DE2536972A1 - Elektronische uhr - Google Patents

Description

Citizen Watch Co., Ltd. 1-9-18 Nishi Shinjuku, Shinjuku-ku, Tokyo, Japan

Elektronische Uhr

Die Erfindung bezieht sich auf eine elektronische Uhr, bei der ein Oszillator, ein die Oszillatorsignale aufnehmender mechanisch—elektrischer Wandler, eine die Signale verstärkende elektronische Schaltung und ein die Signale zur Erhaltung des Schwingungszustandes an den Oszillator anlegender elektro-mechanischer Wandler in einer geschlossenen Schleife angeordnet sind und eine Anzeigevorrichtung vorgesehen ist.

Die in herkömmlichen elektronischen Uhren überwiegend verwendeten elektronischen Schaltungen erfordern einige getrennte elektronische Komponenten, die unter Verwendung der Technologie monolitischer integrierter Schaltungen extrem schwer herzustellen sind.

Bei einer typischen Ausführung einer elektronischen Uhr, wie sie im Blockdiagramm gemäß Fig. 1 gezeigt ist, werden

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elektrische Signale eines Oszillators von einem mechanisch-elektrischen Wandler aufgenommen und bestimmt. Von einer elektronischen Schaltung werden geeignete Steuer- und Verstärkungsfunktionen durchgeführt, und deren Ausgangssignale werden über einen elektro-mechanischen Wandler zur Erhaltung des Schwingungszustandes an den Oszillator zurückgeführt. Daher ist jede Komponente ein Glied in einer geschlossenen Schüfe. Das Oszillatorsignal wird durch geeignete Mittel transformiert und zu einer Anzeigevorrichtung übertragen.

Die elektronische Schaltung gemäß Fig. 2 wird bisher in der Regel bei elektronischen Uhren der Unruh—, Stimmgabel- und Schallteilungtypen verwendet. Eine Phasenabtastspule Ls ist üblicherweise Teil des elektro-mechanischen Wandlers. Ein Transistor Qo und Schaltungselemente C, R sowie eine Streukapazität Cx bilden eine Verstärkungs- und Steuerschaltung, und die Erregerspule L ist Bestandteil des elektromechanischen Wandlers. Der Oszillator kann durch eine Stimmgabel mit auf den Zinken angeordneten kleinen Permanentmagneten oder durch eine Unruhe mit geeignet angeordneten Magnetelementen gebildet sein. Eine elektromagnetische Flußverkettung dient zur Energieankopplung zwischen dem Oszillator und den Wandlern. Die Hauptursache dafür, daß die in Fig. 2 dargestellte Schaltung nicht in eine monolitische integrierte Schaltung umgesetzt werden kann, liegt in der Schwiarigkeit der Herstellung der Widerstands- und Kapazitätselemente bei Verwendung integrierter Schaltungstechnik. Die bei elektronischen Uhren des Unruhtyps erforderlichen Schaltungswerte sind beispielsweise 0,47 uF als Kapazität und 10 MiIaIs Widerstand, und für den Stimmgabeltyp 0,22 uF als Kapazität und 2,2 MAaIs Widerstandswert für die Fig. 2 dargestellte Schaltung. Die Erzielung dieser Kapazität- und Widerstandswerte bei Verwendung herkömmlicher bipolarer

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Fabrikationstechnologien hat sich als sehr schwierig erwiesen. In jüngster Zeit ist es jedoch möglich geworden (US-PS 3 727 151), die in Fig. 2 gezeigte Schaltung unter Verwendung der monolitischen integrierten Schaltungstechnik bei elektronischen Uhren des Stimmgabeltyps herzustellen, und zwar mit Werten von C = 200 pF, R = 100 Mil und Super- Verstärkungs- Bipolartransistoren mit hFE » 5000. Während die Massenfabrikation von Kondensatoren im 200 pF-Bereich möglich ist, sind die Transistor hFE-Werte und der Widerstandswert R bei der Massenfabrikation unter gewöhnlichen Bipolartechnik-Bedingungen angenähert: hFE = 1000 bzw. R=I MiI. Daher bleiben bei dem zuvor beschriebenen Stand der Technik insbesondere in Verbindung mit der Massenfabrikation wesentliche Probleme offen, die für die extrem niedrigen Ausbeuten und den fehlenden Eingang in die Praxis ursächlich sind.

