DE2616678A1

DE2616678A1 - Oszillatorschaltung

Info

Publication number: DE2616678A1
Application number: DE19762616678
Authority: DE
Inventors: Osamu Yamashiro
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1975-04-21
Filing date: 1976-04-15
Publication date: 1976-11-04
Also published as: DE2616678B2; US4039973A; JPS51123044A; NL7604179A

Description

Oszillatorschaltung

Die Erfindung betrifft eine Oszillatorschaltung mit einem Metallisolationshalbleiter-(MIS)-Inverter, der mit einem Schwingquarz in einem Rückkoppelkreis liegt. Die Erfindung betrifft insbesondere eine Auslöse- oder Treiberschaltung in einer Oszillatorschaltung und speziell eine Auslöseschaltung, die für eine quarzgesteuerte Oszillatorschaltung mit einem Metallisolatorhalbleiter-(MIS) -Invert er und speziell mit einem Komplementär-Metalloxidhalbleiter (G-MOS)-Inverter geeignet ist.

Oszillatorschaltungen in der Komplementär-MOS-Bauweise sind allgemein bekannt und beispielsweise in dem Artikel von S.S. Eaton, RCA Application Note, IACN 6539, Januar 1971, Seiten 192 bis 205 beschrieben.

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Herkömmliche Ossiilatorschaltungen mit Eoniplementär-IlOS-Irsvertern benötigen jedoch zur Schwingungsaiislösung, d, h. für den Einachwingvorgang mehrere Sekunden, manchmal sogar über 10 Sekunden. Für die Montage, die Einstellung und die Funktionsprüfung muss daher veiniältnismässig viel Zeit aufgewendet werden. TJm diesen Zeitraum zu verkürzen, ist es möglich, einen grösseren Strom fliessen au lassen, um die Auslöseenergie für den Eomplementär-KOS-Inverter zu erhöhen. Bei diesem Verfahren fliesst jedoch der grossere Strom auch nach der Schwingungsauslösung, also auch dann, wenn die Oszillatorschaltung normal schwingt und sich im statischen Zustand befindet. Daher wird der Leistunesverbrauch sehr hoch.

Insbesondere dann, wenn eine Oszillatorschaltung als Standard-Frequenzgenerator in einer elektronischen Armbanduhr verwendet werden soll, werden erhebliche Forderungen gestellt, die Versorgungsspannung und die Verlustleistung klein zu halten. Auch dann, wenn der Inverter·' der Oszillator schaltung mit Komplementär-MOS-Elementen in der Silicon-Gate-Technik hergestellt wird, ist der Leistungsverbrauch bei den herkömmlichen Oszillatorschaltungen recht hoch.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Auslöse-(oder Treiber-)· Schaltung für eine Oszillatorschaltung mit einem Metallisolatorhalbleiter (MIS)-Inverter, der mit einem Schwingquarzoszillator in einem Rückkoppelkreis liegt, zu schaffen, die eine Auslösung bzw. ein Anstossen der Oszillation in kurzer Zeit ermöglicht, ohne dass dadurch der Leistungsverbrauch beim normalen Oszillatorbetrieb, also im statischen Zustand ansteigt.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäss durch die in den Ansprüchen 1, 2 und 6 angegebenen Oszillatorschaltungen gelöst.

Vorteilhafte Ausgestaltungen der erfindungsgemässen Oszillatorschaltungen sind in den UnteranSprüchen angegeben.

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Die Erfindung schafft eine. Auslöse- (oder Treiber-)-Schaltung für eine Oszillatorschaltung mit einem Metallisolatorhalbleiter (MlS)-Inverter, welcher zusammen mit einem- Schwingquarzoszillator in einem Rückkoppelkreis liegt, wobei diese Auslösecchaltung innerhalb kurzer Zeit eine Schwingungsauslösung ermöglicht, ohne dass dadurch der Leistungsverbraucht im Normalbetrieb, wenn sich also die Schwingung eingeschwungen hat, ansteigt.

