DE3017928C2 - Relaxationsoszillator - Google Patents
RelaxationsoszillatorInfo
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Description
Die Erfindung betrifft einen Relaxationsoszillator, dessen Frequenz mit Hilfe eines externen Regelsignals
veränderbar ist, wie er im Oberbegriff des Anspruchs 1 vorausgesetzt ist.
Aus der US-PS 39 04 988 ist ein spannungssteuerbarer Oszillator in CMOS-Technik bekannt, der Rechteckschwingungen
mit linear von der Steuerspannung abhängender Frequenz liefert und bei dem das Tastverhältnis der Rechteckschwingung dadurch konstant
I : I gehalten wird, daß der Aufladestrom und der Entladestrom für eine Kapazität des Oszillators gleich
groß gemacht und gehalten werden. Das gleiche Prinzip wird bei einem aus der DE-AS 25 37 329 bekannten
Oszillator angewandt.
Die Aufgabe der Erfindung besteht in der Angabe eines spannungssteuerbaren Relaxationsoszillators, bei
dem das Tastverhältnis der erzeugten Oszillatorschwingung über einen weiten Bereich von Betriebstemperati'-
ren und über den Fi ^quenzregelbereirh konstant bleibt.
Diese Aufgabe wird durch die im kennzeichnenden Teil des Anspruchs I angeführten Merkmale gelöst.
Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen
gekennzeichnet,
Bei einer als Beispiel angeführten Anwendung der Erfindung in einem Farbfernsehempfänger dient ein
nach den Prinzipien der Erfindung aufgebauter Relaxationsoszillator als regelbarer Oszillator in einer
Frequenzverdreifacherschaltung mit einer Phasensynchronisierschleife, welcher aus Bezugssignalen der
Farbträgerfrequenz (4· = 3,579545 MHz) Taktsignale
der dreifachen Frequenz (x (10,738635 MHz) zur Verwendung für die Taktung der Ladungsverschiebung
in CCD-Kammfilterschaltungen ableitet, wie sie beispielsweise im US-Patent 40 96 516 beschrieben sind.
Bei diesem Anwendungsbeispiel ist die Oszillatorschaltung als integrierte Schaltung in N-MOS-Technologie
auf einem gemeinsamen monolithischen integrierten Schaltungsplättchen mit den getakteten CCD-Elementen
aufgebaut.
Damit für den richtigen Betrieb dei Phasensynchronisierschleife
die Taktfrequenz genau eingehalten v/rrd, soll bei den verschiedenen im Betrieb des Fernsehers
auftretenden Temperaturverhältnissen die Frequenzregelung bei Veränderungen der Regelspannung nicht zu
Änderungen des Tastverhältnisses der Oszillatorausgangsspannung führen. Der erfindungsgemäße Relaxationsoszillator,
bei welchem die Spannung an einem abwechselnd aufgeladenen und entladenen Kondensa- jo
tor zwischen einem oberen und einem unteren Schwellenpotential ansteigt und abfällt, hat eine
Frequenzregelschaliung, bei welcher nur eines der beiden Schwellwertpotentiale, praktisch nicht jedoch
das andere, durch eine externe Frequenzregelspannung veränderbar ist.