Unter Verwendung neuer Fabrikations- und Schaltungstechnologien hat die Anmelderin ein Verfahren zur Herstellung einer elektronischen Schaltung (Fig. 3) angegeben, die in Form einer monolitischen integrierten Schaltung realisierbar ist (japanische Patentanmeldung Nr. 57 208/73. Diese Schaltung ist in drei Hauptblöcke unterteilt:

(1) einen Block mit einem Kondensator Cl, Widerständen Rl - R4 und .Transistoren Ql - Q3, der eine Amplitudensteuerkomponente des Oszillators bildet und Signale von der Spule Ls eines mechanisch-elektrischen Wandlers durch Differentiation am Kondensator Cl verarbeitet;

(2) einen zweiten Block rat Widerständen R5 - R8 und Transistoren Q4-Q11, der als Verstärker zur Verstärkung der über den Kondensator C2 angekoppelten

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Wandlersignale dient; und

(3) einen dritten Block mit einem Widerstand R9 und einem Kondensator C2, der die Zeitkonstantenkomponente zur Steuerung der Resonanzfrequenz der Schaltung bildet.

Die bei dieser Schaltung verwendeten Maximalwerte sind ein Widerstandswert von 500 Mil., eine Kapazität von 2000 pF und ein npn-Transistor mit hFE im Bereich von 500. Ein neues Merkmal dieser Schaltung liegt im Vergleich zu herkömmlichen Bipolarschaltungen in den Widerstands- und Kapazitätskomponenten. Der Widerstand R9 weist ein im folgenden als MOS-R bezeichnetes Element mit der Drain-Elektrode eines MOS-Transistors des Verarmungstyps als ein Anschluß und einer Serienschaltung aus Source, Gate und Substrat als anderer Anschluß auf. Der Kondensator C2 hat eine Metall-Oxid-Aluminiumoxid- Oxid-Silizium Struktur (im folgenden als MO¹AOS bezeichnet), wobei die Metallschicht als ein Anschluß und die Siliziumschicht als anderer Anschluß dienen. Obwohl eine ähnliche Kapazität aus einer gewöhnlichen MOS—Formel für den Kondensator gewonnen werden kann, hat sich die MO'AOS-Formel bei der Herstellung in Kombination mit MOS-R als vorteilhaft erwiesen. Selbst bei Verwendung dieser Fabrikationstechnik bleibt die Schaltung noch kompliziert, wie in Fig. 3 erkennbar ist.

Die Funktionsweise der Schaltung gemäß Fig. 2 ist wie folgt:

Normalerweise ist der Transistor Qo angenähert auf seinen Cut-Off-Punkt vorgespannt. Wenn ein Schalter geschlossen wird und eine Stufenspannung von der Betriebsspannungsquelle an den Knotenpunkt zwischen der Spule Ls und dem RC-Oszillatorschwingkreis angelegt wird, so steigt die Spannung am Oszillatorschwingkreis