Die Erfindung schafft weiterhin eine Auslöseschaltung für eine quarzgesteuerte Oszillatorschaltung, in der zwei Inverter in Reihe geschaltet werden, um den Verstärkungsfaktor der O&zillatorschaltung zu Beginn der Schwingung zu erhöhen, wobei ein Inverter von der Schaltung abgeschaltet wird, wenn sich die Schwingung eingeschwungen hat, bzw. wenn der Oszillator im Normalbetrieb arbeitet.

Die erfindungsgemässe Auslöseschaltung ist besonders für Oszillatorschaltungen von Armbanduhren geeignet, wobei die für diesen Zweck vorgesehenen Oszillatorschaltungen gemäss der Erfindung eine grosse Antriebsleistung und im normalen Schwingungszustand einen geringen Leistungsverbrauch aufweisen und darüberhinaus In integrierter Bauweise hergestellt werden können.

Die vorliegende Erfindung schafft also eine quarzgesteuerte Oszillatorschaltung mit einem Komplementär-MOS-Inverter, der zusammen mit einem Schwingquarz in einem Rückkoppelkreis liegt, wobei eine Auslöseschaltung vorgesehen ist, die einen zusätzlichen Komplementär-MOS-Inverter umfasst. Dieser zusätzliche Komplementär-MOS-Inverter liegt nur zum Zeitpunkt des Einschaltens der Oszillatorschaltung, also beim Auslösen der Oszillatorschwinung zum MOS-Inverter parallel. Die Oszillatorschaltung weist zum Zeitpunkt der Schwingungseinschaltung oder des Auslösens der Schwingung eine Parallelschaltung zweier Komplementär-MOS-Inverter auf, so dass eine grosse Ansteuerleistung und eine kurze Oszillator-Anstoss- oder Einschaltzeit erreicht werden kann. Auf Grund dessen, dass ein Komplementär-MOS-Inverter dann, wenn, der Oszillator normal schwingt, abgeschaltet wird, wird der Lei-

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stungsverbrauch reduziert.

Die Erfindung wird nachstehend anhand der Zeichnungen beispielsweise näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 eine Ausführungsform der Auslöseschaltung für eine erfindungsgemässe Oszillatorschaltung und

Fig. 2 der zeitliche Verlauf von Schwingungsformen von Signalen, die an verschiedenen Schaltungspunkten der in Fig. 1 dargestellten Schaltung auftreten, anhand denen die Arbeitsweise der in Fig. 1 dargestellten Schaltung erläutert wird.

In Fig. 1 ist eine Ausführungsform der Auslöseschaltung, nämlich der Treiberstufe in einer Oszillatorschaltung dargestellt, in der ein MIS-Inverteroszillator 1, d. h. ein Komplementär-MOS-Inverteroszillator 1 (der in Fig. 1 strichliniert umrandet ist) einen in einer Rückkoppelschleife liegenden Quarz C , einen P-Kanal-MOSFET T₁, einen N-Kanal-MOSFET T₂, Widerstände R₁ und R₂ und Kondensatoren C₁ und C₂ enthält. Hierbei können auch andere MISFETs für die MOSFETs verwendet werden. Die Source-Elektrode des P-Kanal-MOSFETs T₁ ist mit der negativen Versorgungssp annungskl emme 4- (-Vg), die Gate-Elektrode mit einem Anschluss des Widerstandes R₁ und einem Ausgang 2 und die Drain-Elektrode mit dem anderen Anschluss des Widerstandes R₁ und dem anderen Anschluss des anderen Widerstandes R₂ verbunden. Die Source-Elektrode des N-Kanal-MOSFET T₂ steht mit einer Anschlussklemme 5 für die positive Versorgungsspannung (+Vg), die Gate-Elektrode mit der Gate-Elektrode des MOSFET T₁ und die Drain-Elektrode mit der Drain-Elektrode des MOSFET T₁ in Verbindung. Der andere Anschluss des Widerstandes R₂ liegt an einem Ausgang 3· Der Eingang 2 und der Ausgang 3 liegen über die Kondensatoren C₁ bzw. C₂ an Masse. Zwischen dem Eingang 2 und dem Ausgang 3 liegt der Schwingquarz C .

