DE3037131A1

DE3037131A1 - Obertonkristallschwingschaltung

Info

Publication number: DE3037131A1
Application number: DE19803037131
Authority: DE
Inventors: Eiji Masuda; Shigemi Kawasaki Kanagawa Sakamoto
Original assignee: Tokyo Shibaura Electric Co Ltd
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 1979-10-04
Filing date: 1980-10-01
Publication date: 1981-04-09
Also published as: JPS5652906A; US4376918A

Description

Henkel Kern, Feier &Hanzei Patentanwälte

Registered Representatives

before the

European Patent Office

Tokyo Shibaura Denki Kabushiki Kaisha Möhlstraße37

Kawasaki, Japan . D-βΟΟΟMünchen80

Tel.: 089/982085^7

Telex: 0529602 hηk! d Telegramme: eUipsoid

SS-55P6O8-2 1. Oktober 1980

Obertonkristailschwingschaltung

Beschreibung

Die Erfindung betrifft eine Obertonkristall- bzw. quarzschwingschaltung mit einem komplementären MOS-ümsetzer und einem Kristallresonator bzw. Quarzschwinger.

Fig. 1 veranschaulicht eine bisherige Obertonkristallschwingschaltung mit einem komplementären MOS- bzw. CMOS-Umsetzer 2 und einem zwischen dessen Eingangs- und Ausgangsklemmen geschalteten Kristallresonator, d.h. Quarzschwinger 4. Der CMOS-Umsetzer 2 besteht aus p- und n-Kanal-Isolierschicht-MOS-Transistoren 6 und 8, deren Stromstrecken in Reihe zwischen eine Stromquellen-Plusklemme V_D und eine z.B. an Masse liegende Stromquellen-Bezugsklemme Vg geschaltet sind. Ein Gleichspannung-Rückkopplungswiderstand 10 ist zwischen Eingangs- und Ausgangsklemmen des CMOS-Umsetzers 2 geschaltet. Ein variabler oder Regelkondensator 14 und ein Kondensator 14 sind zwischen die Eingangsklemme

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des CMOS-Umsetzers 2 und Masse geschaltet. Ein weiterer Kondensator 16 ist zwischen die Ausgangsklemme des CMOS-Umsetzers 2 und Masse geschaltet.

Bei dieser Schwingschaltung bilden der Quarzschwinger 4 und die Kondensatoren 12, 14 und 16 gemeinsam einen Resonanzkreis, der zur Schwingung durch einen Treiberkreis aus dem CMOS-Umsetzer 2 und dem Widerstand 10 angesteuert wird. Bei einer solchen Schwingschaltung wird häufig eine hohe Schwingfrequenz gewünscht. Der Höchstwert der Schwingfrequenz dieser Schwingschaltung ist jedoch aufgrund einiger Einschränkungen, wie Beschränkungsfaktoren bei der Fertigung des Quarzschwingers 4, Verzögerungszeit des CMOS-Umsetzers 2 und Begrenzung der Verstärkung (gain), auf etwa 14 MHz begrenzt= Zur Bereitstellung einer mit einer Frequenz von über 14 MHz arbeitenden Kristallbzw. Quarz Schwingschaltung ist es daher üblich,, eine Obertonkristallschwingschaltung zu verwenden, die gemäß Fig. 2 einen bipolaren Transistor 18, einen Kristallresonator bzw. Quarzschwinger 20 und einen Schaltkreis 22 aufweist, der zusammen mit dem Quarzschwinger 20 einen Resonanzkreis bildet und eine Anzahl passiver Abstimmelemente zur Anlegung einer Vorspannung an den bipolaren Transistor aufweist. Eine solche Schwingschaltung arbeitet somit im Schwingbetrieb mit einer ein (ungeradzahliges) Vielfaches (odd times) der Grundfrequenz des Quarzschwingers betragenden Frequenz.