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über den Cut-Off-Punkt des Transistors Qo. Der Kollektorstrom hat demzufolge eine Impulsfrequenz, die vom RC-Oszillatorschwingkreis bestimmt ist. Wenn die Resonanzfrequenz des Kollektorstroms oder des RC-Oszillatorschwingkreises mit der Resonanzfrequenz eines mechanischen Oszillators oder einer Stimmgabel übereinstimmt, können eine Mitschwingspannung und ein Mitschwingstrom in der Abtastespule Ls aufgebaut werden. Die in der Spule Ls induziert Spannung verstärkt den Resonanzzustand des RC-Oszillatorschwingkreises, und es ergibt sich eine Selbsterhaltungsschwingung. Daher muß die Zeitkonstante des RC-Oszillatorschwingkreises der Resonanzfrequenz des Oszillators angepaßt werden. Wenn die RC-Zeitkonstante kurzer als ifesonanzwert des Oszillators ist, so schwingt die Basisvorspannung zu schnell, um den Kollektorstrom bei der Resonanzfrequenz des Oszillators zu erregen. Der Oszillator wird daher bei einer Frequenz unterhalb seiner Resonanzfrequenz erregt. Die umgekehrte Situation läßt sich leicht ableiten. Demzufolge kann sich ein übermäßiger Energieverbrauch ergeben, oder der Oszillator ist nicht mehr in der Lage, eine ausreichende Amplitude zur Erregung des Uhrwerks zur Verfugung zu stellen. Bei Verwendung in einer Uhr des Unruhtyps erfordert die Schaltung gemäß Fig. 2 bei üblichen Transistor-hFE-Werten die Werte von R = 10 MJlund C = 0,7 ;uF, und sie liefert eine Zeitkonstante von 4,7 Sekunden. Bei der Schaltung gemäß Fig. 3 ohne den ersten Schaltungsblock erfordert die Ampltudensteuerkomponente die Werte von R9 = 500 MJl C2 = 200 pF, und sie hat eine Zeitkonstante von 0,1 Sekunden. Daher erzeugt die in Fig. 3 dargestellte bekannte Schaltung mit nur den zweiten und dritten Blöcken, d.h. den Verstärkungs- und Zeitkonstanten-Komponenten, eine Resonanzschwingung mit kürzerer Periode und höherer Frequenz als diejenige gemäß Fig.2, wodurch die Schaltung nach Fig. 3 als Treiber-

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schaltung für eine Uhr des Unruhtyps ungeeignet wird. Die Zeitkonstante R9 C2 muß eine Größenordnung höher liegen. Die Herstellung eines Kondensators und eines Widerstands mit einem RC-Produkt im Bereich von 1 bis 10 Sekunden ist bei Verwendung der gegenwärtigen integrierten Schaltungstechnik für die Massenproduktion vollständig impraktikabel .An.derecseits besitzt die in Fig. 3 dargestellte bekannte Schaltung eine ausreichend niedrige effektive Resonanzfrequenz, daß sie mit Erfolg an Unruh-Oszillatoren angekoppelt werden kann.

Ein Hauptnachteil der Schaltung gemäß Fig. 3 liegt in der der Amplitudensteuerung dienenden Komponente, d. h. im ersten Block, dessen Funktion darin besteht, die Zeitkonstante des zweiten und dritten Schaltungs— blocks, d.h. des Verstärkers und des Zeitkonstantengliedes zu vergrößern, um die Schaltung an Uhren des Unruhtyps anzupassen. Die Schaltungskriterien und toleranzen des als erster Block in Fig. 3 bezeichneten Schaltungsteils sind äußerst kritisch, da die Funktion der Schaltung selbst von kleinen Schwankungen stärker beeinflußt wird. Ohne Ausnahme haben selbst besonders sorgsam ausgeführten Massenproduktionsprozesse nur sehr geringe Ausbeuten dieser Schaltung erbracht, und selbst Kleine Ausbeutenverbesserungen sind nur schwer und unter hohen Kosten erzielbar.

Es besteht daher ein dringender Bedarf an einer integrierten Schaltung mit Verstärker und Oszillator, die mit einem mechanischen Oszillator kombiniert werden kann und den ökonomischen und praktischen Massenproduktionstechniken zugänglich ist, ohne große Widerstands-, Kapazitäts- oder Transistor-hFE-Werte zu erfordern. Es ist Aufgabe der Erfindung, diesen Bedarf bei einer elektronischen Uhr der eingangs angegebenen Art zu befriedigen.

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Zu diesem Zweck wird erfindungsgemäß vorgeschlagen, daß die elektronische Schaltung einen mit Rückkop^ungswiderständen, Kapazitäten und aktiven Elementen versehenen mehrstufigen Verstärker aufweist, und als monolitische integrierte Schaltung auf einem.Chip aufgebaut ist.

