DE2608026B1 - Monolithisch integrierte schaltung fuer einen rc-oszillator - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine monolithisch integrierte Schaltung für einen ÄC-Oszillator, dessen Kondensator zwischen zwei der maximalen und der minimalen Oszillatorspannung entsprechenden Spannungswerten aufgeladen bzw. entladen wird und einerseits mit dem Schaltungsnullpunkt und andererseits mit einem Anschluß der integrierten Schaltung sowie über eine Stromquelle mit dem spannungsführenden Pol der Betriebsspannungsquelle verbunden ist und der eine Schaltstufe mit einem der maximalen Oszillatorspannung entsprechenden Schwellwert aufweist, wobei dem Kondensator die Kollektor-Emitter-Strecke eines über die Schaltstufe bei Gleichheit der Spannung am Kondensator und des Schwellwertes der Schaltstufe leitend gesteuerten Schalttransistors parallel geschaltet ist.

Ein solcher ÄC-Oszillator ist im Prinzip aus der DT-OS 19 21 035 bekannt.

Die erwähnte Schaltstufe mit einem der maximalen Oszillatorspannung entsprechenden Schwellwert ist beim bekannten ÄC-Oszillator allerdings als zwei Schaltschwellen aufweisende Schwellwertschaltung ausgebildet, die die Entladeschaltung einschaltet, wenn die Kondensatorspannung die obere Ansprechschwelle erreicht, und abschaltet, wenn die Kondensatorspannung die untere Ansprechschwelle erreicht. Bei einer Ausgestaltung des bekannten /?C-Oszillators enthält die dortige Schwellwertschaltung einen Spannungsteiler, der die Spannung der oberen Ansprechschwelle bestimmt, wobei im Ansprechaugenblick der Schwellwertschaltung einem Teilwiderstand ein weiterer Widerstand parallel geschaltet wird, der wieder abgeschaltet wird, wenn die Kondensatorspannung die so entstandene untere Schaltschwelle erreicht.

Derartige Schwellwertschaltungen, deren Schwellwerte mittels eines Spannungsteilers vorgegeben werden, bestehen üblicherweise aus einem Differenzverstärker, an dessen einem Eingang der Spannungsteilerabgriff angeschlossen ist. Die untere Grenze für die untere Ansprechschwelle ist dabei durch die Basis-Emitter-Schwellspannung des am Abgriff liegenden Differenzverstärkertransistors bestimmt. Insbesondere bei Schaltungen mit nur einer Betrjebsspannungsquelle liegt die minimale Ansprechschwelle aufgrund des beiden Differenzverstärkertransistoren gemeinsamen Emitterwiderstandes jedoch höher.

Es ist daher mit der bekannten Schaltung nicht möglich, den vollen Betriebsspannungsbereich für die Oszillatorspannung auszunutzen, da die minimale Oszillatorspannung nicht nahe genug an das Potential des Schaltungsnullpunktes abgesenkt werden kann. Dieser Nachteil fällt um so mehr ins Gewicht, je kleiner die zur Verfügung stehende Betriebsspannung ist, d. h., speziell in batteriebetriebenen Geräten verschlechtert sich das Verhältnis von erreichbarem Hub der

Oszillatorspannung zu Batteriespannung gegen kleinere Batteriespannungen hin zusehends.

Die Aufgabe der Erfindung besteht daher darin, eine monolithisch integrierte Schaltung für einen /?C-Oszillator entsprechend dem Oberbegriff des Patenten-Spruchs I so auszubilden, daß sie die erwähnte Beschränkung hinsichtlich des die minimale Oszillatorspannung bestimmenden unteren Schwellwertes nicht mehr aufweist und daß somit bei entsprechender Wahl des oberen Schwellwertes ein möglichst großer Hub der Oszillatorspannung wählbar ist.

Diese Aufgabe wird durch die Maßnahmen des kennzeichnenden Teils des Patentanspruchs 1 gelöst.

Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.

