DE2323858C3

DE2323858C3 - Monolithisch integrierbare Quarzoszillatorschaltung

Info

Publication number: DE2323858C3
Application number: DE2323858A
Authority: DE
Inventors: Wolfgang Dipl.-Ing. 7803 Gundelfingen Gollinger
Original assignee: Deutsche ITT Industries GmbH
Current assignee: TDK Micronas GmbH
Priority date: 1973-05-11
Filing date: 1973-05-11
Publication date: 1975-12-18
Also published as: DE2323858B2; DE2323858A1; JPS5032862A; CH640074A4; US3868597A; CH584988B5

Description

40 teilerkette, zugeführt, oder es dient als Taktfrequenz für aus Schieberegistern aufgebaute Zähler, die ebenfalls Isolierschicht-Feldeffekttransistoren enthalten. Die Eingangskapazität der vom Ausgangsr-ignal des Quarzoszillators angesteuerten Feldeffekttransistoren läßt sich bei direkter Ansteuerung dieser nachfolgenden Schaltung in die zwischen dem Source- und Drain-Anschiuß des Oszillatortransistors liegende Kapazität miteinbeziehen. Dies hat den Vorteil, daß die Umladung dieser Kapazität leistungslos erfolgt, so daß die Gesamtschaltung weniger Strom aufnimmt.

Auf Grund der Tatsache, daß insbesondere auf dem Uhrengebiet die Entwicklung zu immer höherfrequenten Quarzoszillatoren geht, was seine Ursache darin hat, daG hochfrequente Quarze, deren Schwingfrequenz in der Größenordnung von einigen Megahertz liegt, bessere Eigenschaften aufweisen und einfacher zu fertigen sind, tritt das Problem auf, die erwähnten dem Oszillator nachfolgenden Schaltungen derart anzusteuern, daß sie auch bei diesen hohen Frequenzen noch arbeiten.

Hierbei muß ferner die in der Uhrentechnik gestellte Forderung immer erfüllt bleiben, daß nämlich so wenig wie möglich Strom verbraucht wird und die Betriebsspannung nach Möglichkeit der einer einzelnen Monozelle, d. h. also einem Wert zwischen 1 und 1,5 V entspricht.

Da die Grenzfrequenz der nachfolgenden Schaltungen im wesentlichen von den Umladeströmen bestimmt wird, die beim Umladen durch die Taktsignale in den erwähnten Eingangskapazitäten entstehen, die Schnelligkeit der nachfolgenden Schaltung aber nur erhöht werden kann, wenn diese Umladeströme größer gemacht werden, muß die bekannte Quarzoszillatorschaltung also dahingehend weitergebildet werden, daß sie die erhöhten Umladeströme aufbringen kann.

Aus den bekannten Beziehungen für die Umladeströme

I = I (U₀-U₁)* für U₀-U_r <U_I)S

und

Aus der Zeitschrift »Proceedings of the IEEE«, September 1972, S. 1047 bis 1054, insbesondere Fig. 7 auf S. 1049, ist eine monolithisch integrierbare Quarzoszillatorschaltung mit Isolierschicht-Feldeffekttransistoren von gleicher oder komplementärer Leitungsart bekannt, die insbesondere bei Quarzuhren verwendet werden kann. Bei dieser Schaltung ist ein mit einem Drain-Widerstand versehener und in Source-Schaltung betriebener Transistor zwischen Drain- und Gate-Anschluß mit der Parallelschaltung aus einem Widerstand und einem Quarz beschaltet, und zwischen Gate- und Source- sowie zwischen Drain- und Source-Anschluß ist je ein Kondensator angeordnet. Als Drain-Widerstand kann sowohl ein ohmscher Widerstand als auch ein als Widerstand geschalteter Isolierschicht-Feldeffekttransistor gleicher Leitungsart als auch ein komplementärer Isolierschicht-Feldeffekttransistor, dessen Gate-Anschluß mit dem Gate-Anschluß des Oszillatortransistors verbunden ist, verwendet werden.