Diese bisherige Obertonschwingschaltung ist also mit dem Nachteil behaftet, daß sie eine große Zahl von Bauteilen benötigt, so daß sich die Kosten für diese Schaltung erhöhen und die Schaltung selbst empfindlich für Schwankungen der Stromquellen-

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spannung ist und im Betrieb mangelhafte Zuverlässigkeit besitzt. Ein MOS-Verfahren, das vornehmlich für die Herstellung moderner Halbleitervorrichtungen angewandt wird, ist für die Herstellung der Schwingschaltung nach Fig. 2 nicht anwendbar. Infolgedessen kann die Schwingschaltung nach Fig. 2 nicht auf demselben Chip bzw. Plättchen wie eine nach dem MOS-Verfahren hergestellte Halbleitervorrichtung ausgebildet werden.

Aufgabe der Erfindung ist damit insbesondere die Schaffung einer Obertonkristallschwingschaltung, die bei einfachem Auf bau auf einer Frequenz über der Grundfrequenz des Kr-istallresonators, d.h. Quarzschwingers, zu schwingen vermag.

Diese Aufgabe wird durch die in den beigefügten Patentansprüchen gekennzeichneten Merkmale gelöst.

Die erfindungsgemäße ObertonkriStallschwingschaltung kennzeichnet sich durch eine komplementäre MOS-Umsetzerschaltung, einen Kristallresonator bzw. Quarzschwinger und einen Rückkopplungswiderstand, die an Eingangs- bzw. Ausgangsklemme der Umsetzerschaltung angeschlossen sind, zwei kapazitive Elemente, die mit Eingangs- bzw. Ausgangsklemme der Umsetzerschaltung verbunden sind, und eine Reihenschaltung aus induktiven und kapazitiven Elementen, die zumindest mit erstem oder zweitem kapazitiven Element parallelgeschaltet ist.

Im folgenden sind bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung im Vergleich zum Stand der Technik anhand der beigefügten Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 ein Schaltbild einer bisherigen Kristallschwingschaltung mit einem CMOS-Umsetzer,

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Fig. 2 ein Schaltbild einer bisherigen Obertonkristailschwingschaltung,

Fig. 3 ein Schaltbild einer Obertonkristall- bzw. -quarzschwingschaltung gemäß der Erfindung,

Fig. 4 eine schematische Schnittansicht einer dem CMOS-Umsetzer bei der Schwingschaltung nach Fig. 3 bildenden Halbleitervorrichtung,

Fig."5A und 5B graphische Darstellungen von Wellenformen der Eingangs- und Ausgangssignale des CMOS-ümsetzers nach Fig. 4,

Fig. 6 ein Äquivalentschaltbild des bei der Schwingschaltung gemäß Fig. 3 vorgesehenen Resonators bzw. Schwingers,

Fig. 7 eine graphische Darstellung der Reaktanz/Frequenz-Kennlinie eines bei der Schwingschaltung nach Fig. 3 vorgesehenen Abstimmkreises,

Fig. 8 ein Äquivalentschaltbild der Kristallschwingschaltung gemäß*Fig. 3,

Fig. 9 bis 12 Schaltbilder abgewandelter Ausführungsformen der Kristallschwingschaltung nach Fig. 3,

Fig. 13 bis 15 Schaltbilder weiterer Ausfuhrungsformen der Kristallschwingschaltung gemäß der Erfindung und

Fig. 16 und 17 ein CMOS-NAND-Glied bzw. ein CMOS-NOR-Glied, die anstelle des CMOS-Umsetzers bei der Kristall-

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schwingschaltung gemäß Fig. 14 einsetzbar sind. Die Pig. 1 und 2 sind eingangs bereits erläutert worden.

