DE2530870A1

DE2530870A1 - Spannungswandler fuer eine elektronische uhr

Info

Publication number: DE2530870A1
Application number: DE19752530870
Authority: DE
Inventors: Brian Astle
Original assignee: Optel Corp
Current assignee: Optel Corp
Priority date: 1974-07-10
Filing date: 1975-07-10
Publication date: 1976-02-05
Also published as: FR2278194B3; IT1039530B; US3955353A; FR2278194A1

Description

Patentanwälte Dipl.-Ing. H.Weickmann, Dipl.-Phys. Dr.K.Fincke

Dipl.-Ing. R A.Weickmann, Dipl.-Chem. B. Huber

8 MÜNCHEN 86, DEN ΠΧΎΤΤ

POSTFACH 860 820

MÖHLSTRASSE 22, RUFNUMMER 98 39 21/22

Optel Corporation, Princeton, N.J., V.St.A.

Spannungswandler für eine elektronische Uhr

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Spannungswandler für eine elektronische Uhr, die einen stabilen Oszillator zur Erzeugung eines Zeittaktsignals und eine Niederspannungsbatterie zur Spannungsversorgung der in ihr enthaltenen Schaltung aufweist, wobei eine Transformation der Niederspannung der Batterie in eine größere Spannung erfolgt.

Neuere Uhren der vorgenannten Art sind mit integrierten Schaltungen und zugehörigen Anzeigen voll elektronisch ausgebildet. Solche Uhren sind extrem klein und gewährleisten

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als Armbanduhr eine extrem genaue Zeitanzeige. Aufgrund ihrer Kleinheit werden solche Uhren durch kleine Batterien gespeist, welche typischerweise eine Ausgangsspannung von etwa 1,5 Volt liefern. Diese Spannung, welche zwar als Betriebsspannung für bestimmte Typen von integrierten Schaltungen ausreicht, ist gewöhnlich viel zu klein, um in den Uhren vorgesehene Anzeigekreise zu speisen. Ein Beispiel für eine zuverlässige Anzeigeanordnung kleiner Leistung ist ein Flüssigkristall. Für derartige Anzeigeanordnungen sind größere Betriebsspannungen erforderlich, als sie durch die Batterie geliefert werden können. Um derartige Spannungswerte zur Verfügung zu stellen, verwendet man einen Spannungswandler, der die Batteriespannung auf den geforderten größeren Wert trans formiert.

Zur Durchführung einer derartigen Spannungstransformation ist eine Vielzahl von Schaltungen mit Kapazitäten verfügbar.

Derartige Schaltungen sind typischerweise Spannungsvervielfacher, welche im Grundsatz als Spannungswandler im vorgenannten Sinne arbeiten. Grundsätzlich enthalten diese Schaltungen Verdoppler, Verdreifacher oder Vervierfacher und zur Vermeidung von Induktivitäten und Transformatoren Kapazitäten. In diesen Schaltungen wird die Ladung über Dioden geleitet, um aus Niederspannungsquellen höhere Betriebsspannungen zu erzeugen. Beispiele für derartige Schaltungen und für bestimmte Typen der oben genannten Spannungswandler sind in "Radio Engineering Handbook", MCGraw-Hill (1959), 5. Auflage, Kapitel 17, Seiten 17 bis 26, beschrieben.

Viele Typen dieser bekannten Konverter mit Kapazitäten

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ORIGINAL INSPECTED

basieren in ihrer Funktion auf einer Ladungsübertragung über Diodenkreise in Abhängigkeit von der an den Kapazitäten erzeugten Spannung, wobei die Ladungsübertragungen durch Umschalten der Dioden in Durchlaßrichtung und Sperrichtung erfolgen.

Die Größe der verfügbaren Ausgangsspannungen derartiger Schaltungen ist begrenzt; weiterhin ist eine Vergrößerung der Mulitplxkationsfaktoren mit einer Reduzierung des Wirkungsgrades verknüpft. Daher besitzt ein Spannungsvervierfacher einen kleineren Wirkungsgrad und verbraucht mehr Verlustleistung als beispielsweise ein Spannungsverdoppler.

Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, einen Spannungsverdoppler mit extrem kleinen Kapazitätselementen anzugeben, die durch eine digitale Schaltung gesteuert werdensollen, um aus einer Niederspannungsquelle höhere Betriebsspannungen mit besserem Wirkungsgrad zu erzeugen.

Diese Aufgabe wird bei einem Spannungswandler der eingangs genannten Art erfindungsgemäß durch folgende Merkmale gelöst:

an den stabilien Oszillator angekoppelte Kreise zur Erzeugung wenigstens zweier miteinander synchronisierter Signale, mehrere Übertragungsgatter, die bei Einspeisung eines vorgegebenen Signalwertes in einen Steuereingang in einem Schaltzustand kleiner Impedanz arbeiten, eine Ankopplung des einen Anschlusses einer ersten Kapazität an den Ausgang eines ersten Übertragungsgatters und des anderen Anschlusses der ersten Kapazität an den Ausgang eines zweiten Übertragungsgatters, eine Ankopplung

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des Eingangs des ersten Übertragungsgatters an eine Klemme der Niederspannungsbatterie und des Eingangs des zweiten Übertragungsgatters an ein Bezugspotential, eine Ankopplung des einen Anschlusses einer zweiten Kapazität, deren anderer Anschluß an Bezugspotential liegt, an den Ausgang eines dritten Übertragungsgatters, dessen Eingang an den einen Anschluß der ersten Kapazität angekoppelt ist, und durch eine Beaufschlagung der Steuereingänge der Gatter mit jeweils einem bestimmten der miteiannder synchronisierten Signale zwecks Ansteuerung der Gatter in vorgegebener Folge, wodurch die Niederspannung die Kapazitäten derart auflädgt, daß an der zweiten Kapazität eine von der Batteriespannung verschiedene Spannung steht.

