DE2629468A1

DE2629468A1 - Temperaturkompensierter oszillator

Info

Publication number: DE2629468A1
Application number: DE19762629468
Authority: DE
Inventors: William Walter Lattin
Original assignee: Motorola Inc
Current assignee: Motorola Solutions Inc
Priority date: 1975-07-03
Filing date: 1976-06-30
Publication date: 1977-01-20
Also published as: US3978431A; JPS528758A

Description

2629468 DIpL-PHyS-O-E. Weber ο-β München 71

Patentanwalt Hofbrunnstraße 47

Telefon: (089)7915050

Telegramm: monopolweber münchen

U 392

MOTOROLA, ING.
1303 East Algonquin Road Schaumburg, 111. 60196 USA

Temperaturkompensierter Oszillator

Die Erfindung betrifft einen temperaturkotr.pensierten Oszillator.

In integrierten Schaltungen ist der Widerstand von Lasteinriclitungen gegenüber der Temperatur höchst empfindlich. Widerstandsveränderungen rühren hauptsächlich von Veränderungen in der Cberflächenträgerbeweglichkeit mit der Temperatur her. Bekannte Kondensatoren in integrierten Schaltungen waren im wesentlichen temperaturunempfindlich. Wenn eine Schaltung zur Erzeugung einer Zeitkonstanten in einer integrierten Schaltung verwendet wurde, bei welcher eine resistive Last vorhanden war, und ein in herkömmlicher Weise in der integrierten Schaltung ausgebildeter Kondensator verwendet wurde, änderte sich die RC-Zeitkonstante mit der Temperatur beträchtlich. Dies wirft hinsichtlich der Stabilisierung der Oszillatorfrequenz große Frobleme auf.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen temperaturkompensierten Oszillator zu schaffen, welcher mit der MOS-Technologie kompatibel ist.

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Insbesondere soll gemäß der Erfindung ein temperaturkompensierter Oszillator geschaffen werden, der eine Schaltung zur Erzeugung einer Zeitkonstanten und eine Eückführschaltung aufweist. Zur Lösung der Erfindungsaufgabe dienen insbesondere die im Patentbegehren niedergelegten Merkmale.

Gemäß einer besonders bevorzugten Ausführungsform des Erfindungsgegenstandes ist vorgesehen, daß ein MOS-Eingoszillator gebildet wird, bei welchem das resistive Element der die EC-Zeitkonstante erzeugenden Schaltung eine MOS-Lasteinrichtung ist , wobei das kapazitive Element ein Anreicherungskondensator ist. Wenn die Betriebstemperatur ansteigt, nimmt die effektive Kapazität dieses Kondensators ab, und der Widerstand der MOS-Lasteinrichtung nimmt zu. Bei einer vorgegebenen Temperaturveränderung kompensieren sich die Veränderungen in dem effektiven Widerstand und in der Kapazität gegenseitig. Deshalb bleibt bei einer vorgegebenen Temperaturveränderung die Betriebsfrequenz des Bingoszillators konstant.

Die Erfindung wird nachfolgend beispielsweise anhand der Zeichnung beschrieben; in dieser zeigen:

Fig. 1 eine schematische Darstellung des SchaltSchemas des erfindungsgemäßen Ringoszillators,

Fig. 2 eine Darstellung von einem der Inverter, welche in dem Ringoszillator gemäß Fig. 1 verwendet werden, und zwar zusammen mit einem detailierten Schaltschema der Inverterschaltung,

Fig. JA eine Schaltung eines Anreicherungskondensators Fig. 3B eine Schaltung eines digital gesteuerten Anreicherungskondensators ,

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Fig. 4 eine Drauf siclit auf einen digital steuerbaren Anreicherung s-Feldeffekt-Kondensator, und

Fig. 5 einen Schnitt durch die Ausführungsforro des Erfindungsgegenstandes gemäß Fig. 4· entlang der Linie 5-5·

Die I"ig. 1 zeigt ein Schaltschema einer Ausführungsform eines Ringoszillators, der einen Anreicherungskondensator verwendet. Der Ringoszillator 100 weist eine erste Stufe 110 auf, er hat weiterhin eine zweite Stufe 112 und er hat schließlich eine dritte Stufe 113. Die erste Stufe 110 hat einen Inverter 114, dessen Eingang mit dem Rückführleiter 116 verbunden ist und dessen Ausgang mit dem Leiter 118 verbunden ist. Der Anreicherungskondensator 120 ist zwischen dem Spannungsquellenknoten 122 und dem Leiter 118 angeordnet. Die zweite Stufe 112 weist einen Inverter 124 auf, dessen Eingang mit dem Leiter 118 und dessen Ausgang mit dem Leiter 126 verbunden ist.

