DE2616678B2 - Oszillatorschaltung - Google Patents
OszillatorschaltungInfo
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Description
Die Erfindung betrifft eine Oszillatorschaltung mit einem Metallisolationshalbleiter-(MIS-)Inverter, bei
dem ein Schwingquarz in einem Rückkoppelkreis liegt.
Die Erfindung betrifft insbesondere eine Auslöse- oder Treiberschaltung in einer Oszillatorschaltung und
speziell ein Auslöseschaltung, die für eine quarzgesteuerte Oszillatorschaltung mit einem Metallisolatorhalbleiter-(MlS-)Inverter
und speziell mit einem Komplementär-Metalloxidhalbleiter-(C-MOS-)lnverter
geeignet ist.
Oszillatorschaltungen in der Komplementär-MOS-Bauweise
sind allgemein bekannt und beispielsweise in dem Artikel von S. S. Eaton, RCS Application Note,
IACN 6539, Januar 1971, Seiten 192 bis 205 beschrieben. Herkömmliche Oszillatorschaltungen mit Komplementär-MOS-Invertern
benötigen jedoch zur Schwingungsauslösung, d. h. für den Einschwingvorgang mehrere Sekunden, manchmal sogar über 10 Sekunden.
Für die Montage, die Einstellung und die Funktionsprüfung muß daher verhältnismäßig viel Zeit aufgewendet
werden. Um diesen Zeitraum zu verkürzen, ist es möglich, einen größeren Strom fließen zu lassen, um die
Auslöseenergie für den Komplementär-MOS-lnverter
zu erhöhen. Bei diesem Verfahren fließt jedoch der größere Strom auch nach der Schwingungsauslösung,
also auch dann, wenn die Oszillatorschaltung normal schwingt und sich im statischen Zustand befindet. Daher
wird der Leistungsverbrauch 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 Oszillatorschaltung mit Komplementär-MOS-Elementen
in der Silicon-Gate-Technik hergestellt wird, ist der Leistungsverbrauch bei den
herkömmlichen Oszillatorschaltungen recht hoch.
Aus der DE-OS 21 53 828 ist bereits eine Oszillatorschaltung der eingangs genannten Art bekannt, bei der
zur Vergrößerung des Verstärkungsfaktors einem MIS-Inverter ein zusätzlicher MIS-Inverter parallel
geschaltet ist. Da aber der zusätzliche MIS-Inverter dauernd in Kaskade mit dem MIS-Inverterverstärker
des Oszillators geschaltet ist, hat die bekannte Oszillatorschaltung einen verhältnismäßig hohen Leistungsverbrauch.
Aus der DE-PS 12 52 735 ist ferner eine Schaltungsanordnung zum Anstoßen eines astabilen Multivibrators
bekannt, die nur im Falle des Nichtschwingens des Multivibrators wirksam ist. Dieses Ziel wird dadurch
erreicht, daß ein Kriterium über den Betriebszustand des astabilen Multivibrators in Form einer Spannung
abgeleitet und im Fall des Mitschwingens diese Spannung als Eingangssignal zum Anschwingen des
Multivibrators zugeführt wird.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Oszillatorschaltung der angegebenen Art derart auszubilden,
daß sie innerhalb kurzer Zeit angeschwungen werden kann, beim normalen Oszillatorbetrieb, also im
statischen Zustand aber mit möglichst geringer Leistung betrieben werden kann.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die vom
bo Patentanspruch 1 erfaßten Maßnahmen gelöst.
Da erfindungsgemäß der Verstärkungsfaktor der Oszillatorschaltung nur zum Zeitpunkt der Auslösung
erhöht wird, wird sie einerseits sicher angeschwungen, während andererseits im Normalbetrieb der Leistungs-
hr) verbrauch sehr gering gehalten werden kann.
Die erfindungsgemäße Oszillatorschaltung eignet sich besonders für Armbanduhren, wobei die für diesen
Zweck vorgesehene erfindungsgemäße Oszillatorschal-
tung eine große Antriebsleistung und im normalen Schwingungszustand einen geringen Leistungsverbrauch
aufweist und darüber hinaus in integrierter Bauweise hergestellt werden kann.