Ein weiterer Kompiementär-MOS-Inverter 6_S oder allgemeiner ein · weiterer MIS-Inverter 6 (der in Fig. 1 strichliaiert umrandet

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ist), der nur zum Zeitpunkt der Einschaltschwingung parallel zum Komplementär-MOS-Inverter liegt, enthält P-Kanal-MOSFETs T₅ und T^ und N-Kanal-MOSFETs T₅ und T₅. Die Drain-Elektrode des P-Kanal-MOSFETs T, ist mit der Anschlussklemme 4 für die negative Spannung und die Gate-Elektrode mit dem Ausgang eines Inverters

13 verbunden. Die Source-Elektrode des P-Kanal-MOSFETs T^ ist mit der Source-Elektrode des HOSi¹ETs T₅, die Gate-Elektrode des P-Kanal-MOSFETs,T^ ist mit der Gate-Elektrode des MOSFETs T₁ und die Drain-Elektrode des P-Kanal-MOSFETs T^ ist mit der Drain-Elektrode des MOSi¹ETs T^ verbunden. Die Drain-Elektrode des N-Kanal-MOSFETs T₅ ist mit der Drain-Elektrode des MOSFETs T und die Gate-Elektrode des N-Kanal-MOSFETs T,- ist mit der Gate-.Elektrode des MOSFETs T₂ verbunden. Die Source-Elektrode des N-Kanal-MOSFETs T₆ ist mit der Source-Elektrode des MOSFETs T^, die Gate-Elektrode des N-Kanal-MOSFETs T₆ ist mit dem Eingang des MOS-Inverters 13 und die Drain-Elektrode des N-Kanal-MOSFETs T^ ist mit der Versorgungsquelle 5 für die positive Spannung C+V-g) verbunden. Beispielsweise kann das Massepotential als positive Spannung +V-g verwendet werden. Weiterhin ist ein Frequenzteiler 16 mit dem Ausgang des Oszillators 1 über Inverter

14 und 15 verbunden, die der Formung der Schwingungsfοrm bzw. der Impulsformung und dem Ströben bzw. dem Abtasten (strobing) dienen. Diese Schaltungsteile können-vorteilhafterweise zusammen mit der Auslösesteuerschaltung, die nachfolgend noch beschrieben werden wird, mit Ausnahme des Schwingquarzes C in einem Halbleiterbaustein integriert sein, wobei der Schwingquarz C extern angeschlossen wird. Entsprechend den gewünschten Konstanten für die Oszillatorschaltung können die Kondensatoren C_x, und C₂ und/oder die Widerstände R^ und R₂ auch ausserhalb des integrierten Bauteils liegen und von aussen angeschlossen werden, normalerweise sind diese Bauteile jedoch ebenfalls integriert.

Anhand der in Fig. 2 dargestellten Schwingungsformen soll der Aufbau und die Arbeitsweise der Auslösesteuerschaltung beschrieben werden, die dazu dient, die MOS-Inverterschaltung 6 und den MOS-Inverteroszillator 1 in einer Parallelschaltung zu verbinden.