Fig. 3 veranschaulicht eine Kristallschwingschaltung mit einem CMOS-ümsetzer 32 und einem zwischen dessen Eingangsund Ausgangsklemmen geschalteten Resonator bzw. Schwinger Der CMOS-Umsetzer 32 enthält p- und n-Kanal-MOS-Transistoren 36 und 38, deren Stromstrecken in Reihe zwischen eine Stromquellen-Plusklemme Vp und eine Stromquellen-Bezugsklemme Vg geschaltet sind. Eine Sperr-Gate-Elektrode (back gate) des p-Kanal-MOS-Transistors 36 ist mit dessen Sou-rce-Elektrode und der Stromquellenklemme V^ verbunden. Die Sperr-Gate-Elektrode (back gate) des n-Kanal-MOS-Transistors 38 ist an dessen Source-Elektrode und die Stromquellenklemme Vg angeschlossen. Der Schwinger 34 besteht aus zwei Elektroden an einem AT-Schnitt-Kristallstück.

Zwischen Eingangs- und Ausgangsklemme des CMOS-ümsetzers 32 ist ein Gleichspannung-Rückkopplungswiderstand 40 mit einem Widerstandswert von ungefähr 1O-* - I08&. eingeschaltet. Der Widerstand 40 dient zur Bestimmung der Größe einer bei Einleitung der Schwingung an den Umsetzer 32 und den Kristall- bzw. Quarzschwinger 34 angelegten Gleichstrom-Vorspannung. Zwischen die Bezugsklemme V₅ sowie Eingangs- und Ausgangsklemmen des CMOS-ümsetzers 32 sind Kondensatoren 42 und 44 eingeschaltet. Eine Reihenschaltung aus einer Drossel 46 und einem Kondensator 48 ist zwischen die Ausgangsklemme des CMOS-ümsetzers 32 und die Bezugsklemme Vg eingeschaltet.

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Die Kapazität des Eingangskondensators 42 wird je nach Frequenz, Induktivitätscharakteristik und dgl. der Schwingschaltung zweckmäßig gewählt. Zur Gewährleistung einer stabilen Obertonschwingungs-Betriebsart bei 14 MHz oder mehr bei der dargestellten Ausführungsform wird der Eingangskondensator mit einer Kapazität von einigen pF bis zu einem Mehrfachen von 10 pF gewählt. Der eine Kapazität von z.B. 0,01 pF besitzende Kondensator 48 dient dezu, ein Kurzschließen der Drossel 46 zur Stromquellen-Bezugsklemme Vg in der Gleichstrombetriebsart zu verhindern. Die Drossel 46 stellt zusammen mit dem Kondensator 44 einen Abstimmkreis zum Wählen einer Obertonfrequenz der Grundfrequenz des Quarzschwingers 34 dar.

Fig. 4 ist eine Schnittansicht durch eine Halbleitervorrichtung zur Veranschaulichung des Aufbaus des CMOS-Umsetzers 32 gemäß Fig„ 3. Gemäß Fig„ 4 wird der p-Kanal-MOS-Transistor 36 des Umsetzers 32 durch im Oberflächenbereich eines Halbleitersubstrats 50 vom n-Leitungstyp ausgebildete P⁺=Halbleiterbereiche oder -zonen 52 und 54 sowie durch eine Gate-Elektrode 5β gebildet, die unter Isolierung auf dem Halbleitersubstrat 50 zwischen den P⁺-Zonen 52 und 54 vorgesehen ist. Der n-Kanal-MOS-Transistor 38 besteht aus N⁺-Halbleiterbereichen bzw. zonen 60 und 62, die im Oberflächenbereich einer im Halbleitersubstrat 50 ausgebildeten p-Senke 58 vorgesehen sind, und durch eine Gate-Elektrode 64 gebildet, die unter Isolierung auf der p-Senke 58 zwischen den N⁺-Zonen 50 und 62 ausgebildet ist. Um die Invertierungsbetriebszeit oder Signalübertragungszeit ausreichend kürzer zu gestalten als eine Periode einer Schwingung des Schwingungssignal von der Schwingschaltung, ist es nötig, die effektive Kanallänge der p- und n-Kanal-