Die Erfindung wird nun anhand der Figur der Zeichnung näher erläutert, die das Prinzipschaltbild einer Ausführungsform der Erfindung zeigt. Der ÄC-Oszillator nach der Figur enthält den frequenzbestimmenden Kondensator I₁ der mit seinem einen Anschluß am Schaltungsnullpunkt liegt, und die Stromquelle 2, die beispielsweise als an die Betriebsspannungsquelle Ui angeschlossener Widerstand 3 realisiert sein kann. Über die Stromquelle 2, die mit ihrem einen Anschluß am spannungsführenden Pol der Betriebsspannungsquelle Ub und mit ihrem anderen Anschluß am schaltungsnullpunktabgewandten Anschluß des Kondensators 1 liegt, wird dieser aufgeladen.

Der gemeinsame Anschluß von Kondensator 1 und Stromquelle 2 liegt an einem der äußeren Anschlüsse 4 der monolithisch integrierten Schaltung. Über diesen Anschluß 4 ist dem von außen an die integrierte Schaltung angeschlossenen Kondensator 1 die Kollektor-Emitter-Strecke des Schalttransistors 5 parallel geschaltet, über den in seinem leitenden Zustand der Kondensator 1 entladen wird.

Die Spannung am Kondensator 1 und somit auch am Anschluß 4 kann so lange ansteigen, bis sie praktisch dieselbe Amplitude erreicht hat wie diejenige Spannung, die am Abgriff des über der Betriebsspannungsquelle liegenden und aus den Widerständen 6, 7 bestehenden Spannungsteilers vorhanden ist. Dieser Abgriff und der Anschluß 4 liegen an den beiden Eingängen des als Schaltstufe 8 wirkenden Differenzverstärkers aus den Transistoren 9, 10. Die Basis des Transistors 9 liegt dabei am Kondensator 1 und am Anschluß 4, während die Basis des Transistors 10 am Abgriff des Spannungsteilers liegt. Die Transistoren 9, 10 sind mit den Kollektorwiderständen 11, 12 und dem gemeinsamen Emitterwiderstand 13 versehen, die sämtliche auch in bekannter Weise durch Konstantstromquellen ersetzt sein können.

Der Ausgang der Schaltstufe 8, der mit dem Kollektor des Transistors 9 identisch ist, liegt am S-Eingang des /?S-Flipflops 14, das somit gesetzt wird, wenn die Spannung am Kondensator 1 den mit dem Spannungsteiler 6, 7 eingestellten Schwellwert erreicht bzw. überschreitet.

Mit dem zum 5-Eingang des Ä5-Flipflops 14 gehörenden Ausgang ist die Basis des Schalttransistors 5 verbunden, so daß dieser durch das infolge des Setzens des ßS-Flipflops 14 an ihm entstehende Signal leitend gesteuert wird und somit, wie bereits erwähnt, den Kondensator 1 entlädt.

Der Basis-Kollektor-Strecke des Schalttransistors 5 ist die Basis-Emitter-Strecke des Transistors 15 parallel geschalte^, der so betrieben wird, daß er bei in Sättigung gesteuertem Schalttransistor 5 leitend gesteuert ist. Der Kollektor des Transistors 15 liegt über den Widerstand 16 an der Betriebsspannung Ub. Wird der Kondensator 1 durch den Schalttransistor 5 so weit entladen, daß an diesem nur noch seine Kollektor-Emitter-Sättigungsspannung abfällt, so wird der Transistor 15 leitend gesteuert und setzt das /?S-FIipflop 14 über dessen Ä-Eingang zurück, wodurch der Schalttransistor 5 wiederum gesperrt wird. Damit kann die Aufladung des Kondensators 1 über die Stromquelle 2 wieder beginnen. Als der minimalen Oszillatorspannung entsprechender Schwellwert dient die Sättigungsspannung des Schalttransistors 5.