Bei einer beispielsweisen Ausführungsform der Erfindung wird das Umschalten der die Kondensatorladung
zwischen Aufladungs- und Entladungszustand steuernden Schaltungen vom Strombedarf einer Transistorschaltupg
abhängig gemacht, welche die Kondensatorspannung überwacht. Eine variable Impedanzschaltung,
welche den Strombedarf der Transistorschaltung beeinflußt, wird vom externen Frequenzregelsignal und
vom Betriebszustand der Ladesteuerschaltungen so gesteuert, daß erstens ihr Impedanzwert über einen
vorgegebenen Wertebereich in Abhängigkeit von der Größe des externen Regelsignals veränderbar ist, wenn
die Ladungssteuerschaltung in einem vorbestimmten ihrer Betriebszustände arbeitet, und daß zweitens ihre so
Impedanz einen praktisch konstanten Wert hat, der unter dem vorgegebenen Wertebereich liegt und im
wesentlichen unabhängig von der Größe des externen Regelsignals ist, wenn die Ladungssteuerschaltung in
dem anderen Betriebszustand arbeitet. Dadurch verändert sich das Schwellwertpotential, bei welchem der
eine Betriebszustand beendet wird, in Übereinstimmung mit dem externen Regelsignal, während das Schwellwertpotential,
bei welchem der andere Betriebszustand aufhört, durch das externe Regelsignal praktisch
unbeeinflußt bleibt. Bei vom externen Regelsignal nicht beeinflußten Änderungsraten (der Kondensatorspannung)
wirken sich die Änderungen des einen Schwellwertpotentials in Änderungen der Oszillatorfrequenz
ohne Veränderung des Taslverhältnisses aus. b=,
Als Beispiel kann das veränderbare Impedanzelement durch ein Paar Transistoren realisiert werden, deren
Leilungswege im Sourcekreis eines Feldeffekttransistors parallel liegen, welcher die Kondensatorspannung
überwacht Die Leitfähigkeit eines ersten der Leitungspfade ändert sich mit dem externen Regelsignal. Der
zweite LeUungspfad ist während des einen Betriebszustandes gesperrt, leitet jedoch stark im anderen
Betriebszustand und schließt damit praktisch den ersten Leitungspfad kurz. In den Zeichnungen zeigt
F i g. 1 einen spannungsgesteuerten Oszillator gemäß der Erfindung;und
F i g. 2 eine Schaltung für die Durchführung bestimmter Funktionen der Oszillatorschaltung gemäß F i g. 1.
Bei der in F i g. 1 gezeigten Stellung ist eine Kapazität 11 zwischen Gate- und Sourceelektroden eines Feldeffekttransistors
13 geschaltet. Die Sourceelektrode des Transistors 13 liegt direkt an einem Bezugspotentialpunkt
(der als Masse gezeigt ist). Die Drainelektrode des Transistors 13 liegt an der Sourceelektrode eines
Feldeffekttransistors 15, dessen Gateelektrode mit der Gateelektrode des Transistors 13 verbunden ist.
Der gesteuerte Leitungspfad zwischen Source- und Drainelekirode des Transistors 13 ist durch die
Parallelschaltung zweier steuerbare Leitungspfade von Feldeffekttransistoren 17 und 19 überbrückt, deren
Sourceelektroden an Masse liegen und deren Drainelektroden mit der Drainelektrode des Transistors 13
verbunden sind. Die Gateelektrode des Transistors 17 ist mit iinem Eingangsanschluß 10 für die Frequenzregelspannung
verbunden.
Die Drainelektrode des Transistors 15 liegt am Gate des Feldeffekttransistors 23, dessen Sourceelektrode
geerdet ist. Die Drainelektrode des Transistors 23 ist mit dem Gate des Transistors 19 und den Gates zusätzlicher
Feldeffekttransistoren 27 und 33 verbunden.
Die Sourceelektrode des Transistors 33 liegt an Masse, seine Drainelektrode liegt am Oszillatorausgangsanschluß
O. Die Sourceelektrode des Transistors 27 liegt über eine Stromsenke 31 an Masse und seine
Drainelektrode liegt am Verbindungspunkt der Kapazität 11 mit den Gates der Transistoren 13 und 15.
Stromquellen 21, 25, 29 und 35 liegen jeweils zwischen einer positiven Betriebsspannungsklemme B+ und den
Drainelektroden der Transistoren 15, 23, 27 bzw. 33. Dtr Strombedarf der Stromsenke 31 geht über den von
der Stromquelle 29 verfügbaren Strom hinaus und sei hier zweimal so groß.
