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Schaltungsanordnung für einen integrierbaren Oszillator mit HOS-Feldelfekttransistoren
MOS-Feldeffekttransi storen Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung für
einen integrierbaren Oszillator mit MOS-Feldeffekttransistoren, bei dem ein frequenzbestimmendes
elektrisch schwingendes Element zwischen den Eingang und Ausgang einer Inverterstufe
geschaltet ist, die aus in Reihe geschalteten I40S-Feldeffekttransistoren besteht,
wobei ein Feldeffekttransistor als Schalttransistor arbeitet und der andere als
Lastelement geschaltet ist.
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Insbesondere bei der Verwendung eines solchen Oszillators bei einer
elektronischen Uhr, wo als frequenzbestimmendes Element ein Schwingquarz eingesetzt
ist, besteht zunächst die Forderung nach einer hohen Ganggenauigkeit der Uhr und
damit nach hoher Frequenzkonstanz des Oszillators. Darüber hinaus soll der Energieverbrauch
möglichst gering sein.
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Es ist bereits bekannt, den Oszillator als mitgekoppelten Verstärker
aus einem Schwingquarz und aus einer Inverterstufe aufzubauen.
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Das Ausgangssignal des Inverters wird über den Schwingquarz um 1800
phasenverschoben am Eingang wieder eingekoppelt. Weiter ist bekannt, das Lastelement
des Inverters mit einem MOS-Feldeffekttransistor zu verwirklichen, wobei die Gate-Elektrode
und die Drain-Elektrode miteinander verbunden sind. Ferner ist bekannt, den Inverter
aus zwei MOS-Feldeffekttransistoren in komplementärer C>IOS-Technologie aufzubauen.
Dabei ist ein n-Kanal-MOS-Feldeffekttransistor in Reihe mit einem p-Kanal-MOS-Feldeffekttransistor
geschaltet,
Durch diese komplementäre Technik ergibt sich eine geringere Stromaufnahme des Oszillators,
weil die beiden Transistoren abwechselnd leitend geschaltet werden und die statischen
Ströme damit auf die Sperrströme reduziert sind. Die Leistungsaufnahme wird im wesentlichen
nur noch durch die Umladungen der beteiligten Energiespeicher des Oszillators bestimmt.
Diese statische Betrachtung gilt jedoch nur für niedrige Frequenzen. Bei hohen Frequenzen
überwiegt der durch die Umladungsvorgänge fließende Strom, wobei der Lasttransistor
in einem analogen Bereich der Umladungskennlinie arbeitet, wo der Strom abhängig
ist von der Betriebsspannung.
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Beispielsweise ist eine solche Oszillatorschaltung mit integriertem
Inverter in CMOS-Technologie in der Zeitschrift " Elektronik 1973, Heft 12, Seiten
424 bis 426, beschrieben. Der Aufbau des Inverters selbst ist beispielsweise in
derselben Zeitschrfit, 1971, Heft 4, Seiten 111 bis 116, unter dem allgemeinen Gesichtspunkt
der dort sogenannten COS/MOS-Technik beschrieben. Als Transistoren sind ausschließlich
solche vom " selbstsperrenden " Anreicherungs - (enhancement) Typ verwendet, weil
sie bei niedriger Gate-Source -Spannung nichtleitend sind und somit geringe Leistung
verbrauchen.
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In der letztgenannten Literaturstelle werden auch die beiden bekannten
Inverterschaltungen miteinander verglichen. Bei der einen, die aus zwei gleichen
hintereinandergeschalteten MOS-Feldeffekttransistoren besteht und bei der der eine
MOS-Feldffekttransistor durch eine Gate-Drain-Verbindung als Lastelement geschaltet
ist, ist dieser Lasttransistor ständig leitend. Sieht man bei der anderen bekannten
Inverterschaltung mit komplementären Transistoren den einen Transistor als Lastelement
an, so ist dieser Lasttransistor als gesteuerter Transistor nur während einer der
beiden Ausgangsphasen leitend. Für' den anderen Transistor gilt das Entsprechende
während der anderen Ausgangsphase. Abgesehen von dem
für niedrige
Frequenzen für den Inverter mit komplementären Transistoren geltenden Vorteil der
geringeren Stromaufnahme ist jedoch in beiden Fällen die Strom-Spannungs-Kennlinie
des Lastelements für den Ausgangsstrom des Inverters von großer Bedeutung.
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Die Spannungsabhängigkeit des Ausgangsstroms von der Betriebsspannung
ist wesentlich größer als bei einem ohmschen Widerstand als Lastelement. Bei beiden
bekannten Schaltungen beeinflußt eine Änderung der Betriebsspannung über die Änderung
des Stroms und die damit verbundene Amplitudenänderung des frequenzbestimmenden
schwingenden Elements die Frequenzkonstanz des Oszillators.
