DE2263813C3 - Erregerschaltung für einen elektromechanischen Resonator - Google Patents

Description

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Die Erfindung betrifft eine Erregerschaltung für einen elektromechanischen Resonator zur Aufrechterhaltung der Schwingung des Resonators, wobei die Ankopplung jo des Resonators über eine Treiberspule und eine Phasenmeßspule, die im Erregerkreis liegen, erfolgt, mit einem Transistor, dessen Eingang über einen Kondensator mit der Phasenmeßspule und dessen Ausgang über eine äußere Spannungsquelle mit der Treiberspule verbunden ist, und mit einem zwischen Eingang und Ausgang liegenden Widerstand.

Eine Erregerschaltung dieser Art ist bekannt (US-PS 34 21 309). Der Resonator ist hierbei eine Stimmgabel, die als Frequenznormal für einen elektronisch gesteuerten Zeitmesser dient. Die Kopplung zwischen Erregerschaltung und Resonator erfolgt dadurch, daß die Treiberspule und die Phasenmeßspule auf der einen Zinke der Stimmgabel befestigt sind, während auf der anderen Zinke ein Permanentmagnet sitzt, der in die genannten Spulen eintaucht Ebenso ist es möglich, an den beiden Zinken der Stimmgabel jeweils einen Magneten anzubringen und die eine Zinke gegenüber der ortsfest angeordneten Treiberspule und die andere Zinke gegenüber der ebenfalls ortsfest angeordneten Phasenmeßspule schwingen zu lassen. Derartige Schaltungen bilden sogenannte Resonanz-Rückkopplungsoszillatoren, die sich von einem herkömmlichen elektrischen Oszillator dadurch unterscheiden, daß an Stelle einer LC-Kombination ein äquivalenter elektromechanischer Resonator verwendet wird.

Bei der bekannten Erregerschaltung sind Transistor, Kondensator und Widerstand als Einzelelemente ausgebildet.

Wenn ein batteriegespeister elektronischer Zeitmes- fco ser für die Unterbringung in einem Armbanduhrengehäuse oder einem Miniaturgehäuse ähnlicher Abmessungen ausgelegt ist, bei dem Raumausnutzung vorrangig ist, könnte sich an sich die Technologie der Mikroelektronik zur Verminderung von Größe und b¹» Kosten der elektronischen Schaltung als zweckmäßig anbieten. Aus den im folgenden noch näher zu erläuternden Gründen war es jedoch bisher nicht möglich, integrierte Schaltkreise voll für die Miniaturisierung der elektronischen Schaltung von elektronischen Zeitmessern mit mechanischen Resonatoren einzusetzen

Bekanntlich wird eine übliche Schaltung durch Verbindung einzelner Bauteile aufgebaut, während bei einer integrierten Schaltung die verschiedenen Bauteile auf einem einzigen Plättchen, dem sogenannten Chip, ausgebildet werden. Die hauptsächlichen Vorteile von integrierten Schaltungen sind außerordentlich geringe Größe, niedrige Fertigungskosten und hohe Zuverlässigkeit

Die Herstellung einer aus einem einzigen Kristall bestehenden, monolithischen integrierten Schaltung umfaßt die Ausbildung von Transistoren, Widerständen und Kondensatoren auf einem einzigen Siliziumsubstrat, wobei ausreichende isolierung zwischen den Bauteilen vorgesehen wird, um störende Wechselwirkungen weitgehend zu unterdrücken.

