DE2607045A1

DE2607045A1 - Elektronische baugruppe

Info

Publication number: DE2607045A1
Application number: DE19762607045
Authority: DE
Inventors: Yoshikazu Hatsukano; Osamu Yamashiro
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1975-02-28
Filing date: 1976-02-20
Publication date: 1976-09-09
Also published as: DE2607045B2; DE2607045C3; CH610486GA3; NL7601891A; MY8200033A; HK35581A; GB1528640A; JPS5199454A; US4032864A

Description

y b tJ V I)

ALTE
SCHIFF ν. FÜNER STREHL SCHÜBEL-HOPF EBBINGHAUS

MÜNCHEN SO, MARIAHILFPLATZ 2&3 POSTADRESSE: D-8 MÜNCHEN 95, POSTFACH Dö O1 6O

Hitachi j Ltd.

DA«12031 ²⁰' Februar 1976

Elektronische Baugruppe

Die Erfindung betrifft eine einen Verstärker enthaltende elektronische Baugruppe mit mindestens einem Feldeffekttransistor mit isolierter Steuerelektrode als Verstärkerelement, mit Eingangs- und Ausgangsanschlüssen, einem Versorgungssparmungsanschluss, einem Masseanschluss und einem Vorspannungswiderstand zwischen dem Eingangsanschluss und dem Ausgangsanschluss.

Ein gebräuchlicher Komplementäreszillator für elektronisch gesteuerte Uhren enthält einen aus komplementären Feldeffekttransistoren mit isolierter Steuerelektrode (MISFET) aufgebauten Verstärker, bei dem ein Vorspannungswiderstand zwischen dem Eingang und dem Ausgang eines komplementären Wechselrichters mit einem n-Kanal-MISFET und einem p-Kanal-MISFET liegt. Ein positiver Rückkopplungskreis mit einem Quarzschwinger und zwei Kondensatoren liegt zwischen dem Eingang und dem Ausgang des Verstärkers. Einer dieser beiden Kondensatoren liegt auf der Eingangsseite des Verstärkers, während der andere auf der Ausgangsseite des Verstärkers angeordnet ist. Die am Ausgang des Oszillators auftretende Frequenz wird über einen Wellenformer auf einen Frequenzteiler gegeben. In Verbindung mit einer Steuerschaltung erzeugt

609837/0964

ORIGINAL INSPECTED

y 6 0 7 (j 4h

der Frequenzteiler ein Taktsignal, das einem Treiber aufgeprägt wird, der seinerseits einen Impulsmotor treibt. Die Versorgungsspannung für den Verstärker, den Wellenformer und den Treiber wird geb3räuchlicherweise einer Batterie entnommen.

Bei der zuvor beschriebenen gebräuchlichen Schaltung fliesst ein relativ grosser Antriebsstrom über den Impulsmotor, so dass die Batterie bald erschöpft ist und einen starken Spannungsilbfall zeigt, und zwar insbesondere bei tiefen Temperaturen, bei denen der Innenwiderstand besonders gross ist. Durch einen solchen Spannungsabfall wird jedoch der Vorspannungspunkt des Verstärkers in unerwünschter Weise verschoben, da der am Eingang des Verstärkers liegende Kondensator einen spürbaren Speichereffekt ausübt. Dies hat eine Drift der Ausgangsfrequenz zur Folge.

Das Problem der Verschiebung dos Vorspannungspunktes durch eine Veränderung der Speisespannung tritt auch bei MISFET-Verstärkern auf, da an der Eingangsseite des Verstärkers zwangsläufig parasitäre Kapazitäten auftreten, beispielsweise Steuerbreichskapazitäten oder elektrostatische Kapazitäten zwischen den Leiterbahnen.

Ein Ziel der Erfindung ist daher die Unterdrückung einer Drift des Vorspannungspunktes in MISFET-Verstärkern aufgrund einer Veränderung der Speisespannung.

Ein weiteres Ziel der Erfindung ist die Stabilisierung eines Oszillatorausgangssignals gegen Veränderungen der Speisespannung von Oszillatoren mit MISFET-Verstärkern.

Aufgabe der Erfindung ist also die Schaffung einer elektronischen Baugruppe oder eines elektronischen Bauelementes, das einen MISFET-Verstärker enthält und ein weitgehend

609837/OnfiA

ORiGiN INSPECTS)

speisespannungsunabhängiges Äusgangssignal liefern kann.