Ein solcher Spannungswandler eignet sich speziell für elektronische Uhren und liefert einen vorgegebenen Spannungswert an einem Ausgang, wobei sich dieser Spannungswert vom Wert einer Spannung unterscheidet, die von einer in der Uhr enthaltenen Spannungsquelle, beispielsweise einer Niederspannungsbatterie geliefert wird. Der erfindungsgemäße Spannungswandler ist dabei jedoch nicht auf die Verwendung in elektronischen Uhren beschränkt.

Die Erfindung wird im folgenden anhand von in den Figuren der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispielen näher erläutert. Es zeigt:

Fig. 1 ein teilweise in Blockform dargestelltes Schaltbild eines Spannungsverdopplers gemäß der Erfindung;

Fig. 2 ein teilweise in Blockform dargestelltes Schaltbild eines Spannungsvervierfachers gemäß der Erfindung;

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Fig. 3 ein detailliertes Schaltbild eines Spannungswandlers zur Verwendung in einer elektronischen Uhr;

Fig. 4 eine Folge von Zeittaktsignal-Diagrammen zur Erläuterung der Wirkungsweise der Schaltung nach Fig. 3;

Fig. 5A und 5B ein Schaltbild und ein Symboldiagramm eines im erfindungsgemäßen Spannungswandler verwendeten Ubertragungsgatters;

Fig. 6 ein einfaches Blcokschaltbild einer weiteren Ausführungsform eines Spannungswandlers; und

Fig. 7 ein Blockschaltbild eines Spannungswandlers gemäß der Erfindung mit beliebigem Transformationsverhältnis .

Fig. 1 zeigt ein Schaltbild eines Spannungswandlers, welcher zur Verdopplung einer Spannung V₁ einer Batterie 1o dient.

In dieser Schaltung nach Fig. 1 ist die negative Klemme der Batterie als Bezugspotential V_Q gewählt; die Polaritätsverhältnisse können jedoch auch anders gewählt werden, was davon abhängt, welche Klemme der Batterie to als Bezugspotentialpunkt gewählt wird.

In einem Zeittaktdiagramm nach Fig. 1 sind zwei mit A bzw. B bezeichnete Impulsfolgen dargestellt. Diese Impulsfolgen sind derart miteinander synchronisiert, daß

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— D ™"

die Impulse A hochliegen bzw. positiv sind, wenn die .Impulse B tiefliegen bzw. negativ sind. Derartige Impulsfolgen könnendurch eine Vielzahl von Schaltungen erzeugt werden. Beispielsweise können die Impulsfolgen A und B durch Schieberegister, Zählketten und Gatter oder monostabile Multivibratoren erzeugt werden. Fig. 1 zeigt weiterhin eine Bezugstaktsignal-Quelle 11 _f welche beispielsweise ein Kristalloszillator, wie er zu Zeittaktzwecken in einer elektronischen Uhr enthalten ist, ein astabiler Multivibrator oder ein geeigneter Schaltkreis sein.

An den Ausgang der Bezugstaktsignal-Quelle 11 sind mit 12 und 14 bezeichnete Signalgeneratoren A und B angekoppelt. Diese Generatoren 12 und 14, welche schematisch als getrennte Stufen dargestellt sind, können zur Erzeugung der Zeittaktsignale A und B natürlich auch als ein Schaltkreis, beispielsweise in Form eines Schieberegisters oder Ringzählers, mit zugehörigen Dekodiergattern ausgebildet sein. Im Prinzip wichtig ist, daß der Generator 12 die Impulsfolge A und der Generator 14 die Impulsfolge B gemäß dem oben genannten Zeittaktdiagramm erzeugt.

An einem Anschluß einer Kapazität 15 steht ein mit V₂ bezeichnetes Potential, während am anderen Anschluß ein mit V, bezeichnetes Potential steht.

Der mit V₂ bezeichnete Anschluß ist über eine Schaltstufe 16 mit kleiner Impedanz an den Bezugspotentialpunkt V angekoppelt. Diese Schaltstufe 16 ist schemaitsch als MOS-Transistor dargestellt, dessen Source-Elektrode an V₂ und dessen Drain-Elektrode an V angekoppelt ist. Es ist zu bemerken, daß auch die umgekehrte Schaltung möglich ist, da Elemente, wie das Element 16, Strom in beiden Richtungen leiten. Bei Ansteuerung der Gate-Elektro-

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de mit einem geeigneten Potential stellt das Element 16 einen Zweig kleiner Impedanz (praktischeinen Kurzschluß) zwischen der Source- und der Drain-Elektrode dar. Anstelle eines MoS-Transistors 16 können auch gleichwirkende Elemente, wie beispielsweise ein bipolarer Trasnistor oder ein Relais-Kontakt verwendet werden.