Die vorgenannte Lösung baut auf der Erkenntnis auf, daß die der Amplitudensteuerung dienende Komponente, d. h. der erste Block der Schaltung gemäß Fig. 3, entgegen der bisherigen Annahme tatsächlich fortgelassen werden kann, wenn die Schaltung bei einer Uhr des Stimmgabel— typs mit einer Stimmgabel einer bestimmten Resonanzfrequenz angewandt wird. Hierdurch läßt sich die elektronische Uhr wesentlich vereinfachen.

Weiterbildungan/Ger Erfindung sind in den Unter ansprächen gekennzeichnet.

In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispxel der Erfindung im Vergleich zu bekannten Ausführungsformen dargestellt. Es zeigen:

Fig. 1 ein Blockdiagramm mit den

Komponenten einer elektronischen Uhr;

Fig. 2 ein Beispiel für eine bekannte Erregerschaltung einer elektronischen Uhr;

Fig. 3 eine monolitische integrierte Schaltung;

Fig. 4 ein erfindungsgemäßes Ausführungsbeispxel der monolitischen integrierten Schaltung für die Uhr.

Fig. 1 zeigt in Form eines Blockdxagramms die generelle Anordnung einer elektronischen Uhr, wobei die von einem Oszillator entwickelten Signale von einem mechanischelektrischen Wandler aufgenommen und die unter Durchführung

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geeigneter Steuer- und Verstärkungsfunktionen in einer elektronischen Schaltung modifizierten Signale zur Erhaltung der Oszillatorschwingung über einen elektromechanischen Wandler zurückgeführt,werden.

Die neue elektronische Schaltung weist generell einen mehrstufigen Verstärker mit Rückkopplungswiderständen, Kapazitäten und aktiven Elementen in einer Ein-Chip monolitischen integrierten Schaltung auf. Die Widerstände sind vorzugsweise in Form eines mit zwei Anschlüssen versehenen Elements ausgebildet, dessen einer Anschluß durch die Drain-Elektrode eines MOS-Transistors des Verarmungstyps und dessen anderer Anschluß durch eine Reihenschaltung aus Source/ Gate und Substrat gebildet ist. Als Kondensator kann eine Metall- Oxid- Aluminiumoxid-Oxid- Silicium Struktur vorgesehen werden, bei der das Metall den einen Anschluß und das Silicium den anderen Anschluß bildet.

Fig. 4 zeigt ein Ausführungsbeispiel der bei einer elektronischen Uhr anwendbaren Schaltung, mit einem Kondensator C 11, Widerständen RIl - 15, npn-Bipolartransistoren Q21 - 26 und Q28 und einem pnp-Bipolartransistor Q27, die in der folgenden Weise angeordnet sind: Ein Anschluß jeder der Widerstände RlI, R12, R13 und R14 ist zusammen mit dem Emitter des Bipolartransistors Q27 an den positiven Pol einer Spannungsquelle VDD angeschaltet, während der andere Anschluß des Widerstandes RIl mit den Kollektoren der Transistoren Q21 und Q22 und der Basis der Transistoren Q23, der andere Anschluß des Widerstands R12 mit den Kollektoren der Transistoren Q23 und Q24 und der Basis des Transistors Q25, der andere Anschluß des Widerstands R13 mit den Kollektoren des Transistors Q25 und der andere Anschluß des Widerstands R 14 mit dem Kollektor des Tranistors Q26 und der Basis des Transistors Q27 verbunden ist. Die Emitter der Transistoren sind wie folgt angeschlossen:

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Der Emitter des Transistors Q21 ist an die Basis des Transistors Q 22, der Emitter des Transistors Q 28 ist an die Basis des Transistors Q24, der Emitter des Transistors Q25 ist an die Basis des Transistors Q26 und der Kollektor des Transistors Q27 an die Basis des Transistors Q28 angeschaltet. Die Emitter der Transistoren Q22, Q24, Q26 und Q28 liegen am negativen Pol der Spannungsquelle. Jeweils ein Anschluß des Widerstands R15 und des Kondensators CIl ist mit der Basis des Transistors Q21 verbunden, während der andere Anschluß des Widerstandes R15 am Kollektor des Transistors Q28 und der andere Anschluß des Kondensators CIl am mechanisch-elektrischen Wandler liegt. Der Verbindungspunkt des anderen Anschlusses des Widerstands R15 mit dem Kollektor des Transistors Q28 ist an den elektro-mechanischen Wandler LD angeschaltet.