Zur Lösung dieser Aufgabe wird eine Baugruppe der eingangs genannten Art vorgeschlagen, die gekennzeichnet ist durch ein erstes und ein zweites kapazitives Element, das in Reihe zwischen dem Versorgungsspannungsanschluss und dem Masseanschluss liegt und durch eine Teilspannung der Versorgungsspannung, die durch die beiden kapazitiven Elemente bestimmt ist und gleich einer Vorspannung eingestellt ist, dia ihrerseits durch den Vorspannungswiderstand bestimmt ist, wobei diese Teilspannung auf den Eingongsanschluss geschaltet ist.

Die Erfindung schafft also eine elektronische Baugruppe, beispielsweise einen MISFET-Oszillator oder eine MISPET-Verstärkerschaltung, in der mindestens ein MISPET als Verstärkungselement geschaltet ist. Zwischen Eingang und Ausgang der Baugruppe liegt ein Vorspannungswiderstand. Eine Teilspannung einer Versorgungsspannung wird durch eingangsseitige Kapazitäten zur Verfügung gestellt. Diese Teilspannung ist dabei so gewählt bzw. eingestellt, dass sie gleich einer Vorspannung ist, die ihrerseits durch den Vorspannungswiderstand erstellt wird. Speisespannungsschwankungen können dadurch nicht mehr auf die Baugruppe durchgreifen.

Die Erfindung beruht also auf dem Prinzip der kapazitiven Erzeugung einer Teilspannung der am Eingang auftretenden Versorgungsspannung, wobei diese Teilspannung gleich einer über einen Vorspannungswiderstand auftretenden Vorspannung gesetzt wird.

Die Erfindung ist im folgenden anhand von Aüsführungsbeispielen in Verbindung mit den Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:

ORIGINAL INSPECTED

Ü0Ö8 3 7/09RA

Fig. 1 eine MISFET-Komplementärschaltung für

Uhren nach dem Stand der Technik?

Fig. 2 in graphischer Darstellung das

Übergangsverhalten der Baugruppe zur Erläuterung einer Methode zur Bestimmung der Vorspannung;

Fig. 3 einen MISFET-Kornplementär-Oszillator

mit der Verkörperung eines Ausführungsbeispiels der Erfindung;

Fig. 4 eine MISFET-Komplementärschaltung unter

Verblendung des in Fig. 3 gezeigten Oszillators für eine Uhr, insbesondere eine Armbanduhr;

Fig. 5 einen komplementären MISFET-Verstärker

mit einer Verkörperung der Erfindung;

Fig. 6 einen weiteren MISFET-Verstärker, in

dem die Erfindung realisiert ist, und

Fig. 7 eine Übergangskennlinie zur Erläuterung

eines Verfahrens zur Bestimmung der Vorspannung in der in Fig. 6 gezeigten Schaltung.

In der Fig, 1 ist ein gebräuchliches elektronisches Uhrwerk auf der Basis einer komplementären MISFET-Schaltung gezeigt. Der Oszillator 1 bildet den Hauptbestandteil des Uhrwerks und enthält einen komplementären MISFET-Verstärker, bei dem ein Vorspannungswiderstand RF zwischen dem Eingang und dem Ausgang eines komplementären Wechselrichters liegt, der einen n-Kanal-MISFET QN1 und einen p-Kanal-MISFET QP1 enthält. Zwischen dem Eingang und dem Ausgang des Verstärkers

0 9837/09 B A .,«.-

ORIGINAL INSPE

liegt eine positive Rückkopplung, die einen Quarzschwinger QO und Kondensatoren CD und CG enthält. Am Ausgang des Verstärkers liegt ein Widerstand RD, der der Begrenz\mg des Ausgangsstroms dient. Dadurch wird der Leistungsabfall vermindert und v/erden Ausgangsstromnchv.'ankungen absorbiert. Solche Ausgangsstromschwankungen können verschiedene Ursachen haben, · beispielsweise auf eine Speisespannungsdrift zurückzuführen sein.

