DE2607045B2 - Elektronische Schaltung mit einem Verstärker - Google Patents

Description

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Die Erfindung bezieht sich auf eine elektronische Schaltung mit einem Verstärker mit wenigstens einem Isolierschicht-Feldeffekttransistor als Verstärkungselement (MISFET-Verstärker) und einem zwischen Ein- ^r>° gang und Ausgang geschalteten Vorwiderstand.

Bei Verwendung von Isolierschicht-Feldeffekttransistoren als Verstärkerelement in elektronischen Schaltungen ist am Eingang des Verstärkers entweder ein externes kapazitives Element vorgesehen, oder es ^r>l> besteht am Eingang notwendigerweise eine parasitäre Kapazität, so daß die Entlade-Zeitkonstante für eine an dieser Stelle bestehende Ladespannung verhältnismäßig groß ist, da der Isolierschicht-Feldeffekttransistor im aligemeinen eine hohe Eingangsimpedanz hat. Bei ^b" derartigen Schaltungen besteht der Nachteil, daß zeitweilig eine unerwünschte Verschiebung der Vorspannung des Verstärkers besteht, wenn sich die Spannung der Spannungsquelle, beispielsweise einer Trockenbatterie, plötzlich ändert. Die am Eingang des ⁶^ Verstärkers bestehende Kapazität führt nämlich infolge ihrer Aufladung zu einem falschen Ausgangssignal der elektronischen Schaltung. Im folgenden wird diese Schwierigkeit am Beispiel der Anwendung des Verstärkers am Oszillatorkreis einer elektronischen Uhr erläutert

Ein gebräuchlicher Komplementäroszillator 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 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 gebräuchlicjierweise 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 Spannungsabfall 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 des Vorspannungspunktes durch eine Veränderung der Speisespannung tritt auch bei M ISFET-Verstärkern auf, wenn nur an der Eingangsseite des Verstärkers zwangsläufig parasitäre Kapazitäten auftreten, beispielsweise Steuerbereichskapazitäten oder elektrostatische Kapazitäten zwischen den Leiterbahnen.

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

Der im kennzeichnenden Teil des Patentanspruchs 1 beschriebenen Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, die elektronische Schaltung der gattungsgemäßen Art so auszubilden, daß die Drift des Vorspannungspunktes und die Empfindlichkeit gegen Änderungen der Speisespannung verhindert wird.

Bevorzugte Weiterbildungen und Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Patentansprüche 2 bis 4.

Die Erfindung wird im folgenden anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigt

Fig. 1 eine MISFET-Komplementärschaltung für Uhren nach dem Stand der Technik;

F i g. 2 in graphischer Darstellung das Übertragungsverhalten der Baugruppe zur Erläuterung einer Methode zur Bestimmung der Vorspannung;

Fig.3 einen MISFET-Komplementär-Oszillator mit der Verkörperung eines Ausführungsbeispiels der Erfindung;

Fig.4 eine MISFET-Komplementärschaltung unter Verwendung des in F i g. 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 Übertragungskennlinie zur Erläuterung eines Verfahrens zur Bestimmung der Vorspannung in der in F i g. 6 gezeigten Schaltung.

In der F i g. 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 QNi und einen p-Kanal-MISFET QPi enthält Zwischen dem Eingang und dem Ausgang des Verstärkers liegt eine positive Rückkopplung, die einen Quarzschwinger QO und Kondensatoren CD und CG enthält Am Ausgang des Verstärkers liegt ein Widerstand RD, der der Begrenzung des Ausgangsstroms dient Dadurch wird der Leistungsabfall vermindert und werden Ausgangsstromschwankungen absorbiert Solche Ausgangsstromschwankungen können verschiedene Ursachen haben, beispielsweise auf eine Speisespannungsdrift r. 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 Wellenfor- >< > mer 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 Ji 3 gegeben. Dem Frequenzteiler 3 ist eine Steuerschaltung 4 nachgeschaltet. Die Steuerschaltung 4 weist zwei Ausgänge auf, die alternierend je Sekunde einen Impuls führen. Dieses Irrpulssignal 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 Wechselrichter, der ebenfalls aus einem n-Kanal-MISFET QN4 und einem p-Kanal-MISFET ·π QP 4 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 ^r>" starken Spannungsabfall in der Batterie E bei tiefen Temperaturen aufgrund des hohen Innenwiderstandes r.

Der Speisespannungsabfall verursacht in der in F i g. 1 gezeigten Baugruppe folgende Probleme: In dem Verstärker des Oszillators 1 liegt ein Vorspannungs- ^r>^r> punkt A des Verstärkers auf der Übergangskennlinie / des Verstärkers wobei dieser Punkt als der Punkt auf der Übergangskennlinie definiert ist, in dem die Eingangsspannung gleich der Ausgangsspannung ist (F i g. 2). Dies ist darauf zurückzuführen, daß der f> <> 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 Übertragungskennlinie des Verstärkers nach Maßgabe t>^r> des Speisespannungsabfalls und entspricht beispielsweise der in Fig.2 gezeigten Kennlinie 1'. Dagegen wird aber die über den Vorspannungswiderstand RF auftretende und aufrechterhaltene 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 tu hoch gegenüber dem neuen logischen Schwellenpegel des Verstärkers so daß der n-Kanal-MISFET QNi bis dicht an seinen Löschzustand heran abfällt Der Pegel des Ausgangssignals nähert sich dadurch dem Maßpegel, was schließlich dazu führt, daß die Ausgangsfrequenz vom Normal abweicht und unbrauchbar ist Die Vorspannung läuft dann selbstverständlich auf den Sollpunkt A' auf der neuen Übertragungskennlinie /' herab, wobei diese Verzögerungszeittpanne der Vorspannungseinstellung durch den Wert des Vorspannungswiderstandes ÄFbestimmt 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 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 vermcidbar.

