spannung sind die Transistoren 207, 203' und 205' gesperrt, dagegen die Transistoren 208, 204' und 206' leitend. In diesem Fall wird die Ausgangsspannung des UND/NOR-Gliedes 155' über die leitenden Transistoren auf niedrig geschaltet. Die Ausgangszuständc des UND/NOR-Gliedes 155' für jede mögliche Eingangskombination sind in der nachstehenden Funktionstabelle gemäß Tabelle 3 wiedergegeben.

Tabelle 3	Eingang D	Eingang E	Ausgai
Eingang C	0	0	1
0	0	1	0
0	1	0	1
0	1	1	0
0	0	0	1
1	0	1	0
1	1	0	0
1	1	1	0
1

Wie man sieht, stimmt Tabelle 3 mit Tabelle 2 überein. Die Funktion des UND/NOR-Gliedes 155' ist daher identisch mit der eines herkömmlichen NOR-Gliedes mit zwei Eingängen, deren einem ein herkömmliches UND-Glied mit zwei Eingängen vorgeschaltet ist. Man sieht ferner, daß die Ausgangsspannung des UND/ NOR-Gliedes 155' immer dann hoch ist, wenn die Eingangsspannungen Dund £ niedrig sind. Wenn daher das UN D/NOR-Glied 155' und das NOR-Glied 145 nach Art einer Setz-Rücksetz-Flipflopschaltung über Kreuz gekoppelt sind, wie in F i g. 5 gezeigt wird durch Anlegen einer hohen Spannung an die Eingänge A und Cdie Ausgangsspannung des UND/NOR-Gliedes 155' hoch.

Bei einer herkömmlichen bistabilen Kippschaltung ohne die UN D-Schaltfunktion würden die Ausgänge der über Kreuz gekoppelten NOR-Glieder auf niedrig gedrückt werden. In diesem Fall würde die Schaltung nach F i g. 1 blockieren und der spannungsgesteuerte Oszillator folglich zu schwingen aufhören.

Beim erfindungsgemäßen spannungsgesteuerten Oszillator werden ein niedriger Leistungsverbrauch und ein hoher Eingangswiderstand durch die Verwendung von komplementären MOS-FF.T-Halbleiterbauelementen erzielt. Wie gezeigt wurde, sind während des s Ruheintervalls zwischen den Schaltzuständen oder -vorgängen die Transistoren jeder Inversionsstufe und des bistabilen Multivibrators entweder voll leitend oder gesperrt. Die Stromentnahme dieser Stufen ist daher auf den Reststrom oder Kriechstrom der gesperrten

ίο Transistoren beschränkt.

Da die Widerstände (105 und 108) der Konstantstromquelle typischerweise einen großen Wert haben (in der Größenordnung von 0,5 χ 10⁶ Ohm), ist der Kondensatorladestrom sehr niedrig. Der Gesamtleistungsverbrauch ist daher durch den Reststrom, die Stromentnahme während der kurzen Schaltübergänge und den für die Aufladung des Kondensators erforderlichen Strom gegeben.

In der Praxis beträgt bei Verwendung einer Betriebsspannung von 10 Volt die Gesamtstromentnahme des spannungsgesteuerten Oszillators erheblich weniger als 1 mA. Da ferner der Eingangswiderstand eines MOS-Transistors extrem hoch ist (in der Größenordnung von 10" Ohm), hat der erfindungsgemäße spannungsgesteuerte Oszillator ebenfalls einen hohen Eingangswiderstand (Eingangsimpedanzl

Statt mit komplementären MOS-FET-Halbleiterbauelementen kann die erfindungsgemäße Schaltung auch mit anderen Arten von Halbleiterbauelementen wie Isolierschicht-Transistoren, Sperrschicht-Feldeffekttransistoren (mit eindiffundiertem PN-Übergang) und sogar mit Bipolartransistoren aufgebaut werden. Vorzugsweise verwendet man jedoch MOS-FET-HaIbleiterbauelemente.