Die am Ausgang des Oszillators 1 auftretende Frequenz wird auf einen ersten Eingang eines Spannungsteilers 3 gegeben, und zwar über einen komplementären Wechselrichter 2, der als Wellenformer wirkt. Der Wechselrichter enthält einen n-Kanal-MISFET QN2 und einen p-Kanal-MISFET QP2. Das am Ausgang des Wechselrichters 2 auftretende geformte Wellensignal wird gleichzeitig über einen Inverter auf einen zweiten Eingang des Frequenzteilers 3 gegeben« Dem Frequenzteiler ist eine Steuerschaltung 4 nachgeschaltet. Die Steuer sch eil tun g weist zwei Ausgänge auf, die alternierend je Sekunde einen Impuls führen. Dieses Impulssignal treibt einen Impulsmotor M, dem Treiber vorgeschaltet sind. Der Treiber 5 enthält einen komplementären Wechselrichter aus einem n-Kanal-MISFET QN3 und einem p-Kanal-MISFET QP3. Der Treiber 5' enthält ebenfalls einen komplementären Viechseirichter, der ebenfalls aus einem n-Kanal-MISFET QN4 und einem p-Kanal-MISFET QP4 besteht.

Bei der zuvor beschriebenen MISFET-Baugruppe fliesst ein relativ grosser Strom über den Impulsmotor M, wenn dieser angetrieben wird. Das führt zu einer raschen Erschöpfung der Batterie E oder zu einem starken Spannungsabfall in der Batterie E bei tiefen Temperaturen aufgrund des hohen Innenwiderstandes r.

Der Speisespannungsabfall verursacht in der in Fig. 1 gezeigten

6 0 9 8 3 7 / 0 0 ß Α

2607HAb

Baugruppe folgende Probleme: In dem Verstärker des Oszillators liegt ein Vorspannungspunkt A des Verstärkers auf der übergangskermlinie 1 des Verstärkers, wobei dieser Punkt als der Punkt auf der Übergangskennlinie definiert ist, in dem die' Eingangssparmurig gleich der Ausgangsspannung ist (Fig. 2). Dies ist darauf zurückzuführen, dass der Eingang und der Ausgang des Verstärkers gleichspannungsartig auf demselben Potential liegen. Wenn in diesem Zustand der Wert der Speisespannung abrupt von -VDD auf -VDD abfällt, verschiebt sich die Übergangskennlinie des Verstärkers nach Massgabe des Speisespannungsabfalls und entspricht beispielsweise der in Fig. 2 gezeigten Kennlinie I¹. Dagegen wird aber die über den Vorspannungswiderstand RF auftretende und aufrechterhatene Vorspannung auf dem vorherigen Pegel im Punkt A gehalten, und zwar aufgrund der Speicherwirkung des Kondensators CG, der auf der Eingangsseite des Verstärkers liegt. Die Vorspannung liegt daher mit ihrem Absolutwert zu ho-ch gegenüber dem neuen logischen Schwellenpegel des Verstärkers, so dass der n-Kanal-MISFET QN1 bis dicht an seinen Löschzustand heran abfällt. Der Pegel des Ausgangssignals nähert sich dadurch dem Massepgel, was schliesslich dazu führt, dass die Ausgangsfrequenz vom Normal abweicht und unbrauchbar ist. Die Vorspannung läuft dann selbstverständlich auf den Sollpunkt A¹ auf der neuen Übergangskennlinie 1'. herab, wobei diese Verzögerungszeitspanne der Vorspannungseinstellung durch den Wert des Vo irspannun gswider s tan des RF bestimmt ist.

Durch die bei Spannungsdrift in der zuvor beschriebenen Weise bei angetriebenem Impulsmotor auftretende temporäre Vorspannungsdrift wird eine Nacheilung des Uhrwerks ausgelöst.

Das gleiche Problem der Verschiebung der Vorspannung bei Speisespannungsdrift tritt auch in MISFET-Verstärkern ganz

609837/OOßA original inspected

2607ΠΑ5

allgemein auf, insbesondere wenn diese in integrierter Halbleiterbauweise hergestellt sind. Für diese Drift des Vorspannungspunktes sind vor allem parasitäre Kapazitäten verantwortlich, beispielsweise Steuerbereichskapazitäten oder Kapazitäten zwischen den Leiterbahnen. Solche Kapazitäten sind insbesondere eingangsseitig an solchen Verstärkern nicht vermeidbar.

Diese Nachteile werden durch die Erfindung behoben, die anhand der in den Figuren 3 bis 7 gezeigten Ausführungsbeispiele näher erläutert ist.