Der mit V-, bezeichnete Anschluß der Kapazität 15 ist übereinen weiteren steuerbaren Schalt-Feldeffekttransistor 17 an die positive Klemme V- der Batterie angekoppelt. Die Gate-Elektroden der Transistoren 16 und 17 sind an den Generator für die Impulsfolge A angekoppelt, so daß diese Transistoren leiten bzw. einen Pfad kleiner Impedanz bilden, wenn die Impulsfolge A hochliegt bzw. positives Potential annimmt.

Der mit V„ bezeichnete Anschluß der Kapazität 15 ist weiterhin über ein steuerbares Schaltelement 18 an die positive Klemme V₁ der Batterie 1o angekoppelt. Die Source-Drain-Strecke eines weiteren Schaltes 19 ist zwischen einem Ausgang V und dem Anschluß V-, der Kapazität 15 geschaltet.

Zwischen dem Ausgang Vj. und dem Bezugspotentialpunkt V liegt eine Ausgangskapazität 2o.

Die Gate-Elektroden der Transistoren 18 und 19 werden durch dieimpulsfolge B des Generators 14 angesteuert, so daß die Source-Drain-Strecken einen Zweig kleiner Impedanz bilden,wenn an den Gate-Elektroden ein positives Potential steht.

Wenn ein Impuls der Impulsfolge A während einer Zeit T

im Zeittaktdiagramm positiv ist, so werden die Transistoren 16 und 17 durchgeschaltet, wodurch der Anschluß V„

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der Kapazität 15 über den Transistor 16 am Bezugspotentialpunkt V liegt. Weiterhin wird der Anschluß V der Kapazität 15 an die positive Klemme V₁ der Batterie 1o geschaltet. Während der positiven Zeit eines Impulses A liegt die Kapazität 15 also an der Batterie 1o und lädt sich damit auf die Batterxespannung V₁ auf. Sobald die positive Periode des Impulses A beendet ist, stellen die Transistoren 16 und 17 einen Zweig großer Impedanz dar, so daß die Spannung an der Kapazität 15 auf dem Wert V₁ gehalten wird. Gemäß dem Zeittaktdxagramm werden die Impulse der Impulsfolge B positiv, wenn die Impulse der Impulsfolge A ihren kleinen Wert annehmen. Dieser positive Wert der Impulse B während einer Zeit t, schaltet die Transistoren 18 und 19 durch. Damit wird der Anschluß V„ der Kapazität 15 an die positive Klemme V₁ der Batterie 1o gekoppelt. Der Anschluß V_ wird über den Transistor 19 an den Ausgangsanschluß bzw. den positiven Anschluß der Kapazität 2o gekoppelt.

Die Kapazität 15 überträgt daher überdie Transistoren 18 und 19 Lädung auf die Kapazität 2o, so daß die Ausgangsspannung an der Kapazität auf die doppelte Spannung V-, also auf zwei V-, ansteigt; Am Ende eines Impulses der Impulsfolge B (Zeitpunkt t,) ist also die Spannung an der Kapazität 2o bzw. die Ausgangsspannung V doppelt so groß wie die Batteriespannung. Diese Spannung bleibt aufgrund der durch die Taktsignale A und B bewirkten Schaltfolge der Gatterelemente 16, 17 , 18 und 19 kontinuierlich erhalten. Die Kapazität 2o kann ebenso zwischen V, und V₁ geschaltet werden, wobei sich die Ausgangsspannung auch zwischen ν_Λ und V ergibt.

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In einem Zeittaktdiagramm sind Zeittaktsignale Λ, Β und C dargesti
positiv sind.

und C dargestellt, welche in Zeiten T , T, und T

Diese Impulsfolgen können durch Schieberegister, Zähler, Multivibratoren oder andere an sich bekannte konventionelle Digitalschaltkreise erzeugt werden.

Gemäß dem zugehörigen Blockschaltbild liefert eine Bezugstaktsignal-Quelle 2o das Eingangssignal für Generatoren 21, 22 und 23 zur Erzeugung der Impulsfolgen A, B und C.

Die negative Klemme einer Spannungsquelle bzw. einer Batterie 24 liegt am Bezugspotentialpunkt V . Eine Kapazität 25 ist mit einem Anschluß an einen Punkt V_ und mit dem anderen Anschluß an einen Punkt V_ angekoppelt. Der Anschluß V„ liegt über einen Schalter 26 am Bezugspotentialpunkt V und über einen Schalter 27 an der Batterieklemme V₁. Der Anschluß V₃ der Kapazität 25 liegt weiterhin über einen Schalter 28 an der positiven Klemme V der Batterie 24. Ein Anschluß einer weiteren Kapazität 29 ist mit V₅ bezeichnet, während der andere Anschluß dieser Kapazität V. genannt ist. Der Anschluß V₄ ist über einen Schalter 3o an den Bezugspotential V_Q und über einen Schalter 36 an den Anschluß V₃ der Kapazität 25 angekoppelt. Der Anschluß V₅ ist über einen Schalter 31 an den Anschluß V₃ der Kapazität 25 angekoppelt. Ein weiterer Schalter 32 verbindet den positiven Anschluß einer Ausgangskapazität 33 mit dem Anschluß V₅ der Kapazität 29. Der negative Anschluß der Kapazität 33 liegt am Bezugspotentialpunkt V . An die Gate-Elektrode des Transistors 27 sind Dioden 34 und 35 angeschaltet, welche als Oder-

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Gatter wirken, so daß dieser Transistor 27 durch posi-tive Impulse der Impulsfolgen B und C von den Generatoren 22 und 23 durchgeschaltet werden kann.

