DE2638055B2

DE2638055B2 - Quarzoszillator mit Frequenzeinstellvorrichtung

Info

Publication number: DE2638055B2
Application number: DE2638055A
Authority: DE
Inventors: Jakob Carouge-Geneve Luescher; Jean-Georges Neuenburg Michel
Original assignee: Ebauches SA
Current assignee: Ebauches SA
Priority date: 1975-08-28
Filing date: 1976-08-24
Publication date: 1978-05-24
Also published as: DE2638055C3; JPS5227341A; CH609525GA3; CH609525B; DE2638055A1

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine integrierte Oszillatorschaltung, welche einem piezoelektrischen Resonator zugeordnet und mit einer Vorrichtung versehen ist, die erlaubt, die Frequenz dieser Oszillatorschaltung in Stufen einzustellen, wobei Einstellkondensatoren vorgesehen sind, die steuerbar oder durch Schaltungselemente mit einer Steuerelektrode, die elektronische Schalter bilden, zuschaltbar sind, die unter sich und mit mindestens einem weiteren Kondensator der Oszillatorschaltung verbunden sind.

Hierbei wird die gesamte frequenzbestimmende Kapazität des Oszillators verändert, wenn mindestens einer der Einstellkondensatoren oder mindestens eines der Schaltungselemente mit einer an seine Steuerelektrode angelegten Gleichspannung aktiviert wird. Ein solcher Oszillator ist bekannt aus der US-PS 3538450.

Ein Quarzoszillator weist eine Schwingschaltung und einen Resonator, z. B. einen Quarz im AT-Schnitt auf, welcher in der Nähe einer bestimmten Temperatur eine gute Stabilität aufweist. Bei einer Armbanduhr ist es weiter notwendig, daß der Stromverbrauch der Schwingschaltung und des Frequenzteilers außerordentlich klein ist und daß sich deren Konfigurationen für eine Großserienfertigung in integrierter Form eignen.

Die Fig. 1 zeigt die Schaltung eines üblichen Quarzoszillators, in welcher die aktiven Elemente T₁

ι > und T₂ komplementäre MOS-Transistoren (C-MOS) sind. C₁ und C₂ sind die Kondensatoren der Schwingschaltung, R₂ ein Vorspannwiderstand, Q der Quarz, C_T der Trimmer für die Frequenzeinstellung, C₁, die Streukapazität (Wirkung des Gehäuses, der Träger usw.) parallel zum Quarz und P die Batterie. Fig. 2 zeigt das Ersatzschaltbild der physikalischen Größen des Quarzes (C: dynamische Kapazität; L: Induktivität; R: Serienwiderstand; Co: statische Kapazität der Quarzelektroden).

r> Um die Frequenz einzustellen, wird normalerweise der Wert eines der Kondensatoren Cl oder Cl mit Hilfe eines Trimmers (C_r) mit einem der Kondensatoren parallel geschaltet) beeinflußt. Man kann also annehmen, daß ein Oszillator nach Fig. 1 drei ver-

jo schiedene Blöcke aufweist; den Quarz, die Schwingschaltung und den Trimmer.

Um eine große Freizügigkeit sicherzustellen, wenn ein solches System als zeithaltendes Element in einer Armbanduhr verwendet wird, muß der Stromver-

j-, brauch sehr klein sein, so daß sich nicht vermeiden läßt, daß mindestens eine Klemme des Quarzes und des Trimmers auf sehr hoher Impedanz liegt. Dies bedingt große Vorsichtsmaßnahmen, um instabile Ableitwiderstände und Streukapazitäten zu vermeiden.

Weiter muß die Kapazität Cp parallel zum Quarz verkleinert werden, um eine hohe Impedanz zu erreichen, eine wichtige Bedingung, um die Vorteile von HF-Quarzen (einige MHz) auszunützen. Endlich ist es schwierig, im kleinen Volumen einer Uhr einen variablen Kondensator zu realisieren, der einen hinreichenden Einstellbereich aufweist, um die Frequenzvariationen, verursacht durch die einwirkenden Toleranzen, insbesondere der Eingangskapazität des Oszillators, der internen Verbindungen, des Quarzge-

r₎₍₎ häuses, zu korrigieren, wobei gleichzeitig Unempfindlichkeit gegen Schocks, Feuchtigkeit und Temperaturänderungen verlangt wird.

