DE2422455A1

DE2422455A1 - Sehr wenig energie verbrauchender quartzoszillator

Info

Publication number: DE2422455A1
Application number: DE2422455A
Authority: DE
Inventors: Jean-Claude Berney
Original assignee: Bernard Golay Sa Lausanne (schweiz)
Current assignee: Bernard Golay Sa Lausanne (schweiz)
Priority date: 1973-06-20
Filing date: 1974-05-09
Publication date: 1975-01-23
Also published as: CH893373A4; US3902141A; FR2234695B1; JPS5037327A; FR2234695A1; CH596598B5; GB1474811A; IT1012987B

Description

Bernard Golay S.A. Lausanne (Schweiz)

Sehr wenig Energie verbrauchender Quarzoszillator

Die C-MOS Technik (Complementary Metal Oxyd Semicon-r ductor) hat es gestattet, Quartζschaltungen für Uhren mit sehr geringem Energieverbrauch herzustellen. Ein neuer Schritt könnte "begonnen werden, insbesondere durch Anwendung der SOS-MOS Technik (Silicon oder Saphir). Die jedoch zurzeit bekannte schlechte Leistung der Quartzoszillatoren gestattet es aber nicht, die vollen Vorteile dieser Technik auszubeuten.

Der erfindungsgemässe Quarzoszillator soll dieses Uebel beseitigen. Er ist von der Gattung, bei der ein Verstärker vorgesehen ist, bestehend aus zwei sich ergänzenden Halbleitern■(N und P), dessen Quellen, die Gatter und die Ableiter, mit Bezug auf Wechselstrom, paarweise parallelgeschaltet sind, wobei der Quartz zwischen Gatter und Ableiter geschaltet ist, die Gleichrichtkapazität zwischen Gatter und Quellen und die Ladungskapazität

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zwischen Ableiter und Quellen, und ist dadurch gekennzeichnet, dass die kontinuirlichen Polaritäten der den Verstärker bildenden Halbleiter N und P je für sich durch die Ladung einer integrationskapazität bestimmt .sind, die ihre einzelnen Gatter derart verbindet, dass der Verstärker bei schwacher Amplitude in Klasse A arbeitet, wobei jeder der Halbleiter N und P zwischen Gatter und Ableiter einen Halbleiter aufweist, dessen Schwelle gleich oder kleiner als seine eigne Schwelle ist und leitend wird, wenn die Ableiter-Quelle Spannung dieses Verstärkerhalbleiters sich dem Wert Null nähert, was zur Folge hat, dass sich die Ladung der Polarisationskapazität und dadurch die Polarisation des Verstärkers verändert, welcher von Klasse A zur Klasse B, dann zur Klasse C übergeht, sobald die Schwingungsamplitude zunimmt.

Nun ist es bekannt, dass ein Verstärker, der in Klasse C polarisiert ist, eine Leistung von nahe 100 % erreichen kann, währenddem ein Verstärker in Klasse B 68 % nicht überschreiten kann.

Die anliegende Zeichnung zeigt zwei beispielsweise Ausführungsformen des Erfindungsgegenstandes.

Die Fig.■1 zeigt die erste Ausführungsform.

Die Fig. 2 zeigt deren Schema mit Wechselstiom.

Die Fig. 3 zeigt die zweite Ausführungsform.

Die Fig. 4 zeigt deren Schema mit Wechselstrom.

Gemäss der ersten Ausführungsform der Fig. 1 bilden sich ergänzende Halbleiter T1 und T2 den Verstärker. Die Speisung von T1 ist mit der positiven Seite der Stromquelle verbunden, die Speisung von T2 mit deren negativen Seite, währenddem die Ablei-

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ter yon T1 und Τ2 miteinander verbunden sind und ihre Gatter über einen Widerstand R und.einer Polarisationskapazität (Integrationskapazität) Cp miteinander verbunden sind. Die Detektorkapazität Gd liegt zwischen Gatter und Speisung von T2, der Quartz Q zwischen Gatter und Ableiter von T2, die Ladungskapazität Cc zwischen Ableiter und Speisung von T1.

Wenn man annimmt, dass mit Bezug auf Wechselstrom die Speisung und die Kapazität Cp kurgeschlossen sind, so findet man, geinäss Fig. 2, dass die Speisungen, Ableiter und Gatter von T1 und T2 paarweise parallel miteinander verbunden sind, wobei mit Bezug auf Wechselstrom der Quartz Q zwischen Ableiter und Gatter, die Detektorkapazität Cd zwischen Gatter und Speisungen und die Ladungskapazität zwischen Speisungen und Gatter geschaltet sind. Berücksichtigt man nicht die Halbleiter T1 und T2, so befindet man sich vor einem in der Elektronik sehr bekannten Oszillator. Das besondere der dargestellten Vorrichtung liegt also im Polarisationssystem, das durch das Vorhandensein von T3> T4, R und Cp gebildet ist. In Fig..1 erscheint, dass die Speisung von T3» ein Halbleiter gleicher Gattung und gleicher Schwellenspannung wie T1 mit dem Ableiter von T1 verbunden ist, während sein Gatter- und sein Ableiter mit dem Gatter von Tt verbunden sind. Dasselbe gilt für den Halbleiter T4 mit Bezug auf T2. Da bekanntlich T3 und T4 leitend werden, sobald ihre Gatter-Speisung-Spannung der Schwellenspannung gleich kommt, kann die Wirkung dieser Schaltung wie folgt bezeichnet werden :

Nehmen wir zunächst und zur Vereinfachung an, dass die Schwellenspannungen Vs von T1, T2, T3 und T4 einander gleich sind.