Bei der Herstellung von monolithischen Einkristallgebilden wird von einem Plättchen oder einer Scheibe aus p-leitendem Silizium als Substrat ausgegangen. Auf der Oberfläche der Scheibe wird eine epitaxiale Schicht als η-leitendes Material wachsen gelassen, und die integrierten Schaltungsbauteile werden unter Anwendung eines Maskenverfahrens gebildet, welches in bekannter Weise durch aufeinanderfolgende Diffusion die abwechselnde Ausbildung von p- und n- Bereichen in der epitaxialen Schicht ermöglicht Transistoren werden in Form von drei Lagen in n-p-n- oder p-n-p-Schichtung gebildet, während Dioden durch Verwendung von zwei Schichten oder durch entsprechende Schaltung von Transistoren als Dioden hergestellt werden. Nach Beendigung aller Diffusionsvorgänge ist über der Scheibenoberfläche eine Schicht aus Siliziumdioxid vorhanden, welche zum Schutz oder zum »Passivieren« der integrierten Schaltung dient damit diese durch Umgebungseinflüsse nicht verunreinigt wird. Widerstände erhält man üblicherweise durch Verwendung einer diffundierten Schicht, in welcher der Strom zwangsweise parallel zum so gebildeten p-n-Übergang fließen muß, oder durch Ablagerung dünner Filme aus Widerstandsmaterial auf der Oberseite der Siliziumdioxid-Schicht. Kondensatoren werden dadurch hergestellt, daß p-n-Übergangskapazitäten verwendet werden oder leitfähiges Material über der Siliziumdioxid-Schicht abgelagert wird. Die Verbindung zwischen den Bauteilen werden unter Auswahl der gewünschten Flächenbereiche durch Ablagerung eines leitfähigen Materials über dem Oxid unter Anwendung von Maskenverfahren gebildet

Der Schicht- oder Flächenkondensator ist die einfachste Art eines Kondensators, die sich bei integrierten Schaltungen herstellen läßt Schichtkondensatoren !können im ρ F-Bereich hergestellt werden, so daß sie hauptsächlich als Entkopplungs- oder Überbrückungs-Kondensatoren Verwendung finden. Der Metalloxidsilizium- bzw. MOS-Kondensator wird durch einen η+-Bereich (Emitterdiffusion) und einen Metallfilm, üblicherweise aus Aluminium, hergestellt, die durch ein Siliziumdioxid-Dielektrikum voneinander getrennt sind.

In manchen Fällen werden an die Klemmenleistung integrierter Schaltungen solche Anforderungen gestellt, daß in monolithischer Eiinkristalltechnik ausgeführte Kondensatoren unbrauchbar sind, weil die richtigen Werte nicht erreicht werden können, da die Temperaturschwankungen zu groß sind oder unzulässige

parasitäre Effekte auftreten. In diesen Fällen kann eine Dünnschichttechnik zur Bildung des Kondensators angewandt werden, wobei die Boden- oder Grundplatte durch Ablagerung einer Alurniniumschicht auf der endgültigen SiOrSchicht des monolithischen Gebildes erzeugt wird. Sodann wird eine Schicht eines dielektrischen Materials auf der Aluminiumschicht abgelagert, über welcher eine weitere Aluminiumschicht folgt, um die obere Platte des Kondensators zu bilden. Aber auch in diesem ¹FaIl liegen die größten, auf Chips zu erzielenden Werte im pF-Bereich.

Eine detaillierte Beschreibung der integrierten Schaltungstechnik für die Herstellung von Widerständen, Kondensatoren und Transistoren findet sich in »Analysis and Design of Integrated Circuits« von Lynn, Meyer & Hamilton — 1967 — McGraw Hill Book Co.

Insoweit als bei elektronischen Schaltungen der bisher in Verbindung mit Stimmgabeln und anderen Formen mechanischer Resonatoren verwendeten Art ein Kondensator benötigt wird, dessen Wert im μΡ-ΒβΓείοη liegt, schließt dieses Erfordernis die volle Integration der Schalktung aus. Unter Anwendung der Diffusions- oder Dünnschichttechnik ist es nicht möglich, auf einem Chip einen Kondensator mit z. B. einem Wert von 0,1 oder nur 0,03 Mikrofarad oder einem beliebigen anderen Wert im Mikrofaradbereich herzustellen.

Bisher gelang lediglich die Herstellung einer Hybridschaltung, bei welcher ein den Widerstand und den Kondensator aufweisender integriertes Schaltungs-Chip mit einem getrennten Kondensator des gewünschten hohen Werts kombiniert ist Derartige Hybridschaltungen sind jedoch teuerer in der Herstellung und nicht so kompakt und zuverlässig wie echte integrierte Schaltungen.