Es ist bereits eine elektronische Uhr bekannt (DE-OS 2406 130), welche zur Kompensation von temperaturbedingten Frequenzänderungen ein Temperaturmeßelement und eine Anpaßschaltung aufweist, um die Meßwerte in logische Signale zu wandeln, die selektiv eine Reihe von elektronischen Schaltern betätigen, welche Einstellkondensatoren zu einer der Schwingkreiskapazitäten parallelschalten. Die Temperaturmessung und ihre Weiterverarbeitung komplizieren die Uhrenschaltung und können je nach verwendetem Temperaturmeßelement Schwierigkeiten bringen beim Stromverbrauch oder bei der Impedanzanpassung. Im wesentlichen sind alle Schaltungselemente dieser Temperaturkompensationsvorrichtung in eine integrierte Schaltung eingesetzt. Die Einstellkapazitäten werden aber in üblicher Form realisiert,

was relativ große Flächen bedingt. Es ist bekannt, daß man einen elektronischen Schalter realisieren kann, indem die Steuerspannung eines MOS-Feldeffekttransistors verändert wird, und daß die meisten integrierten Schaltungen mit geringem Stromverbrauch, wie sie in Quarzarmbanduhren verwendet werden, in MOS-Technik (CMOS, N-MOS) realisiert werden, was die Integration des Kondensator-Schalter-Aufbaus mit dem Oszillator ermöglicht.

Um einige der obenerwähnten Probleme zu lösen, wurde es schon bekannt (DE-OS 1 81Ü276), den Oszillator und den Resonator in einem gemeinsamen dichten Gehäuse unterzubringen. Es sind jedoch keine Mittel zur Einstellung der Frequenz vorgesehen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Frequenz des in einem Gehäuse eingeschlossenen Quarzoszillators in einfacher Weise abzustimmen, ohne in das Gehäuse eingebaute mechanische Einstellvorrichtung (Trimmer oder eine Vorrichtung zur Veränderung der Geometrie des Gehäuses) und ohne hochfrequente Signale aus dem Gehäuse herausführen zu müssen und ohne zur Einstellung eine ins Gewicht fallende elektrische Leistung zu benötigen.

Diese Aufgabe wird bei einer Oszillatorschaltung der eingangs genannten Art gemäß der Erfindung dadurch gelöst, daß die Einstellkondensatoren und die gegebenenfalls vorhandenen Schaltungselemente auf dem gleichen Substrat wie die Oszillatorschaltung integriert sind, welche mit dem Resonator in einem Gehäuse eingeschlossen ist, das aus einem Schutzdeckel und einer isolierenden Grundplatte besteht, welche Anschlußklemmen aufweist.

Damit werden folgende Vorteile erreicht:

- Wegfall von kritischen Verbindungen zwischen Quarz und Schwingschaltung;

- Nur Signale mit niedriger Frequenz und Gleichstrom außerhalb des Gehäuses;

- Man kann die Frequenz des Oszillators vor dem Schließen des Gehäuses einstellen, indem in bekannter Weise auf den Quarz eingewirkt wird (z. B. durch Veränderungen der schwingenden Masse durch Metallisierung, wobei die Messung der Schwingfrequenz nach der Montage des Quarzes in seiner Schwingschaltung vorgenommen wird).

Nach dem Schließen des Gehäuses können kleine Frequenzänderungen kompensiert werden, die auftreten wegen:

- der Streuung des Wertes der Kapazität: Quarzelektrode-Gehäuse (Wirkung des Gehäuseverschlusses);

- mechanischer Spannungen der Quarzhalterungen, die nach dem Löten erscheinen;

- im Falle einer Uhr: Schocks beim Tragen derselben;

- der Alterung des Quarzes.

Ist der Oszillator mit dem Eingang eines Frequenzteilers verbunden, kann man auch Frequenzteilerstufen im Gehäuse unterbringen und damit alle Elemente abschirmen, die mit hoher Frequenz arbeiten.

Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nun an Hand der Zeichnung näher beschrieben. Es zeigt

die Fig. 1 das Schaltbild eines bekannten Quarzoszillators, der bereits in der Einleitung näher erläutert wurde,

die Fig. 2 das Ersatzschaltbild des Resonators im Oszillator nach Fig. 1,

die Fig. 3 das Schaltbild der Kondensatorschalter, welche eine schrittweise Einstellung der Oszillatorfrequenz mit Hilfe einer Gleichspannung ermöglichen, welche an außerhalb des Gehäuses angeordnete Steuerklemmen Bl, Bl', B, Bl' angelegt wird,

die Fig. 4 und 5 die Änderung der Kapazität, welche durch einen »Bicap«-Kondensatoraufbau erhalten wird und

die Fig. 6 den Anschluß des Kondensatoraufbaues nach Fig. 4 und 5, um die Oszillatorfrequenz schrittweise zu ändern.