Das frequenzkonstante Ausgangssignal dieser Oszillatorschsltung wird dem Eingang einer logischen Schaltung, z. B. dem Eingang einer binären Frequenz-

45 U_ns-^

für U₀ - L'r > U

wobei U₀ die Gate-Spannung, U₁- <üie Schwellspannung, U_os die Drain-Source-Spannung und ,; die Steilheitskonstante der angesteuerten Transistoren ist, erkennt man, daß die Umladeströme sehr wesentlich von der Amplitude der Gate-Spannung U₀ abhängen. Bei den bekannten Schaltungen ist die die nachfolgenden Stufen ansteuernde Gate-Spannung immer kleiner oder höchstens gleich der Betriebsspannung U_n.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, die geschilderten Nachteile zu beseitigen und eine monolithisch integrierbare Quarzoszillatorschaltung

mit Isolierschicht-Feldeffekttransistoren anzugeben, die bei direkter Ansteuerung nachfolgender logischer Schaltungen, insbesondere Frequenzteilerschaltungcn, eine höhere Oszillatorfrcqucnz zu verwenden gestattet. Diese Aufgabe wird durch die im Anspruch 1

angegebene Erfindung gelöst.

Eine Weiterbildung der Erfindung ist im Untcranspruch 2 angegeben.

Aus der DT-OS 15 41 404 ist eine mit einem üb-

lichen bipolaren Flächentransistor bestückte Quarzoszillatorschshung bekannt, bei der in Serie zum Quarz ebenfalls ein Kondensator ar-geordnet ist. Diese Serienschaltung liegt zwischen dem Kollektor und der Basis des Transistors. Im kollektorkreis liegt ein auf die Quarzfrequenz abgestimmter Parallelrcsonanzkreis in Serie mit einem ohmschen Widerstand. Die am kollektorzugewandten Quarzanschluß abgenommene Oszillatorspannung wird über einen Trennkondensator dem Eingang einer Verstärkerstufe zugeführt, dem eine der Ableitung der negativen Halbwolle der Oszillatorspannung dienende Diode parallel geschaltet ist.

Diese bekannte zweistufige Schaltung ist gegenüber der Erfindung nicht nur aufwendiger, sondern läßt sich mittels Isolierschicht-Feldeffekttransistoren auch nicht ohne weiteres realisieren. Durch d>c bei der Erfindung vorhandene(n) Dioile(n) kann die nachfolgende Verstärkerstufe eingespart werden.

Ausführungsbcispiele der Erfindung werden nun an Hand der in der Zeichnung dargestellten Figuren näher erläutert.

Fig. 1 zeigt eine Quarzoszillatorschaltung mit Isolierschicht-Feldeffekttransistoren derselben Lcitunusart, und

Fig. 2 zeigt eine Quarzoszillatorschaltung mit komplementären Isolierschicht-Feldeffekttransistoren.

F i g. 1 zeigt ein Ausführungsbeispiel der Quarzoszillatorschaltung nach der Erfindung mit Isolierschicht-Feldeffekttransistoren derselben Leituivisart. nämlich mit n-Kanal-Transistoren. Sie besteht aus dem Oszillatortransistor 71, der in Sourcc-Schallung betrieben ist und als Drain-Widerstand den als Lastwiderstand geschalteten Transistor 72 aufweist, dessen Source-Anschluß mit dem Drain-Anschluß des Oszillatortransistors 71 und dessen Gate- sowie Drain-Anschluß mit dem spannungsführenden Pol ·(-der Betriebsspannungsquelle U_n verbunden ist. Zwischen dem Verbindungspunkt der beiden Transistoren 71, 72 und dem Gate-Anschluß des Oszillatortransistors 71 liegt der Widerstand R, der den Gleichstromarbeitspunkt der Oszillatorschaltung festlegt.

