DE2732498A1

DE2732498A1 - Integrierte kristalloszillatorschaltung

Info

Publication number: DE2732498A1
Application number: DE19772732498
Authority: DE
Inventors: Daniel William Dobberpuhl
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 1976-07-21
Filing date: 1977-07-19
Publication date: 1978-01-26
Also published as: CH617050A5; GB1557436A; JPS5326555A; FR2359541A1; US4048590A

Description

Integrierte Kristalloszillatorschaltung

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf integrierte
Halbleiterschaltungen und insbesondere auf eine Metall-Oxid-Halbleiter Kristalloszillatorschaltung mit möglichst wenigen externen Komponenten.

Die meisten digitalen Verarbeitungssysteme unter Anwendung einer im großen Rahmen erfolgenden Metall-Oxid-Halbleiter
Integration (MOS/LSI) erfordern eine genaue Zeitbasis zum Steuern von Logikfunktionen. Im allgemeinen erfolgt dieses mit einer Steueroszillatorschaltung, in die ein frequenzbestimmendes Element
eingebaut ist, wie ein Quarzkristall entweder vom piezoelektrischen Typ oder vom Stimmgabeltyp. Wenn die MOS/LSI Technik angewendet wird, ist es natürlich stets erwUnscht, die Gesamtzahl von diskreten externen Komponenten so klein wie möglich zu halten. Unglücklicherweise ist die Fähigkeit zum Herstellen gewisser Typen von elektrischen Komponenten in integrierter Schaltungsform durch die integrierte Schaltungstechnologie beschränkt. Beispielsweise ist es bekannt, daß die Herstellung von Widerständen mit 1oo Kiloohm oder mehr außerordentlich schwierig ist und daß eine Fabrikation in integrierter Schaltungsform allgemein unzweckmäßig bzw.
unausführbar ist. Wenn dementsprechend die Schaltungsgestaltung

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eine Verwendung solcher Elemente erforderlich macht, werden im allgemeinen in Verbindung mit der integrierten Schaltung externe diskrete Komponenten benutzt. Im Hinblick auf die vergrößerte Anzahl von Verbindungen und die zusätzlichen Kosten im Fall einer Verwendung externer Komponenten ist es höchst erwünscht, möglichst viele Komponenten zu integrieren, soweit es überhaupt praktikabel ist.

Es ist deshalb eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine MOS Kristalloszillatorschaltung mit möglichst wenigen externen Komponenten zu integrieren.

Eine weitere Aufgabe dieser Erfindung besteht darin, eine integrierte Halbleiteroszillatorschaltung zu schaffen, die von dem oszillierenden Element separate und unabhängige Vorspannungsmittel enthält.

Kurz gesagt werden diese und andere Ziele bei einem Ausführungsbeispiel einer integrierten Schaltung erreicht, bei der erste und zweite Strompfade zu einer Spannungsquelle parallel geschaltet sind und wobei der erste Strompfad ein Strombegrenzungsmittel enthält, das mit einem aktiven Oszillationsglied in Reihe geschaltet ist. Der zweite Strompfad, der einen 'Stromspiegel' zum ersten Pfad bildet, enthält ein Paar von in Reihe geschalteten Strombegrenzungsgliedern. Ein Transistor mit einer faktisch unendlichen Impedanz ist zwischen den Knotenpunkt des zweiten Strompfades und das aktive Glied geschaltet, wobei der letztgenannte Transistor eine Vorspannung für das aktive Glied liefert, ohne den Gegenkopplungspfad des aktiven Gliedes nachteilig zu beeinflussen, und zwar wegen der großen Impedanz. Die entstehende Oszillatorschaltung enthält als externe Komponenten nur das frequenzsteuernde Element, wie einen Quarzkristall, und einen Kondensator.

Die Erfindung sowie weitere Ziele und Vorteile derselben ergeben sich aus der nachfolgenden detaillierten Beschreibung unter Hinweis auf die Zeichnungen. Es zeigen: Figur 1 - in einem elektrischen schematischen Diagramm eine nach

dem Stand der Technik aufgebaute Oszillatorschaltung und Figur 2 - in einem elektrischen schematischen Diagramm eine gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung aufgebaute Oszillatorschaltung.