Die in F i g. 3 gezeigte Einstellanordnung weist eine Anzahl von mit der Oszillatorschaltung integrierten Kondensatoren auf, die mit Hilfe von elektronischen Schaltern parallel zu Cl oder Cl angeschlossen werden. Diese elektronischen Schalter sind Feldeffekttransistoren, wie sie in Quarzarmbanduhren verwendet werden. Sie sind vorzugsweise in MOS-Technik (CMOS, n-MOS) realisiert, was die Integration des Kondensator-Schalter-Aufbaues mit dem Oszillator ermöglicht.

In der Schaltung nach Fig. 3 findet man die Schaltung nach Fig. 1, in welcher der Trimmer C_T durch eine Anordnung von Kondensator-Transistor-Elenienten - wobei in Fig. 3 nur einige gezeigt sind - CaI-TAl, CAl'-TAl' und CAl-TAl, CAT-TAl¹ ersetzt ist, welche Elemente parallel an den Klemmen der Kondenstoren Cl und Cl angeschlossen sind. Wenn man mit Hilfe der Brücken 51, Sl', Sl, ST eine Gleichspannung V_f an eine der Klemmen Bl, Bl', Bl, BT anlegt, welche elektrische mit den Steuerelektroden der Transistoren TA , TAV, TAl, TAT verbunden sind, wird der entsprechende Transistor aktiviert und verbindet damit einen Einstellkondensator mit den Klemmen von Cl oder Cl. Durch Aktivierung einer entsprechenden Anzahl von Elementen kann man die Variation der Oszillatorfrequenz schrittweise kompensieren.

Der MOS-Feldeffekttransistor weist günstige Eigenschaften auf, um als Schalter zu arbeiten; außerdem gestattet diese Technologie eine einfache Herstellung der Abstimmungskondensatoren CAlICAl. Wenn die Kapazität CA als Dielektrikum SiO₂ aufweist, können ausgezeichnete HF-Eigenschaften erreicht werden. Jedes der Elemente Kondensator-Transistor bildet einen Aufbau, der mit der Oszillatorschaltung integriert ist.

Im Falle einer Schaltung für Armbanduhren, bei welcher man mehrlagige Keramikgrundplatten verwendet, ist der Preis des Gehäuses praktisch unabhängig von der Anzahl der Ausgänge. Man kann also eine relativ große Stufenzahl für die Einstellung der Frequenz verwenden, jede der Stufen kann z. B. einer Korrektur um 0,1-0,2 Sekunden pro Tage entsprechen. Die Klemmen ßl ... BT sind außerhalb des Gehäuses angeordnet, un(i es ist z. B. möglich, wegnehmbare Brücken mit leitenden Klebstoffen zu realisieren, um eine Gleichspannung (z. B. den positiven Pol der Batterie) oder eine Spannung Null (Masse) an die Klemmen Bl ... BT anzulegen. Die Verbindung zwischen den Klemmen öl ... BT und den Steuerelektroden der Transistoren TAl... TAT können di'rch Leiterbahnen realisiert werden, die auf dem Keramiksubstrat aufgebracht werden.

Die Kondensator-Transistor-Elemente, die man von außerhalb des Gehäuses aktivieren kann, ermöglichen also die Lösung des Problems der Einstellung der Frequenz eines in einem Gehäuse eingeschlosse-

nen Quarzoszillators. Die vorerwähnten Bedingungen sind erfüllt. Weiter ist die Temperatur- und Langzeitstabilität sehr gut, weil die Einstellkapazitäten gleichzeitig mit der integrierten Schaltung hergestellt werden. Die Auflösung und der Korrekturbereich sind abhängig von der zur Verfügung stehenden Anzahl von Anschlüssen.

Um die Funktion eines HF-Schalters zu erfüllen, kann man auch einen Aufbau verwenden, der in der Literatur mit »Bicap« bezeichnet wird.

Die Fig. 4 und 5 dienen der Erläuterung der Arbeitsweise des Bicap-Kondensators. Im vorliegenden Beispiel ist der Aufbau mit der n-MOS-Technologie mit metallischer Steuerelektrode realisiert. Man könnte aber ebensogut eine verwandte Technologie verwenden wie p-MOS, oder eine Ausführung mit Halbleiter-Steuerelektrode.