Im Hinblick auf die vorstehenden Ausführungen liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, die Erregerschaltung so zu gestalten, daß sie miniaturisiert und unter Vermeidung einer Hybridschaltung ausgebildet werden kann. Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß der Transistor einen übergroßen Verstärkungsgrad, der Kondensator eine Kapazität von weniger als 400 Picofarad und der Widerstand einen Wert von mehr als 100 Megohm aufweist und daß der Transistor, der Kondensator und der Widerstand eine Einheit inMonoliihtechnik bilden.

Wie weiter unten anhand eines Ausführungsbeispiels noch im einzelnen erläutert, ist es zur Erregung des Resonators an seiner Eigenfrequenz nötig, das Produkt aus Widerstand und Kapazität groß gegen die Eigenschwingungsdauer des Resonators zu machen. Die erfindungsgemäße Kombination der Kenndaten von Kondensator, Widerstand und Transistor ermöglicht es, diese Bedingung mit einem in Monolithtechnik herstellbaren Kondensator zu erfüllen, da durch die Wahl eines Transistors mit hinreichend großem Verstärkungsgrad der Resonator erregt werden kann, obwohl im Eingangkreis des Transistors zur Kompensation der vergleichsweise kleinen Kapazität des Kondensators ein Widerstand mit vergleichsweise hohem Widerstandswert liegt.

Obgleich die Erfindung in Verbindung mit Stimmgabeloszilldtoren beschrieben ist, sind, wie auch die weitere Beschreibung erkennen läßt, die gleichen Grundprinzipien ersichtlicherweise auch auf Oszillatoren mit anderen Formen elektromechanischer Resonatoren anwendbar, beispielsweise auf solche elektroni schen Zeitmesser, die als Zeithaltenormal eine bin- und herschwingende Unruh verwenden, deren Schwingung durch die elektronische Schaltung aufrechterhalten wird. Auch sei darauf hingewiesen, daß die im folgenden in Verbindung mit Zeitmessern beschriebenen mechanischen Resonatoren als Frequenznormale noch auf zahlreichen anderen praktischen Anwendungsgebieten, beispielsweise für Resonanzfilter und optische Unterbrecher einsetzbar sind.

Ein bedeutsamer Vorteil der Erfindung besteht vor allem darin, daß trotz Verwendung einer Stimmgabel als Frequenznormal oder Zeitbasis für einen Zeitmesser durch die kompakte integrierte Schaltung eine sehr bedeutende Verkleinerung solcher Uhren möglich wird.

Im wesentlichen die gleiche Anordnung k inn aber auch, wie bereits angedeutet, bei Stimmgabel-Tongeneratoren, -Filtern und anderen niederfrequenten Vorrichtungen benutzt werden, die einen mechanischen Resonator bzw. Schwinger als frequenzbestimmendes Element verwenden.

Im folgenden sind bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung anhand der Zeichnung näher erläutert Es zeigt F i g. 1 eine schematische Darstellung eines Stimmga bel-Frequenznormals mit einer integrierten Schaltung,

F i g. 2 ein vereinfachtes Schaltbild einer äquivalenten elektrischen Schaltung der Stimmgabel und ihrer zugeordneten elektronischen Schaltung und Fig.3 ein vereinfachtes schematisches Schaltbild

jo einer abgewandelten Ausführungsform der der äquivalenten Schaltung der Stimmgabel zugeordneten elektronischen Schaltung.

Das in F i g. 1 dargestellte Frequenznormal weist eine Stimmgabel 10 mit zwei flexiblen Zinken 1OA und 10ß

is sowie einem Halteschaft 11 auf. Bei Verwendung als Zeitbasis für eine Armbanduhr oder eine andere Miniatur-Zeitmesservorrichtung wird die Schwingung der Stimmgabel durch einen zweckmäßigen Bewegungsumformer in eine Drehbewegung zur Betätigung der Zeiger der Uhr od. dgl. umgewandelt

Dies kann mittels eines Fortschalt- oder Steigradmechanismus oder mittels einer magnetischen Hemmung geschehen. Wahlweise können die Stimmgabelschwingungen dazu benutzt werden, periodische elektrische Impulse zur Aktivierung einer elektronischen Zeitanzeige zu liefern.