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Davon ausgehend liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde?
eine Schaltungsanordnung für einen Oszillator anzugeben, bei der eine größere Frequenzkonstanz
erreicht wird. Dies ist insbesondere bei der Anwendung in Uhren und Ultraschall-Fernbedienungen
von Bedeutung, wo sich die Betriebsspannung ändern kann. Die Oszillatorfrequenz
soll davon weitgehend unabhängig sein.
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Zur Lösung dieser Aufgabe wird bei einer Schaltungsanordnung der eingangs
genannten Art erfindungsgemäß vorgeschlagen, daß der als-Lastelement geschaltete
MOS-Feldeffekttransistor vom Verarmungstyp (depletion mode) ist, wobei seine Gate-Elektrode
und seine Source-Elektrode zusammengeschaltet sind.
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Bei einer solchen erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung beeinflußt
die Betriebsspannung auch bei Änderungen den Ausgangsstrom und damit die Ausgangsleistung
des Inverters nicht. Das Arbeitsverhalten des Lasttransistors nähert sich dem einer
Konstantstromquelle.
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Das frequenzbestimmende Element bekommt damit eine konstante Energiezufuhr.
Es schwingt auf konstanter Amplitude und liefert deshalb eine konstante Frquenz.
Der Energieverbrauch läßt sich durch hochohmige Ausbildung des Lasttransistors auf
das notwendige Maß beschränken. Zwar ist bei niedrigen Frequenzen die CMOS-Technik
vorteilhafter,
was den Energieverbrauch betrifft; dieser Vorteil tritt bei hohen Frequenzen jedoch
nicht auf. Das Frequenzverhalten der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung ist in
jedem Fall günstiger als bei den beiden bekannten Schaltungen.
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Eine vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung besteht darin, daß der
Lasttransistor nicht integriert ist. Dadurch kann der Substratanschluß mit der Source-Elektrode
verbunden werden, wodurch der Substratsteuereffekt wegfällt, d.h. der Einfluß der
Source-Substrat-Vorspnung auf die Schellenspannung. Das Konstantstromverhalten des
Lasttransistors wird damit besser als bei der integrierten Anordnung, wo der Strom
durch den Substratsteuereffekt auch in der Sättigung von der angelegten Spannung
abhängig ist.
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Weitere Einzelheiten sollen an Hand zweier in den Figuren der Zeichnung
dargestellten Äusführungsb ei spiele näher erläutert werden.
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Fig.1 zeigt eine Ausführung einer erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung
mit einem Schwingquarz als frequenzbestimmendes Element, wobei der Inverter in integrierter
Technik ausgeführt ist, die Fig.2 eine Ausführung mit einer LC-Anordnung als frequenzbestimmendes
Element, wobei der Lasttransistor als diskretes Bauelement ausgeführt ist und dabei
der Substratanschluß mit der Source-Elektrode verbunden ist.
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Beim Ausführungsbeispiel nach Fig.1 besteht eine integrierte Schaltung
- in der Zeichnung gestrichelt umrandet - aus zwei in Reihe geschalteten MOS-Feldeffekttransistoren
2 und 3. Es ist dabei offengelassen, ob es sich um p-Kanal- oder n-Kanal-MOS-Feldeffekttransistoren
handelt. Der Transistor 2 ist vom Anreicherungstyp, der Transistor 3 vom Verarmwngstyp.
Der Transistor 2 dient als Schalttransistor, der Transistor 3 als Lasttransistor.
Die Drain-Elektrode des Transistors 3 ist mit einer Klemme 4 für ein
Versorgungspotential
UDD verbunden. Die Gate-Elektrode des Transistors 3 ist mit der Source-Elektrode
des Transistors 3 zusammengeschaltet. Außerdem ist die Source-Elektrode des Transistors
3 mit der Drain-Elektrode des Transistors 2 verbunden. Der Verbindungspunlit ist
aus der integrierten Schaltung 1 zu einem äußeren Anschlußpunkt 5 herausgeführt.
Die Gate-Elektrode des Transistors 2 ist zu einem äußeren Anschlußpunkt 6 herausgeführt.
Die Source-Elektrode des Transistors 2 liegt auf Bezugspotential. Zwischen die beiden
äußeren Anschlußpunkte 5 und 6 ist die Parallelschaltung eines Schwingquarzes 7
mit einem ohmschen Widerstand 8 geschaltet.
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Außerdem führen die beiden äußeren Anschlußpunkte 5 und 6 jeweils
über einen Kondensator 9 bzw. 10 zum Bezugspotential. Der äußere Anschlußpunkt 6
ist mit einer Ausgangsklemme 11 für das Ausgangssignal der Oszillatorschaltung verbunden.
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Die integrierte Schaltung 1 beinhaltet einen MOS-Inverter, bei dem
das Lastelement erfindungsgemäß aus einem MOS-Feldeffekttransistor vom Verarmungstyp
besteht. Dessen Strom-Spannungs-Kennlinie garantiert, daß unabhängig von Schwankungen
des Versorgungspotentials UDD ein konstanter Strom und damit eine konstante Leistung
in die frequenzbestimmenden Elemente - Schwingquarz 7, ohmscher Widerstand 8 und
die beiden Kondensatoren 9 und 10 - geliefert wird.