Die Steuerelektrode 7, die mit dem Kreuzungspunkt 1 der Oszillaitorschaltung nach Fig. 3 verbunden ist, ist auf einer dielektrischen Schicht 6 z. B. aus SiO₂ angeordnet und überdeckt ein wenig eine diffundierte Zone 5 mit η-Leitfähigkeit. Diese diffundierte Zone 5 ist mit der Steuerklemme Bl verbunden. Bei dem in Fig. 4 dargestellten Falle liegt die mit dem Punkt 1 verbundene Steuerelektrode 7 über einen Widerstand /?2 am positiven Potential einer Batterie P, und man bemerkt, daß, wenn die Zone S auch mildem positiven Pol der Batterie verbunden ist, eine sehr kleine Kapazität vorhanden ist, bestimmt durch die Dicke des Dielektrikums 11 zwischen der Zone 5 und der Elektrode 7. Bei dem in Fig. 5 dargestellten Fall ist die Zone S mit dem negativen Pol der Batterie verbunden, der auch mit dem Halbleiterkörper verbunden ist. Es erscheint eine Inversionsschicht 9 unter der Elektrode 7, wenn die Schwellwertspannung von einigen Zehntelvolt überschritten wird. Die durch den Querschnitt 12 bestimmte Kapazität nimmt also einen großen Wert an.

In Fig. 6 ist die Schaltung eines solchen Aufbaues, der die Einstellung der Frequenz eines Quarzoszillators ermöglicht, gezeigt, wobei nur zwei Paare von Bicap-Kondensatoren 17, 18 und 19, 20 vorhanden sind, die über außerhalb des Gehäuses 10 angeordnete Klemmen ßl, Bl' und Bl, BT gesteuert werden. Man kann den Einstellbereich und die Auflösung durch Wahl der Anzahl und der Oberfläche der Kondensatoren beeinflussen. Man erhält so einen elektronischen HF-Schalter mit vernachlässigbaren Verlusten, im Gegensatz zum MOS-Transistor, der im leitenden Zustand einen von Null abweichender ohmschen Widerstand aufweist. Weiter nimmt die Kapazität sehr rasch zu, wenn die bei den MOS-Struktüren wohl bekannte Schwellwertspannung überschritten wird. Weiter ist der Wert dieser Kapazität weitgehend unabhängig von der Vorspannung und dei Temperatur.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Integrierte Oszillatorschaltung, welche einem piezoelektrischen Resonator zugeordnet und mit einer Vorrichtung versehen ist, die erlaubt, die Frequenz dieser Oszillatorschaltung in Stufen einzustellen, wobei Einstellkondensatoren vorgesehen sind, die steuerbar oder durch Schaltungselemente mit einer Steuerelektrode, die elektronische Schalter bilden, zuschaltbar sind, die unter sich und mit mindestens einem weiteren Kondensator der Oszillatorschaltung verbunden sind, dadurch gekennzeichnet, daß die Einstellkondensatoren und die gegebenenfalls vorhandenen Schaltungselemente auf dem gleichen Substrat wie die Oszillatorschaltung integriert sind, welche mit dem Resonator in einem Gehäuse eingeschlossen ist, das aus einem Schutzdeckel und einer isolierenden Grundplatte besteht, welche Anschlußklemmen aufweist.

2. Oszillatorschaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Einstellkondensatoren Kondensatoren mit Inversionsschicht sind, deren Kapazität zwei verschiedene Werte annehmen kann, je nach der Größe der Gleichspannung, die an jene ihrer Elektroden angelegt wird, an welcher kein HF-Signal vorhanden ist.

3. Oszillatorschaltung nach Anspruch 1, in welcher die elektronischen Schalter aus MOS-Feldeffekttranistoren bestehen, dadurch gekennzeichnet, daß das Dielektrikum der Einstellkondensatoren aus dem gleichen Material besteht und gleich aufgebaut ist wie die Isolierschicht zwischen Steuerelektrode und Kanal der MOS-Feldeffekttransistoren.

4. Oszillatorschaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die elektrische Verbindung zwischen Anschlußklemmen und den Steuerelektroden aus Leiterbahnen besteht, die als Metallniederschläge auf der isolierenden Grundplatte ausgebildet sind.

5. Oszillatorschaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sie in einer elektronischen Uhr verwendet wird, wo sie mit Frequenzteilerstufen zusammenarbeitet, welche ebenfalls auf dem Substrat integriert und im Gehäuse eingeschlossen sind.