Der Anreicherungskondensator 128 ist zwischen dem Spannungsquellenknoten 130 und dem Leiter 126 angeordnet. Die dritte Stufe 113 weist einen Inverter 132 auf, dessen Eingang mit dem Leiter 126 und dessen Ausgang mit dem Leiter 134- verbunden ist. Der Anreicherungskondensator 136 ist zwischen dem Leiter 134- und dem Spannungsquellenknoten 138 angeordnet. Der Ausgang des Ringoszillators 100 wird vom Knoten 140 abgeleitet.

Die linke Seite der Pig. 2 zeigt einen Inverter 236, wie er für die Inverter typisch ist, die in dem Ringoszillator 100 verwendet werden, wobei ein Eingangsknoten 234 und ein Ausgangsknoten 238 vorhanden sind. Die rechte Seite der Fig. 2 zeigt ein detailierteres Schaltschema des Inverters 236, dessen Eingang von dem Knoten 230 und dessen Ausgang von dem Knoten 226 abgeleitet wird. Die Versorgungsspannung VDD wird an den Knoten

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geführt. Der Knoten 232 liefert die Hasse für die Einrichtung. Die Lasteinrichtung 224 ist zwischen dem Knoten 220 und dem Knoten 226 angeordnet. Eine Schalteinrichtung 228 ist zwischen dem Knoten 226 und dem Kasseknoten 232 angeordnet. Die Fig. JA zeigt ein Schaltschema eines Anreicherungskondensators, wie er im Ringoszillator 100 gemäß Fig. 1 verwendet wird. Der Knoten 2Ή dieses Kondensators 10 stellt eine Verbindung dieses Kondensators 10 zu der Schaltung des Hingoszillators 100 her. Der Knoten 216 des Kondensators 10 ist normalerweise mit einer Spannungsquelle verbunden. Die Elektrode 212 des Kondensators 10 ist aus polykristallinem Silizium hergestellt.

Die Fig. 3B stellt einen digitalen Anreicherungskondensator 10^f dar, der nachfolgend im einzelnen näher erläutert wird und dessen Kapazität digital verändert wird, wenn eine Steuerspannung an eine oder an mehrere einer Vielzahl von Steuerleitungen angelegt wird. In der Fig. JiB sind die Steuerleitungen durch die Knoten 217A, 217B und 21?C dargestellt.

Der digitale Kondensator 10' gemäß Fig. 3B kann einen oder mehrere der drei Anreicherungskondensatoren ersetzen, die in dem Ringoszillator 100 dargestellt sind. Wenn drei digitale Anreicherungskondensatoren in dem Ringoszillator 100 verwendet werden, und

wenn der Wert aller dieser Kondensatoren derselbe ist, kann eine Umsehaltschaltung in der Weise vorgesehen werden, daß alle drei digitalen Anreicherungskondensatoren unabhängig voneinander verändert werden. Dadurch wird die Möglichkeit geschaffen, daß nicht nur die Betriebsfrequenz des Ringoszillators 100 verändert werden kann, sondern auch die Wellenform der Ausgangswellenform den Erfordernissen entsprechend gestaltet werden kann.

Wenn der größte der Anreicherungskondensatoren im Ringoszillator 100 ein digitaler Kondensator ist, so kann die Betriebsfrequenz

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des Ringoszillators 100 verändert werden oder gesteuert werden,

indem die Kapazität des digitalen Anreiciierungskondensators verändert wird. Wenn der Widerstand der Lasteinrichtung in jeder Stufe des Ringoszillators 100 derselbe ist, so wirkt der größte Kondensator als frequenzbestimmende Komponente. Die anderen zwei Stufen mit den kleineren Kondensatoren haben verhältnismäßig kleine IiC-Z eitko ns tan ten und sind nicht dazu in der Lage, in der Weise mitzuwirken, daß die Betriebsfrequenz· der Einrichtung nennenswert beeinträchtigt werden könnte.