Während positiver Impulse der Impulsfolge A vom Generator 21 (Zeit t ) sind die Transistoren 26 und 28 in der Schaltung nach Fig. 1 durchgeschaltet. Während positiver Impulse der Impulsfolge B vom Generator 22 (Zeit T, ) sind die Transistoren 3o, 31 und 27 durchgeschaltet. Während positiver Impulse der Impulsfolge C vom Generator 23 (Zeit t ) sind die Transistoren 32, 27 und 36 durchgeschaltet. Wie das Zeittaktdiagramm nach Fig. 2 zeigt, überlappen sich die Impulsfolgen A, B und C nicht, so daß eine wirksame Ladungsübertragung ohne nachteilige Entladung oder Ladung erfolgen kann.

Während positiver Impulse der Impulsfolge A (Zeit t_a) wird die Kapazität 25 auf die positive Batteriespannung V, aufgeladen, da die durchgeschalteten Transistoren 26 und 28 die Kapazität 25 an die Batterie 24 anschalten. Daher steht an der Kapazität 25 die Spannung V₁. Aufgrund der Impulsfolge B verbindet der Transistor 27 den AnschlußV₂ mit der Batteriespannung V-, während der Transistor 3o den Anschluß V. der Kapazität 29 mit dem Bezugspotentialpunkt V_Qund der Transistor 31 den Anschluß V₅ der Kapazität 29 mit dem Anschluß V₃ der Kapazität 25 verbindet.

Daher lädt sich die Kapazität 29 auf zwei V.. auf, da Ladung von der Kapazität 25 und von der Batterie über den Transistor 27 und die Kapazität 25 auf sie übertragen wird. Am Ende des B-Impulses (Zeit t, ) steht an der Kapazität 29 also die Spannung 2v-.

Während eines Impulses der Impulsfolge C (Zeit c )

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wird der Anschluß V_ über den Transistor 26 erneut an die Batteriespannung V₁ gelegt. Der Anschluß V₄ der Kapazität 29 wird über den Transistorschalter 36 an den Anschluß V der Kapazität 25 und der Anschluß V-der Kapazität 29 über den Schalter 32 an die positive Ausgangsklemme V der Kapazität 33 angeschaltet.

Die Ausgangskapazität .33 lädt sich dann aufgrund der Ladungsübertragung von der Kapazität 29 mit der Spannung 2V-, und der zusätzlichen Ladungsübertragung von 2V.. aufgrund der Kopplung der Kapazität 33 an die Kapazität 25 und damit an die positive Batteriespannung V₁ auf 4V₁ auf. Da sich der Ladungszyklus wiederholt, bleibt an der Kapazität 33 die Ausgangsspannung 4V.. erhalten.

Eig. 3 zeigt einen Spannungsvervierfacher gemäß der Erfindung, welcher als Spannungsquelle in eine Elektronik-Uhr eingebaut ist. Vor der Erläuterung dieser Schaltung ist zu bemerken, daß die große Ausgangsspannung V_A zur Ansteuerung der Konverterschaltung ausgenutzt wird, welche aufgrund der Natur ihrer Komponenten selbst startend ist. Es ist weiterhin zu bemerken, daß die oben beschriebenen Schaltungen nach Fig. 1 und 2 Vorlaufsysterne sind, da die Ausgangsspannung V zur Ansteuerung der Wandlerschaltlogik dient, von der ein Teil auch durch die Niederspannung V₁ der Batterie gespeist wird.

In Fig. 3 bezeichnet 4o einen Kristalloszillator mit einem N-Kanal-Anreicherungs-MOS-Transistor 41 als Verstärker. Ein Kristall besitzt eine Eigenfrequenz von nahezu 32,768 KHz, welche normalerweise in heutigen elektronischen Uhren verwendet wird. Eine Kapazität 31 bildet einen Trimmer zur Einstellung der exakten Frequenz. Die Oszillatorschaltung ist konventioneller Art, wofür nach dem

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Stand der Technik verschiedene Ausführungsbeispiele zur Verfügung stehen. Der Oszillator 4o wird durch zwei invertierende Verstärker 45 und 46 entkoppelt, welche zur Vermeidung einer unzweckmäßigen Aufladung des Oszillators 4o eine große Eingangsimpedanz besitzen und zur wirksamen Ansteuerung der weiteren Schaltungsteile eine kleine Ausgangsimpedanz besitzen. Dieser Oszillator 4o wird durch eine Batterie 5o gespeist, welche typischerweise eine extrem kleine Batterie mit einer Betriebsspannung von etwa 1,2 bis 1,7 Volt ist. Derartige Batterien werden heute zur Speisung von elektronischen Uhren verwendet. Die kleine Spannung reicht nicht aus, um bestimmte Typen von Anzeigeanordnungen, wie beispielsweise Flüssigkristalle anzusteuern. Daher werden in elektronischen Uhren Spannungswandler der oben beschriebenen bekannten Art verwendet.

Das Ausgangssignal des Oszillators 4o, das entweder am Inverter 45 oder am Inverter 46 abgenommen werden kann, wird auf eine Teilerkette 51 gegeben, welche in Kaskade geschaltete Multivibratoren enthalten kann, um ein Zeittaktsignal mit beispielsweise 1 Hz zu erzeugen. Es ist zu bemerken, daß die Frequenz von 32,76 8 KHz eine Binärzahl darstellt, so daß in Kaskade geschaltete Multivibratoren das 1-Hz-Signal ohne komplizierte Rückkopplung oder Rückstellkreise erzeugen können.