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Dadurch schwingt der Schwingquarz 7 auf konstanter Amplitude, und
seine Frequenz bleibt stabil. Die Auf- und Entladezeiten der Kondensatoren 9 und
10 sind unabhängig von dem Versorgungspotential UDD. Außerdem zeigt eine erfindungsgemäße
Schaltungsanordnung nach diesem Ausführungsbeispiel durch die Kompensation des Temperaturgangs
des Schwingquarzes 7 und des Lastelements 8 ein günstiges Temperaturverhalten. Der
Schwingquarz 7 neigt bei ansteigender Temperatur zu höheren Frequenzen. Dagegen
steigt der Widerstand des Lasttransistors 3 vom Verarmwngstyp, wodurch durch Verringerung
der Energiezufuhr in den Schwingquarz 7 der Frequenzerhöhung entgegengewirkt wird.
Der ohmsche Widerstand 8 dient zur
Einstellung des statischen Arbeitspunkts
des Inverters und kann entsprechend den hohen Eingangswiderständen des Inverters
hochohmig gewählt werden Der Schwingquarz 7 wird dadurch wenig bedämpft.
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Der Kapasitatswert des Kondensators 9 ist vorteilhaft größer als der
dvs Kondensator3 100 Dadurch wird die Schwingungsamplitude des Schwingquarzes 7
bei der Ansteuerung des Schalttransistors 2 unterstützt, und am Ausgang 11 steht
eine höhere Amplitude zur Verfügung. Wählt man für die Kapazität des Kondensators
9 einen relativ großen Wert von beispielsweise 50 pF und für die Kapazität des Kondensators
10 einen relativ kleinen Wert von beispielsweise 15 pF, dann ergibt sich für die
erfindungsgemäße Schaltungsanordnung ein gutes Anschwingverhalten auch bei niedrigen
Be-triebsspannungen.
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Beim Ausführungsbeispiel nach Fig.2 ist der Inverter aus zwei diskreten
1405-Transistoren 12 und 13 aufgebaut. Dabei dient der Transistor 12 vom Anreicherungstyp
als Schalttransistor, der Transistor 13 vom Verarmungstyp als Lasttransistor. Der
Transistor 12 kann allerdings mit einer angeschlossenen Schaltung integriert sein.
Die Drain-Elektrode des Transistors 13 ist wieder mit einer Klemme 4 für ein Versorgungspotential
UDD verbunden. Die Gate-Elektrode und der Substratanschluß sind mit der Source-Elektrode
zusammengeschaltet. Außerdem sind die Source-Elektrode des Transistors 13 und die
Drain-Elektrode des Transistors 12 miteinander verbunden. Die Source-Elektrode des
Transistors 12 liegt auf.Bezugspotential. Zwischen die Drain-Elektrode und die Gate-Elektrode
des Transistors 12 ist eine Spule 14 geschaltet. Die beiden Anschlußpunkte sind
wie bei dem Ausführungsbeispiel nach Fig.1 über zwei Kondensatoren 9 und 10 mit
dem Bezugspotential verbunden.
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Falls durch Einfügen eines Serienkondensators zur Spule 14 der Gleichstromweg
unterbrochen ist, ist ein ohmscher Widerstand 8 wie beim Ausführungsbeispiel nach
Fig.1 nötig. Die Gate-Elektrode
des Transistors 12 führt zu einer
Ausgangsklemme 11 für das Ausgangssignal der Oszillatorschaltung.
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Bei diesem Ausführungsbeispiel ist zum einen als frequenzbestimmendes
Element statt des Schwingquarzes 7 eine Spule 14 mit den Kondensatoren 9 und 10
eingesetzt; zum anderen ist es durch die Ausführung des Inverters in diskreter Technik
möglich, den Substratanschluß des Lasttransistors 13 mit der Source-Elektrode zu
verbinden. Dadurch wird, wie oben beschrieben, der Substratsteuereffekt vermieden
und die Unabhängigkeit des durch den Transistor 13 fließenden Stroms vom angelegten
Versorgungspotential weiter verbessert. Dadurch ergibt sich ein verbessertes Frequenzverhalten
der Oszillatorschaltung.
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Der Substratanschluß des Lasttransistors 13 kennzeichnet ihn durch
den Pfeil in der Zeichnung als p-Kanal-Typ. Der Lasttransistor 13 ist aber auch
als n-Kanal-Typ möglich. Darüberhinaus kann der erfindungsgemäß Lasttransistor 13
auch in Zusammenhang mit der CMOS-Technik realisiert werden bzw. allgemein in solchen
Fällen, wo zwei voneinander isolierte Substrate auf einem Chip vorhanden sind.
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Eine erfindungsgemäße Oszillatorschaltung ist nicht nur beim Einsatz
in Uhren oder in Ultraschall-Fernbedienungen vorteilhaft, sondern weiter überall
dort, wo ein exaktes Zeitnormal verlangt wird.
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4 Patent ansprüche 2 Figuren.