Für eine einführende Erläuterung der Betriebsweise der Oszillatorschaltung gemäß Fig. 1 sei angenommen,
daß der Transistor 17. dem die Frequenzregelspannung zugeführt wird, zunächst vernachlässigt sei. Für die
Beschreibung der Betriebsweise der Schaltung sei als Ausgangspunkt angenommen, daß die Kapazität 11
entladen ist, so daß die Transistoren 13 und 15 hochohmig sind und nicht leiten. Bei diesen Verhältnissen
ist der Transistor 23 stark leitend vorgespannt und hält die Transistoren 19, 27 und 33 gesperrt. Bei
gesperrtem Transistor 33 hat das Potential am ÄusgangsanschlüC O einen hohen Wert. Bei gesperrtem
Transistor 27 ist die Stromsenke 31 von der Kapazität 11 abgekoppelt, und der von der Quelle 29 gelieferte
Strom steht zur Aufladung der Kapazität 11 zur Verfügung.
Mit zunehmender Aufladung der Kapazität Π steigt
das Potential an den Gates der Transistoren 13 und 15 und erhöht dabei den Strombedarf an dei Drainelektrode
des Transistors 15. Wenn dieser Strombedarf einen Schwe!l?nstromwert überschreitet (nämlich den vnn der
Stromquelle 21 verfügbaren Strom), dann fälit das
Potential am Gate des Transistors 2.3 ab und bewirkt
30 M 928
einen Potentialanstieg an der Drainclektroclc des Transistors 23. so daß die Transistoren 19, 27 und 33 zu
leiten beginnen.
Das Leiten des Transistors 19, der aus seinem hochohmigen Zustand herausgerät, hat eine Mitkoppelungswirkung,
durch welche der Strombedarf des Transistors 15 weiter ansteigt, so daß der Transistor 23
schnell sperrt und die Transistoren 19, 27 und 33 schnell stark leitend werden. Das Potential am Ausgangsanschluß
O geht auf einen niedrigen Wert über und der stark leitende Transistor 27 koppelt die Stromsenke 31
über die Kapazität It. Wenn der Strombedarf der
Stromsenke 31 über den von der Quelle 19 verfügbaren
Strom hinausgeht, dann beginnt nun die Entladung der Kapazität II. Bei einem angenommenen Verhältnis von
2 : I /wischen Strombedarf der .Stromsenke 31 und .Stromlieferung durch die Stromquelle 19 ist die
Entladungsrate für die Kapazität direkl vergleichbar mit der vorherigen Aufladungsrate.
Uii UCI McIIK It-IICIIUt: I UHiMIMlM
Bestimmung des Strombedarfs des Transistors 15 während des Betriebszustandes, wo die Kapazität
entladen wird, fällt der .Strombedarf des Transistors 15
nicht unter den vorerwähnten Schwellenstromwert. bis das Potential an den Gates der Transistoren 13 und 15
einen anderen, niedrigeren Potentialwert (niedrigeres .Schwellenpotential) als dasjenige Potential (oberes
Sehwellcnpotential) annimmt, bei welchem das Umschalten in den Entladungszustand eingeleitet worden
war. Wenn jedoch das niedrigere Schwellenpoteiuial erreicht ist. dann ergibt sich ein Anstieg des
Gatepotentials des Transistors 23, so daß die Transistoren 19, 27 und 33 schwächer leiten. Der Impedanzansiieg
des Transistors 19 hat eine Mitkoppelungswirkung, durch welche der Strombedarf des Transistors 15 weiter
verringert wird und der Transistor 23 schnell stark leitend wird, wahrend die Transistoren 19, 27 und 33
schnell sperren. Das Potential am Ausgangsanschluß O nimmt wieder einen hohen Wert an. und ein neuer
Schwingungszyklus beginnt.
Es sei nun die Wirkung des Transistors 17 betrachtet.
Der Leitungspfad zwischen Source- und Drainelektrode de' Transistors 17 liegt parallel zu den Leitungspfaden
der Transistoren 13 und 19. über welche die Sourceelektrode
des Transistors 15 an Masse geführt ist. Wenn die Os/illatorschaltung im Kapazitätsaufladungszustand
arbeitet, wobei der Transistor 19 gesperrt ist, dann kann der Leiningszustand des Leitungspfades des Transistors
17. der durch die Größe der am Anschluß Czugeführten Regelspannung bestimmt wird, den Strombedarf des
Transistors 15 erheblich beeinflussen. Damit verändern Änderungen de: Regelspannung das obere Schwellwertpotential,
also dasjenige Potential, bei welchem ein steigender Strombedarf des Transistors 15 Jen Schwellenstromwert
erreicht, um die Schaltung in den K apazitätsentladezustand umzuschalten.
