DE2933854C2 - Oszillatorschaltung - Google Patents

Description

dadurch gekennzeichnet, daß die Umschaltvorrichtung enthält

— eine Vorspannungsquelle (16, 17), die die Eingangselektroden des ersten (11) und zweiten (12) Transistors als Folge des zweiten Signals zur Stromminimierung vorspannt, und

— eine Schaltervorrichtung (13,15), die zwischen den Widerstand (14) und die jeweilige Eingangselektrode des ersten (U) und zweiten (12) Transistors geschaltet ist, und als Folge des ersten Signals eine Verbindung von den Ausgangselektroden über den Widerstand (14) zu den Eingangselektroden des ersten (11) und zweiten (12) Transistors bildet, und als Folge des zweiten Signals diese Verbindung trennt.

Die Erfindung betrifft eine Oszillatorschaltung mit einem Oszillatorblock mit einer Inverterschaltung und einer Rückkopplungsschaltung, wobei die Inverterschaltung einen ersten und einen zweiten Transistor von entgegengesetztem Leitfähigkeitstyp und einen Widerstand aufweist, der zwischen die Ausgangs- und die Eingangselektroden des ersten und zweiten Transistors geschaltet ist, und wobei die Rückkopplungsschaltung das Ausgangssignal der Inverterschaltung als Eingangssignal an die Inverterschaltung zuführt; einem Amplitudendetektor, der ein erstes Signal erzeugt, wenn das Ausgangssignal des Oszillatorblocks eine Amplitude hat, die kleiner als ein vorbestimmter Pegel ist, und ein /weites Signal, wenn das Ausgangssignal des Oszillatorblockes eine Amplitude hat, die größer ist als der vorbestimmte Pegel; und einer Umschaltvorrichtung zum Ändern der Betriebsbedingungen des ersten und zweiten Transistors, wobei als Folge des ersten Signals die Schwingungsanlaufzeit beschleunigt wird, und als Folge des zweiten Signals der Stromverbrauch minimiert wird. Eine derartige Oszillatorschaltung ist bekannt aus der DE-AS 26 16 678. Diese bekannte Oszillatorschaltu.ng weist eine Oszniatorschaltung aus einem MOS-Inverterschaltkreis und einer Rückkopplungsschaltung mit Schwingquarz auf, sowie einen Amplitudendetektor zum Messen der Schwingamplitude des Oszillatorschaltkreises und eine Umschaltvorrichtung für die Be-

!0 triebsbedingungen der Transistoren des Inverters. Bei dieser bekannten Schaltung wird für die Anlaufphase der Schwingung zum MOS-Inverter ein weiterer MOS-Inverter parallel geschaltet, um so die Verstärkung der Schwingung in der Anlaufphase zu vergrößern. Nach Beendigung der Anlaufphase wird der zweite MOS-Inverter gesperrt, so daß die Schwingung aufrechterhalten wird nur durch den einen MOS-Inverter. Dadurch wird der Stromverbrauch im eingeschwungenen Zustand verringert Diese bekannte Schaltung hat aber den Nachteil, daß die den Inverterschaltkreis bildenden MOS-Transistoren auch im eingeschwungenen Zustand immer über den Widerstand zwischen Gate und Ausgang kurzgeschlossen sind, so daß auch im stationären Schwingungszustand während eines großen Teils der Periodendauer oder während der gesamten Periodendauer ein Strom durch beide MOS-Transistoren fließt und dadurch die Leistungsaufnahme bzw. der Leistungsverbrauch groß wird.
Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, eine Oszillatorschaltung der oben beschriebenen Art zu schaffen, bei der die Einschwingzeit verkürzt ist (was durch die Schaltung des Widerstandes zwischen Ausgang und Eingang der MOS-Transistoren erreicht ist) und bei der trotzdem der Stromverbrauch im eingeschwungenen Zustand minimiert wird.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Umschaltvorrichtung eine Vorspannungsquelle enthält, die die Eingangselektroden des ersten und zweiten Transistors als Folge des zweiten Signals zur Stromminimierung vorspannt, und eine Schaltervorrichtung, die zwischen den Widerstand und die jeweilige Eingangselektrode des ersten und zweiten Transistors geschaltet ist, und als Folge des ersten Signals eine Verbindung von den Ausgangselektroden über den Widerstand zu den Eingangselektroden des ersten und zweiten Transistors bildet, und als Folge des zweiten Signals diese Verbindung trennt.