Um zu erreichen, daß der Transistor 15 leitend gesteuert wird, wenn der Schalttransistor 5 in Sättigung gerät, gibt es mehrere Möglichkeiten. So kann über den mit den beiden Basen und dem zum 5-Eingang gehörenden Ausgang des ÄS-FIipflops 14 verbundenen Widerstand 17 bei entsprechender Bemessung ein den Schalttransistor 5 übersteuernder Strom in dessen Basis eingespeist werden, so daß seine Basis-Emitter-Schwellspannung derart erhöht wird, daß der Transistor 15 sicher aufgesteuert wird. Andererseits kann die Basis-Emitter-Schwellspannung des Transistors 15 im Vergleich zur Basis-Emitter-Schwellspannung des Schalttransistors 5 dadurch erniedrigt werden, daß dessen Basis-Emitter-pn-Übergangsfläche größer, z. B. um eine Größenordnung größer, bemessen wird als die des Schalttransistors 5. Durch diese alternativen Maßnahmen, die insbesondere bei npn-Transistoren sinnvoll sind, wie sie in der Figur für die Transistoren 5, 9, 10, 15 gezeigt sind, läßt sich erreichen, daß die Basis-Emitter-Schwellspannung des Transistors 15 kleiner wird als die um die Sättigungsspannung des Schalttransistors 5 verminderte Basis-Emitter-Schwellspannung dieses Transistors, so daß der Transistor 15 bei Sättigungsbetrieb des Schalttransistors 5 leitend ist.

Werden die Transistoren 5, 15 als pnp-Transistoren realisiert, so ist es besonders vorteilhaft, beide Transistoren mittels eines speziellen einzigen Lateraltransistors mit zwei Kollektoren zu realisieren, wobei der Kollektor des Transistors 15 bezüglich des Stromflusses »hinter« dem Kollektor des Schalttransistors 5 angeordnet, also diesem nachgeordnet bzw. nachgeschaltet sein muß. Zum Beispiel ist der Kollektor des Schalttransistors 5 vom Kollektor des Transistors 15 geschlossen umgeben. Ein derartiger Lateraltransistor hat die Eigenschaft, daß, wenn der zum »vor« dem Kollektor des anderen Kollektors angeordneten bzw. zum umschlossenen Kollektor gehörende Transistor in die Sättigung gerät, dieser Kollektor als Emitter des zum »hinter« dem Kollektor des anderen Kollektors angeordneten bzw. zum umschließenden Kollektor gehörenden Transistors wirkt, d.h. also, daß bei Sättigung des Schalttransistors 5 der Transistor 15 Strom zu führen beginnt. In diesem Fall kann auch auf den Kollektorwiderstand 16 des Transistors 15 verzichtet werden und der Ä-Eingang des ÄS-FIipflops 14 direkt vom umschließenden Kollektor angesteuert werden.

Werden die Transistoren 5, 15 als npn-Transistoren realisiert, so können sie zu einem Doppelemittertransistor zusammengefaßt werden, dessen erster Emitter am Schaltungsnullpunkt und dessen zweiter Emitter am Kollektorwiderstand 16 nach der Figur, der jetzt natürlich als Emitterwiderstand zu bezeichnen ist, und am ^-Eingang des /?S-Flipflops 14 liegt. Sobald der dem Schalttransistor 5 entsprechende Teiltransistor in Sättigung gerät, wirkt der zweite Emitter als Kollektor

eines invers betriebenen Teiltransistors, der den Ä-Eingang ansteuert.

Ferner ist es zweckmäßig, das /?S-Flipflop 14 in der sogenannten ^L-Technik zu realisieren, während die restlichen Bauelemente in üblicher Standard-Bipolar-Technik ausgeführt werden. Die Abkürzung PL entstammt der englischen Bezeichnung »Integrated Injection Logic« und meint eine spezielle Realisierung von bipolaren Logikschaltungen, vgl. »Elektronikpraxis«, Oktober 1975, Seiten 7 bis 10, und »Philips Technische Rundschau«, Bd. 33 (1973/74), Nr. 3, Seiten 82 bis 91.

