DE2332237C3

DE2332237C3 - Schaltungsanordnung für eine quarzgesteuerte elektrische Uhr

Info

Publication number: DE2332237C3
Application number: DE2332237A
Authority: DE
Inventors: Hans-Peter 7100 Horkheim Wolf
Original assignee: Licentia Patent Verwaltungs GmbH
Current assignee: Telefunken Electronic GmbH
Priority date: 1973-06-25
Filing date: 1973-06-25
Publication date: 1980-08-14
Also published as: US3939644A; DE2332237B2; DE2332237A1

Description

Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung für eine Quarz-gesteuerte elektrische Uhr gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1. Die Schallung enthält Ausgangsstufen, die auch vielfach als Ausgangsbuffer bezeichnet werden. Hierbei handelt es sich um niederohmige elektronische Schalter, durch die nach jeweils einer Sekunde z. B. die Drehrichtung des Uhrenantriebsmotors geändert wird.

Aus der DE-OS 21 05 706 ist eine Schaltung für die Stillegung und Rücksetzung der Frequenzteilerschaltung mittels eines Schaltvorgangs bekannt. Dadurch wird eine Anlaufverzögerung des Ausgangsimpulses nach dem Wiedereinschalten der Uhr vermieden. Dies wird jedoch nur mit einem sehr großen Schaltungsaufwand erreicht, da rücksetzbare Flip-Flops in den Frequenzteilerstufen zur Verfugung gestellt werden müssen. Hierfür werden für jede Stufe 4 Transistoren mehr benötigt.

Ferner ist aus der Zeilschrift »Funk-Technik« 1971, Nr. 24, S. 911 —913, eine Schaltung für eine quarzgesteuerte Uhr bekannt, die allerdings mit bipolaren Transistoren aufgebaut ist. Mit einem Schalter läßt sich der Antriebsmotor der Uhr direkt von der Versorgungsspannung trennen. Der Oszillator wird dabei nicht abgeschaltet.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine mit Feldeffekttransistoren aufgebaute Schaltungsanordnung anzugeben, durch die nach dem Stellen der Uhr das Weiterlaufen der Uhr in einem möglichst kurzen Zeitraum bei möglichst kleinem Schaltungsaufwand gewährleistet ist. Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale im kennzeichnenden Teil des Patentanspruchs 1 gelöst.

Es ist darauf hinzuweisen, daß man unter dem steuerbaren Strompfad eines Feldeffekttransistors den Stromweg von der Quellelektrode über den Kanal zur Zugelektrode versteht.

In einer bevorzugten Ausführungsform wird der Schalter mit dem Stellmechanismus derart gekoppelt, daß beim Stellen der Uhr automatisch die Oszillatorstufe und die beiden Ausgangsstufen in der beschriebenen Weise von der Versorgungsspannungsquelle abgetrennt werden. Dies bedeutet bei einer Armbanduhr, daß durch Herausziehen der Stellschraube die genannten Schaltungsteile von der Versorgungsspannungsquelle getrennt werden, und daß durch Zurückstellen der Rändeloder Stellschraube in ihre Ausgangslage auch diese Schaltungsteile wieder an die Versorgungsspannungsquellen angeschlossen werden.

Der wesentliche Vorteil der neuen Schaltungsanordnung liegt darin, daß die Frequenzteilerstufen und die Impulsformerstufen während des Stellens der Uhr nicht von der Versorgungsspannung getrennt werden. Die jeweilige Information in diesen Schaltungsteilen bleibt also während der Stellzeit erhalten, so daß nach dem Stellen der Uhr höchstens eine Sekunde vergehen kann, bis die Uhr weiterläuft Wenn alle Schaltungsteile von der Versorgungsspannungsquelle abgetrennt würden, würde die maximale Anlaufzeit 2 Sekunden betragen. Der Schaltungsaufwand ist relativ gering, da die Frequenzteilerstufen nicht mit rücksetzbaren Flip-Flops bestückt sein müssen. Ein weiterer Vorteil der erfindungsgemäßen Schaltung besteht darin, daß mit Hilfe eines einfachen Schalters sowohl durch das Abschalten des Oszillators die Uhr stillgelegt wird als auch durch das Abschalten der Ausgangsstufen ein übermäßiger Stromverbrauch verhindert wird.

Die Erfindung und ihre weitere vorteilhafte Ausgestaltung soll im weiteren noch anhand eines Ausführungsbeispieles näher erläutert werden.