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Wenn ein (nicht dargestellter) Schalter für die Versorgungs- · spannung eingeschaltet wird, wie dies in Fig. 2 durch die Schwingungsform s dargestellt ist, wird an die Spannungsversorgungsanschlüsse 4·, 5i 7 bzw. 8 eine Versorgungs spannung angelegt. Die Spannung am Schaltungspunkt a fällt auf einen Spannungswert -V-g (niederen Pegel) mit einer Zeitkonstante exponentiell ab, die durch die Werte des Widerstandes R-z und des Kondensators C-, vorgegeben ist. Dieser am Schaltungspunkt a auftretende Span- - nungsverlauf a ist in Fig. 2 dargestellt. Dann ändert sich die Spannung am Punkt b, die durch die Inverter 9 und 10, die die Schwingungsform bzw. die Impulse formen und stroben, vom hohen P«gel ("1") in den niederen'Pegel ("0") nach einer bestimmten Zeit, die durch die Zeitkonstante vorgegeben ist, d. h. die Spannung am Schaltungspunkt a erreicht die digitale Schwellwertspannung, wie dies durch die Schwingungsform b in Fig. 2 dargestellt ist. Dann wird ein aus zwei UOR-Gliedem bestehender RS-Flip-Flop 12 rückgesetzt und stellt eine Ausgangsspannung mit niederem Pegel bereit. Der RS-Flip-Flop ' 12 liefert also eine Spannung mit niederem Pegel an die Gate-Elektrode des MOS-FETs Tg und über den Inverter 13 eine Spannung mit niederem Pegel an die Gate-Elektrode des MOSFETs T₅.Die'MOSFETs T₅ und T₆ werden daher in den leitenden Zustand versetzt und demzufolge wird der Komplementär-MOS-Inverter 6 parallel zum Komplementär-MOS-Inverter dem Komplementär-MOS-Inverter-Oszillator U; geschaltet. Da die Schwingungsauslösung mit zwei MOS-Invertern durchgeführt wird, wird der Verstärkungsfaktor der Oszillatorschaltung erhöht, d. h. die die Oszillatorschwingung auslösende Kraft wird erhöht und dadurch die Oszillator-Auslösezeit verringert. Im vorliegenden Falle können die Kondensatoren C-, und C^ in.einer monolithischen integrierten Schaltung durch Ausnützen der Streukapazität der MOS-Transistoren gebildet werden.

Der Spannungspegel am Ausgang d des Frequenzteilers 16 bleibt auf einen niederen oder hohen Pegel und ändert sich nicht, bevor die Schwingung beginnt. Daher· liegt am Schaltungspunkt f am Ausgang eines exklusiven ODER-Gliedes 18 ein hoher Pegel an, wobei' diesem exklusiven ODER-Glied 18 der Spannungspegel" am

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Sch'altungspunkt d und die vom MOS-Inverter 17 invertierte Spannung zugeführt wird. Die Ausgangsspannung des exklusiven ODER-Gliedes 18 wird einem Eingang eines NOR-Gliedes 11 zugeleitet, dessen 'Ausgang mit dem Rücksetzanschluss des RS-Flip-Flops 12 . verbunden ist. Das NOR-Glied 11 erhält über den anderen Eingang t._r £ die am Schaltungspunkt b auftretende Spannung zugeführt. Daher ^r" wird der RS-Flip-Flop 12 zum Zeitpunkt des Einschaltens gelöscht gehalten.

Wenn die Schwingung in der Inverteroszillatorschaltung 1 ausgelöst worden ist und die Spannung am Schaltungspunkt d abwechselnd den hohen und den niederen Spannungspegel einnimmt, wie. dies in Fig. 2 anhand der Schwingungsform d dargestellt ist, tritt am Schaltungspunkt e hinter dem Inverter 17 die in Fig. 2 durch die Schwingungsform e dargestellte Spannung mit Spannungsänderungen auf, die durch das Produkt des Widerstandswertes: des Inverters 17 und des Wertes des Kondensators CL vorgegebene Zeitkonstante festgelegt ist. Daher tritt am Schaltungspunkt f bei Jeder Änderung des Spannungspegels am Schaltungspunkt, e für einen Zeitraum- eine- Spannung mit niederen Pegel auf, die durch diese Zeitkonstante vorgegeben ist (vgl. die Schwingungsform' f in Fig. 2). Dann stellt das NOR-Glied 11 ein hohen Aus- ■ gangssignal bereit, das den RS-Flip-Flop 12 rücksetzt. Der RS-Flip-Flop 12 liefert infolgedessen eine Spannung mit hohem Pegel an die Gate-Elektrode des MOSFETs Tg und eine Spannung mit niederem Pegel an die Gate-Elektrode des MOSFETs T,, so dass diese beiden MOSFETs in den.nicht leitenden Zustand übergehen.