Das 1-Hz-Signal besitzt eine Dauer von einer Sekunde, welche äufgrundder Erzeugung durch den Kristalloszillator 4o extrem genau ist.

Dieses Signal wird auf einen Sekundenzähler 52 gegeben, welcher 61-Sekunden-Impulse zählt und speichert und nach einer Zählung von 6o bei Null beginnt. Das Ausgangssignal des Sekundenzählers 52 wird durch eine Dekodier- und

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Treiberstufe 53 in ein Dezimalformat dekodiert und zur Ansteuerung von Sekundenanzeigenden Ziffern einer Flüssigkristallanzeige 54 ausgenützt.

Der Übergangsimpuls, welcher eine Zählung von 6o im Sekundenzähler anzeigt, wird auf einen Minutenzähler 55 gegeben, welcher ebenfalls 6o solche Übergangsimpulse zählt und speichert, wodurch sodann durch Dekodierung über eine Dekodier- und Treiberstufe 56 Minuten angezeigt werden. In entsprechender Weise dient ein Stundenzähler 57 in Verbindung mit einer Stunden-Dekodier- und Treiberstufe 58 zur Anzeige von Stunden.

Sowohl die Flüssigkristallanzeige als auch die Treiberstufen erfordern größere Spannungen, als sie durch die Batterie 5o geliefert werden. Daher ist ein Spannungswandler erforderlich, um eine Ausgangsspannung V zu erzeugen, welche zumindes-tens viermal größer als die Spannung V- der Batterie 5o ist.

Beispiele für Flüssigkristallanzeigen und Treiberstufen sind in der US-Patentschrift 3 744 o49 beschrieben.

Die Frequenz des Kristalloszillators 4o wird weiterhin zur Erzeugung beispielsweise der Impulsfolgen A, B und C des Spannungswandlers nach Fig. 2 ausgenutzt. Der Ausgang des Inverterverstärkers 46 ist an einen Takteingang C. eines mit FZF₁ bezeichneten Flip-Flops beziehungsweise eines Multivibrators 6o angekoppelt. Dieses Flip-Flop 6o besitzt einen normalen Ausgang Q- und einen invertierten Ausgang Q_{1# Ein Flip}__{Flop nach Art des}

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Flip-Flops 60 wird als D-Kreis bezeichnet. Ein solcher Kreis arbeitet derart, daß der an einem D-Eingang (D₁ für FZF₁ 60) vorhandene logische Wert während eines positiven Taktimpulses auf den Q-Ausgang (Q₁) für FZF₁ 60 übertragen wird. D-Flip-Flops, welche in COSZMOS-Technik ausgebildet sind, sind an sich bekannt. Derartige Kreise sind beispielsweise in "Integrated circuits manuel" von RCA-Solid State Division, Somerville, New Jersey, 1971, Seiten 21 und 22, näher beschrieben. Je nach den erforderlichen Betriebsspannungen können natürlich auch andere Arten von Flip-Flops verwendet werden.

D-Flip-Flops FZF₁ bis FZF₅ teilen die Signalfreguenz des Oszillators 4o um einen Faktor 32. Jede Stufe wird dabei durch ein gleichwirkendes D-Flip-Flop 60 gebildet. Diese Flip-Flop-Kette FZF₁ bis FZF dient also zur Teilung der· Takt- bzw. Oszillatorfreguenz um einen Faktor von beispielsweise 32. Es können aLso die Hauptteiler 51 zur Erzeugung der erforderlichen Signale oder es kann andererseits das Ausgangssignal des Flip-Flops FZF,- zur Erzeugung eines Ausgangssignals mit einer Freguenz von 1o24 Hz verwendet werden, welche dann durch einen zehnstufigen Binärzähler zur Erzeugung eines Ausgangssignals mit 1 Hz geteilt wird. Der dargestellte Teiler kann also auch in der vorbeschiebenen Zeittaktschaltung verwendet werden.

Die Signale an Ausgängen Q₅ und Q₅ des Flip-Flops sind in Fig. 4 dargestellt; diese Figur zeigt das Signal am Ausgang Q_, wobei das Signal am Ausgang Q₅ die invertierte Form des Signals am Ausgang Qc ist.

Der Oszillator 4o sowie die Flip-Flops FZF^ bis ₅ werden durch die Spannung V-. der Batterie 5o gespeist.

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Die Ausgangssignale des Flip-Flops F/F~ werden auf eine MOS-Wandlerschaltung gegeben, welche Paare von P-Kanal-Anreicherungs-MOS-Elementen und N-Kanal-Anreicherungs-MOS-Elernenten enthält. Dieser Wandler 61 wird mit der Ausgangsspannung V gespeist, welche die Ausgangsspannung der Vervierfacherschaltung darstellt; auf diese Weise ist die oben erwähnte Vorlaufwirkung erreicht.

Der Wandler kann ebenfalls als integrierte Schaltung ausgebildet sein, wofür Beispiele in der oben genannten RCA-Veröffentlichungen auf den Seiten 59 bis 69 angegeben sind. Das Ausgangssignal des Wandlers ist das in Fig. 4 dargestellte Signal Q₅, das gegenüber dem Ausgangssignal Q₅ des Flip-Flops F/F,- einen größeren Spannungswert besitzt. Zur Erzeugung des Signals Q_ wird das Signal Q₅ mit größerem Spannungswert des Wandlers 61 durch einen Inverter invertiert. Diese Signale dienen zur Steuerung einer weiteren Zählerkette mit D-Flip-Flops F/F,- bis F/Fg 64,65 und 66. Diese den Flip-Flops FZF₁ bis F/F₅ entsprechenden Flip-Flops arbeiten bei höherer Spannung +V des Wandlers.