Das hier zu beschreibende Ausfuhrungsbeispiel der Erfindung ist lediglich auf die der Stimmgabel oder einem ähnlichen mechanischen Resonator zugeordnete elektronische Schaltung beschränkt, die den Resonator in Betrieb hält, wobei das System als Frequenznormal für Zeithalte- oder andere bekannte Zwecke wirkt Die Anwendungsart der Stimmgabel oder des Resonators sowie die Art und Weise dieser Anwendung stellen mithin keinen Teil der Erfindung dar.

Die Stimmgabel 10 ist mit elektromagnetischen Treiber- und Phasenmeßwandlern versehen, von denen der erste durch einen an der einen Gabelzinke montierten und mit einer ortsfesten Spule 13 zusam menwirkenden Permanentmagneten 12 und der zweite durch einen einer ortsfesten Spule 15 zugeordneten Permanentmagneten 14 gebildet wird. Obgleich zwei getrennte Treiber- und Phasenmeßwandier dargestellt sind, können sie in der Praxis zu einem einzigen

b^ri elektromagnetischen Wandler kombiniert sein, der Phasenmeß- und Treiberspulenabschnitte aufweist, wie dies beispielsweise in der US-PS 35 17 288 offenbart ist. Den elektromagnetischen Wandlern isi ein inieKrier-

tes Schaltungs-Chip 16 zugeordnet, dessen Schaltkreis durch einen Transistor 17 mit Bais B, Kollektor C und Emitter E einen Kondensator 18 und einen Widerstand 19 gebildet wird.

Der Kondensator 18 ist mit dem Widerstand 19 in Reihe geschaltet, und der Verbindungspunkt zwischen diesen beiden Elementen ist an die Basis B des Transistors 17 angeschlossen. Das andere Ende des Kondensators 18 ist mit einer Chip-Klemme Ti verbunden, während das andere Ende des Widerstands 19 an den Kollektor C und an die Chip-Klemme T₂ angeschlossen ist. Der Emitter E steht mit einer Chip-Klemme T₃ in Verbindung. Für den Einbau des Chips in eine Stimmgabeluhr sind somit nur drei Anschlüsse nötig.

Die Klemme T\ ist mit dem einen Ende der Phasenmeß-Spule 15 verbunden, die mit der Treiberspule 13 in Reihe geschaltet ist. Die Verbindung zwischen den beiden Spulen ist an die Klemme T₃ angeschlossen. Die Klemme T₂ liegt über eine Gleichstromquelle bzw. Batterie 20 in Reihe zum anderen Ende der Treiberspule 13.

Der Ausgang des einen Verstärkers darstellenden Transistors 17 ist über die Batterie 20 mit der Treiberspule 13 verbunden. Wenn der Transistor 17 im Betrieb kurzzeitig durchgeschaltet wird, wird ein Stromimpuls von der Batterie 20 an die Treiberspule 13 angelegt, wobei das resultierende Magnetfeld einen Schub auf den Zinken-Magneten 13 ausübt und dadurch die Stimmgabel betätigt. Die durch den Magneten 14 in der Phasenmeß-Spule 15 induzierte Spannung wird über den Kondensator 18 an die Basis B des Transistors 17 angelegt und überwindet die an ihm anliegende Vorspannung infolge des Basisstromflusses über den Widerstand 19, um die augenblickliche bzw. Phasenposition im Verlauf jedes Schwingungszyklus zu steuern, wenn der Treiberimpuls an die Treiberspule geliefert werden soll.

Die Stimmgabel mit ihrer zugeordneten elektronischen Schaltung bildet ein rückgekoppeltes Resonanzsystem, wie es etwa im Buch »Transistor Manual«, 7. Auflage (1964), herausgegeben von der Firma General Electric Company, im Grundsatz beschrieben ist. Im Resonanz-Rückkopplungsoszillator werden dabei entweder LC-Resonatoren oder deren elektromechanische Äquivalente verwendet.