Durch die erfindungsgemäße Umschaltvorrichtung wird es ermöglicht, daß für den Einschwingzustand durch die Verbindung zwischen Gate und Drain-Elektroden der Transistoren über den Widerstand die Gates auf die Hälfte der Spannung von der Spannungsquelle vorgespannt sind. Im stationären Schwingungszustand wird dann diese Verbindung unterbrochen und dadurch ermöglicht, daß der P-MOS-FET bzw. der N-MOS-FET separat von einer jeweiligen Vorspannungsquelle (ggf. unterschiedlich) vorgespannt werden, um dadurch zu verhindern, daß beide MOS-FETs während der gesamten Periodendauer immer aufgeschaltet sind. Dadurch wird die Leistungsaufnahme erheblich verringert.

Eine Ausführungsform der Erfindung wird anhand der Zeichnungen näher beschrieben. Es zeigt

Fig. 1 ein Schaltungsdiagramm einer bekannten Quarzoszillatorschaltung;

F i g. 2 ein Schaltungsdiagramm einer bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Oszillatorschaltung und

Fig. 3 ein Diagramm, das die Verschiebungen der

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Vorspannung bei der bevorzugten Ausführungsform spannung des P-MOS-FET 11 (im nachfolgenden V_Tp

der Erfindung nach F i g. 2 zeigt genannt) erzeugt, und durch eine Schwellwertspan-

Eine Quarzoszillatorschaltung, wie sie bisher für Uh- nungs-Generatorschaltung (im nachfolgenden V₇N-Ge-

ren oder Taktgeber verwendet wurde, weist eine in nerator genannt) 17 angelegt, die eine Spannung gleich

F i g. 1 dargestellte Schaltungsanordnung auf. P-Kanal- 5 der Schwellwertspannung des N-MOS-FET 12 (im

MOS-Feldeffekttransistor (im nachfolgenden P-MOS- nachfolgenden Wn) genannt) erzeugt Die Widerstands-

FET genannt) 2 und ein N-Kanal-MGS-Feldeffekttran- werte der hochohmigen Widerstände 26 und 27 betra-

sistor (im nachfolgenden N-MOS-FET genannt) 3 rind gen vorzugsweise 100 ΜΩ. Das Umschalten zwischen

in Reihe geichaltet Zwischen dem gemeinsamen Ver- diesen beiden Gate-Vorspannungen wird durch die

bindungspunkt der Source-Elektroden und dem ge- ίο Schritte der Frequenzteilung eines Signals am gemein-

meinsamen Verbindungspunkt der Gate-Elektroden der samen Verbindungspunkt der Drain-Elektroden der

Feldeffekttransistoren ist ein Widerstand 1 geschaltet. entsprechenden MOS-FETs 11 und 12 mittels eines Fre-

Parallel zum Widerstand 1 ist ein Quarzresonator 4 ge- quenzteilers 23 bewirkt, der mittels einer Kurvenform-

schaltet, dessen beiden Anschlüsse über Kondensatoren Detektorschaltung 28 feststellt, ob der Pegel bzw. die

5 und 6 mit einer Spannungsquelle Vdd verbunden sind. 15 Amplitude einer Kurvenform einen vorbestimmten

Während bei einer derartigen Schaltung eine relativ Wert überschreitet oder nicht, und der die Schalter 13

kurze Startzeit bzw. Anschwingzeit vom Beginn der und 15 ein- bzw. ausschaltet Insbesondere werden im

Schwingung bzw. vom Einschalten bis zuiii Erreichen Nicht-Schwingungszustand und während der Über-

der stationären Schwingung erhalten wird, wird ein gro- gangszeit, während der die Amplitude der Schwingung

ßer Strom während der Zeitdauer der stationären 20 nicht einen vorbestimmten Wert beim Beginn der

Schwingung verbraucht Dies hat seinen Grund darin, Schwingung erreicht, die Schalter 13 und 15 leitend, so

daß die Gatevorspannungen des P-MOS-FET 2 und des daß eine Gate-Vorspannung an die entsprechenden

N-MOS-FET 3 aufgrund der Wirkung des Widerstands MOS-FETs 11 und 12 über den Vorspannungswider-