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Figur 1 zeigt eine Oszillatorschaltung von bekanntem Aufbau. Im einzelnen zeigt Figur 1 einen Teil eines im großen Maßstab integrierten (LSI, large-scale integration) Halbleiterplättchens 1o mit Metall-Oxid-Halbleiter (MOS, metal-oxide-semiconductor) Feldeffekttransistoren Q1 und Q2 mit isoliertem Gitter, wobei diese Transistoren in einer Reihenschaltung an eine mit V„_D bezeichnete Spannungsquelle angeschlossen sind. Der Transistor Q1

ist typischerweise vom Anreicherungstyp, während Q2

vom Verarmungstyp ist. Gemäß der vorliegenden Verbindung arbeitet Q2 als eine Lastimpedanz für den 'aktiven* Transistor Q1. Der Anodenanschluß des Transistors Q1 ist mit einem Phasenschiebernetzwerk verbunden, das einen Widerstand R1 und einen Kondensator C1 aufweist, die bezüglich des Plättchens 1o diskrete externe Glieder sind. Der Widerstand R1 sorgt für eine Strombegrenzung für das Frequenzsteuerungselement Y1, welches als ein Stimmgabeltypquarzkristall dargestellt ist. Für einen Fachmann ist es natürlich leicht ersichtlich, daß auch andere Frequenzbestimmungselemente angewendet werden können, wenn dieses erwünscht oder notwendig ist. In typischer Weise hat der Widerstand R1 einen Wert von etwa 5oo K Ohm. Andererseits sorgt ein zwischen die Anoden- und Gitterelektroden des Transistors Q1 geschalteter Widerstand R2 für eine Gleichstromvorspannung des aktiven Cszillatortransistors Q1. Da der Widerstand R2 zwischen die Anoden- und Gitterelektroden geschaltet ist, repräsentiert er ein Gegenkopplungselement, da» die Verstärkung des Oszillatortransistors Q1 begrenzen kann, wenn nicht sein Wert sehr groß ist. In typischer Weise hat der Widerstand R2 einen Wert in der Größenordnung von 2o Megohm oder mehr. Da der Transistor Q1 im wesentlichen keinen Gitterstrom zieht, ist ein derartig hoher Wert für den Widerstand R2 passend, um die notwendige Gleichstromvorspannung zu bilden.

Der Betrieb der in Figur 1 dargestellten Oszillatorschaltung ist typisch für die meisten kristallgesteuerten Oszillatoren; nämlich die zum Aufrechterhalten der Oszillation erforderliche Phasenverschiebung zwischen der Anode und dem Gitter tritt nur bei der Frequenz auf, die von dem Frequenzsteuerungselement Y1 bestimmt wird. Bei allen anderen Frequenzen eignet sich die Phasenverschiebung nicht für eine Aufrechterhaltung der Oszillation, und

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dementsprechend ist das Ausgangssignal von der Oszillatorschaltung im wesentlichen eine Sinuswelle mit der von Y1 bestimmten Frequenz. Der Kondensator C1 in Verbindung mit dem Widerstand R1 ermöglicht kleine Änderungen bezüglich der Phasenverschiebung, wodurch eine 'Feinabstimmung' der Oszillatorausgangsfrequenz möglich ist.

Während die in Figur 1 dargestellte Oszillatorschaltung tür die meisten Anwendungsfälle eine genaue Zeitbasis bildet, ist es vom Standpunkt der Kosten und der Zuverlässigkeit aus erwünscht, die Anzahl der extern an die integrierte Schaltung angeschlossenen Komponenten zu verringern. Wie es jedoch oben ausgeführt wurde, lassen sich ohmsche integrierte Schaltungselemente, die größer als etwa 1oo K Ohm sind, nur außerordentlich schwierig herstellen, und sie erfordern zum Bilden solcher Funktionen beträchtliche Oberflächenbereiche des Plättchens. Allgemein werden solche ohmschen Elemente durch Parallel- oder Serienschaltung einer Vielzahl von Widerständen (beispielsweise mit 1oo K Ohm) bis zum Erreichen des erwünschten Widerstandswertes hergestellt.

Figur 2 zeigt eine Ausführungsform der Erfindung, bei der die im Zusammenhang mit der bekannten Schaltung aus Figur 1 angegebenen Nachteile vermieden sind. Im einzelnen zeigt Figur 2 einen Teil eines LSI-Plättchens 11 mit MOS-Transistoren Q1 und Q2, die in einer Reihenschaltung an eine Spannungsquelle V_DD und ein Referenzpotential angeschaltet sind, wobei das letztere von der Masse- bzw. Erdverbindung am Punkt 12 repräsentiert wird. Die Reihenschaltung von Q1 und Q2 repräsentiert einen ersten Strompfad, in dem der Transistor Q2 als ein Lastglied oder Strombegrenzungsglied und Q1 als ein aktives Oszillationsglied fungieren. Die Verbindungsstelle zwischen Q1 und Q2 ist als ein erster Knotenpunkt 13 bezeichnet. Transistoren Q3 und Q4, die als 'zweite und dritte¹ Strombegrenzungsglieder betrachtet werden können, sind ebenfalls in einer Reihenschaltung angeschlossen und repräsentieren einen zweiten Strompfad, der elektrisch in einer parallelen oder 'Stromspiegel' Beziehung zum ersten Strompfad angeschlossen ist. Die Verbindung zwischen Q3 und Q4 ist als ein zweiter Knotenpunkt 14 bezeichnet. Bei dieser Ausführungsform der Erfindung sind die Transistoren Q1 sowie Q3 Glieder vom Anreicherungstyp und die Transistoren Q2 sowie Q4 wie auch die Transistoren Q5 sowie Q6 Glieder vom Verarmungstyp.