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MOS-Transistoren 36 und 38 mit einer kleineren als einer vorgegebenen Größe zu wählen. Im folgenden sei angenommen, daß ein CMOS-ümsetzer unter Verwendung von p- und n-Kanal-MOS-Transistoren mit jeweils einer effektiven Kanallänge von 5 ^am oder weniger sowie effektiver Kanalbreite von 100 um oder mehr geformt wird. Der so gebildete CMOS-Umsetzer besitzt die in den Fig. 5A und 5B dargestellte Signalübertragungskennlinie bzw. Schaltkennlinie, unter der Voraussetzung, daß die Umgebungstemperatur 25°C_? die Spannung zwischen den Stromquellen-Klemmen V^ und Vg 5V wo die Ausgangskapazität des Umsetzers 32 15 pF betragen. Wenn sich der Signalpegel eines Eingangssignals zum CMOS-Umsetzer auf die in Fig. 5A gezeigte Weise ändert, ändert sich der Signalpegel eines Ausgangssignals dieses Umsetzers gemäß Fig., 5B mit einer geringfügigen Zeitverzögerung- Beispielsweise beträgt die Hochpegelsignal-Übertragungszeit Tg^ von dem Augenblick an, zu welchem ein Eingangssignal von einem niedrigen auf einen hohen Pegel übergeht, bis zu dem Augenblick, zu welchem das Ausgangssignal 50 % der Stromquellenspannung V_D erreicht, 10 ns. Die Abfallzeit Tp, während welcher der Pegel des Ausgangssignals von 90% auf 10% der Stromquellenspannung Vd abfällt, beträgt 10 ns. Im Gegensatz dazu beträgt die Niedrigpegelsignal-übertragungszeit T_LH vom Augenblick des Übergangs des Eingangssignals von einem niedrigen Pegel auf den hohen Pegel bis zu dem Augenblick, in welchem das Ausgangssignal einen Pegel von 50% der Stromquellenspannung V₀ erreicht, 10 ns. Die Anstiegszeit Tr, während welcher das Ausgangssignal seinen Pegel von 10% auf 90% der Stromquellenspannung V_D erhöht, beträgt 17 ns.

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Durch Verwendung einer Kanallänge von weniger als 5 um bei den p- und n-Kanal-MOS-Transistoren 36 und 38 des CMOS-Umsetzers 32 kann dessen Signalübertragungszeit somit ausreichend verkürzt werden. Der CMOS-Umsetzer 32 kann infolgedessen ein Eingangssignal von z.B. ungefähr 100 MHz verarbeiten.

Fig. 6 ist ein Äquivalentschaltbild des Quarzschwingers gemäß Fig. 3 für den Fall, daß sich dieser Quarzschwinger im Resonanz- bzw. Schwingzustand befindet. Ein Kondensator 70 stellt dabei grundsätzlich die Kapazität zwischen zwei auf einem Quarz- bzw. Kristallstück angeordneten Elektroden dar. Eine Reihenschaltung aus einer Induktivität bzw. Drossel 72, einem Kondensator 74 und einem Widerstand 76 stellt einen Reihenresonanzkreis zur Herbeiführung der Resonanzerscheinung des Quarzschwingers dar.

Im Fall einer Obertonkristallschwingschaltung zur Erzeugung eines hohen harmonischen Signals n-ter Ordnung ist es bekannt, daß die Werte bzw. Größen des Kondensators 70, der Induktivität 72 und des Widerstands 76 im Äquivalentschaltbild gemäß Fig. 6 mit z.B. CO, Ll bzw. Rl festgelegt sind und der Kondensator 74 eine Kapazität entsprechend dem 1/n²-fachen der Kapazität Cl besitzt, die dann erhalten wird, wenn die Kristallschwingschaltung eine Grundfrequenz erzeugt.

Die Winkelfrequenz (angular frequency) der Grundfrequenz bestimmt sich durch folgende Gleichung:

Wl= (LIxCl)"¹/² (1)

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Wenn die Obertonkristallschwingschaltung zur Erzeugung eines hohen harmonischen Signals dritter Ordnung mit einer Frequenz von z.B. etwa 35 MHz benutzt wird, werden die Schaltungskonstanten des Äquivalentschaltkreises des Quarzschwingers, Ll«Cl/3^ und CO, auf ein Mehrfaches von 10 mH, einige mpF bzw. einige pF eingestellt.