Wenn im Gegensatz dazu der Oszillator im Kondensatorentladezusiand arbeitet, dann leitet der
Transistor 19 stark und schaltet die Sourceelektrode des Transistors 15 an Masse. Dann können Änderungen des
Leitungszustandes des Transistors 17 den Strombedarf des Transistors 15 nicht mehr nennenswert beeinflussen.
Auf diese Weise bleibt das untere Schwellenwertpotential, also dasjenige Potential, bei welchem ein sinkender
Strombedarf des Transistors 15 den Schwelienstrom- *
u ert erreicht, um die Schaltung in den Kondensatorladezustand
umzuschalten — praktisch unbeeinflußt durch die Größe der am Anschluß C zugeführten
Rcgelspannung.
Wenn die Regelspannung am Anschluß C positiver wird und dadurch die Leitfähigkeit des Leitungspfades
des Transistors 17 vergrößert, dann wird das obere
Schwellenpotential herabgesetzt, während das untere Schwellenpotential im wesentlichen ungestört bleibt,
wobei die Oszillatorfrequenz ansteigt. Eine entgegengesetzte Verschiebung der Regelspannung erhöht das
obere Schwellenpotential ohne nennenswerte Beeinflussung des unteren Schwellenpotentials, wobei die
Oszillatorf.-equenz abnimmt. Da die Regelspannungsänderungen
keine Auswirkung auf die Größen des von der Stromquelle 29 t.' lieferten Stromes oder des .Strombedarfs
der Stromsenke 31 haben und sich daher nicht auf die Auflade- und Lntladeraten auswirken, stören
Frequcn/änderungen nicht die Konstanz des Tastverhäitnisses
am Ausgang, welches durch das Verhältnis dieser Stromgrößen bestimmt ist. Realisiert man die
Stromquelle 29 und die Stromsenke 31 in einer
Verhältnis trotz Betnebstemperaturschwankungen
praktisch konstant gehalten werden.
F i g. 2 zeigt Details einer als Beispiel erläuterten integrierten Schaltung der Stromquelle 29, der Stromsenke
31 und der Kapazität 11 als Elemente, die dem Transistor 27 in der Oszillatorschaltung gemäß F i g. I
zugeordnet sind. Die zusätzlichen Stromquellenelemente (21, 25 und 35) der F i g. 1 lassen sich ebenso in der für
die oi/omquelle 29 in Fig. 2 gezeigten Weise
realisieren.
Gemäß F i g. 2 enthält die Stromquelle 29 drei Feldeffekttransistoren 40, 41 und 42. die in bekannter
Weise zusammengeschaltet sind. Der gesteuerte Leitungspfad zwischen Drain- und Sourceelektrode des
Transistors 41 stellt einen Stromzuführungsweg zwischen dem Anschluß B-V und der Drainelektrode des
Transistors 27 dar. Der Transistor 42, dessen Gate an das Gate des Transistors 41 angeschlossen ist und
dessen Source- und Drainelektroden gemeinsam an. die SourceeleKtrode des Transistors 41 angeschlossen sind,
dient als »booistrapp:ng«-Kapazität ι jer der Gate-Source-Strecke
des Transistors 41. Der Transistor 40. dessen Drain- und Gateelektroden gemeinsam S^-Anschluß
liegen und dessen Sourceelektrode an das Gate
des Transistors 41 geschaltet ist. dient als nichtlinearer Widerstand mit Diodencharakteristik zur Vorspannung
des Gates des Transistors 41.