Ferner liegt zwischen dem Gate-Anschluß des Oszillatortransistors 71, der als dessen Eingangselektrode aufgefaßt werden kann, und dem SchaTtungsnullpunkt, der mit dem Minuspol der Bctriebsspannungsquelle im Ausführungsbeispiel nach F i g. 1 identisch ist, der Kondensator Cl, dessen Kapazität zum Feinabgleich der Oszillatorfrcqucnz einstellbar sein kann, was durch den gestrichelt gezeichneten Pfeil angedeutet ist. Zwischen dem gemeinsamen Verbindungspunkt der beiden Transistoren, der als Ausgang des Oszillatortransistors aufgefaßt werden kann, und dem Schaltungsnullpunkt liegt tier Kondensator C 2.

Bei der Schaltungsanordnung nach dem eingangs genannten Stand der Technik liegt nun der frequenzbestimmende Quarz zwischen Eingang und Ausgang des Oszillatortransistors 71, also parallel zum Widerstand R.

Im Gegensatz zu dieser bekannten Schaltungsanordnung wird beim Ausführungsbeispiel nach der Fig. 1 entsprechend der Erfindung jeder der Quarzelcktroden ein Kondensator in Serie geschaltet; so daß der Quarz Q jetzt über die Serienkondensatoren C 3 und CA parallel zum Widerstand R liegt. Ferner sind die Verbindungspunkte des Quarzes mit den Serienkondcnsatoren über jeweils eine Diode, nämlich die Klemmdioden Dl und Dl mit dem Schaltungsnullpunkt verbunden, wobei die Polung dieser Dioden so gewählt ist, daß die Verbindungspunkte von Quarz und Serienkondensatoren in bezug auf das Potential des Schaltungsnullpunktes festgelegt sind. Im Ausführungsbeispiel nach Fig. 1 bedeutet dies, daß die Anoden der Klemmdioden Dl und D 2 am Schallungspunkt liegen. Wird eine Oszillatorspannung mit höherer Amplitude benötigt, so kann

ίο ein Scrienkondensator mit der zugehörigen Klemmdiode weggelassen werden.

Die sinusförmige Oszillatorspannung kann nun zwischen einer der beiden Quarzelektroden und dem Schaltungsnullpunkt abgenommen werden. Diese beiden möglichen Spannungen U und V sind zueinander invers, bzw. haben eine Phasenverschiebung von 180 gegeneinander. Obwohl somit die Source-Spannung des Oszillatoriransistors 71 um eine Schwellspannung kleiner ist als die Betriebsspannung U₁₁, wird durch die erfinduiigsgemäßen Maßnahmen sichergestellt, daß die Ausgangsspannungen U und TJ um das Übersetzungsverhältnis der kapazitiven Spannungsteiler Cl-C3 und C2-C4 größer sind. Dadurch können in den mit diesen Taktspannungen betriebenen nachfolgenden Schaltungen die Umladcströme größer sein und somit, da das Anstiegszeit-Umladc-Strom-Produkt konstant ist, diese Schaltung mit höheren Frequenzen betrieben werden.

Die Fig. 2 zeigt ein Ausführungsbeispiel der Erfindung mit komplementären Isolierschicht-Feldeffekttransistoren, d.h., der Transistor 71 ist nach F i g. 2 ein n-Kanal-Transistor, während der Transistor 72 ein p-Kanal-Transistor ist. Während im Ausführungsbeispiel nach F i g. 1 die beiden Substratanschlüsse der Transistoren 71 und 72 beide am Schaltungspunkt angeschlossen sind, trifft dies bei der F i g. 2 nur für den Transistor 71 zu. während der Substratanschluß des Transistors 72' am spannungsführenden Pol der Betriebsspannungsquelle U_n liegt.