Eine Ausführungsform des Anreicherungskondensators ist in der !•'ig. 4 dargestellt, welche einen Grundriß des digital steuerbaren Anreicherungskondensators 10 wiedergibt, wie er in der US-Patentanmeldung 410 678 beschrieben ist. Der Kondensator 10 ist innerhalb eines verhältnismäßig leicht dotierten Bereiches 12 mit Ϊί-Leitfähigkeit ausgebildet, der einen spezifischen Widerstand im Bereich von etwa 2 bis 10 0hm. cm haben kann. Gemäß den Fig. 4 und 5 weist der Kondensator 10 einen Bereich 14 mit P-Leitfähigkeit von verhältnismäßig geringem spezifischem Widerstand auf (10 - 100 Ohm pro Quadrat), welcher innerhalb des Bereiches 12 mit Π-Leitfähigkeit an dessen Oberseite 58 ausgebildet ist. Der Bereich 14 reit P-Leitfähigkeit bildet den Quellenbereich für den Anreicherungskondensator 10, und er enthält den Hauptunterbereich 15 sowie die nebengeordneten Unterbereiche 16, 18 und 20.

Der Hauptsteuerelektrodenleiter 22 liegt über dem Isolator 56, der Siliciumdioxid sein kann, welcher seinerseits auf dem Hauptkanalbereich 60 im Abschnitt des Körpers mit N-Leitfähigkeit des Halbleiters 12 an seiner Oberseite 58 angeordnet ist, und zwar unterhalb von und zusammenhängend mit dem Steuerelektrodenisolator 56. Der Steuerelektrodenisolator 56 kann eine Dicke

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von 1000 A haben. Der Steuerelektrodenleiter 22 besteht vorteilhafterweise aus dotiertem polykristallinem Silizium, welches *) entspricht Deutscher Patentanmeldung P 24 51 364.2-33

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einen spezifischen Widerstand im Bereich von 25 "bis 300 Ohm pro Quadrat aufweist und einen polykristallinen Siliziumansatz über den dicken Feldisolator 54- hat (der aus Siliciumdioxid mit einer Dicke von 4000 - 10000 A oder darüber sein kann), welcher die Hauptsteuerelektrode 24 darstellt. Der polykristalline Siliziumbereich JO liegt auf dem nebengeordneten Steuerelektrodenoxidschichtbereich 58 > der einen nebengeordneten Kanalbereicli 62 darstellt, der sich zwischen dem Quellenunterbereich 18 und dem Senkenbex'eich 4-2 erstreckt. Der polykristalline Bereich 30 erstreckt sich über das dicke Oxid 54-, um die nebengeordnete Steuerelektrode 32 zu bilden. In ähnlicher Weise liegt der polykristalline Bereich 26 über einem weiteren nebengjeordneten Kanalbereich, der darunter angeordnet ist, wobei dieser Kanalbereich den Quellenunterbereich 16 mit dem Senkenunterbereich 40 verbindet, und ein polykristalliner Bereich 34- liegt über einem weiteren Kanalunterbereich, der mit diesem fluchtet, und den Quellenunterbereich 20 mit dem Senkenunterbereich 44 verbindet. Die polykristallinen Silizium-Steuerelektrodenleiter 26 und 34 erstrecken sich jeweils über das IPeldoxid 54-» welches die nebengeordneten Steuerelektroden 28 und 36 bildet.

Dicke Oxidbereiche 46, 48 und 50 verhindern eine parasitäre Eanalbildung im Umkreis und legen auch die Endpunkte der Senkenunterbereiche 40, 42 und 44 fest. Der Grenzbereich 52 legt den Rand des dicken Oxidbereiches 54- fest, welcher den Bereich 14 mit P-Leitfähigkeit begrenzt.

Wie an sich bekannt ist, fluchten der Hauptkanalbereich 60 und die oben genannten nebengeordneten Kanalbereiche in selbstausrichtender Weise mit den benachbarten Bereichen mit F-Leitfähigkeit, weil sie während desselben Herstellungsschrittes erzeugt werden, bei welchem die polykristallinen Silizium-Steuerelektrodenleiter dotiert werden. Die polykristallinen Silizium-Steuerelektrodenleiter und auch das dicke Oxid 54- dienen als

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Diffusionsmasken, so daß dadurch eine zur Selbstausrichtung geeignete Anordnung gebildet ist.