Ein weiteres D-Flip-Flop 68 ist mit seinem D-Eingang an den Ausgang Q, des Flip-Flops 64 angekoppelt, während sein C-Eingang vom Inverter 62 gespeist wird.

Die Ausgangssignale der Stufen 64, 65 und 68 sind in Fig. 4 als Impulsfolgen Q₆, Q^ Q- und Qq dargestellt. Diese Signale steuern logische Und- und Oder-Gatterkreise an, um die Signale A, B und C nach Fig. 4 zu erzeugen. Ebenso wie beim Signaldiagramm nach Fig. 2 überlappen sich diese Signale nicht, so daß die Wandlerkapazitäten im oben beschriebenen Sinne geladen und entladen werden können.

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In Fig. 3 sind sowohl die invertierten als auch die nichtinvertierten Signale nach Fig. 4 nämlich A, B und C sowie A, B und C dargestellt.

Bei der Beschreibung des Verdopplers und des Vervierfachers nach den Fig. 1 und 2 wurde ausgeführt, daß die aktiven übertragungselemente in beiden Richtungen leitende Feldeffekttransistoren sein können, um die Ladung und Entladung der Kapazitäten zu ermöglichen. Es wurde weiterhin ausgeführt, daß die Schalter auch einpolige Relaiskontakte sein können. Fig. 3 zeigt Stufen, 7o, 71 und 73, welche weiterhin mit C, B und A bezeichnet sind. Dabei handelt es sich um die Übertragungsgatter, welche die Funktionen der Transistoren 16 und 18 nach Fig. 1 beziehungsweise 26 und 27 nach Fig. 2 ausüben.

Grundsätzlich kann einübertragungsgatter, beispielsweise ein Gatter 7o, 71 oder 73 in COS-/MOS-Technik ausgeführt sein (siehe dazu die oben genannte RCA-Veröffentlichung, Seiten 17 und 18). Im Effekt handelt es sich dabei um einen einpoligen Schalter, welcher durch eine Parallelschaltung eines C- und eines N-Elementes gebildet wird. Die Gate-Elektrode eines Elementes wird durch das nichtinvertierte Taktsignal A angesteuert, wärhend die Gate-Elektrode des anderen Elementes durch das invertierte Taktsignal Ä angesteuert wird. Die Source- und Drain-Elektroden sind zusammengeschaltet, um einen Zweig kleiner Impedanz zu bilden, der zur Ladung und Entladung der Kapazitäten im Sinne von Fig. 2 erforderlich ist. Die Wirkungsweise eines solchen Übertragungsgatters, welche anhand von Fig. 5 beschrieben wird, ist extrem einfach.

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Fig. 5 zeigt schematisch ein in Fig. 3 zu verwendendes Übertragungsgatter. Ein solches Übertragungsgatter 8o gemäß Fig. 5B stellt eine einpolige elektronische Stufe dar, welche zwischen ihrem Eingang und ihrem Ausgang einen Zweig kleiner Impedanz bildet, wenn das Signal A einen positiven Wert annimmt.

Fig. 5A zeigt die Schaltung im einzelnen. Die Drain-Elektrode eines ersten N-MOS-Transistors 81 ist mit der Source-Elektrode eines P-MOS-Transistors 82 verbunden. Entsprechend ist die Source-Elektrode des Transistors 81 mit der Drain-Elektrode des Transistors 82 verbunden. Die Verbindungen von Source- und Drain bilden den Eingang während die anderen Verbindungen den Ausgang bilden. Das Gate des Transistors 81 liegt an der Quelle für das Signal A, während das Gate des Transistors 82 an der Quelle für das Signal Ä liegt. Die Vorspannung erfolgt durch die Spannung +V an einem Substratanschluß des P-Transistors.

Wenn das Taktsignal A hoch liegt, liegt das Taktsignal Ä tief. Daher leiten beide Transistoren 81 und 82, so daß zwischen dem Eingang und dem Ausgang ein Zweig extrem kleiner Impedanz vorhanden ist. Wenn das Taktsignal A seine Polarität umkehrt, werden beide Transistoren gesperrt, so daß zwischen Eingang und Ausgang ein Zweig extrem hoher Impedanz liegt.

Die Schaltung nach Fig. 5A leitet in beiden Richtungen, da die Drain- und Source-Elektroden austauschbar sind. Das Gate der Schaltung nach Fig. 5A ist im Vergleich zum Gate eines einzigen N-Kanals schneller.

Die Schaltung nach Fig. 3 ist ebenso wie die Schaltung nach Fig. 4 ein Spannungsvervierfächer. Die nachfolgende Tabelle zeigt entsprechende Teile, wobei die Wirkungs-

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weise im übrigen identisch ist.