Im übrigen entspricht das Ausführungsbeispiel der Fi g. 2 dem der Fig. 1. außer daß anstatt der Klemmdiode Dl und Dl in Fig. 2 die Diodenkombinationen Dl' und D 2' gezeigt sind, die aus mehreren hintcreinandergeschalteten Dioden bestehen. Ferner ist der Verbindungspunkt von Quarzelcktroden und Serienkondensatoren im Ausführungsbeispiel nach F i g. 2 über weitere Klemmdioden D3 und DA mit dem spannungsführenden Pol der Battcricspannungsquelle verbunden. Damit wird eine ausreichende Symmetric der Ausgangsspannungen U und TJ erreicht. Auch im Falle der zusätzlichen Klemmdioden D 3 und D 4 kann oder können im Bedarfsfälle eine bzw. mehrere Dioden angewandt werden. Die Flußrichtung der Klemmdioden D 3 und 7>4 ist die gleiche wie die der Klemmdioden Dl, Dl. d. li.. sämtliche Klemmdioden sind mit gleicher Polung in Reihe geschallet.

Die Schaltungsanordnung nach dem Ausführungsbeispiel der F i g. 2 ist insbesondere dann von Vorteil, wenn die anzusteuernden Schaltungen ebenfalls mit komplementären Isolierschicht-Feldeffekttransistoren aufgebaut sind.

Es ist selbstverständlich, daß bei monolithischer Integrierung mit Isolierschicht-Feldeffekttransistoren lediglich solche Bauelemente integriert werden, die einer Integration zugänglich sind, d. h., mit Sicherheit wird also tier Quarz nicht mitintegriert. Auch der gegebenenfalls veränderbare Kondensator C I wird im allticmeincn als diskretes Bauelement ve η außen an

die integrierte Schaltung angeschlossen werden müssen. Was die Serienkondensatoren Ci und C4 betrifft, so wird es bei der Integrationsfähigkeit dieser Kondensatoren von deren erforderlichem Nennwert abhängen, ob sie in die integrierte Schaltung miteinbezogen werden. Der Kondensator C 2 setzt sich, wie bereits erwähnt, aus den Eingangskapazitäten der nachfolgenden Schaltungen und einem festen Wert zusammen, wobei bei umfangreichen Schaltungen dieser feste Wert relativ klein ausfallen kann, so daß dieser Teilkondensator dann ohne weiteres integriert werden kann.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Monolithisch integrierbare, Isolierschicht-Feldeffekttransistoren von gleicher oder komplementärer Leitungsart enthaltende Quarzoszillatorschaltung zur direkten Ansteuerung von ebenfalls Isolierschicht-Feldeffekttransistoren enthaltenden logischen Schaltungen, die einen mit einem ohmschen Widerstand oder mit einem als Widerstand geschalteten Isolierschicht-Feldeffekttransistor als Drain-Widerstand versehenen und in Source-Schaltung betriebenen Transistor aufweist, der zwischen Drain- und Gate-Anschluß mit der Parallelschaltung aus einem Widerstand und dem Quarz beschaltet ist und bei dem zwischen Gate- und Source- sowie zwischen Drain- und Source-Anschluß je ein Kondensator angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, daß mit mindestens einer der Quarzelektroden ein Serienkondensator(C3, C4) in Reihe geschaltet ist und daß der Verbindungspunkt von Quarz (Q) und Serienkondensator (C 3, C4) mittels mindestens einer Klemmdiode (Dl, Dl'; D 2, D 2') mit dem Schaltungsnullpunkt verbunden ist.

2. Quarzoszillatorschaltung nach Anspruch 1 mit zum Oszillatortransistor komplementärem Transistor als Drain-Widerstand, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen den spannungsführenden Pol der Betriebsspannungsquelle (U _B) und den Verbindungspunkt von Klemmdiode (D Γ, D2') und Serienkondensator(C3, CA) mindestens eine weitere Klemmdiode (D 3, D 4) geschaltet ist, deren Flußrichtung der der Klemmdiode(n) (Dl', D 2') entspricht.