Die Arbeitsweise des Ringoszillators 100 ist an sich bekannt und bedarf keiner näheren Erläuterung. Die Betriebsfrequenz wird durch die RC-Zeitkonstanten des Ringoszillators 100 festgelegt. Die Impedanz einer Lasteinrichtung wie 224 bestimmt das resistive Element jeder RC-Zeitkonstanten, während die Kapazität eines Anreicherungskondensators wie 120, 128 oder 1J6 das kapazitive Element jeder RC-Zeitkonstanten bestimmt. Die Werte des Widerstandes und der Kapazität in den Stufen 110, 112 und 11J könnten identisch sein, dies ist jedoch keine notwendige Voraussetzung für eine ordnungsgemäße Arbeitsweise der Schaltung.

Eine vorteilhafte Eigenschaft des Ringoszillators 100 besteht darin, daß seine die Zeitkonstante bestimmenden Elemente sich gegenseitig im Hinblick auf Temperaturveränderungen kompensieren. Diese Eigenschaft der Temperaturkompensation ergibt sich aus der Tatsache, daß der Widerstand der La st einrichtung 224· in jeder Stufe umgekehrt proportional zu der Oberflächenträgerbeweglichkeit des Halbleitermaterials ist, während die Kapazität des Anreicherungskondensators in jeder Stufe zu der Oberflächenträgerbeweglichkeit direkt proportional ist.

Die Tatsache, daß die Kapazität eines Anreicherungskondensators der Temperatur direkt proportional ist, läßt sich leicht anhand der Beweglichkeit der Oberflächenträger erläutern. Wenn .nämlich die Temperatur zunimmt, nimmt die Beweglichkeit der Oberflächenträger in dem Anreicherungskondensator ab, und zwar im Kanalbereich, Dies führt zu einer Zunahme in dem Kanalwiderstand. Wenn jedoch der Widerstand entlang dem Kanal von dem Quellenbereich aus zunimmt, so wirkt diese Zunahme im Kanalwiderstand in der Weise, daß die Stromstärke über den Kanalbereich abnimmt. Die Stromstärke am Quellenanschluß ist am größten, während der Strom an

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der gegenüberliegenden Seite des Kanals den geringsten Wert hat. Dies führt d.azu, daß ein abnehmender Stromgradient über den liana Ib er eich vorhanden ist. Da die Kapazität eine Funktion

der Ladung ist und daher such eine Funktion der Stromstärke, bewirkt dieser Stromgradient über den Kanal des Anreicherungskondensators eine entsprechende Abnahme in der wirksamen Gesamtkapazität aufgrund des verminderten Kapazitätsbeitrages von den entfernteren Bereichen des Anreicherungskondensators. Leshalb ist die Kapazität dieses Kondensators der überflächenträgerbeweglichkeit direkt proportional. Da die Oberflachenträgerbeweglichkeit umgekehrt proportional zur Temperatur ist, wird die effektive Kapazität des Anreicherungskondensators umgekehrt proportional zur Temperatur.

Da die Temperaturveränclerung des Widerstandselementes der die Zeitkonstante erzeugenden Schaltung umgekehrt proportional zur Gberflachenträgerbeweglichkeit ist und die Temperaturveränderung des kapazitiven Elementes der die Zeitkonstante erzeugenden Schaltung direkt proportional zu der Cberflächenträgerbeweglichkeit ist, kompensieren diese Veränderungen, welche durch Veränderungen in der Cberflächenträgerbeweglichkeit hervorgerufen werden, sich gegenseitig, wenn die resistiven und die kapazitiven Elemente in einer die BC-Zeitkonstante erzeugenden Schaltung miteinander verbunden werden. Mit anderen Worten, das resistive Element hat einen positiven Temperaturkoeffizienten, während das kapazitive Element einen negativen Temperaturkoeffizienten hat, und die Größe dieser Temperaturkoeffizienten ist gleich.

Wenn die Betriebsfrequenz des Oszillators abnimmt, wird der Temperaturkompensationseffekt vermindert. Dies gilt insbesondere für Anreicherungskondensatoren mit geringen Abmessungen.