Bevorzugte Weiterbildungen und Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Oszillatorschaltung sind Gegenstand
der Unteransprüche 2 bis 5.
Die Erfindung wird nachstehend anhand der Zeichnungen
beispielsweise näher erläutert. Es zeigt
Fig. I eine Ausführungsforrn der Auslöseschaltung für eine erfindungsgemäße Oszillatorschaltung und
F i g. 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 MlS-Inverteroszülator 1, d. h.
ein Komplemeniär-MOS-inverieroszillator I (der in
Fig. 1 strichliniert umrandet ist) einen in einer Rückkoppelschleife liegenden Quarz C„ einen P-Kanal-MOSFET
Tu einen N-Kanal-MOSFET T2, Widerstände
R] und R2 und Kondensatoren Q und C2 enthält. Hierbei
können auch andere MISFETs für die MOSFETs verwendet werden. Die Source-Elektrode des P-Kanai-MOSFETs
T) ist mit der negativen Versorgungsspannungsklemme
4 (— Vs), die Gate-Elektrode mit einem Anschluß des Widerstandes R] und einem Ausgang 2
und die Drain-Elektrode mit dem anderen Anschluß des Widerstandes R) 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-Elektro- J5
de des MOSFET T] und die Drain-Elektrode mit der
Drain-Elektrode des MOSFET T] in Verbindung. Der andere Anschluß des Widerstandes R2 liegt an einem
Ausgang 3. Der Eingang 2 und der Ausgang 3 liegen über die Kondensatoren Ci bzw. C2 an Masse. Zwischen
dem Eingang 2 und dem Ausgang 3 liegt der Schwingquarz Cx.
Ein weiterer Komplementär-MOS-Inverter 6, oder allgemeiner ein weiterer MIS-Inverter 6 (der in F i g. 1
strichliniert umrandet ist), der nur zum Zeitpunkt der Einschaltschwingung parallel zum Komplementär-MOS-Inverter
liegt, enthält P-Kanal-MOSFETs 73 und
T4 und N-Kanal-iv1OSFETs T5 und T6. 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 T4 ist mit der Source-Elektrode des MOSFETs T3,
die Gate-Elektrode des P-Kanal-MOSFETs T4 ist mit
der Gate-Elektrode des MOSFETs Γ, und die Drain-Elektrode
des P-Kanal-MOSFETs T4 ist mit der
Drain-Elektrode des MOSFETs Ti verbunden. Die Drain-Elektrode des N-Kanal-MOSFETs T5 ist mit der
Drain-Elektrode des MOSFETs T4 und die Gate-Elektrode
des N-Kanal-MOSFETs T5 mit der Gate-Elektro- ω
de des MOSFETs T2 verbunden. Die Source-Elektrode
des N-Kanal-MOSFETs T6 ist mit der Source-Elektrode
des MOSFETs T5, die Gate-Elektrode des N-Kanal-MOSFETs
T6 ist mit dem Eingang des MOS-Inverters 13
und die Drain-Elektrode des N-Kanal-MOSFETs T6 ist hi
mit der Versorgungsquelle 5 für die positive Spannung (+ Ve) verbunden. Beispielsweise kann das Massepotential
als positive Spannung + Vn verwendet werden.
Weiterhin ist ein Frequenteiler !6 mit dem Ausgang des
Oszillators 1 über Inverter 14 und 15 verbunden, die der Formung der Schwingungsform bzw. der Impulsformung
und dem Stroben bzw. dem Abtasten (strobing) dienen. Diese Schaltungsteile können vorteilhafterweise
zusammen mit der Auslösesteuerung, die nachfolgend noch beschrieben werden wird, mit Ausnahme des
Schwingquarzes Cx in einem Halb'eittrbaustein integriert
sein, wobei der Schwingquarz C. extern angeschlossen wird. Entsprechend den gewünschten Konstanten
für die Osziilatorschaltung können die Kondensatoren C] und C2 und/oder die Widerstände R] und R>
auch außerhalb des integrierten Bauteils liegen und von außen angeschlossen werden, normalerweise sind diese
Bauteile jedoch ebenfalls integriert.