In der Fig. 1 ist das Blockschaltbild der Uhrenelektronik dargestellt. In der Fig.2 ist die Oszillatorstufe und in der Fig. 3 sind die beiden Ausgangsstufen dargestellt. Die Schaltungsstufen sind mit MIS-Feldeffekttransistoren aufgebaut. Diese Transistoren weisen eine vom Kanalgebiet isolierte Steuerelektrode auf. Wenn die Isolierschicht aus einem Oxyd (z. B. S1O2) besteht, spricht man von MOS-Transistoren. Die Transistoren arbeiten nach dem Anreicherungsprinzip, d. h., daß bei der Steuerspannung Null kein Strom zwischen der Quell- und der Zugelektrode fließen kann. Erst bei einer Steuerspannung geeigneter Größe und Polarität wird das Kanalgebiet in seinem Leitungstyp invertiert und zwischen der Quell- und der Zugelektrode kann ein Strom fließen. Beim Aufbau der Schaltungsstufen nach den Fig. 2 und 3 finden sogenannte CMOS-Transistoren Verwendung. Hierbei handelt es sich jeweils um ein komplementäres Transistorpaar, das in einem gemeinsamen Halbleiterkörper, u. U. mit anderen Bauelementen, untergebracht ist. Einer der Transistoren weist som't einen η-leitenden Kanal auf, während der dazu komplementäre Feldeffekttransistor im leitenden Zustand einen p-Kanal besitzt. Das Substrat dieser Transistoren ist mit je einem Pol der Versorgungsspannungsquelle in der dargestellten Weise verbunden.

Im Blockschaltbild der Fig. 1 erkennt man zunächst den Oszillator, der von einem Quarzkristall in an sich bekannter Weise angeregt wird. Hinter den Oszillator sind 16 Frequenzteilerstufen IFF bis 16FF geschaltet, auf die zwei Impulsformerstufen FFl und FF2 folgen. Diese Impulsformerstufen geben alle zwei Sekunden je einen Impuls ab, die innerhalb der Stufen so gegeneinander versetzt sind, daß die Ausgangsstufen ßl und Ö2 alle Sekunden umgeschaltet werden und sich damit die Stromrichtung durch den Lastwiderstand alle Sekunde ändert. Der Motor M ändert daher bei

einem alternierenden Schrittschaltungsmotor jeweils nach 1 Sekunde seine Drehrichtung und nimmt jeweils eine seiner beiden Vorzugslagen ein. Bei einem Motor mit nur einer Drehrichtung wird dieser Motor nach jeweils 1 see. um 180° weitergedreht

Die Versorgungsspannung ist an die Oszillatorstufe und an die Ausgangsstufen zusätzlich über den Punkt 3 angeschlossen. Dieser Punkt 3 ist über einen Schalter K (Fig.2) mit der Versorgungsspannungsquelle verbunden.

Die Fig.2 zeigt die Oszil'atorstufe. Sie besteht im wesentlichen aus den beiden komplementären und zueinander in Reihe geschalteten CMOS-Transistoren Ti und T₂. Die Sieuerelektroden sind miteinander verbunden und über den Rückkopplungswiderstand Rrk mit der Ausgangselektrode 2 verbunden. Die Dioden Ds ι und Ds2 sind Schutzdioden und werden in Sperrichtung beansprucht. Auch der niederohmige Widerstand Rsdient als Schutzwiderstand. Zur Schwingungserzeugung dient der Quarzkristall Q und die Kondensatoren Ci und C₂. Sei einer bevorzugten Ausführungsform sind die Transistoren Ti und Ti die Dioden Ds 1 und Ds 2, der Widerstand Rs und der Kondensator Q in einem einzigen Halbleiterkörper untergebracht Der Kondensator C₂, der Schalter K und der Kristall Q werden extern angeschaltet. Ober den geschlossenen Schalter K sind die in Reihe geschalteten Transistoren im Betriebszustand der Schaltung mit der positiven Versorgungsspannung Udd verbunden. Wenn beim Stellen der Uhr der Schalter K geöffnet wird, ist der Transistor Ti gesperrt, sofern es sich bei ihm um einen p-Kanal Feldeffekttransistor handelt. Das n-leitende Substrat dieses Transistors liegt an der Spannung + LOd und ist über einen jeweils in Sperrichtung beanspruchten pn-übergang mit der p⁺-leitenden Quell- bzw. Zugelektrode verbunden. Die Oszillatorschwingung kommt zum Stillstand. Über den Transistor T₂, der ein n-Kanal-Feldeffekttransistor ist, kann dann nur noch der Sperrstrom des Transistors Ti fließen, so daß am Punkt 2 eine sehr kleine Spannung abfällt. Diese Spannung wird von den nachgeschalteten Schaltungsstufen als logische »0« interpretiert. Da die Frequenzteilerstufen und die Impulsformerstufen nicht von der Versorgungsspannung LOd abgetrennt werden, bleibt die Information dieser Stufen erhalten.