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Schwingt der Quartz nicht, so kann kein Strom durch T3 oder T4-fliessen, die Kapazität Cp ist vollständig entladen und die Spannungen an den Klemmen der Gatter von T1 und T2 sind einander

γ
gleich, sie haben den Wert ^- . Die Spannung an den Ableitern

γ
von T1 und T2 ist gleich ·? .

Der Verstärker ist in Klasse A polarisiert. Liegt die Verstärkung im Verstärker höher als 1, so fängt letzterer an zu schwingen. Eine sinusförmige Spannung »it dem Höchstwert Up

γ
überlagert sich der Spannung *y der Ableiter. Erreicht diese Spannung Up den Wert Vs, so werden 13 und T4 wechselweise leitend, sobald die Ableiter-Speisung-Spannung des Verstärker-Halbleiters mit welchem sie verbunden sind, sich dem Wert Null nähern. Ein Strom lad* dann die Kapazität Cp. Liegt der Wert von R sehr hoch, so werden die Polarisationsspannungen der Gatter von T1 und T2 folgende Werte annehmen :

V_g1 = V + (Up - Vs)
Vg2 = J - (Up - Vs)
Vgl - Vg2 = (Up - Vs)

Nimmt Up zu, so hat der Verstärker die Neigung, sich von Klasse A in Klasse B, dann in Klasse C zu polarisieren. Diese Polarisation hat eine Verminderung der Verstärkung des Verstärkers zur Folge. Ein Gleichgewicht bildet sich, sobald die Schwingungsverstärkung 1 wird. Liegt die Schwingungsverstärkung sehr hoch in Klasse A, so wird dieser Gleichgewichtszustand dann erreicht, wenn

ung den Wert Up
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γ die sinusförmige Spannung den Wert Up = ^- erreicht. Ausser einer

Polarisation in Klasse C, die eine sehr hohe Leistung des Oszillators sichert, erreicht man eine Stabilität der Schwingungsamplitude, die eine sehr stabile !Frequenz sichert.

. Als Beispiel sei erwähnt, dass man mit einem 32768 Hz Quartz, Cp = 2200 pf, Cd^- = 220 pf, Cc = 22 pf, und R= 15 m H-einen Leistungsverbrauch von 0,2 Microwatt erreicht, das heisst zehn mal weniger als bei den bisher bekannten Oszillatoren.

Gemäss der zweiten Ausführungsform der Pig. 3 sind die Speisungen von 501 und T2 miteinander verbunden, während der Ableiter von T2 mit der positiven Seite der Quelle verbunden ist und der Ableiter von T1 mit der negativen Seite.

Betrachtet man aber das äquivalente Wechselstromschema der Fig. 4-, so findet man eine der Pig. 2 genau gleiche Anordnung. Nur die Gleichstrompolarisation ist geändert. Gemäss Fig.1 und wenn der Quartz nicht oszilliert, ist die Spannung an Gatter von T2 gleich +V und die Spannung am Gatter von T1 gleich Hull. Die Spannung an den Speisungen ist gleich Jj- . Der Verstärker ist in Klasse A polarisiert. Erreicht die Schwingungsamplitude den Wert Up = Vs, so werden 13 und T4- wechselweise leitend. Die Polarisationskapazität Cp, die auf die Spannung +V geladen ist, entladet sich über die hohen Widerstände H.

Vg2 wird +V - (Up - Vs) Vgl wird + (Up - Vs)

Die Spannung an den Klemmen von Cp wird V - 2 (Up - Vs).

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Der Verstärker hat die Neigung, von der Polarisationsklasse A in die Klasse B, dann in die Klasse C überzugehen. Liegt die Verstärkung in Klasse A sehr hoch, so wird sich die Schwingungsamplitude ungefähr um den Wert TJp = ■? stabilisieren.

Es ist selbstverständlich, dass die Halbleiter T3 "und T4 in gewissen Fällen durch einfache Dioden ersetzt werden können. Ferner können die Widerstände Rp verschiedenartig angeordnet werden oder sogar durch Halbleiter ersetzt werden. Die Wirkung des Oszillators hängt jedoch nicht von derartigen Einzelheiten ab, deren Aufzählung unnötig erscheint.

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Claims

2422*55

Patentanspruch:

Sehr wenig Energie verbrauchender Quarzoszillator von der Gattung, bei der ein Verstärker vorgesehen ist, bestehend aus zwei sich ergänzenden Halbleitern (N und P), dessen Quellen, die Gatter und die Ableiter, mit Bezug auf Wechselstrom, paarweise parallelgeschaltet sind, wobei der Quartz zwischen Gatter "und Ableiter geschaltet ist, die Gleichrichtkapazität zwischen Gatter und Quellen und die Ladungskapazität zwischen Ableiter und Quellen, dadurch gekennzeichnet, dass die kontinuirlichen Polaritäten der den Verstärker (T1, T2) bildenden Halbleiter N und P Je für sich durch die Ladung einer Integrationskapazität (Cp) bestimmt sind, die ihre einzelnen Gatter derart verbindet, dass der Verstärker bei schwacher Amplitude in Klasse A arbeitet, wobei jeder der Halbleiter Ii und P zwischen Gatter und Ableiter einen Halbleiter (T3 bzw. T4-) aufweist, dessen Schwelle gleich oder kleiner als seine eigene Schwelle ist und leitend wird, wenn die Ableiter-Quelle-Spannung dieses Verstärkerhalbleiters sich dem Wert Null nähert, was zur Folge hat, dass sich die Ladung der Polarisationskapazität (Cp) und dadurch die Polarisation des Verstärkers (T1, T2) verändert, welcher von Klasse A zur Klasse B, dann zur Klasse C übergeht, sobald die Schwingungsamplitude zunimmt.

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(* O 9 8 8 /* / O 8 7 L