Anhand der in F i g. 2 dargestellten Schwingungsformen soll der Aufbau und die Arbeitsweise der
Auslösesteuerschaltung beschrieben werden, die dazu dient, die MOS-lnverterschaltung 6 und den MOS-Inverterosziliator
I in einer Parallelschaltung zu verbinden.
Wenn ein (nicht dargestellter) Schalter für die Versorgungsspannung eingeschaltet wird, wie dies in
F i g. 2 durch die Schwingungsform s dargestellt ist, wird an die Spannungsversorgungsanschlüsse 4, 5, 7 bzw. 8
eine Versorgungsspannung angelegt. Die Spannung am Schaltungspunkt a fällt auf einen Spannungswert - Vu
(niederen Pegel) mit einer Zeitkonstante exponentiell ab, die durch die Werte des Widerstandes Ri und des
Kondensators C3 vorgegeben ist. Dieser am Schaltungspunkt a auftretende Spannungsverlauf ,' 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
Pegel (»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 i> in Fig. 2 dargestellt ist.
Dann wird ein aus zwei NOR-Gliedern 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 MOSFETs Tb und über den Inverter
13 eine Spannung mit niederem Pegel an die Gate-Elektrode des MOSFETs T3. Die MOSFETs T}
und 76 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 1 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 C3 und C4 in einer
monolithischen integrierten Schaltung durch Ausnützen der Streukapazität der MOS-Transistoren gebildet
werden.
Der Spannungspegel am Ausgang ddes Frequenzteilers
16 bleibt auf einen niederen oder hohen Pegel und ändert sich nicht, bevor die Schwingung beginnt. Daher
liegt am Schaltungspunkt farn Ausgang eines exklusiven ODER-Gliedes 18 ein hoher Pegel an, wobei diesem
exklusiven ODER-Glied 18 der Spannungspegel am Schaltungspunkt d und die vom MOS-lnverter 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 die am Schaltungspunkt b auftretende
Spannung zugeführt. Daher 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 {/dargestellt ist, tritt am
Schaltungspunkt e hinter dem Inverter 17 die in F i g. 2 durch die Schwingungsform e dargestellte Spannung
mit Spannungsänderungen auf, die durch das Produkt des Widerstandswertes des Inverters 17 und des Wertes
des Kondensators Q 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 hohes Ausgangssignal 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 Tb und eine Spannung
mit niederem Pegel an die Gate-Elektrode des MOSFETs T3, so daß diese beiden MOSFETs in den
nichtleitenden Zustand übergehen.
Der Komplementär-MOS-lnverter 6 ist während der
normalen Schwingungszeit mit Ausnahme der Einschaltperiode, d. h. der Auslöseperiode 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 kam
auch weggelassen werden und die Ausgangssignale clei
Inverter 14 und 15 können direkt als Rücksetzsignak dienen.
Wenn die erfindungsgemäße Schaltung bei einei elektronischen Armbanduhr verwendet werden soll
kann der Frequenzteiler 16 als Frequenzteiler-Schal tungsteil zum Frequenzteilen der Standard-Oszillatorfrequenz
des Oszillators, also der Frequenz vor 16 384Hz verwendet werden. Der Frequenzteiler Ii
kann auch durch eine an sich bekannte Schaltung crsetzi werden, die das Ausgangssignal der Inverterschaltung ir
der Oszillatorschaltung in RechteckOszillatorschwin gungen umsetzen kann.
Bei der zuvor beschriebenen Ausführungsform wurde der Inverter der Oszillatorschaltung von Komplementär-MOS-Transistoren
gebildet. Anstelle der Komple mentär-MOS-Transistoren können natürlich auch aride
re MIS-Transistoren mit MOS-Transistoren verwende werden. Darüber hinaus kann auch die Steuerung, durch
die der Inverter der Auslöseschaltung gemäß dei Erfindung parallel zum Inverter des Oszillator!
geschaltet wird, auf verschiedenste Weise abgewandel· werden. Selbstverständlich bestehen für die erfindungsgemäße
Schaltung vielfältige Anwendungsmöglichkeiten, auch über elektronische Uhren und elektronische
Armbanduhren hinaus.
