DE2607045C3 - Elektronische Schaltung mit einem Verstärker - Google Patents
Elektronische Schaltung mit einem VerstärkerInfo
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Description
45
Die Erfindung bezieht sich auf eine elektronische Schaltung mit einem Verstärker mit wenigstens einem
Isolierschicht-Feldeffekttransistor als Verstärkungselement (MlSFET-Verstärker) und einem zwischen Eingang
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 "
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
allgemeinen eine hohe Eingangsimpedanz hat Bei 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
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 Os3tillatorkreis 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-Kana!-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
gebräuchlicherweise 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 MISFET-Verstärkern auf, wenn nur an der Eingangsseite des Verstärkers zwangsläufig parasitäre
Kapazitäten auftreten, beispifilsweit? 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 m 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 QNt und einen
p-Kanal-MISFET QP1 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 Begren- 2»
zung des Ausgangsstroms dient Dadurch wird der Leistungsabfall vermindert und werden Ausgangsstromschwankungen
absorbiert Solche .iusgangsstromschwankungen
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 Wellenfor- «j
mer wirkt Der Wechselrichter enthält einen n-Kanal-MISFET QN2 und einen p-Kanal-MISFET QPZ Das
am Ausgang des Wechselrichters 2 auftretende geformte Wellensignal wird gleichzeitig über einen
Inverter auf einen zweiten Eingang des Frequenzteilers 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 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 Wechselrichter, der ebenfalls aus einem
n-Kanal-MISFET QN4 und einem p-Kanal-MISFET QP 4 besteht
Bei der zuvor beschriebenen NfilSFET-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 Spannungsabfali in der Batterie E bei tiefen
Temperaturen aufgrund des hohen Innenwiderstandes r.
Der Speüespannungsabfall verursacht in der in F i g. 1
gezeigten Baugruppe folgende Probleme: In dem Verstärker des Oszillators 1 liegt ein Vorspannungs- v>
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
(Fig.2). Dies ist darauf zurückzuführen, daß der t>n
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 <>">
des Speisespannungsabfalls und entspricht beispielsweise der in Fig.2 gezeigten Kennlinie Γ. 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 zu
hoch 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 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 Verzögerungszeitspanne der Vor-. spannungseinstellung 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 vermeidbar.
Diese Nachteile werden durch die Erfindung behoben, die anhand der in den Fig.3 bis 7 gezeigten
Ausführungsbeispiele näher erläutert ist
In der F i g. 3 ist ein komplementärer MISFET-Oszillator
gezeigt Der Schwingkreis besteht aus einem komplementären MISFEI-Verstärker, in dem ein
Vorspannungswiderstand RF zwischen dem Eingangsanschluß und dem Ausgangsanschluß eines Wechselrichters
liegt, der seinerseits aus einem r-Kanal-MIS-FET
QNund einem p-Kanal-MISFET QPbesteht. Eine
Mitkopplung besteht aus einem Quarzschwinger QQ 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 CG' hat Die Einstellung
der Bedingung CG"= CG' dient dem Zweck, die aus der Speisespannung abgeleitete Teilspannung, die
Qurch die Kapazitäten CG"und CG'bestimmt ist, gleich
einer Eingangsvorspannung zu setzen, die ihrerseits durch den Vorspannungswiderstand ÄFbestimmt und in
dem hier beschriebenen Ausführungsbeispiel auf -VDDI2 gesetzt ist. Zur Einstellung einwandfreier
Schwingungsbedirgungen wird jeder der Kondensatoren CG"upd 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-
gungsspannungsanschluB und dem Masseanschluß, so daß durch Versorgungsspannungsschwankungen kein«
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. I, 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
M ein stabiles Frequenzsignal zur Verfugung steht. Das Nachgehen einer mit dem in Fig. 4 gezeigten
elektronischen Uhrwerk angetriebenen Uhr ist daher ausgeschaltet.
hend 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 Obertragungskennlinie des in F i g. 6
dargestellten MISFET-Verstärkers ist in Fi g. 7 gezeigt.
Die in der F i g. 7 gezeigte Übertragungskennlinie / unterscheidet sich von denen gebräuchlicher MISFET-Verstärker. Die Vorspannung VG, die durch den
Vorspannungswiderstand RF bestimmt ist, ist ungleich - VDDIl. 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
ge^eigi, uci euciiiaus ucn ivici Kiiidicii uci
Erfindung entsprechend aufgebaut ist. Die Kondensatoren CG \ 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 Fig. 5 gezeigten Verstärker
folgt die Vorspannung der durch Versorgungsspannungsschwankungen verursachten Verschiebung der
Übertragungskennlinie des Verstärkers aus den vorste-
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.
Claims (4)
1. Elektronische Schaltung mit einem Verstärker mit wenigstens einem Isolierschicht-Feldeffekttransistor
als Verstärkungselement (MISFET-Verstärker) und einem zwischen Eingang und Ausgang
geschalteten Vorwiderstand, gekennzeichnet durch ein kapazitives Element (Cg \X das zwischen
dem Verstärkereingang und der Speisespannungs- ι ο
klemme (—Vdd) liegt und mit der parallel zum Steuereingang bzw. zwischen Verstärkereingang
und der anderen Speisespannungsklemme bzw. -masse wirkenden Eingangskapazität (Co2) eine
Reihenschaltung bildet, so daß die Vorspannung des >5
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 EIe- 2U
ment (Cc \f öerart 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
Vorwiderstand (Rf) bestimm ten Vorspannung ist
3. Elektronische Schaltung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Eingangskapazität
(Ca) und das kapazitive Element (Cot) 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 (Car) so bestimmt ist daß die Gesamtkapazität der Eingangskapazität
(Cc) und des ersten kapazitiven Elements (Car) gleich einer am Eingang des Verstärkers (Qp, Qn)
vorzusehenden vorbestimmten Kapazität ist so daß der Oszillator mit einer vorbestimmten Frequenz
schwingt
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