Die Obertonkristallschwingschaltung benötigt einen Abstimmkreis, um auf einer Oberschwingungsfrequenz der gewünschten Ordnung schwingen zu können. Bei der dargestellten Ausführungsform bilden der Kondensator 44 und die Induktivität 46 einen Abstimmkreis zur Bestimmung einer Obertonschwingfrequenz. Ein Streukondensator CS, der zwischen der Ausgangskleirtme des CMOS-Umsetzers 32 und der Stromquellenklemme Vs besteht, kann eine ähnliche Funktion besitzen wie der Kondensator 44. Die Parallelschwingfrequenz f^ des Abstimmkreises, die zusätzlich die Streukapazität CS enthält, bestimmt sich nach folgender Gleichung:

fR = §^{(C2+CS) -L2}"^1/2 ..... (2)

worin bedeuten: L2 = Induktivitätswert der Induktivität bzw. Drossel 46 und C2 = Kapazität des Kondensators 44.

Eine gewünschte Resonanzfrequenz wird somit durch zweckmäßige Wahl der Größen oder Werte des Kondensators 44 und der Induktivität 46 erzielt. Bei einer Kristallschwingschaltung für Obertöne der dritten Ordnung wird beispielsweise die Parallelresonanzfrequenz des Abstimmkreises auf eine Frequenz f_R-j zwischen einer Grundfrequenz £q des Quarzschwingers und einer Oberton-Schwingfrequenz 3f₀ eingestellt, die das Dreifache

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der Grundschwingfrequenz beträgt. In diesem Fall ergibt sich eine Reaktanz/Frequenz-Kennlinie des Abstimmkreises mit der Induktivität 46 und dem Kondensator 44 nach Fig. 7. Wenn die Schwingschaltung gemäß Fig. 3 als Kristallschwingschaltung für Obertöne dritter Ordnung eingesetzt wird/ gewährleistet sie eine stabile Obertonschwingungs-Betriebsart nur in der Nähe der Obertonfrequenz dritter Ordnung, in dem die Parallelresonanzfrequenz fR auf einen Mittelwert zwischen den Frequenzen fo und 3fQ eingestellt wird. Eine Kristallschwingschaltung für Obertöne n-ter Ordnung arbeitet im allgemeinen mit stabiler Obertonschwingung dann, wenn die Parallelresonanzfrequenz fj> auf eine mittlere Frequenz zwischen (n-2) fo und nfo eingestellt wird= Dies gilt dann, wenn fo als gleich wl/2ir (wobei ml die in Gleichung (1) angegebene Bedeutung besitzt) definiert ist. Wenn bei der dargestellten Ausführungsform die Parameter C2, CS und L2 des Äbstimmkreises mit 10 pF, 5 pF bzw. 2,2 pH gewählt werden, ergibt sich die Parallelresonanzfrequenz f_a zu etwa 28 MHz, wobei ein stabiler Schwingungsbetrieb mit Obertönen dritter Ordnung bei einer Schwingungsfrequenz von etwa 35 MHz erzielt wird. Dies bedeutet, daß die Parallelresonanzfrequenz f_R ( - 28 MHz) zwischen der Grundfrequenz fo ( ^Α 35/3 MHz) und der Obertonfrequenz dritter Ordnung 3f_Q ( ζ 35 MHe) eingestellt ist. In diesem Fall können die Kapazität C2 und die Induktivität L2 zur Gewährleistung eines stabilen Betriebs verschiedenartig geändert werden.

Die Schwingungsbedingungen bei der Kristallschwingschaltung gemäß Fig. 3 sind im folgenden anhand von Fig. 8 beschrieben.