1 auf die Hälfte der Spannung von der Spannungsquelle stand 14 angelegt wird. Zu diesem Zeitpunkt ist die Ga-

eingespannt sind. Bei einer derartigen Vorspannungsbe- 25 te-Vorspannung gleich der Halte der Spannungsdiffe-

dingung wird eine kurze Startzeit erreicht Da aber an- renz zwischen den an den Klemmen V_Dd und Vss anlie-

dererseits während eines großen Teils der Periodendau- genden Spannungen. Im Zustand der stationären

er ein Strom durch die beiden MOS-FETs 2 und 3 fließt, Schwingung, bei dem die Amplitude der Schwingungs-

wird die Leistungsaufnahme bzw. der Leistungsvcr- kurve einen vorbestimmten Wert überschreitet sind die

brauch groß. 30 Schalter 13 und 15 geöffnet, so daß von der Wp-Genera-

Eine bevorzugte Ausführungsform der erfindungsge- torschaltung 16 und der W/v-Genera torschaltung 17

mäßen Oszillatorschaltung wird nun anhand von F i g. 2 Gate-Vorspannungen zugeführt werden, die gleich den

beschrieben. Ein Komplementär-Inverter besteht aus Schwellwertspannungen der entsprechenden MOS-

einem P-MOS-FET11 und einem N-MOS-FET12, die in FETs 11 und 12 sind.

Reihe geschaltet sind zwischen einer Spannungsklemme 35 Es wird nun die Wirkungsweise der oben beschriebe-Vbo24, die beispielsweise auf Erdpotential gehalten nen bevorzugten Ausführungsform der Erfindung anwird, und einer weiteren Spannungsklemme Vss 25, die hand der F i g. 2 und 3 näher beschrieben, auf einem negativen Potential gehalten wird, beispiels- Zum Zeitpunkt des Einschaltens der Spannungsquelle weise —1,55 V. Der Verbindungspunkt der beiden oder nach dem Abstoppen der Schwingung werden, da Drain-Elektroden der MOS-FETs 11 und 12 ist mit ei- 40 der Kurvenformdetektor 28 kein Ausgangssignal liefert nem Vorspannungswiderstand 14 von 20 ΜΩ, einem die Schalter 13 und 15 durch das Ausgangssignal des Quarzresonator 20, einem Kondensator 21 und einem Kurvenformdetektors 28 eingeschaltet, wodurch der Frequenzteiler 23 verbunden. Zwischen dem Vorspan- Vorspannungswiderstand 14 mit den Gate-Elektroden nungswiderstand 14 und der Gate-Elektrode des P- des P-MOS-FET11 und des N-MOS-FET12 verbunden MOS-FET 11 ist ein Schalter 13 und zwischen den Vor- 45 wird, so daß am P-MOS-FET11 und am N-MOS-FET12 Spannungswiderstand 14 und die Gate-Elektrode des eine Vorspannung V₅ anliegt die kleiner ist als die N-MOS-FET ein weiterer Schalter 15 eingefügt, um die Schwellwertspannung Vtpdes P-MOS-FET 11 und gröelektrischen Verbindungen zwischen dem Vorspan- ßer ist als die Schwellwertspannung Vtn des N-MOS-nungswiderstand 14 und der entsprechenden Gate- FET 12, wie es am Vorspannungspunkt 31 in Fig.3 Elektrode der MOS-FETs 11 und 12 zu steuern. Ande- 50 dargestellt ist Damit kann die Startzeit der Schwingung rerseits sind die beiden Anschlüsse des Quarzresonators verkürzt werden. In diesem Fall wird der Stromver-20 kapazitiv mit der Spannungsklemme V_DD üoer Kon- brauch groß, da die Gate-Spannungen des F-MOS-FET densatoren 21 bzw. 22 verbunden und der gemeinsame 11 und des N-MOS-FET 12 häufiger in den Eingangs-Verbindungspunkt von Quarzresonator 20 und Kon- Spannungsbereich (schraffierter Bereich in Fig. 3) eindensator 22 ist über Kondensatoren 18 bzw. 19 mit den 55 treten, in dem sowohl der P-MOS-FET 11 als auch der Gate-Elektroden des P-MOS-FET11 bzw. des N-MOS- N-MOS-FET 12 gleichzeitig leitend werden. Danach, FET 12 verbunden. Die Kapazitäten der Kondensatoren wenn die Schwingung sich stabilisiert und der Kurven-18 und 19 betragen beispielsweise 5 pF und die der Kon- formdetektor 28 ein Ausgangssignal liefert, schaltet diedensatoren 21 und 22 beispielsweise 20 pF. Aufgrund ses Ausgangssignal die Schalter 13 und 15 aus, so daß die der durch den Quarzresonator 20 und die Kondensato- 60 Verbindung zwischen Vorspannungswiderstand J4 und ren 18 und 19 gebildeten Rückkopplungsschaltung kpin Gate-Elektroden der MOS-FETs 11 und 12 unterbrodie Schwingung der Oszillatorschaltung bewirkt wer- chen wird. Damit wird, wie es am, der Schwellwertspanden. Die für diese Schwingung erforderlichen Gate-Vor- nung Vtp entsprechenden Vorspannungspunkt 32 bzw. spannungen werden über hochohmige Widerstände 26 am, der Schwellwertspannung Vtn entsprechenden Vorbzw. 27, zusätzlich zur Wirkung des Vorspannungswi- 65 spannungspunkt 33 in F i g. 3 dargestellt ist, die Schwellderstands 14, durch eine Schwellenwertspannungs-Ge- wertspannung Vtp aem P-MOS-FET 11 als Vorspanneratorschaltung (im nachfolgenden VVp-Generator ge- nung zugeführt, während die Schwellwertspannung V_Tn nannt) 16, die eine Spannung gleich der Schwellwert- an den N-MOS-FET 12 angelegt wird, wodurch der