Der Komplementär-MOS-Inverter 6 ist während der normalen Schwingungszeit mit Ausnahme der Einschaltperiode, d. h. der Auslöse-, periode vom Komplementär-MOS-Inverteroszillator 1 getrennt. Daher ist der Leistungsverbrauch in der Zeit, in der eine normale Schwingung vorliegt, gering.

Es sei in diesem Zusammenhang noch erwähnt, dass der Frequenzteiler nicht notwendigerweise in der in Fig. 1 dargestellten Schaltung erforderlich, ist. Er kann auch weggelassen werden und

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die Ausgangssignale der Inverter 14 und 15 können direkt als Rücksetzsignale dienen.

Wenn die erfindungsgemässe Schaltung bei einer elektronischen · Armbanduhr verwendet werden soll, kann der Frequenzteiler 16 als Frequenzteiler-Schaltungsteil zum Frequenzteilen der Stanj·. dard-Oszillatorfrequenz des Oszillators, also der Frequenz tj: von 16 384 Hz verwendet werden. Der Frequenzteiler 16 kann auch durch eine an sich bekannte Schaltung ersetzt werden, die das Ausgangssignal der Inverterschaltung in der Oszillatorschaltung in Rechteck-Oszillatorschwingungen umsetzen kann.

• Bei der zuvor beschriebenen Ausführungsform wurde der Inverter der Oszillatorschaltung von Komplementär-MOS-Transistoren gebildet. Anstelle der Komplementär-MOS-Transistören können natürlich auch andere MIS-Transistoren mit MOS-Transistoren verwendet werden. Darüberhinaus kann auch die Steuerung, durch die der Inverter der Auslöseschaltung gemäss der Erfindung parallel zum Inverter des Oszillators geschaltet wird, auf verschiedenste Weise abgewandelt werden. Selbstverständlich bestehen für die erfindungsgemässe Schaltung vielfältige Anwendungsmöglich- ' keiten, auch über elektronische Uhren und elektronische Armbanduhren hinaus.

Wie bereits zuvor beschrieben wurde, lässt sich mit der erfindungsgemässen Auslöseschaltung in einer Oszillatorschaltung deshalb, weil zwei Komplementär-MOS-Inverter lediglich während der Schwingungs-Auslösezeit zueinander parallel geschaltet sind, die Antriebs- bzw. Auslöseenergie vergrössern, die Oszillations-Auslösezeit verkürzen und der Leistungsverbrauch während des normalen Schwingens der Oszillatorschaltung verringern.

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Claims

Patentansprüche

Oszillator schaltung mit einem Metallisolatorhalbleiter-(MIS)-Inverter, der mit einem Schwingquarz in einem Rückkoppelkreis liegt, gekennzeichnet durch Einrichtungen, um den· Verstärkungsfaktor der Oszillatorschaltung (1) zum Zeitpunkt des Auslösens der Oszillatorschaltung (1) gegenüber dem Verstärkungsfaktor der Oszillatorschaltung (1) während des normalen Oszillatorbetriebes zu vergrössern.
2. Oszi'llatorschaltung mit einem Metallisolatorhalbleiter-(MlS)-Inverter, der mit einem Schwingquarz in einem Rückkoppelkreis liegt, gekennzeichnet durch einen zusätzlichen . " MIS-Inverter (T^, Tc) und Inverterverbindungseinrichtungen, die den zusätzlichen MIS-i-Invert er (T^, Tc) zum Zeitpunkt der Qszillations-Auslösung parallel zum ersten MIS-Inverter (T^, T₂) legen.
5· Oszillatorschaltung nach einem der Ansprüche Λ oder 2, •dadurch gekennzeichnet, dass die Inverterverbindungseinrichtungen mit Steuerelektroden versehene Schalterelemente (T,, Tg) aufweisen, die jeweils zwischen den Source-Elektroden der entsprechenden MIS-Transistören (T^₁ Tc) des anderen MIS-Inverters (T^, Tc) und den jeweiligen Versorgungsanschlussklemmen (4, 5) liegen und dass Schaltersteuereinrichtungen vorhanden sind, die die Schalterelemente (T^, Tg) über die Steuerelektroden beim Einschalten der Versorgungsspannung zum Auslösen der Schwingung in dem leitenden Zustand und beim Feststellen, dass die Oszillatorschaltung (1) normal schwingt, in den nicht leitenden Zustand zu versetzen.
4. Oezillatorschaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, da durch gekennzeichnet, dass die Schalterelemente (T^, Tg) JGS-Traniiitoren vom gleichen Leitfähigkeitstyp wie die *'"