- Patentansprüche -

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Claims

Fat entansprüche

1.' Temperaturkompensierter Oszillator mit einer eine Zeitkonstante erzeugenden Schaltung und mit einer Kückfuhrschaltung, wobei eine Impedanz zwischen einem Spannungsleiter und einem ersten Knoten angeordnet ist, um einen Strom diesem Knoten zuzuführen, xvelcher mit steigender Temperatur abnimmt, dadurch g e k e η η z eich net, daß ein Anreicherungskondensator das zweite Element der Zeitkonstantenanordnung bildet, welches zwischen dem ersten Knoten und einem zweiten Spannungsleiter angeordnet ist, um über das resistive Element aufgeladen zu werden, und daß der Anreicherungskondensator eine Kapazität hat, welche mit steigender Temperatur abnimmt, so daß die RC-Zeitkonstante bei Temperaturveränderungen in wesentlichen unverändert bleibt.

2. Oszillator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Anreicherungskondensator ein digitaler Kondensator ist.

3. Oszillator nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der digitale Kondensator weiterhin eine Mehrzahl von digitalen Eingängen aufweist, welche derart mit dem digitalen Kondensator verbunden sind, daß die Oszillatorfrequenz steuerbar ist.

4-. Temperaturkompensierter Oszillator, der eine eine Zeitkonstante erzeugende Schaltung aufweist, welche einen ersten Widerstand hat, der zwischen einem ersten Spannungsversorgungsleiter und einem ersten Knoten angeordnet ist, um dem ersten Knoten einen Strom mit einem negativen Temperaturkoeffizienten zuzuführen, und wobei ein zweiter Widerstand zwischen einem zweiten Spannungsversorgungsleiter und dem ersten Knoten angeordnet ist, um einen Strom mit einem negativen Temperaturkoeffizienten

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von dem ersten Knoten abzuführen, dadurch gekennzeichnet, daß ein HOS-Kondensator zwischen dem ersten Knoten und der Spannungsversorgungseinricntung angeordnet ist, um die Ströme mit negativem Temperaturkoeffizienten dadurch zu kompensieren, daß die Kapazität/eine Punktion der Temperatur angehoben wird.

5. Digital steuerbarer Oszillator mit einer eine Zeitkonstante erzeugenden Schaltung, welche eine Impedanz aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß ein digitaler Anreicherungskondensator an die Impedanzeinrichtung angeschlossen ist und wenigstens ein Steuereingang des Anreicherungskondensators, un auf digitalem Weg die Zeitkonstante eines Signals zu steuern, welches durch die Schaltung zur Erzeugung einer Zeitkonstante erzeugt wird, und zwar als !funktion eines Steuersignals, welches dem Steuereingang zugeführt wird.

6. 'Temperaturkompensierter KOS-Oszillator mit einem ersten IiOS-Inverter, der einen Eingang hat, welcher mit einem Ausgang eines dritten KOS-Inverters verbunden ist, während einer zweiter M)S-Inverter vorhanden ist, der einen Eingang hat, welcher mit einem Ausgang des ersten MOS-Inverters verbunden ist, und wobei der dritte HOS-Inverter einen Eingang hat, der mit einem Ausgang des zweiten MOS-Inverters verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, daß ein erster, ein zweiter und ein dritter Anreicherungskondensator zwischen einem Spannungsleiter und den Ausgängen der ersten, zweiten bzw. dritten Stufe jeweils angeordnet ist.

7· KOS-Osζillator nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß eine Hehrzahl von digitalen Eingängen jeweils mit dem ersten, dem zweiten und dem dritten Kondensator verbunden sind, um die Frequenz und die Wellenform des Oszillators zu steuern.

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8. Temperaturkompensierter MOS-Oszillator mit einem ersten aktiven Bereich zur Bildung einer resistiven Impedanz, wobei der Widerstand dieser Impedanz umgekehrt proportional zu der Ladungsbeweglichkeit in dem Bereich ist, dadurch gekennzeichnet, daß ein zweiter aktiver Bereich vorgesehen ist, um eine kapazitive Impedanz zu bilden, welcher ■betrieblich mit dem ersten aktiven Bereich verbunden ist, daß der zweite aktive Bereich derart ausgebildet ist, daß er eine Kapazität liefert, welche der Ladungsbeweglichkeit direkt proportional ist, so daß die Art der Temperaturveränderung der Beweglichkeit in dem ersten Bereich durch diejenige des zweiten Bereiches kompensiert wird, wodurch eier MOS-Oszillator im wesentlichen temperaturunempfindlich wird.

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