Fig. 2 zeigt ferner, daß die Stromsenke 31 drei Feldeffektelemente. FETs 50, 51 und 52, enthält, die in
bekannter Weise als Stromspiegel geschaltet sind. Der steuerbare Leitungspfad zwischen Drain- und Sourceelektrode
des Transistors 52 dient als StromsenKunpfad
zwischen Sourceelektrode des Transistors 27 und Masse. Der Strombedarf an der Drainelektrode des
Transistors 52 wird gesteuert durch den Strom, der in der Source-Drain-Strecke des über Gate und Source des
Transistors 52 geschalteten Transistors 51 fließt, und zwar über die gemeinsame Verbindung von Gate- und
Drainelektrode des Transistors 51 mit Gate des Transistors 52 und die Masseverbindung der Sourceelektrode
des Transistors 51. Eine Stromquelle für die Drainelektrode des Transistors 51 wird durch den
Transistor 50 gebildet, dessen Gate- und Drainelektroden zusammen am Anschluß ß-(- liegen und dessen
Sourceelektrode mit der Drainelektrode des Transistors 51 verbunden ist.
Die Funktion der Kapazität 11 wird in F i g. 2 durch
ein zusätzliches Feldeffektelement 60 ausgeübt, dessen
Gate als ein Belag der Kapazität Il dien! und mit der
Drainelektrode des Transistors 27 verbunden ist. Der geerdete Being der Kapazität 11 wird durch die
zusammengeschalteten Source- und Drainelektroden des Elementes 60 gebildet.
Hierzu I BIaIt Zeichnungen
Claims (5)
1. Reia^ationsoszillator, dessen Frequenz mit
Hilfe eines externen Regelsignals veränderbar ist, mit einem ersten und einem zweiten Transistor, die
jeweils zwischen einer ersten und einer zweiten Elektrode einen steuerbaren Leitungspfad haben,
dessen Leitfähigkeit mittels einer zwischen die zweite Elektrode und eine Steuerelektrode des
Transistors angelegte Spannung veränderbar ist, ferner mit einer mit den beiden Transistoren
gekoppelten Kapazität, deren Ladung mittels einer Ladungssteuerschaltung einstellbar ist, die ebenfalls
an die beiden Transistoren angeschlossen ist und unter Steuerung durch deren Strombedarf in einem
ersten Betriebszustand die Kapazität auflädt, solange der Strombedarf unter einem Schwellwert liegt,
und in einem zweiten Beiriebszustand die Kapazität entlädt, solange der Strombedarf über dem Schwellwert
liegt, dadurch gekennzeichnet, daß die eiste Elektrode des ersten Transistors (13)
mit der zweiten Elektrode des zweiten Transistors (15) verbunden ist,
daß die Kapazität (U) zwischen die zweite Elektrode des ersten Transistors (13) und die
Steuerelektrode beider Transistoren (13, 15) geschaltet ist,
daß die Ladungssteuerschaltung (23, 27, 29, 31) an die erste Elektrode des zweiten Transistors (15)
angeschlossen ist und durch deren Strombedarf jo gesteuert wird,
und daß parallel zu dem steuerbaren Leitungspfad des ersten Transistors (13) eine veränderbare
Impedanzschaltung (17, IS) liegt, deren Impedanz von dem externen Regelsignal und dem Betriebszustand
der Ladungssteuerschi>,tung derart abhängt,
daß bei einem vorbestimmten Betriebszustand der Ladungssteuerschaltung die Impedanz über die
Größe des externen Regelsignals innerhalb eines vorgegebenen Wertebereichs veränderbar ist, dagegen
im anderen Betriebszustand der Ladtingsstcuerschaltung
unabhängig von der Größe des externen Regelsignals einen im wesentlichen konstanten Wert
unterhalb der vorgegebenen Wertebereichs aufweist.