•In der Fig. 3 ist ein komplementärer MISFET-Oszillator gezeigt. Der Schwingkreis besteht aus einem komplementären MISFET-Verstärker, in dem ein Vorspannungswiderstand RF zwischen dem Eingangsanschluss und äe.ra /vusgangsanschluss eines Wechselrichters liegt, der seinerseits aus einem η-Kanal-MISFET QN und einem p-Kanal-MISFET QP besteht. Eine Mitkopplung besteht aus einem Quarzschwinger QO und den Kondensatoren CD und CG. Die Mitkopplung liegt zwischen dem Eingangsanschluss des Verstärkers und einem Endpunkt des Widerstandes RD, dessen anderes Ende auf den Ausgangsanschluss AUS geschaltet ist. Der Quarzschwinger dient dabei als Induktivität zur Bildung eines Schwingungskreises. Statt des QuarzSchwingers kann eine Spule verwendet werden. Zwischen dem Speisespannungsanschluss -VDD und dem Eingangsanschluss liegt ein Kondensator CG", der die gleiche oder zumindest praktisch die gleiche Kapazität wie der Kondensator CG¹ hat. Die Einstellung der Bedingung CG" = CG¹ dient dem Zweck, die aus der Speisespannung abgeleitete Teilspannung, die durch die Kapazitäten CG" und CG¹ bestimmt ist, gleich einer Eingangsvorspannung zu setzen, die ihrerseits durch den Vorspannungswiderstand RF bestimmt und in dem hier beschriebenen Ausführungsbeispiel auf -VDD/2 gesetzt ist. Zur Einstellung einwandfreier Schwingungsbedingungen wird jeder der Kondensatoren CG" und CG¹ so gewählt, dass

6098'J 7/OQRA

seine Kapazität gleich der halben Kapazität auf der Eingangsseite des Oszillators 1 in Fig. 1 ist, also halb so gross wie die des Kondensators CG.

Bei dem vorstehend beschriebenen Oszillator, der unter Verv/endung der Prinzipien der Erfindung aufgebaut ist, liegen die Kapazitäten auf der Eingangsseite des Verstärkers in Reihe zwischen dem Versorgungaspannungnanschluss und dem Masseanschluss, so dass durch Versorgungsspannungsschwankungen keine kapazitiven Streueffekte als deren Folgeerscheinung auftreten können. Die Vorspannung unterliegt also nicht dem Einfluss der eingangsseitigen Kondensatoren, so dass eine Frequenzdrift des Äusgangssignals vom Normal un terdrückt ist.

In der Fig. 4 ist ein elektronisches Uhrwerk mit einer komplementären MISFET-Schaltung gezeigt, in der der Oszillator nach Fig. 3 verwendet ist. In den Figuren 1, 3 und 4 sind gleiche Bauteile mit gleichen Bezugszeichen versehen. Im Zusammenhang mit der Fig. 1 wurde oben erläutert, dass ein herkömmliches komplementäres MISFET-Uhrwert während des Antriebs des Impulsmotors empfindlich gegenüber Versorgungsspannungsschwankungen ist« Die Signalfrequenz des in Fig. 4 gezeigten Oszillators 1 ist jedoch unabhängig von Versorgungsspannungsschwankungen, so dass zum Antrieb des Impulsmotors M ein stabiles Frequenzsignal zur Verfügung steht. Das Nachgehen einer mit dem in Fig.4 gezeigten elektronischen Uhrwerk angetriebenen Uhr ist daher ausgeschaltet.

In der Fig. 5 ist ein komplementärer MISFET-Verstärker gezeigt, der ebenfalls den Merkmalen der Erfindung entsprechend aufgebaut ist. Die Kondensatoren CG1 und CG2 des Verstärkers haben praktisch die gleichen Kapazitäten. Sie liegen versorgungsspannungsseitig und masseseitig. Der

6 0 9 8 3 7 / 0 Q G

masseseitige Kondensator CG2 kann durch eine parasitäre Kapazität ersetzt Bein. In dam in Fig. 5 gezeigten Verstärker folgt die Vorspannung der durch Versoirgungsspannuncjs--Schwankungen verursachten Verschiebung der Übergangskennlinie des Verstärkers aus den vorstehend beschriebenen Gründen. Der Verstärkerausgang ist daher wechsclstromart.i g stabilisiert.

