DE2343386B2

DE2343386B2 - Quarzkristalloszillatorschaltung

Info

Publication number: DE2343386B2
Application number: DE2343386A
Authority: DE
Inventors: Shinji Nagano Morozumi (Japan)
Original assignee: Suwa Seikosha KK
Current assignee: Suwa Seikosha KK
Priority date: 1972-08-28
Filing date: 1973-08-28
Publication date: 1978-04-27
Also published as: GB1412549A; FR2198309B1; DE2343386A1; CH618834B; HK4278A; US3889211A; JPS4941055A; FR2198309A1; CH618834GA3; MY7800073A; CH641924B; CH641924GA3; IT990242B; ES418029A1

Description

Die Erfindung betrifft eine Quarzkristalloszillatorschaltung gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Eine derartige Schaltung ist aus der US-PS 36 64 118, Fig. 10, bekannt Bei dieser stellt sich der einer automatischen Vorspannung entsprechende Arbeitspunkt ein, wenn eine Eigenschwingung erzeugt wird. Die bei Verwendung eines MOS-FETs an der Drainelektrode abgegriffene Ausgangsspannung wird zur Gateelektrode zurückgekoppelt, der eine geeignete Gatespannung zugeführt wird, um die Schwingung schnell in Gang zu setzen. Zur Einstellung des Arbeitspunktes wird ein Rückkopplungswiderstand verwendet, für den ein großer Widerstandswert erforderlich ist Wird als Rückkopplungswiderstand ein Dünnschichtwiderstand eingesetzt, dann entsteht eine integrierte Schaltung des Hybridtyps, und durch die dadurch bedingte Zunahme der Kontakte wird die Zuverlässigkeit der Schaltung vermindert Wird eine Diffusionsschicht verwendet ist durch deren spezifischen Widerstand eine Grenze gesetzt, so daß sich ein

ίο Widerstandswert der erforderlichen Größe nur schwer herstellen läßt Fig. 8 der US-PS 36 64118 zeigt die Schaltung eines dynamischen Zählers, bei dem zwischen den Ausgang einer Stufe und den Eingang einer nachfolgenden Stufe der Kanal eines IGFETs geschaltet

ist, der sine Übertragungstorschaltung bildet

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, bei einer Schaltung der einleitend genannten Art den Rückkopplungswiderstand durch ein Element zu ersetzen, das gleichzeitig mit den übrigen Schalungselementen als monolithisch integrierte Schaltung ausgebildet werden kann und das eine große Temperaturstabilität der Oszillatorfrequenz ermöglicht Die Herstellungskosten und die Zuverlässigkeit sollen, im Vergleich zu den bekannten Schaltungen, verbessert werden. Die Schaltung soll insbesondere für die Verwendung in einer elektronischen Uhr geeignet sein.

Diese Aufgabe wird bei der vorausgesetzten Quarzkristalloszillatorschaltung mit den kennzeichnenden Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst.

Vorteilhafte Weiterbildungen der erfindungsgemäßen Quarzkristalloszillatorschaltung sind in den Unteranspriichen angegeben.

Bei der erfindungsgemäßen Lösung dient als Widerstandselement mit hohem Widerstandswert ein MOS-FET, dessen Source- und Drainelektrode mit dem Ausgang bzw. dem Eingang der Oszillatorschaltung in Verbindung steht. Vorzugsweise werden zwei komplementäre MOS-FETs als Rückkopplungswiderstand verwendet.

Die Erfindung wird durch Ausführungsbeispiele anhand von sechs Figuren näher erläutert Es zeigt

F i g. 1 einen aus komplementären MOS-FETs bestehenden Inverter,
F i g. 2 eine schematisch dargestellte Quarzkristalloszillatorschaltung,

F i g. 3 die Drainstrom-Drainspannungs-Kennlinie eines MOS-Fets,

Fig.4 eine Ausführungsform eines als Widerstand dienenden MOS-FET,

so F i g. 5 eine Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Quarzkristalloszillatorschaltung,

F i g. 6 eine Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Quarzkristalloszillatorschaltung, die mit einer Phasensteuerschaltung versehen ist.

F i g. 1 stellt einen üblichen Inverter dar, der aus einer Serienschaltung eines p-Kanal- und eines n-Kanal-MOS-FETs besteht. In der Zeichnung bedeutet

Trp=p-Kanal-MOS-FET,
Trn=n-Kanal-MOS-FET,

5p, Dp, Gp = Source, Drain und Gate des Trp, Sn, Dn, Gn = Source, Drain bzw. Gate des Trn.