Im Vergleich zur bekannten Schaltung gemäß Fig. 3 ist der erste Block, d. h. die Amplitudensteuerkomponente, bei der Schaltung in Fig. 4 fortgelassen. Mit Werten für R15 = 50M-1, CIl = 150 pf hat die Schaltung gemäß Fig. 4 eine Zeitkonstante von 7,5 χ 10~ s; wenn R = 2,2 C = 0,22 AiF ist, hat die Schaltung gemäß Fig. 2 eine Zeitkonstante von RC = 4,84 χ 10"* s (Hierfür ist vor allem ursächlich, daß sich Verstärkungscharakteristiten ändern, wenn mehr als ein Transistor verwendet wird. Da die Schaltung gemäß Fig. 4 beispielsweise eine zweimal so große Basisvorspannung wie die Schaltung nach Fig. 2 benötigt, ist allein aufgrund dieser Tatsache die Zeitkonstante um den Faktor 2 vergrößert). Außerdem ist eine größere Differenz der Eingangsimpedanz deshalb zu erwarten, weil die Verstärkung in der Schaltung gemäß Fig. 4 viel größer als diejenige in der Schaltung gemäß Fig. 2 ist. Eine andere Ursache liegt in dem mechanischen Stimmgabeloszillator, bei dem der Q-Wert der Resonanz beträchtlich größer als bei einem Unruh-Oszillator ist. Mit anderen Worten, die Schaltung nach

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Fig. 4 wird bei der Resonanzfrequenz der mechanischen Stimmgabel in Resonanz gebracht und ist daher weitaus stabiler als in Kombination mit einem Unruh-Oszillator. Aus diesem Grunde ist es möglich, die Amplitudensteuerkomponente aus der in Fig. 3 dargestellten Schaltung fortzulassen und diese auf eine Schaltung zu reduzieren, welche über den Verstärker und die Zeitkonstantenkomponente entsprechend Fig. 4 verfügt, wobei die Schaltung entsprechend der Resonanzfrequenz und den Resonanz Q-Werten des Stimmgabel-Oszillators modifiziert wird.

Die Verstärkerkomponente der Schaltung gemäß Fig. 4 besteht im wesentlichen aus einem Eingangs- Ausgangs-Phasen- !werter- Verstärker, der über einen mehrstufigen Inverter anstelle eines Einzeltransistors hohe Verstärkungen erbringen kann. Bei dem bevorzugten Aus— führungsbeispiel wird der in Fig. 4 dargestellte Eingangs— Ausgangs- Phasen- Inverter- Verstärker verwendet, da der Ausgang des mechanisch-elektrischen Wandlers und der Eingang des elektro-mechanischen Wandlers bei von einer Stimmgabel erregten Uhren von dem Phasen—Inverter—Typ sind. Die Schaltung ist entsprechend zu modifizieren, wenn der mechanische Oszillator einen nicht- invertierenden Verstärkertyp erforderlich macht.

Wie oben erwähnt, wird durch die Verwendung einer Treiberschaltung mit einem mehrstufigen Verstärker und einer Zeitkonstantenkomponente, die an die Resonanzfrequenz, und den Q-Wert einer Stimmgabel angepaßt sind, die Herstellung einer monolitischen integrierenden Schaltung mit weniger Komponenten und höheren Ausbeuten ermöglicht.

Im Prinzip läßt sich die vorgeschlagene Schaltung auch bei anderen elektronischen Uhren z.B. des Unruh—Typs anwenden.