MIS-Traneietoren (T^, Tc) sind und deren Soura;»-Elektroden

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mit den Source-Elektroden der Inverter-MIS-Transistoren (T₁, ,. Tc)₁ deren Drain-Elektroden mit einem Versorgungsspannungsanschluss (4-, 5) verbunden sind und den Gate-Elektroden jeweils ein Steuerspannungaaignal angelegt wird. . ·

5- Oszillatorschaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 4_t dadurch gekennzeichnet, dass die Schaltersteuereinrichtung einen Frequenzteiler (16), der das Ausgangssign al der MIS-Inverter (T^, Tp) zugeführt erhält und ein in einem vorgebehen Frequenzverhältnis geteiltes Hechtecksignal erzeugt, Spannungsversorgungsanschlüsse (7, 8), einen Flip-Flop (12) i der beim Einschalten der Versorgungsspannung gesetzt und beim Ausschalten der Versorgungsspannung rückgesetzt wird, sowie eine Eücksetz-Schaltung aufweist,- der beim Anstieg und beim Abfall des vom Frequenzteiler (16) kommenden Rechtecksignales Impulse erzeugt und den Flip-Flop (12) rücksetzt, wobei das Ausgangssignal des Flip-Flope (12) der Steuerelektrode der Schalterelemente (T^, ^g) zugeleitet wird. . . ·

6- .Oszillatorschaltung mit einem Komplementär-MOS-Inverter, der zusammen mit einem Schwingquarz in einem Rückkoppelkreis liegt, dadurch gekennzeichnet, dass eine Auslöseschaltung (6) einen zusätzlichen Eomplementär-Metalloxidhalbleiter- -(MOS)-Inverter (T^., T₁-) und- Inverterverbindungseinrichtungen aufweist, die den zusätzlichen MOS-Inverter (T^, T_c) parallel zum ersten MOS-Inverter (T^, Tg) legt, wobei die Inverterverbindungseinrichtungen einen ersten (T^) und einen zweiten MOS-Transistor (Tg), die zwischen die jeweiligen MOS-Transistoren (T^, Tc) des zusätzlichen MOS-Inverters (T^, Tc) und den Versorgungsanschlüssen (4, 5) mit entgegengesetzter Polarität liegen, und eine Schaltersteuer einrichtung aufweisen, die bei Einschalten der Versorgungsspannung ein Einschaltsignal erzeugt und dieses Einschaltsignal den Gate-Elektroden des ersten (T,) und des aweiten MOS-Traneistors (Tg) zuleiten, um \: dadurch die beiden Transistoren (T,, Tg) in den leitenden Zustand zu setzen, und die das

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Ausgangssignal der Oszillatorschaltung (1) nach Auslösen
des Oszillatorbetriebes feststellt und das Einschaltsignal unwirksam macht, so das-s die beiden Komplementär-MOS-Inverter in der Oszillatorschaltung nur während der Schwingungsauslösung in einer Parallelschaltung verbunden sind.

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