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Der die Transistoren Q3 und Q4 aufweisende zweite Strompfad bildet eine 'Stromspiegelschaltung', die am Knotenpunkt 14 eine Vorspannung bildet, die im wesentlichen mit derjenigen am Knotenpunkt 13 übereinstimmt. Im Ergebnis kann die am Gitter des Transistors Q1 erforderliche Vorspannung nunmehr vom Knotenpunkt 14 über den Transistor Q5 separat und unabhängig vom ersten Strompfad geliefert werden. Der Fachmann kann leicht ersehen, daß die die Transistoren Q3, Q4 und Q5 aufweisende Stromspiegelschaltung im wesentlichen dieselbe elektrische Funktion wie der Widerstand R2 bildet, jedoch mit dem Unterschied, daß die Impedanz zwischen der Anode und dem Gitter von Q1 nunmehr im wesentlichen unbegrenzt ist, während in Figur 1 diese Impedanz auf den Wert des Widerstandes R2 beschränkt war.

In weiterer Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung zeigt Figur 2 die Anwendung des Transistors Q6, der betriebsmäßig als ein (viertes) Strombegrenzungselement und seriell zwischen den Knotenpunkt 13 sowie den externen Kondensator C1 geschaltet ist. Der Transistor Q6 erfüllt hauptsächlich die Funktion des Widerstands R1 aus Figur 1. Figur 2 zeigt ebenfalls das Frequenzbestimmungselement Y1, welches im wesentlichen in derselben Weise wie in Figur 1 angeschlossen ist.

Der Fachmann kann leicht abschätzen, daß die in Figur dargestellte Ausführungsform der Erfindung im wesentlichen dieselbe Funktion wie die Schaltung aus Figur 1 erfüllt, während jedoch deren Nachteile vermieden werden.

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Leerseite

Claims

Ansprüche

Ingegrierte Halbleiterschaltung mit einem Strompfad, der ein in Reihe mit einem aktiven Glied geschaltetes erstes Strombegrenzungsglied enthält, wobei die Schaltungsverbindung zwischen den Gliedern einen ersten Knotenpunkt bildet, und mit einem mit dem aktiven Glied verbundenen Frequenzsteuerungselement, welches das aktive Glied dazu veranlaßt, mit einer von dem Prequenzsteuerungselement bestimmten Frequenz zu schwingen, gekennzeichnet durch

eine zu dem Strompfad elektrisch parallel ge-

schaltete Stromspiegelschaltung, um separat und unabhängig vom Strompfad eine Vorspannung für das aktive Glied (Ql) zu bilden, wobei die Stromspiegelschaltung in Reihe geschaltete zweite und dritte Strombegrenzungsglieder (Q3, QO enthält, deren Schaltungsverbindung einen anderen Knotenpunkt (14) bildet, von dem eine im wesentlichen mit der Vorspannung an dem ersten Knotenpunkt (13) übereinstimmende Vorspannung geliefert wird, und durch einen zwischen den anderen Knotenpunkt (14) sowie das aktive Glied (Ql) geschalteten Transistor (Q5) zum Liefern der Vorspannung an das aktive Glied Öl).
2. Integrierte Schaltung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch ein viertes Strombegrenzungsglied (Q6), das mit dem aktiven Glied (Ql) und dem Frequenzsteuerungselement (Yl) verbunden ist, um den hindurchgelangenden Stromfluß zu begrenzen.
3. Integrierte Schaltung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet , daß die Strombegrenzungsglieder (Q2, Q3, Q4, Q6), das aktive Glied (Ql) und der Transistor (Q5) gitterisolierte Feldeffekttransistoren sind.

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ORIGINAL INSPECTED

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4. Integrierte Schaltung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das aktive Glied (Q1) und das dritte Strombegrenzungsglied (Q3) Transistoren vom Anreicherungstyp und die anderen Glieder (Q2, Q4, Q5, Q6) Transistoren vom Verarmungstyp sind.

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