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Durchflußstrom im Inverter vermindert und der Strom- zwischen den Spannungsklemmen VOo und Vss in Reihe verbrauch in der Oszillatorschaltung kleingemacht wer- geschaltet sind. Die Schwellwertspannung Vtn wird den kann. zwischen der Spannungsklemme Vss und den Gate-

Durch das Umschalten von einer Oszillatorvorspan- Drain-Kurzschlußpunkt des N-MOS-FET 66 erhalten, nung beim Abstopper, der Schwingung zu einer Oszilia- 5 Den Gate-Elektroden der P-MOS-FETs 63 und 65 wird torvorspannung im Zustand der stationären Schwin- über eine Klemme 10 eine Vorspannung von beispielsgung und umgekehrt wird eine Oszillatorschaltung ge- weise —0,2 Vzugeführt.

schaffen, bei der die Schv/ingung innerhalb einer kurzen Selbstverständlich können auch andere Schaltungs-

Zeitdauer nach dem Einschalten der Spannungsquelle konfigurationen für die Kurvenformdetektorschaltung gestartet und die nach Erreichen des Zustands der sta- 10 28, die VVp-Generatorschaltung 16, die VV/v-Generatortionären Schwingung mit niedrigem Stromverbrauch schaltung 17 und die Schalter 13 und 15 Verwendung arbeiten kann. Da die Schwellwertspannungen Vjp und finden. So ist es beispielsweise möglich, den P-MOS-VrN als Vorspannungen benutzt werden, hält bei einer FET 59 und den N-MOS-FET 60 in der Kurvenformdestabilen Schwingung die Ausgangsamplitude eine stabi- tektorschaltung 28 wegzulassen und lediglich die N-Ie Kurvenform selbst dann bei, wenn die Eingangsampli- 15 MOS-FETs von den Schaltern 13 und 15 zu entfernen, tude aus irgendeinem Grund klein wird, so daß dadurch Änderungen und Ausgestaltungen der beschriebenen

eine stabile Schwingung beibehalten werden kann. Ausführungsform sind für den Fachmann ohne weiteres

Bei der oben beschriebenen Ausführungsform kann möglich und fallen in den Rahmen der Erfindung. So als Frequenzteiler 23 irgendein herkömmlicher Fre- kann die oben beschriebene Oszillatorschaltung beiquenzteiler verwendet werden. Bei der Kurvenformde- 20 spielsweise so abgeändert werden, daß die Feststellung tektorschaltung 28 wird das Ausgangssignal des Fre- des stationären Schwingungszustands dadurch erfolgt, quenzteilers 23 einem aus P-MOS-FET 51 und N-MOS- daß die Periode des Schwingungsausgangssignals gleich FET 52 bestehenden Komplementär-MOS-Inverter zu- der Periode bei einem vorbestimmten Zustand der stageführt, während das Ausgangssignal des Inverters von tionären Schwingung ist oder nicht, und der Schalter einem Verbindungspunkt einer Reihenschaltung aus 25 dann in Abhängigkeit von dieser Feststellung umge-Kondensator 53 und Widerstand 54 der Gate-Elektrode schaltet wird.