Der erfindungsgemäße spannungsgesteuerte Oszillator kann über einen Frequenzbereich verwendet werden, der von einem Bruchteil von einem Hertz bis zu mehreren zehn Megahertz reicht. Die nutzbare obere Arbeitsfrequenzgrenze ist hauptsächlich durch schaltungseigene Streukapazitäten gegeben.

Wie aus dem Vorstehenden ersichtlich, wird durch die Erfindung ein verbesserter spannungsgesteuerter Oszillator mit hohem Eingangswiderstand und geringein Leistungsverbrauch geschaffen, dessen Arbeitsfrequenz sich in linearer Abhängigkeit von der Eingangsspannung von Null bis zur Maximalfrequenz ände;L Der spannungsgesteuerte Oszillator ist daher besonders für integrierte Schaltungen geeignet.

Hierzu 3 Blatt Zeichnungen

Claims (4)

Patentansprüche:

1. Spannungsgesteuerter Oszillator mit einer Brückenschaltung mit zwei Inversionsstufen, deren jede zwei in Reihe geschaltete komplementärsymmetrische Isolierschicht-Feldeffekttransistoren, die jeweils mit ihren Gateelektroden und mit ihren Drainelektroden zusammengeschaltet sind, enthält, dadurch gekennzeichnet, daß die Sourceelcktroden (127,131...) jeder Inversionsstufe (121, 121') über eine Stromquelle, deren Strom sich in Abhängigkeit von einem Eingangssignal linear ändert, gekoppelt sind; daß zwischen die zusammengeschalteten Drainelektroden (126, 130) der ersten Inversionsstufe (121) und die zusammengeschalteten Drainelekiroden der zweiten Inversionsstufe (121') ein Kondensator (135) geschaltet ist; und daß eine bistabile Schaltung (140), die in den anderen Zustand kippt, wenn die Spannung am Kondensator (135) einen vorbestimmten Wert übersteigt, mit einem ersten Eingang (141) an die eine und mit einem zweiten Eingang (142) an die andere Seite des Kondensators (135), mit einem ersten Ausgang (143) an die zusammengeschalteten Gateelektroden (125, 129) der ersten Inversionsstufe (121) und mit einem zweiten Ausgang (144) an die zusammengeschalteten Gateelektroden der zweiten Umkehrstufe (12Γ) angeschlossen ist.

2. Spannungsgesteuerter Oszillator nach Anspruch I, dadurch gekennzeichnet, daß die Strom- quelle einen fünften Isolierschicht-Feldeffekttransistor (115) enthält, der mit seiner Sourceelektrode (117) an einen Punkt von gegenüber einem Bezugspotential (Masse) im wesentlichen festem Potential (Vm), mit seiner Drainelektrode (118) an die eine Sourceelektrode (127 ...) jeder der beiden Inversionsstufen (121,121') und mit seiner Gateelektrode (114) an eine auf das Eingangssignal ansprechende stromveränderliche Schaltung angeschlossen ist, wobei die andere Sourceelektrode (131 ...) jeder der beiden Inversionsstufen (121,12l')am Bezugspotential (Masse) liegt.

3. Spannungsgesteuerter Oszillator nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die stromveränderliche Schaltung einen sechsten Isolierschicht- Feldeffekttransistor (UO), der mit seiner Sourceelektrode (111) an das feste Potential (Vdd)vma mit seiner Gateelektrode (113) und seiner Drainelektrode (109) an die Gateelektrode (114) des fünften Transistors (115) angeschlossen ist, sowie einen siebten Isolierschicht-Feldeffekttransistor (103), der mit seiner Drainelektrode (107) an die Gateelektrode und die Drainelektrode des sechsten Transistors (110), mit seiner Sourceelektrode (104) über einen ersten Widerstand (105) an das Bezugspotential (Masse) und mit seiner Gateelektrode (102) an den Signaleingang (101) angeschlossen ist, enthält, wobei die Strom/Spannungscharakteristiken des fünften (115) und des sechsten (UO) Transistors im wesentlichen gleich sind.