Gemäß Fig. 8 läßt sich die Schwingschaltung mit dem Kristallbzw. Quarzschwinger in einen Schaltungsteil COS, wenn der

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Quarzschwinger 34 von seinen beiden Klemmen bzw. Anschlüssen her betrachtet wird, und einen Schaltungsteil RCS unterteilen, wenn die Schaltung, mit Ausnahme des Quarzschwingers, von den beiden Klemmen des QuarzSchwingers her betrachtet wird. In diesem Fall läßt sich eine komplexe Impedanz Z_c des Schaltungsteils COS als (Rq + JXc) ausdrücken, während sich eine komplexe Impedanz 2_L des Schaltungsteils RCS als (-Rl + JXj₁") ausdrücken läßt. Im allgemeinen gelten in den stabilen Schwingungszuständen die folgenden Beziehungen zwischen der Impedanz Zq des Quarzschwingers 34 und der Impedanz Zj₁ des Schaltungsteils RCS:

X_c =-X_L (3)

Rc=|-R

Zur Einleitung der Schwingung der Schwingschaltung muß unmittelbar vor dem Einsetzen der Schwingung in einem Gleichspannungs-Betriebs zustand die folgende Beziehung zutreffen:

Nach dem Einsetzen der Schwingung verringert sich demzufolge ein negativer Widerstand -Rj₁ aufgrund einer nicht-linearen Verstärkungskennlinie des CMOS-Umsetzers 32, und die Schwingung geht zu dem Zeitpunkt auf einen stabilen Zustand über, zu welchem die Gleichung (3) erfüllt ist.

In dem Zustand, in welchem die Schwingschaltung mit einer Winkelfrequenz ω_κ schwingt, bestimmt sich die Impedanz Z_L des Schaltungsteils RCS nach Fig. 8 durch folgende Gleichung:

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₇ Φ"

^LK~

^LK~ »K²

xC3XC4

worin C4 und C5 die Kapazitäten der Äquivalentkondensatoren 78 bzw. 80 bedeuten.

In Gleichung (6) ist die die Reaktanzkomponente bildende
erste Kapazität C4 eine Äquivalentkapazität, die durch den an die Ausgangsklemme des CMOS-Umsetzers 32 in der Schwingschaltung gemäß Fig. 3 angeschlossenen Abstimmkreis gegeben ist und sich durch folgende Gleichung ausdrücken läßt:

<V^C4 * K<^C2+CS> - X^2 " ⁽⁷⁾

In Gleichung (6) ist die die Reaktanzkomponente bildende
zweite Kapazität C5 die Summe aus der Kapazität C6 des an die Eingangsklemme des CMOS-Umsetzers 32 angeschlossenen Kondensators 42 und der resultierenden Kapazität CN aus den Kapazitäten zwischen Gate- und Drain-Elektroden der den CMOS-Umsetzer 32 bildenden MOS-Transistoren 36 und 38, den Kapazitäten zwischen Gate- und Source-Elektroden sowie den Kapazitäten zwischen den Gate-Elektroden und einem Substrat; diese zweite Kapazität läßt sich durch folgende Gleichung ausdrücken:

*J_KC5 = «„(C6+CN) (8)

Aus den Gleichungen (3) und (6) ergibt sich

worin bedeutet:

=^wC1

Ja

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Aus Gleichung (9) ergibt sich, daß dann, wenn GS, CN, Cl, C2, C6, Ll und L2 mit zweckmäßigen Werten oder Größen verwendet werden, ein stabiler Schwingungsbetrieb mit der gewünschten Winkelfrequenz gewährleistet wird. Beispielsweise wird bei einer Kristallschwingschaltung mit einem Schwinger für Obertöne dritter Ordnung unter Verwendung eines AT-Schnitt-Kristallstücks ein stabiler Schwingungsbetrieb bei einer Frequenz von 35,47 MHz erzielt, sofern folgendes gilt: Cl = 0,00015 pF, Ll = 13 mH, C2 = 8 pF, L2 = 2,2 μΗ und C6 = 5 pF.