eines N-MOS-FETs 55 zugeführt wird. Die Kapazität

des Kondensators 53 beträgt vorzugsweise 5 pF und der Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Widerstandswert des Widerstands 54 vorzugsweise

100 ΜΩ. Wenn die Schaltung nicht schwingt oder das Schwingungsausgangssignal hinsichtlich seiner Amplitude kleiner ist als ein vorbestimmter Wert, so wird die Spannung am Verbindungspunkt von Kondensator 53 und Widerstand 54 auf dem Spannungspegel der Spannungsklemme Vss gehalten. Andererseits wird im Zustand der stationären Schwingung die Schwingungskurvenform durch den Kondensator 53 und den Widerstand 54 differenziert Da die Zeitkonstante der Reihenschaltung aus Kondensator und Widerstand groß gewählt wird, ändert sich zu diesem Zeitpunkt die Spannung am Verbindungspunkt auf den Spannungspegel der Spannungsklemme VW Ein von einem Lastwiderstand 56 mit 100 ΜΩ erhaltenes Ausgangssignal wird einem aus P-MOS-FET 59 und N-MOS-FET 60 bestehenden Komplementär-MOS-Inverter über einen weiteren aus P-MOS-FET 57 und N-MOS-FET 58 bestehenden Komplementär-MOS-Inverter zugeführt Das Ausgangssignal der Kurvenformdetektorschaltung 28 besteht aus den komplementären Ausgangssignalen am Eingang und Ausgang des aus dem P-MOS-FET 59 und dem N-MOS-FET 60 bestehenden Komplementär-MOS-Inverter. Diese komplementären Ausgangssignale werden den Schaltern 13 bzw. 15 zugeführt, die jeweils aus einem P-MOS-FET und einem N-MOS-FET bestehen, deren Source-Elektroden und Drain-Elektroden jeweils miteinander verbunden sind, um das Ein- und Ausschalten der Schalter 13 und 15 zu steuern.

Die Vrp-Generatorschaltung 16 weist einen P-MOS-FET 61. dessen Gate und Drain miteinander kurzgeschlossen sind, sowie einen N-MOS-FET 62 auf. Diese MOS-FETs 61 und 62 sind in Reihe zwischen der Spannungsklemme Vdd und dem Gate-Drain-Kurzschlußpunkt des P-MOS-FET 61 geschaltet Eine aus dem P-MOS-FET 63 und den N-MOS-FET 64 bestehende Reihenschaltung stellt eine Spannungszuführungsschaltung zum Anlegen einer Gate-Vorspannung an den N-MOS-FRT 62 dar. Die Vr.v-Generaiorschaltung 17 besteht aus einem P-MOS-FET 65 und einem N-MOS-FET 66, die

Claims (1)

1. Patentanspruch:
   Oszillatorschaltung mit:

   — einem Oszillatorblock mit einer Inverterschaltung und einer Rückkopplungsschaltung, wobei die Inverterschaltung einen ersten und einen zweiten Transistor von entgegengesetztem Leitfähigkeitstyp und einen Widerstand aufweist, der zwischen die Ausgangs- und die Eingangselektroden des ersten und zweiten Transistors geschaltet ist, und wobei die Rückkopplungsschaltung das Ausgangssignal der Inverterschaltung als Eingangssignal an die Inverterschaltung zuführt;

   — einem Amplitudendetektor, der ein erstes Signal erzeugt, wenn das Ausgangssignal des Oszillatorblocks eine Amplitude hat, die kleiner als ein vorbestimmter Pegel ist, und ein zweites Signal, wenn das Ausgangssignal des Oszillatorblockes eine Amplitude hat, die größer ist als der vorbestimmte Pegel; und

   — einer Umschaltvorrichtung zum Ändern der Betriebsbedingungen des ersten und zweiten Transistors, wobei als Folge des ersten Signals die Schwingungsanlaufzeit beschleunigt wird, und als Folge des zweiten Signals der Stromverbrauch minimiert wird,