In der Standardform des Resonanz-Rückkopplungs-Transistoroszillators ist der Ausgang des als Verstärker wirkenden Transistors an die abgestimmte Primärwicklung eines Transformators angekoppelt, dessen Sekundärwicklung mit dem Eingang verbunden ist, um eine Regeneration bzw. positive Rückkopplung zu gewährleisten, wodurch der Verstärker zum Schwingen gebracht wird. Bei der Anordnung gemäß Fi g. 1 ist der Resonanz-Rückkopplungsoszillator als Hartley-Schaltung aufgebaut, bei welcher in Reihe geschaltete Phasen- und Treiberspulenwicklungen in Spartransformator-Schaltung anstelle der üblichen Schaltung als Doppelwicklungs-Obertrager angeordnet sind.

Im folgenden seien nunmehr die qualitativen Aspekte des Frequenznonnais gemäß Fig. 1 betrachtet Dies geschieht am zweckmäßigsten im Zusammenhang mit der Äquivalenzschaltung des Stimmgabelresonators, da im vorliegenden Fall hauptsächlich die elektrischen Wirkungen der Oszillatorschaltung auf den Resonator betrachtet werden sollen.

In F i g. 2 ist das elektrische Äquivalent der Stimmgabel 10 durch die Induktivität Lr, die Kapazität Qund den Widerstand R/ angegeben, die sämtlich parallelgeschaltet sind und einen Parallel-Resonanzkreis bilden, dessen Frequenz durch die reaktiven Werte von Induktivität und Kapazität und dessen <?-Wert durch den Wert des Widerstands bestimmt ist. Da die Stimmgabel im Vergleich z. B. zu einem Resonator mit hohem Q-V/ert, etwa einem piezoelektrischen Kristall, eine Vorrichtung mit mittlerem Q-Wert ist, ist der Widerstandswert zu berücksichtigen.

in In F i g. 2 kann man den Schalttransistor vernachlässigen und sich auf die Reihenschaltung aus Widerstand 9 und Kondensator 18 konzentrieren, die mit der äquivalenten Stimmgabel-Resonatorschalting in Nebenschluß geschaltet sind. Der Widerstand 19 besitzt einen Wert Ro, der zwischen Kollektor C und Basis B auftritt, während der Kondensator 18 einen zwischen Basis B und Emitter E dargestellten Wert Q, aufweist. Diese Werte können gemäß F i g. 3 durch ihr Paralleläquivalent ersetzt werden, wobei

C₀ = C₀(I +(,,,C₀R₀)²

(Gleichung I)
(Gleichung II)

In den obigen Gleichungen bedeutet das Symbol tu die Winkelfrequenzen der Stimmgabel, d. h. 2π multipliziert mit der Stimmgabelfrequenz.
Aus Gleichung II ist ersichtlich, daß zur weitgehenden Verminderung des Werts der Kapazität CJ die Werte Rt und Co groß sein sollten. Wünschenswerterweise sollte der Wert C₀ im Vergleich zu Cr möglichst weitgehend vermindert werden, um die Frequenzverschiebung des Systems von der Eigenfrequenz der Stimmgabel hinweg möglichst weitgehend zu reduzieren. Wenn der Wert von Cj im Vergleich zu Ci nicht klein ist, wird die Stimmgabel gezwungen, in einem gegenüber ihrer Eigenfrequenz verschobenen Frequenzbereich zu schwingen, so daß die für den Betrieb der Stimmgabel erforderliche Leistung erhöht wird. Außerdem ist das System dann empfindlicher gegenüber Schwankungen der Kapazität C₀, was unerwünscht ist

Für die Herstellung als integrierte Schaltung ist es aber wesentlich, den Wert von C₀ klein (unter 400 pF) zu wählen, da der Kondensator sonst nicht nach integrierter Schaltungstechnik hergestellt werden kann. Hierbei ergibt sich dann die Notwendigkeit die Wirkung der Verwendung eines kleinen Kondensators im pF-Bereich dadurch auszugleichen, daß der Wert R₀ sehr groß (d. h.

so größer als 100 ΜΩ) gewählt wird.

Der Widerstand Ro ist der Haupt-Bestimmungsfaktor für den Basisstrom des Transistors. Da jedoch der Transistor als stromverstärkendes Element nur begrenzten Verstärkungsgrad besitzt, liefert die sich aus der Erhöhung des Werts des Widerstands Ro ergebende Verminderung des Basisstroms im Fall eines üblichen Transistors der bisher bei elektronischen Zeitmessern verwendeten Art nicht genügend Strom in der Kollektor-Ausgangsschaltung, um die Stimmgabel anzutreiben. Dieser Kollektorstrom liefert die die Stimmgabel in Schwingung haltende Energie, und bei vorgegebener Amplitude der Stimmgabelschwingung ist eine bestimmte Energiemenge nötig, die durch den <?-Wert der Stimmgabel bestimmt wird.