4. Spannungsgesteuerter Oszillator nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die stromveränderliche Schaltung außerdem einen zwischen die Drainelektrode (107) des siebten Transistors (103) und Bezugspotential (Masse) geschalte- ten zweiten Widerstand (108) enthält.

Die Erfindung betrifft einen spannungsgesteuerten Oszillator mit einer Brückenschaltung mit zwei Umkehrstufen, deren jede zwei in Reihe geschaltete komplementärsymmetrische Isolierschicht-Feldeffekttransistoren, die jeweils mit ihren Gateelektroden und mit ihren Drainelektroden zusammengeschaltet sind, enthält.

Tragbare Handgeräte für Nachrichtenzwecke, wie Taschenempfänger und andere kleine tragbare Geräte, sind allgemein bekannt Da diese Geräte im allgemeinen batteriegespeist sind, ist die verfügbare Leistung durch die kleinen Abmessungen der Batterie beschränkt Um den Gesamtaufwand an Bauelementen und damit die Größe und den Batteriestromverbrauch zu verringern, verwendet man für solche Geräte als Detektoren und Demodulatoren phasenstarre Schleifenschaltungen in integrierter Ausführung.

Anordnungen mit phasenstarren Schleifenschaltungen benötigen einen spannungsgesteuerten Oszillator. Ein Nachteil vieler bekannter spannungsgesteuerter Oszillatoren besteht darin, daß sie aufgrund ihrer Verlustleistung oder ihres Leistungsverbrauchs in Fällen, wo die verfügbare Leistung oder Energie beschränkt ist, nicht verwendbar sind. Ein weiterer Nachteil ist der begrenzte Arbeitsfrequenzbereich und die mangelnde Linearität gegenüber einer Steuerspannung. Weiter liegt ein Nachteil bekannter spannungsgesteuerter Oszillatoren in ihrem verhältnismäßig niedrigen Eingangswiderstand, der die Konstruktion der Tiefpaßfilter kompliziert, die bei phasenstarren Schleifenschaltungen gewöhnlich an den Eingang angeschlossen sind.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, zur Behebung dieser Nachteile einen linearen spannungsgesteuerten Oszillator mit kleinen Abmessungen und geringem Leistungsverbrauch zu schaffen, der einen hohen Eingangswiderstand aufweist und dessen Arbeitsfrequenz mit Hilfe einer veränderlichen Stromquelle gesteuert wird.

Ein spannungsgesteuerter Oszillator der eingangs genannten Art ist erfindungsgemäß dadurch gekennzeichnet, daß die Sourceelektroden der Feldeffekttransistoren jeder Umkehrstufe über eine Stromquelle, deren Strom sich in Abhängigkeit von einem Eingangssignal linear ändert, gekoppelt sind; daß zwischen die zusammengeschalteten Drainelektroden der ersten Umkehrstufe und die zusammengeschalteten Drainelektroden der zweiten Umkehrstufe ein Kondensator geschaltet ist; und daß eine bistabile Schaltung, die in den anderen Zustand kippt, wenn die Spannung am Kondensator einen vorbestimmten Wert übersteigt, mit einem ersten Eingang an die eine und mit einem zweiten Eingang an die andere Seite des Kondensators, mit einem ersten Ausgang an die zusammengeschalteten Gateelektroden der ersten Umkehrstufe und mit einem zweiten Ausgang an die zusammengeschalteten Gateelektroden der zweiten Umkehrstufe angeschlossen ist.

Die Erfindung wird nachstehend an Hand der Zeichnung im einzelnen erläutert.

Es zeigt

F i g. 1 das Schaltschema eines spannungsgesteuerten Oszillators gemäß einer Ausführungsform der Erfindung,

F i g. 2a bis 2d Verlaufsdiagramme von Spannungen, die im spannungsgesteuerten Oszillator nach F i g. 1 erzeugt werden,

F i g. 3 und 4 Spannungs/Frequenzdiagramme für den spannungsgesteuerten Oszillator nach F i g. 1 und