2. Oszillator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß die veränderbare Impedanzschaltung einen dritten und einen vierten Transistor (17, 19)
aufweist, deren zwischen ihrer jeweils ersten und zweiten Elektrode liegenden und mittels einer
zwischen die zweite Elektrode und eine Steuerelektrode des Transistors angelegten Spannung in ihrer
Leitfähigkeit veränderbare Leitungspfade miteinander parallelgeschaltet sind, daß der Steuerelektrode
des dritten Transistors (17) das externe Regelsignal (Anschluß C) zuführbar ist, daß die Steuerelektrode
des vierten Transistors (19) mit der Ladungssteuerschaltung (23,27, 29,31) über eine Koppelschaltung
derart gekoppelt ist, daß der Leitungspfad des vierten Transistors in dem vorbestimmten Betriebszustand
der Ladungssteuerschaltung gesperrt ist. dagegen in dem anderen Betriebszustand der
Ladungssteuerschaltung stark leitend ist, und daß der Leitungspfad des ersten Transistors (13) parallel
zu den Leitungspfaden des drillen und vierten Transistors (17,19) geschaltet ist.
3. Oszillator nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet,
daß die Ladungssieucrschaltung aufweist
eine mit der Kapazität (11) gekoppelte Stromquelle
(29), welche einen Strom vorgegebener Größe liefert,
eine Stromsenke (31) mit die vorgegegebene Größe übersteigendem Strombedarf,
einen Schalter (27), welcher in einem ersten Schaltzustand die Stromsenke (31) über die Kapazität (11) schaltet und in einem zweiten Schaltzustand die Stromsenke von der Kapazität abkoppelt,
einen fünften Transistor (23) mit einem zwischen einer ersten und einer zweiten Elektrode verlaufenden Leitungspfad, dessen Leitfähigkeit mittels einer zwischen seine erste Elektrode und seine Steuerelektrode angelegten Spannung veränderbar ist,
eine Koppelschaltung zwischen der Steuerelektrode des fünften Transistors (23) und der ersten Elektrode des zweiten Transistors (15) und eine Koppelschaltung zwischen den jeweils zweiten Elektroden des fünften und des ersten Transistors (23 bzw. 13) derart, daß der Leitungspfad des fünften Transistors (23) bei unterhalb des Schwellwertes liegendem Strombedarf des zweiten Transistors (15) stark leitend ist, bei über dem Schwellwert liegendem Strombedarf des zweiten Transistors dagegen gesperrt ist,
einen Schalter (27), welcher in einem ersten Schaltzustand die Stromsenke (31) über die Kapazität (11) schaltet und in einem zweiten Schaltzustand die Stromsenke von der Kapazität abkoppelt,
einen fünften Transistor (23) mit einem zwischen einer ersten und einer zweiten Elektrode verlaufenden Leitungspfad, dessen Leitfähigkeit mittels einer zwischen seine erste Elektrode und seine Steuerelektrode angelegten Spannung veränderbar ist,
eine Koppelschaltung zwischen der Steuerelektrode des fünften Transistors (23) und der ersten Elektrode des zweiten Transistors (15) und eine Koppelschaltung zwischen den jeweils zweiten Elektroden des fünften und des ersten Transistors (23 bzw. 13) derart, daß der Leitungspfad des fünften Transistors (23) bei unterhalb des Schwellwertes liegendem Strombedarf des zweiten Transistors (15) stark leitend ist, bei über dem Schwellwert liegendem Strombedarf des zweiten Transistors dagegen gesperrt ist,
und eine durch das Potential an der ersten Elektrode des fünften Transistors (23) gesteuerte Einrichtung
(25), welche äV-n Schalter (27) den ersten Schaltzustand
nur dann einnehmen läßt, wenn der steuerbare Leitungspfad des fünften Transistors praktisch
gesperrt ist.
4. Oszillator nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Elektrode des fünften
Transistors (23) mit der Steuerelektrode des vierten Transistors (19) gekoppelt ist.
5. Oszillator nach Anspruch 4, gekennzeichnet durch eine Einrichtung (33), welche unter Steuerung
durch das an der ersten Elektrode des fünften Transistors (23) liegende Potential Oszillatorausgangsschwingungen
mit einer von der Größe des externen Regelsignals abhängenden Frequenz und einem vom Verhältnis des vorgegebenen Stromes
(der Stromquelle 29) zu dem größeren StrombedarF (der Stromsenke 31), nicht aber von der Größe des
externen Regelsignals abhängenden Tastverhältnis liefert.
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