Wie bereit zuvor beschrieben wurde, läßt sich mit dei
erfindungsgemäßen Auslöseschaltung in einer Oszilla torschaltung deshalb, weil zwei Komplementär-MOS
Inverter lediglich während der Schwingungs-Auslösc zeit zueinander parallel geschaltet sind, die Antrieb!)
bzw. Auslöseenergie vergrößern, die Oszillations-Aus lösezeit verkürzen und der Leistungsverbrauch wäh
rend des normalen Schwingens der Oszillatorschaltunj
verringern.
Hierzu 2 Blatt Zeichnungen
Claims (5)
1. Oszillatorschaltung mit einem Metallisolatorhalbleiter-(MIS-)Inverter,
bei dem ein Schwingquarz in einem Rückkoppelkreis liegt, gekennzeichnet
durch eine Einrichtung zur Vergrößerung des
Verstärkungsfaktors der Oszillatorschaltung (1) zum Zeitpunkt des Auslösens der Oszillatorschaltung (1)
gegenüber dem Verstärkungsfaktor der Oszillatorschaltung (1) während des normalen Oszillatorbetriebes.
2. Oszillatorschaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung zur Vergrößerung
des Verstärkungsfaktors einen zusätzlichen, vom ersten getrennten MIS-Inverter (T4, T5) und
Inverterverbindungseinrichtungeii enthält, die den zusätzlichen MIS-Inverter (T4, T5) zum Zeitpunkt
der Oszillations-Auslösung parallel zum ersten MIS-Inverter /Ti, T2) legen.
3. Oszillatorschaltung nach Anspruch I oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Inverterverbindungseinrichtungen
mit Steuerelektroden versehene Schalterelemente (Ti, 7J) aufweisen, die jeweils
zwischen den Source-Elektroden der entsprechenden MIS-Transistoren (T4, Ts) des zusätzlichen
MIS-Inverters (T*, T5) und den jeweiligen Versorgungsanschlußklemmen
(4, 5) liegen und daß Schaltersteuereinrichtungen vorhanden sind, die die Schalterelemente (Ti, Te) über die Steuerelektroden
beim Einschalten der Versorgungsspannung zum Auslösen der Schwingung in den leitenden Zustand
und beim Feststellen, daß die Oszillatorschaltung (1) normal schwingt, in den nichtleitenden Zustand zu
versetzen.
4. Oszillatorschaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Schalterelemente
(T3, Tt) M IS-Transistoren vom gleichen Leitfähigkeitstyp wie die MIS-Transistoren (T4, Ti)
sind und deren Source-Elektroden mit den Source-Elektroden der Inverter-MIS-Transistoren (T4, T5),
deren Drain-Elektroden mit einem Versorgungsspannungsanschluß (4, 5) verbunden sind und den
Gate-Elektroden jeweils ein Steuerspannungssignal angelegt wird.
5. Oszillatorschaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Schaltersteuereinrichtung
einen Frequenzteiler (16), der das Ausgangssignal der MIS-Inverter (Tu T2) zugeführt
erhält und ein in einem vorgegebenen Frequenzverhältnis geteiltes Rechtecksignal erzeugt, Spannungsversorgungsanschlüsse
(7, 8), einen Flip-Flop (12), der beim Einschalten der Versorgungsspannung
gesetzt und beim Ausschalten der Versorgungsspannung rückgesetzt wird, sowie eine Rücksetz-Schaltung
aufweist, der beim Anstieg und beim Abfall des vom Frequenzteiler (16) kommenden Rechtecksignals
Impulse erzeugt und den Flip-Flop (12) rücksetzt, wobei das Ausgangssignal des Flip-Flops
(12) der Steuerelektrode der Schalterelemente (Ti, Te) zugeleitet wird.
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