Die in F i g. 2 schematisch dargestellte Quarzkristall-Oszillatorschaltung ist aus Invertern // gemäß F i g. 1 aufgebaut. Es sind komplementäre Inverter I\ bis In zu einer n-stufigen Serienschaltung verbunden. Eine beliebige Stufe // ist mit einer Phasensteuerschaltung

PCversetien, die die für den Schwingzustand erforderliche Phasenbedingung herstellt Die Ausgangsgröße am Ausgang Do, d.h. am DrainanschluB des letzten Inverters In, wird durch einen Quarzkristailschwinger X zum Eingang Go zurückgekoppelt, der den Gatean-Schluß des Inverters I₁ der ersten Stufe darstellt Zur Phasenkompensation ist außerdem an den den Ausgang der Serienschaltung bildenden Drainanschluß Do eine Ausgangskapazität Cd und an den den Eingang der Serienschaitung bildenden Gateanschluß eine Eingangs- ι ο kapazität Cg angeschlossen. Der Arbeitspunkt dieser Inverterserienschaltung wird durch Rückkopplung der Ausgangsgröße des Drainanschlusses Dides Inverters Ii einer beliebigen Stufe zum Gateanschluß des Eingangs der Serienschaltung unter Verwendung eines Wider-Standes Rf eingestellt Abhängig von der Vorspannung wird sodann eine Eigenschwingung erzeugt Im allgemeinen ist der Widerstandswert des Widerstandes Rf größer als mehrere Megohm. Er soll so groß wie möglich sein, ohne jedoch einen Einfluß auf die Phasenbeziehung der Schaltung auszuüben. Im allgemeinen wird ein Widerstand von außen eingefügt oder unter Verwendung eines Dünnschichtwiderstandes eine hybrid integrierte Schaltung hergestellt Die zusätzlichen Kontakte verursachen viele Fehler und verringern damit die Zuverlässigkeit der Schaltung. Es ist deshalb erwünscht, den Widerstand zusammen mit den anderen Schaltungselementen als eine monolithische integrierte Schaltung auszubilden. Wird für den Widerstand eine Diffusionsschicht verwendet dann setzt deren spezifischer Widerstand eine Grenze, und der erforderliche Widerstandswert ist nur sehr schwer auf einer kleinen Halbleiteroberfläche unterzubringen. Wird polykristallines Silizium verwendet, so wird wegen der Temperaturabhängigkeit eine Instabilität der Schwingfrequenz verursacht

Diese Schwierigkeiten werden dadurch überwunden, daß für diesen Widerstand der hohe Kanalwiderstand eines MOS-FETs verwendet wird. Die Beziehung zwischen dem Strom und der Spannung eines MOS-FETs genügt im allgemeinen den folgenden Bedingungen:

O < Vd < Vge Id = β (Vge ■ Vd - l/2Vd²)

ßVge²

Vge < Vd

Id =

Re =

Vd U

-{Vge-

50

Vge = effektive Gatespannung, Vd = Drainspannung, Id = Drainstrom,

β = μ· Cox- W/L,

μ = Beweglichkeit der Ladungsträger im Kanal

(Oberflächenbeweglickeit) Cox = Kapazität pro Flächeneinheit der Gate-Isolier-

schicht und W/L = das Verhältnis von Breite zu Länge des Kanals.

Ein äquivalenter Widerstand Re entspricht dem Verhältnis Vd/Id, d. h. dem Verhältnis von Drainspannung zu Drainstrom, und erreicht, wie aus Fig.3 ersichtlich, bei Vd= O einen Minimalwert R_mi„

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β ■ Vge ■

Aus diesen Gleichungen geht hervor, daß wegen ß~ W/L leicht ein Widerstandswert von wenigstens einigen Megohm erhalten werden kann, wenn daE Verhältnis W/L klein genug gemacht wird. Die Beziehung gilt für den Fall, daß die effektive Gatespannung Vge konstant gehalten wird. Ändert sich die effektive Gatespannung Vge in Abhängigkeit von der Drainspannung Vd, dann ist der effektive Widerstand Re umgekehrt proportional zu W/L, d. h. zum Verhältnis von Breite zu Länge des Kanals. In Wirklichkeit beträgt die Beweglichkeit an der n-Kanalseite etwa 600 cmWsec und an der p-Kanalseite etwa 300cm²/Vsec. Wenn die Gatekapazität Cox pro Flächeneinheit 3-10-⁸F/cm² und die effektive Gatespannung Vge an der n-Kanalseite 0,5 V beträgt kann innerhalb eines kleinen Bereiche» ein minimaler effektiver Widerstand von 5 Megohm durch Verringerung des Verhältnisses W/L von Breite zu Länge des Kanals auf nicht mehr als 0,02 an der n-Kanalseite und nicht mehr als 0,075 an der p-Kanalseite erhalten werden. Hinsichtlich der Temperatur abhängigkeit sind die Verhältnisse wesentlich besser als bei einem Widerstand aus polykristallinem Silizium, da bei einer Temperaturzunahme die Beweglichkeit μ verringert und die effektive Gatespannung Vge vergrößert werden, so daß sich die beiden Wirkungen aufheben. (Die effektive Gatespannung Vge ist die um die Schwellenspannung V,* verringerte angelegte Gatespannung Vg, d. h. Vge = Vg - Vth, uind V₁* nimmt bei zunehmender Temperatur ab.)