Tabelle

Komponenten in Fig. 2 entsprechende Komponenten

in Fig. 3

Batterie 24 Batterie 5o

Kapazität 25 Kapazität 85

Übertragungsgatter 26 übertragungsgatter 86

übertragungsgatter 27 übertragungsgatter 87

übertragungsgatter 28 Übertragungsgatter 73

Übertragungsgatter 36 Übertragungsgatter 7o

Übertragungsgatter 3o Übertragungsgatter 93 übertragungsgatter 27 (Oder) Übertragungsgatter 92

übertragungsgatter 31 übertragungsgatter 71

Übertragungsgatter 32 Übertragungsgatter 91

Kapazität 2'9 Kapazität 92

Kapazität 33 Kapazität 9o

v_o, V₁, V₂, V₃, v₄, V₅, V₇ v_o, V₁, V₂, V₃, V₄, V₅, V₇

In der Schaltung nach Fig. 3 ist Co_n. gleich C.„ gleich C_g gleich o,ö47 Mikrofarad bei einer Batteriespannung V- = 2,5 V und einer Ausgangsspannung von 6_Ί66 V»

Bei Vergrößerung der vorgenannten Kapazitäten auf o,4 Mikrofarad ergibt sich eine Ausgangsspannung von 9,o4 Volt. Die logischen Stufen sowie die Inverter, Flip-Flops und Gatter sind RCA-COS/MOS-Schaltkreise, beispielsweise aus der Serie 4ooo, die durch RCA-Solid-State Division of Somerville, New Jersey, o8876 vertrieben wird.

Die Kapazitäten mit einem Wert von o,o47 Mikrofarad sind

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etwa ο,127 cm breit, ο,127 cm hoch und o,2o32 cm lang und eignen sich daher als Kapazitäten für integrierte Schaltungen. Die in Fig. 3 dargestellte Schaltung liefert bei einer Spannung von 9,o4 Volt einen Strom von über 1 Mikroampere und arbeitet mit einem Wirkungsgrad zwischen 9o und 95 %.

Die Schaltung ist selbst startend, da Substrat-Leckströme in den integrierten Schaltungen einen Spannungsabfall an der Kapazität 9o erzeugen. Ist einmal eine Spannung vorhanden, so werden die Schaltkreise vorgespannt, so daß sich die Spannung an der Kapazität bis zum Ruhewert aufbauen kann. Fig. 6 zeigt eine weitere Ausführungsform der Erfindung in Form eines Spannungswandlers mit einem rationalen Spannungsverhältnis. Die mit Λ, B und C bezeichneten Übertragungsgatter entsprechen den Gattern nach den Fig.3 und 5B, während die Signale A, B und C den entsprechenden Signalen nach den Fig. 2 und 3 entsprechen, wobei A, B und C nichtinvertierte Signale sind, während Ä, B und C invertierte bzw. um 18o° in der Phase verschobene Signale sind.

In der Schaltung nach Fig. 6 sind während eines positiven Wertes eines Impulses A Kapazitäten 1oo und 1o1 parallelgeschaltet, so daß sie Ladung aufnehmen. Während eines Impulses B sind die Kapazitäten 1oo und 1o1 zwischen Potentialen +V_DD und -V _ in Serie geschaltet. Während eines Impulses C liegt die Kapazität zwi-schen Potentialen -V_cc und ~ν_χχ und die Kapazität 1o1 zwischen Potentialen -V und ~V_sg.

Wenn eine Spannung zwischen den Potentialpunkten+V und -V„_c anliegt, so erzeugt die dargestellte Schaltung als Funktion der Steuerung durch die Signale A, B und C die Hälfte und ein Viertel der Spannung. Eine Spannung

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zwischen den Potentialpunkten +V_DD und ~^v _cc erzeugt die halbe und die doppelte Spannung. V ist Bezugspotential und normalerweise gleich Null Volt. Daher

ist für eine Spannung von -1,6 Volt zwischen den Potentialpunkten V_{DD und v} ν_χχ -2,4 Volt und V₅₃ -3,2 Volt.

Bei der Ausführungsform nach Fig. 7, welche ein Spannungswandler mit einem beliebigen Spannungsverhältnis ist, stellt +V_n das Bezugspotential dar. -V_cc ist durch die Spannung V₁ der Batterie bestimmt. Die Zeittaktsignale A, B und C sind wiederum gleich den entsprechenden Signalen nach den Fig. 2 und 3, während die entweder in Blockform oder durch Halbleitersymbole dargestellten Übertragungsgatter Typen der oben genannten Art sind.

Die Funktion dieser Schaltung ist die folgende:

Während eines Impulses A wird eine Kapazität 12o durch ein Übertragungsgatter 121 geschaltet, so daß sie sich auf Null Volt entlädt oder auflädt. Eine Kapazität wird über einen Schalter 141 an den Potentialpunkt -V₅₃ und damit an die Spannung V₁ angekoppelt, so daß sie sich auf .-V. auflädt. Während eines Impulses B liegt die Kapazität 12o parallel zur Kapazität 14g, so daß sich die Kapazität 12o auf -C₁₄ V(C_{12 +}C₁₄ ) auflädt. Während eines Impulses C liegt eine Kapazität 13o parallel zu den Kapazitäten 12o und 14o, so daß sie sich auf dem Wert -C₁₄₀V₃₃ auflädt.

14o ^U

Ersichtlich bestimmen die Werte der Kapazitäten 14o und 12o die Ausgangsspannung -V--. Diese Spannung kann natürlich beide Polaritäten {positiv oder negativ) besitzen,

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was davon abhängt, wie die Batteriespannung zwischen die Potentialpunkte -V_cc und +V geschaltet wird.

üb ULJ

Ist C_14o = C₁₂ , so ergibt sich:

^vcc = -^vss " -^V1 .