Diese Nachteile werden durch die Erfindung behoben, die anhand der in den F i g. 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 dem Ausgangsanschluß eines Wechselrichters liegt, der seinerseits aus einem n-Kana!-MIS-FET QNund einem p-Kanal-MISFET QPbesteht. 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 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 CC hat Die Einstellung der Bedingung CG"= CG' dient dem Zweck, die aus der Speisespannung abgeleitete Teilspannung, die durch die Kapazitäten CG"und CCbestimmt ist, gleich einer Eingangsvorspannung zu setzen, die ihrerseits durch den Vorspannungswiderstand ÄFbestimmt und in dem hier beschriebenen Ausführungsbeispiel auf — VDD/2 gesetzt ist. Zur Einstellung einwandfreier Schwingungsbedingungen wird jeder der Kondensatoren CC'und CG'so gewählt, daß seine Kapazität gleich der halben Kapazität auf der Eingangsseite des Oszillators 1 in F i g. 1 ist, also halb so groß wie die des Kondensators CG.

Bei dem vorstehend beschriebenen Oszillator, der unter Verwendung der Prinzipien der Erfindung aufgebaut ist, liegen die Kapazitäten auf der Eingangsseite des Verstärkers in Reihe zwischen dem Versor-

gungsspannungsanschluß 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 Ausgangssignals vom Normal unterdrückt ist.

In der F i g. 4 ist ein elektronisches Uhrwerk mit einer komplementären MISFET-Schaltung gezeigt, in der der Oszillator nach Fig.3 verwendet ist. In den Fig. 1, 3 und 4 sind gleiche Bauteile mit gleichen Bezugszeichen versehen. Die Signalfrequenz des in Fig.4 gezeigten Oszillators 1 ist unabhänig von Versorgungsspannungsschwankungen, so daß zum Antrieb des Impulsmotors Mein stabiles Frequenzsigna! 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 CG 1 und CG 2 des Verstärkers haben praktisch die gleichen Kapazitäten; sie liegen einseitig an der Versorgungsspannung bzw. an Masse. Der masseseitige Kondensator CG 2 kann durch eine parasitäre Kapazität ersetzt sein. In dem in F i g. 5 gezeigten Verstärker folgt die Vorspannung der durch Versorgungsspannungsschwankungen verursachten Verschiebung der Übertragungskennlinie des Verstärkers aus den vorstehend beschriebenen Gründen. Der Verstärkerausgang ist daher wechselstromartig stabilisiert.

Ein weiterer MISFET-Verstärker, in dem die Merkmale der Erfindung verkörpert sind, ist in F i g. 6 gezeigt. Kernstück des Verstärkers ist ein Wechselrichter aus einem p-Kanal-MISFET und einem Lastwiderstand RL Zwischen dem Eingangsanschluß und dem Ausgangsanschluß des Wechselrichters liegt ein Widerstand RF. Die Übertragungskennlinie des in Fig.6 dargestellten M ISFET-Verstärkers ist in F i g. 7 gezeigt. Die in der Fig.7 gezeigte Übertragungskennlinie / unterscheidet sich von denen gebräuchlicher MISFET-Verstärker. Die Vorspannung VG, die durch den Vorspannungswiderstand RF bestimmt ist, ist ungleich - VDDI2. Die Vorspannung VG liegt auf der Übertragungskennlinie / 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 CG 1 und CG 2 bestimmt ist, so eingestellt, daß sie gleich der Vorspannung VG ist.

In der vorstehend beschriebenen Weise ist die Erfindung 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

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims (4)

Patentansprüche:

1. Elektronische Schaltung mit einem Verstärker mit wenigstens einerrn Isolierschicht-Feldeffekttransistor als Verstärkungselement (MISFET-Verstärker) und einem zwischen Eingang und Ausgang geschalteten Vorwiderstand, gekennzeichnet durch ein kapazitives Element (Cc ιJl das zwischen dem Verstärkereingang und der Speisespannungs- i« klemme (—Vdd) liegt und mit der parallel zum Steuereingang bzw. zwischen Verstärkereingang und der anderen Speisespannungsklemme bzw. -masse wirkenden Eingangskapazität (Cc 2) eine Reihenschaltung bildet, so daß die Vorspannung des Isolierschicht-Feldeffekttransistors sich bei einer plötzlichen Änderung der Speisespannung schnell auf einen vorbestimmten Wert ändert

2. Elektronische Schaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das kapazitive EIement (Co !^derart bemessen ist, daß eine Teilung der Speisespannung in dem Sinne erfolgt, daß die durch das kapazitive Element und die Eingangskapazität bestimmte Teilspannung gleich der durch den Vorwidenjtand (R_F) bestimmten Vorspannung ist

3. Elektronische Schaltung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Eingangskapazität (Cg 2) und das kapazitive Element (Co \) zusammen mit einem zwischen Eingang und Ausgang geschalteten induktiven Element (Qo) und einem zweiten kapazitiven Element (Cd) am Ausgang eine positive Rückkopplungsschaltung bilden, so daß der Verstärker als Oszillator arbeitet

4. Elektronische Schaltung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Kapazität des ersten kapazitiven Elements (Cc 2·) so bestimmt ist, daß die Gesamtkapazität der Eingangskapazität (Cg) und des ersten kapazitiven Elements (C_c2) gleich einer am Eingang des Verstärkers (Qp, Q_n) vorzusehenden vorbestimmten Kapazität ist, so daß der Oszillator mit einer vorbestimmten Frequenz schwingt