Es hat sich nun herausgestellt, daß die Verminderung Verminderung des Basisstroms Verwendung eines Basisstrom-Widerstands mit einem Wert von mehr als 100ΜΩ hervorgerufen wird, durch Verwendung eines

Transistors mit übergroßem Verstärkungsgrad der Art ausgeglichen werden kann, wie er beispielsweise im »Electronic Products Magazine« (19. April 1971) im Artikel »Super-Gain-Transistor für ICs« beschrieben ist.

Wie in diesem Artikel erwähnt, sind Transistoren mit übergroßen Verstärkungsgrad (im Handel auch als Superbeta-Transistoren bekannt) normale, d. h. genormte bipolare Transistoren, deren Emitter für extrem hohe Ströme diffundiert worden sind.

Beim normal dotierten Transistor ist der Gleichstrom-Verstärkungsgrad Beta umgekehrt abhängig von der Basisbreite. Wenn der Emitter aber tiefer in den Basisbereich hinein diffundiert wird, erhöht sich der Beta-Wert auf mehrere Tausend. Typische Stromverstärkungsgrade von 5000 sind bei Kollektorströmen von 1 Mikroampere erzielbar.

Bei der vorstehenden qualitativen Auswertung der elektronischen Schaltung für den Antrieb der Stimmgabel ist der Einfluß des Transistors vernachlässigt worden. Wenn der Transistor in der Praxis zur Erzeugung des Treiberimpulses bei jeder Periode einmal durchgeschaltet wird, ist die Äquivalenzschaltung des im C-Betrieb arbeitenden Hartley-Oszillators komplizierter. Die hauptsächlichen qualitativen Merkmale der Schaltung sind aber dennoch im wesentlichen dieselben wie die vorher beschriebenen, weshalb es nicht nötig ist, die komplizierteren Aspekte des Schaltungsverhaltens näher zu betrachten.

Zusammenfassend kann gesagt werden, daß es zur Ermöglichung einer Integration aller die elektronische Schaltung bildenden Elemente, die der elektromagnetisch betätigten Stimmgabel oder einem anderen mechanischen Resonator zugeordnet ist, erforderlich wird, einen Kondensator im pF-Bereich (d. h. von z. B. 200 pF) zu verwenden. Dieser Wert kann ohne weiteres durch bekannte Mikroelektronik-Techniken hergestellt werden. Dieser kleine Kapazitätswert erfordert dann einen wesentlich höheren Wert für den Basisstrom-Widerstand (über 100 ΜΩ), wodurch ein merklich reduzierter Basisstrom hervorgerufen wird. Dies macht wiederum die Verwendung eines Transistors mit übergroßem Verstärkungsgrad zur Betätigung der zugeordneten Stimmgabel, um sie in Schwingung zu halten, erforderlich.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (2)

Patentansprüche:

1. Erregerschaltung für einen elektromechanischen Resonator zur Aufrechterhaltung der Schwingung des Resonators, wobei die Ankopplung des Resonators über eine Treiberspule und eine Phasenmeßspule, die im Erregerkreis liegen, erfolgt, mit einem Transistor, dessen Eingang über einen Kondensator mit der Phasenmeßspule und dessen Ausgang über eine äußere Spannungsquelle mit der Treiberspule verbunden ist, und mit einem zwischen Eingang und Ausgang liegenden Widerstand, dadurch gekennzeichnet, daß der Transistor (17) einen übergroßen Verstärkungsgrad, der Kondensator (18) eine Kapazität von weniger als 400 Picofarad und der Widerstand (19) einen Wert von mehr als 100 Megohm aufweist und daß der Transistor, der Kondensator und der Widerstand eine Einheit in Monolithtechnik bilden.

2. Erregerschaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Resonator eine Stimmgabel (10) ist