Die monolithisch integrierte Schaltung nach der Erfindung weist eine gute Frequenzkonstanz auf, die insbesondere unabhängig von Schwankungen der Betriebsspannung ist. Die Schaltung ist schon bereits bei Betriebsspannungen von 0,8 V funktionsfähig, so daß sie insbesondere als Tonoszillator von batteriebetriebenen Weckeruhren ohne weiteres verwendet werden kann. Da derartige Weckeruhren üblicherweise mit Batterien von 1,5 V Nennspannung betrieben werden, die während ihrer Lebensdauer auf etwa 1 V absinkt, sind mit der integrierten Schaltung nach der Erfindung ausgerüstete Weckeruhren bis zum Ende der Lebensdauer der Batterie arbeitsfähig.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (9)

Patentansprüche:

1. Monolithisch integrierte Schaltung für einen ÄC-Oszillator, dessen Kondensator zwischen zwei "> der maximalen und der minimalen Oszillatorspannung entsprechenden Spannungswerten aufgeladen bzw. entladen wird und einerseits mit dem Schaltungsnullpunkt und andererseits mit einem Anschluß der integrierten Schaltung sowie über eine Stromquelle mit dem spannungsführenden Pol der Betriebsspannungsquelle verbunden ist und der eine Schaltstufe mit einem der maximalen Oszillatorspannung entsprechenden Schwellwert aufweist, wobei dem Kondensator die Kollektor-Emitter- '5 Strecke eines über die Schaltstufe bei Gleichheit der Spannung am Kondensator und des Schwellwertes der Schaltstufe leitend gesteuerten Schalttransistor parallel geschaltet ist, dadurch gekennzeichnet, daß als der minimalen Oszillatorspannung entsprechender Schwellwert die Sättigungsspannung des Schalttransistors (5) dient, daß der Ausgang der Schaltstufe (8) mit dem 5-Eingang eines ÄS-FIipflops (14) verbunden ist, daß die Basis des Schalttransistors (5) mit dem zum 5-Eingang gehörenden Ausgang des /?S-FIipflops (14) verbunden ist und daß der Basis-Kollektor-Strecke des Schalttransistors (5) die Basis-Emitter-Strecke eines bei in Sättigung gesteuertem Schalttransistor (5) leitend gesteuerten Transistors (15) gleicher Leitungsart parallel geschaltet ist, dessen Kollektor mit dem Ä-Eingang des /?S-Flipflops(14) verbunden ist.

2. Integrierte Schaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Transistor (15) bei in Sättigung gesteuertem Schalttransistor (5) dadurch leitend gesteuert ist, daß die Basis-Emitter-pn-Übergangsfläche des Schalttransistors (5) kleiner bemessen ist als die des Transistors (15).

3. Integrierte Schaltung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Basis-Emitter-pn-Übergangsfläche des Schalttransistors (5) um eine Größenordnung kleiner bemessen ist als die des Transistors (15).

4. Integrierte Schaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Transistor (15) bei in Sättigung gesteuertem Schalttransistor (5) dadurch leitend gesteuert ist, daß der Basis des Schalttransistors (5) ein zusätzlicher, ihn übersteuernder Strom zugeführt ist.

5. Integrierte Schaltung nach einem der Ansprüehe 1 bis 4 mit pnp-Transistoren für Transistor und Schalttransistor, dadurch gekennzeichnet, daß beide Transistoren (5, 15) zu einem Lateraltransistor mit zwei Kollektoren zusammengefaßt sind, von denen der des Transistors (15) bezüglich des Stromflusses dem des Schalttransistors (5) nachgeschaltet ist.

6. Integrierte Schaltung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Kollektor des Transistors (15) den des Schalttransistors (5) geschlossen umgibt.

7. Integrierte Schaltung nach einem der Ansprüehe 1 bis 4 mit npn-Transistoren für Transistor und Schalttransistor, dadurch gekennzeichnet, daß Schalttransistor (5) und Transistor (15) zu einem Doppelemittertransistor vereinigt sind, dessen erster Emitter am Schaltungsnullpunkt und dessen zweiter Emitter am als Emitterwiderstand dienenden Widerstand (16) und am /?-Eingang des /?S-Flipfiops (14) liegt.

8. Integrierte Schaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß das /?S-Flipfiop (14) in ^L-Technik realisiert ist und daß die restlichen Schaltungsteile in Standard-Bipolar-Technik' ausgeführt sind.

9. Integrierte Schaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß sie als Tonoszillator von batteriebetriebenen Weckeruhren verwendet wird.