Ein weiterer MISFET--Verstärker, in dein die Merkmale der Erfindung verkörpert sind, ist in Fig. G gezeigt. Kernstuck des Verstärkers ist ein Wechselrichter aus einem p-Kanal-MISFET und einem Testwiderstand RL. Zv/isehen dem Eingangs-anschluss EIN und dom Ausgc.ngsanschluss AUS des Wechselrichters liegt ein Kiderstand EF. Die Übergangskennlinie des in Fig. 6 dargestellten MIGFET-Verstärkers ist in Fig. 7 gezeigt. Die in der Fig. 7 gezeigte Übergangskennlinie 1 unterscheidet sich von den Übergangskennlinien gebräuchlicher MISFET-Verstärker. Die Vorspannung VG, die durch den Vorsparmungswiderstand RF bestiiumfc ist, ist ungleich -VDD/2. Die Vorspannung VG liegt auf der Übergangskennlinie 1 und ist als der Punkt auf dieser Kurve definiert, in dem die Eingangsspannung gleich der Ausgangsspannung ist. Daher ist die Versorgungsspannungsteilspannung, die durch das Verhältnis der Kapazitäten CG1 und CG2 bestimmt ist, so eingestellt, dass sie gleich der Vorspannung VG ist.

In der vorstehend beschriebenen Weise ist die Earfindung im weitesten Sinne vorzugsweise für komplementäre MISFET-Oszillatoren und für Verstärkerschaltungen mit mindestens einem Verstärker-MISFET geeignet, bei denen zwischen der Eingangsseite und der Ausgangsseite ein Vorspannungswiderstand liegt.

Ü09837/0ÖßA

Claims

- ίο - Patentansprüche

1. Einen Verstärker enthaltende elektronische Baugruppe mit mindestens einem Feldeffekttransistor mit isolierter Steuerelektrode als Verstärkerelement, mit Eingangs- und Ausgangsancchlüssen, einem Versorgungssparmungsanschluss _r einem Masseanschluss und einem Vorspannungswiderstand zwischen dem Eingangsanschluss und dem Ausgangsanschluss, gekennzeich.net durch ein erstes und ein zweites kapazitives Element, das in Reihe zwischen dem Versorgungsspanrmngsanschluss und dem Masseanschluss liegt, und durch eine Teilspannung der Versorgungsspannung, die durch die beiden kapazitiven Elemente bestimmt ist und gleich einer Vorspannung eingestellt ist, die ihrerseits durch den Vorspannungswiderstand bestimmt ist, wobei diese Teilspannung auf den Eingangsanschluss geschaltet ist.

2. Elektronische Baugruppe mit einem Schwingungskreis, gekennzeichnet durch einen Verstärker mit

• mindestens einem Feldeffekttransistor mit isolierter Steuerelektrode als Verstärkungsglied, mit Eingangs- und Ausgangsanschlüssen und zwischen diesen beiden Anschlüssen einem Vorspannungswiderstand, durch eine positive Rückkopplung zur Kopplung eines Ausgangssignals des Verstärkers auf seinen Eingang, wobei im positiven Rückkopplungs·

6 0 9 8 3 7 / Q 0 R A

glied ein induktives Glied sowie eine erste und eine zweite Kapazität liegen, von denen eine am Eingang, die andere auf der Ausgangeseite des Verstärkers liegen, und durch eine dritte Kapazität ,die im ZvincoOT.enwirken mit der ersten, verstärkereingangsseitig liegenden Kapazität eine Versorgungsspannung teilt, wobei die dadurch zur Verfügung gestellte Versorgungstcilspanmmg durch das Kapazitätsverhältnis zwischen der ersten und der dritten Kapazität bestimmt ist, das so gewählt ist, dass die Teilspannung gleich der über den Vorspannungswiderstand auftretenden Vorspannung ist.

3. Elektronische Baugruppe nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet , dass die Kapazität des dritten kapazitiven Gliedes so festgelegt ist, dass die Summe der Kapazitäten des ersten und des dritten kapazitiven Gliedes gleich einer vorgegebenen Kapazität eines verstärkereingangsseitig vorgesehenen kapazitiven Gliedes ist, um so eine Sollfrequenz der Ausgangsschwingung des Oszillators zu erhalten.

4. Baugruppe nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Kapazität des dritten kapazitiven Gliedes so eingestellt ist, dass im Zusammenwirken mit dem ersten kapazitiven Glied im Schwingungskreis eine vorgegebene Schwxngungsfrequenz erhalten wird.

609837/OORA