- Patentansprüche -

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Claims

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PATENTANSPRÜCHE

, 1) Spannungswandler für eine elektronische Uhr, ^-' die einen stabilen Oszillator zur Erzeugung eines Zeittaktsignals und eine Niederspannungsbatterie zur Spannungsversorgung der in ihr enthaltenen Schaltung aufweist, wobei eine Transformation der Niederspannung der Batterie in eine größere Spannung erfolgt, gekennzeichnet durch an den stabilen Oszillator (beispielsweise 11) angekoppelte Kreise (beispielsweise 12, 14) zur Erzeugung wenigstens zweier miteinander synchronisierter Signale (beispielsweise A, B), mehrere Übertragungsgatter (beispielsweise 16, 18, 19), die bei Einspeisung eines vorgegebenen Signalwertes in einen Steuereingang in einem Schaltzustand kleiner Impedanz arbeiten, einer Ankopplung des einen Anschlusses einer ersten Kapazität (beispielsweise 15) an den Ausgang eines ersten Übertragungsgatters (beispielsweise 18) und des anderen Anschlusses der ersten Kapazität (15) an den Ausgang eines zweiten Übertragungsgatters (beispielsweise 16), eine Ankopplung des Eingangs des ersten Übertragungsgatters (beispielsweise 18) an eine Klemme (+ der Niederspannungsbatterie 1o) und des Eingangs des zweiten Übertragungsgatters (beispielsweise 16) an ein Bezugspotential (V ), eine Ankopplung des einen Anschlusses einer zweiten • Kapazität (beispielsweise 2o), deren anderer Anschluß am Bezugspotential (V ) liegte an den Ausgang eines dritten Übertragungsgatters (beispielsweise 19), dessen Eingang an den einen Anschluß der ersten Kapazität (beispielsweise 15) angekoppelt ist, und durch eine Beaufschlagung der Steuereingänge der Gatter (beispiels-

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weise 16, 18, 19) mit jeweils einem bestimmten, der miteinander synchronisierten Signale (beispielsweise Λ, B) zwecks Ansteuerung der Gatter in vorgegebener Folge, wodurch die Niederspannung der Batterie (1o) die Kapazitäten (15, 2o) derart auflädt, daß an der zweiten Kapazität (be ispielsweise 2o) eine von der Batteriespannung verschiedene Spannung steht.
2) Spannungswandler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Übertragungsgatter (beispielsweise 16, 18 19) durch wenigstens einen Feldeffekttransistor gebildet sind.
3) Spannungswandler nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Feldeffekttransistor in zwei Richtungen stromleitend ist.
4) Spannungswandler nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die an den stabilen Oszillator (4o) angekoppelten Kreise mehrere in Kaskade geschaltete Multivibratoren (6o, 64, 65, 66, 68) zur Teilung des Oszillatorausgangssignals durch eine gegebene ganze Zahl sowie an die Multivibratoren angekoppelte Gatter zur Erzeugung der beiden miteinander synchronisierten Signale (beispielsweise A, B) an den Gatterausgängen umfaßt.
5) Spannungswandler nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Multivibratoren (6o, 64, 65, 66, 68) Flip-Flops in MOS-Technik sind.
6) Spannungswandler nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die an der zweiten Kapazität (beispielsweise 2o) stehende Spannung größer als die Batteriespannung ist.

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7) Spannungswandler nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die ander zweiten Kapazität (beispielsweise 2o) stehende Spannung mit der Batteriespannung (V₁) ein rationales Verhältnis bildet.
8) Spannungswandler nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die an der zweiten Kapazität (beispielsweise 2o) stehende Spannung mit der Batteriespannung (V₁) ein beliebiges Verhältnis bildet.
9) Spannungswandler nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die an der zweiten Kapazität (beispielsweise 2o) stehende Spannung etwa gleich der mit einem ganzzahligen Faktor 2n multiplizierten Batteriespannung (V..) ist, worin η größer als 1 ist.'
10) Spannungswandler nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß der eine Anschluß der zweiten Kapazität (9o) an die die miteinander synchronisierten Signale (beispielsweise A, B) liefernden Kreise (6o, 61, 64, 65, 66, 68) angekoppelt ist, um diese durch die an dieser Kapazität stehende Spannung anzusteuern.
11) Spannungswandler nach einem derAnsprüche Ibis Io, dadurch gekennzeichnet, daß die Kreise (6o, 61, 64, 65, 66f 68)zur Erzeugung der beiden miteinander synchronisierten Signale (A, B) an einen Kristalloszillator (4o) angekoppelt sind, welcher ein relativ stabiles Ausgangssignal mit vorgegebener Frequenz liefert, und daß die Kreise zur Erzeugung der miteiannder synchronisierten Signale an den Oszillator angekoppelte Zähler zur Erzeugung einer Folge von Digitalsignalen sowie auf die Digitalsignal ansprechende De-

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kodierstufen enthalten, um die beiden miteinander synchronisierten Signale an einem Ausgang zu erzeugen.
12) Spannungswandler nach einem der Ansprüche 1 bis 11/ dadurch gekennzeichnet, daß der Kristalloszillator (4o) durch eine in einer elektronischen Uhr enthaltene Zeittaktsignal-Quelle gebildet ist.
13) Spannungswandler nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Übertragungsgatter (8o)MOS-Schaltkreiselemente mit parallel geschalteten P-Kanal- und N-Kanal-MOS-Transistoren sind.

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