In der Fig.3 sind die beiden Ausgangsstufen dargestellt, die aus jeweils zwei CMOS-Transistoren bestehen. Die Transistoren Tz und T5 sind beispielsweise p-Kanal-Transistoren, während die Transistoren Ti und Tb n-Kanal-Transistoren sind. Im Betriebszustand sind die Quellelektroden der Transistoren Ti und T5 über den geschlossenen Schalter K mit der Spannung + Uco verbunden. Es gibt dann zwei Schaltzustände. Wenn an der Eingangselektrode £1 ein positiver Impuls, d. h. eine logische »1« anliegt kann sich im Kanalgebiet des Transistors Tj keine Inversionsschicht bilden und dieser Transistor bleibt gesperrt Im n-Kanal-Transistor T₄ wird dagegen der Oberflächenbereich im Kanalgebiet zwischen beiden η+ -leitenden Quell- und Zugelektroden zu einer η-leitenden Oberflächenschicht invertiert, und es kann ein Strom fließen. Da an der Eingangselektrode E₂ eine logische »0« anliegt, sind dort die Verhältnisse umgekehrt Der Transistor T5 ist leitend, der Transistor Te gesperrt. Über die Transistoren T5 und Ta, kann somit über den Widerstand Rl ein Strom von A₂ und A\ fließen. Wenn an E\ eine logische »0« und an E₂ eine logische »1« anliegt, dies ist eine Sekunde nach dem vorbeschriebenen Zustand der Fall, werden die bisher gesperrten Transistoren leitend und die bisher leitenden Transistoren gesperrt Dann fließt über die Transistoren Ti und Tb und über den Lastwiderstand Rl ein Strom von A\ und A₂. Die Stromrichtung ändert sich somit und verursacht eine Änderung der Drehrichtung des Motors M(Fig.l).

Wenn der Schalter K geöffnet wird, sind drei mögliche Ausgangszustände zu unterscheiden. Wenn die Spannung an beiden Eingangselektroden Ei und £2 gerade »0« ist, sind nach dem öffnen des Schalters K alle Transistoren gesperrt und über Rl kann kein Strom fließen.

Wenn die Spannung an E\ »0« und an E₂ »1« ist sind ebenso wie bei den umgekehrten Spannungsverhältnissen die oberen beiden Transistoren T3 und T5 stets gesperrt, so daß in keinem Fall, unabhängig vom Betriebszustand der beiden unteren Transistoren T₄ und Tb über Rl ein merklicher Strom fließen kann. Die Ausgangsstufen sind somit während der Stellzeit abgestellt. Nach dem Ende des Stellvorgangs erhält die Ausgangsstufe spätestens nach 1 see. die für den Weiterlauf des Motors richtige Information, d. h. die Information, die bei der Unterbrechung des Motors als erste ausblieb. Auf diese Weise kann dann die Stellzeit auf ein Minimum reduziert werden.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Schaltungsanordnung für eine quarzgesteuerte elektrische Uhr, bestehend aus einer Oszillatorstufe, Frequenzteilerstufen, Impulsformerstufen und zwei Ausgangsstufen (Ausgangsbuffer) zur Steuerung des Antriebs, wobei die Oszillator- und Ausgangsstufen mit komplementären MIS-Feldeffekttransistoren aufgebaut sind, und einem Schalter, durch den der an die Ausgangsstufen angeschlossene Motor abschaltbar ist dadurch gekennzeichnet, daß der Schalter so angeordnet ist, daß durch seine Betätigung nur in der Oszillatorstufe und in den beiden Ausgangsstufen der steuerbare Strompfad zumindest eines Feldeffekttransistors je Stufe von der Versorgungsspannungsquelle abgetrennt wird, während die Frequenzteilerstufen und die Impulsformerstufen nicht von der Versorgungsspannungsquelle getrennt werden.

2. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Schalter mit dem Stellmechanismus derart gekoppelt ist, daß beim Stellen der Uhr automatisch die Oszillatorstufe und die beiden Ausgangsstufen von der Versorgungsspannungsquelle abgetrennt werden.