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Claims (4)

Patentansprüche

1. Elektronische Uhr, bei der ein Oszillator, ein die Oszillatorsignale aufnehmender, mechanisch-elektrischer Wandler, eine die Signale/Verstärkende elektronische Schaltung und ein die Signale zur Erhaltung des Schwingungszustandes an den Oszillator anlegender elektromechanischer Wandler in einer geschlossenen Schleife angeordnet sind und eine Anzeigevorrichtung vorgesehen ist, dadurch gekennzeichnet, daß die elektronische Schaltung (Fig. 4) einen mit Rückkopplungswiderständen, Kapazitäten und aktiven Elementen versehenen mehrstufigen Verstärker aufweist und als monolitische integrierte Schaltung auf einem Chip aufgebaut ist.

2. Elektronische Uhr nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die elektronische Schaltung (Fig. 4) einen Widerstand (R15) und eine Kapazität (CIl) aufweist, daß ein Anschluß des Widerstands von der Drain-Elektrode eines MOS-Transistors des Verarmungstyps und der andere Anschluß durch eine Serienschaltung aus einer Source-Elektrode einer Gate-Elektrode und einem Substrat gebildet ist,und daß die Kapazität als Metall- Oxid- Aluminiumoxid- Oxid- Silicium- Struktur vorgesehen ist, wobei die Metallschicht den einen Anschluß und die Siliciumschicht den anderen Anschluß bildet.

3. Elektronische Uhr nach Anspruch 1 oder 2, dadurch geleinzeichnet, daß die elektronische Schaltung einen Kondensator (CIl), Widerstände (RIl, R12, R13, R14 und R15), npn-Bipolartrasistoren (Q21...Q26, Q28) und einen pnp-Bipolartransistor (0.27) aufweist, daß jeweils ein Anschluß der ersten bis vierten Widerstände(Rll ...R14)

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zusammen mit dem Emitter des pnp-Bipolartransistors (Q27) am positiven Pol einer Betriebsspannungsquelle (VDD) liegt, daß der andere Anschluß des ersten Widerstandes (RIl) an die Kollektoren der ersten und zweiten Transistoren (Q 21 und Q22) und die Basis des dritten Transistors (Q23) angeschaltetilst, daß der andere Anschluß des zweiten Widerstands(R12) mit den Kollektoren der dritten und vierten Transistoren (Q23, Q24) und der Basis des fünften Transistors (Q25) verbunden ist, daß der andere Anschluß des dritten Widerstands (R13) mit dem Kollektor des fünften Transistors (Q25) und der andere Anschluß des vierten Widertands (R14) mit dem Kollektor des sechsten Transistors (Q26) und der Basis des pnp—Bipolartransistors (Q27) verbunden ist, daß ferner der Emitter des ersten Transistors (Q21) mit der Basis des zweiten Transistors (Q22), der Emitter des siebten Transistors (Q28) mit der Basis des vjarten Transistors (Q24), der Emitter des fünften Transistors (Q25) mit der Basis des sechsten Transistors (Q26), der Kollektor des pnp-Bipolartransistors (Q27) mit der Basis des siebten Transistors (Q28) und die Emitter der zweiten, vierten, sechsten und siebten Transistoren (Q22, Q24, Q26 und Q28) mit dem negativen Pol der Betriebsspannungsquelle verbunden sind, daß ein Anschluß des fünften Widerstands (R15) und des Kondensators (CIl) mit der Basis des ersten Transistors (Q21) verbunden ist, während der andere Anschluß des fünften Widerstands am Kollektor des siebten Transistors (Q28) und der andere Anschluß des Kondensators (CIl) am mechanisch-elektrischen Wandler liegt, daß der Verbindungspunkt zwischen dem Anschluß des fünften Widerstands (R15) und dem Kollektor des siebten Transistors (Q28) mit dem elektro-mechanischen Wandler (LD) verbunden ist.

4. Elektronische Uhr nach einem der Ansprüche 1 bis 3 dadurch gekennzeichnet, daß der Oszillator durch eine Stimmgabel gebildet ist.

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