In Fig.4 ist ein konkretes Ausführungsbeispiel gemäß der Erfindung dargestellt. Es sind hier ein n-Kanal-MOS-FET Tm und ein p-Kanal-MOS-FET Trp parallelgeschaltet Hierdurch wird der Widerstand Rf realisiert.

F i g. 5 stellt die Anwendung der den Widerstand Rf realisierenden Schaltung in einer Oszillatorschaltung dar, die aus einem einstufigen komplementären Inverter besteht Die Spannungen, die an die Gateelektroden Gn und Gp der Transistoren Tm/und Trp/angelegt sind, welche einen hohen Widerstand aufweisen und ein an einem gemeinsamen Drainanschluß auftretendes Ausgangssignal zu einem als Eingang dienenden gemeinsamen Gateanschluß zurückkoppeln, sind so gewählt, daß entweder beide Transistoren eingeschaltet sind oder während aufeinanderfolgender Halbperioden abwechselnd der eine oder der andere Transiistor eingeschaltet ist. Zum Beispiel wird der positive Pol einer Spannungsquelle mit der Gateelektrode Gn des n-Kanaltransistors Trnf und der negative Pol der Spannungsquelle mit der Gateelektrode Gp verbunden. Die Potentiale des gemeinsamen Drainanschlusses Do und des gemeinsamen Gateanschlusses Go können bequem verwendet werden.

Während bei der Ausführungsform nach F i g. 5 der p-Kanal-MOS-FET Trpf und der n-Kanal-MOS-FET Trnf als Rückkopplungswiderstände wirken, kann der in Fig.4 dargestellte Widerstand auch, als Widerstand einer Phasensteuerschaltung, z. B. zur Phasenkompensation, eingesetzt werden. Dieser Fall ist in Fig.6 dargestellt, wobei als Kapazität die parasitäre Drainkapazität Cd eines MOS-FETs dient. Der phasenkompensierende p-Kanal-MOS-FET ist mit Trpc und der phasenkompensierende n-Kanal-MOS-FET mit Trnc bezeichnet In diesem Fall können die Gates Gnc und Gpc der Transistoren Trnc und Trpc der Phasenschaltung mit der gleichen Spannung wie die Rückkopplungstransistoren Trnf und TVo/betrieben werden.

Die Erfindung eignet sich insbesondere für die Verwendung in einer elektronischen Uhr. Wenn in einem Chip eine Kapazität untergebracht wird, wird auf einfache Weise eine vollständig monolithische integrierte Schaltung erhalten, an die von außen nur ein Schwingquarz und ein Kondensator zur Frequenzregulierung angeschlossen werden. Hierdurch können die Kosten für eine kleine elektronische Uhr großer Zuverlässigkeit beträchtlich gesenkt werden.

Hierzu 3 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Quarzkristalloszillatorschaltung mit einer mit IGFETs aufgebauten Inverterschaltung, die eine ungerade Anzahl in Reihe geschalteter Inverterstufen aufweist, und mit einem zwischen den Ausgang und den Eingang der Inverterschaltung geschalteten Quarzkristallschwinger, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen den Ausgang (Di) einer beliebigen Inverterstufe (Ii) und den Eingang (Go) der Inverterschaltung (H,... Ii,... In) die Kanalstrecke wenigstens eines IGFETs (Trnf, Trpf) geschaltet ist

2. Quarzkristalloszillatorschaltung nach Anspruch

1, dadurch gekennzeichnet, daß die Inverterschaltung wenigstens zwei komplementäre MOS-FETs (T/77/und Trpf) umfaßt und am Ausgang mit einer Phasensteuerschaltung (PQ 7/7Jcbzw. Trpc) verbunden ist, über die der Inverterschaltung eine Vorspannung zugeführt ist

3. Quarzkristalloszillatorschaltung nach Anspruch

2, dadurch gekennzeichnet, daß die Phasensteuerschaltung wenigstens einen MOS-FET (Trnc bzw. Trpc) enthält

4. Quarzkristalloszillatorschaltung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Phasensteuerschaltung wenigstens ein Paar komplementärer MOS-FETs enthält

5. Quarzkristalloszillatorschaltung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet daß zwischen den Ausgang der Inverterstufe und den Eingang der Inverterschaltung wenigstens ein Paar komplementärer MOS-FETs geschaltet ist und daß die Phasensteuerschaltung ein Widerstandselement umfaßt

6. Quarzkristalloszillatorschaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen den Drainanschluß (Do) der letzten Inverterstufe (In) und Masse und/oder zwischen den Gateanschluß (Go) der ersten Inverterstufe (I\) und Masse eine Kapazität (Cd bzw. Cg) geschaltet ist und daß dieser Drain- und dieser Gateanschluß (Do bzw. Go) durch einen Rückkopplungs-Feldeffekt-Transistor (Trpf, Trnf) verbunden sind, der den Arbeitspunkt der swingenden komplementären Transistoren einstellt

7. Quarzkristalloszillatorschaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß mit dem Ausgang der Inverterschaltung ein Kondensator (Cd) und ein Widerstand (Trpc, Trnc) zur Phasensteuerung verbunden sind.