Im folgenden ist die durch Gleichung (5) vorgegebene Schwingungseinsetzbedingung erläutert. Diese Bedingung ist erfüllt, wenn ein realer Teil an der rechten Seite von Gleichung (6) bzw. die negative Widerstandskomponente j -qm/u_K ² χ C3 χ C4 J größer ist als der Widerstandswert des im Äquivalentschaltkreis des Quarzschwingers 34 enthaltenen Widerstands 76. Bei dem in der Obertonschwingschaltung verwendeten Quarzschwinger beträgt im allgemeinen der Widerstandswert des Widerstands 76 etwa 20IL. Wenn mittels der dargestellten Ausfuhrungsform beispielsweise eine 35 MHz-Obertonschwingschaltung konstruiert wird, besitzt der Ausdruck Ι/ωχ² x C3 χ C4 eine Größe von etwa 0,1 χ 1O⁷Ji.², wobei gm den Gegenwirkleitwert des CMOS-Umsetzers 32 bedeutet. Unmittelbar vor dem Einsetzen der Schwingung wird der CMOS-Umsetzer 32 durch den Rückkopplungswiderstand 40 in einer Gleichspannung-Betriebsart vorgespannt. Es kann daher vorausgesetzt werden, daß die Spannungspegel an der Eingangs- und Ausgangsklemme des CMOS-Umsetzers 32 jeweils auf einen mittleren Wert zwischen den Stromquellenspannungen V^ und Vg liegen.

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Wenn somit in diesem Fall die MOS-Transistoren 36 und 38 im Sättigungsbereich arbeiten, läßt sich gm ungefähr durch folgende Gleichung bestimmen:

^VGP - ^VTP I ⁺ I ^ßN [ · I ^V GP ^VTP I ⁺ I ^ßN [ · I ^VGN

worin bedeuten: ßp und ß_N = Verstärkungsparameter der MOS-Transistoren 36 und 38, V__p und V_G„ = an die Gate-Elektroden der MOS-Transistoren 36 und 38 angelegte Spannung und V_Tp und V_TN = Schwellenwertspannungen der MOS-Transistoren 36 bzw. Wenn der CMOS-Umsetzer aus p- und n-Kanal-MOS-Transistoren mit jeweils einer effektiven Kanallänge von weniger als 5 um und einer effektiven Kanalbreite von mehr als 100 um geformt wird, wird eine Größe für gm von ungefähr 0,2 bis 0_#5 my erzielt. Der negative Widerstand gm/a)„²'C3»C4 beträgt 200 bis 50OiI, so daß die Schwingungseinsetzbedingung nach Gleichung (5) ohne weiteres erfüllt ist.

Die Fig. 9 und 10 veranschaulichen Abwandlungen der Schwingschaltung nach Fig. 3. Bei der Sehr ingschaltung gemäß Fig. 9 sind anstelle des Kondensators 42 und der Induktivität 46 ein variabler bzw. regelbarer Kondensator 43 und eine variable Drossel bzw. Induktivität 47 vorgesehen. Bei der Schwingschaltung gemäß Fig. 10 ist anstelle des Kondensators 44 ein variabler Kondensator 45 vorgesehen. Zur Ermöglichung einer Feineinstellung der Schwingungsfrequenz der Schwingschaltung nach Fig. 3 kann die Schwingungsfrequenz, wie aus den Gleichungen (7) (8) und (9) hervorgeht, in Abhängigkeit von den Größen oder Werten der Kondensatoren 42 und 44 sov/ie der Induktivität 46

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geändert werden. Der Konstrukteur braucht daher nur mindestens eines der die variablen Kondensatoren 43 und 45 sowie die variable Induktivität 47 umfassenden Elemente zu benutzen, wie dies aus Fig. 9 und 10 hervorgeht. In diesem Fall ist es möglich, die variablen Kondensatoren und Induktivitäten zur Einstellung der Schwingungsfrequenz unabhängig voneinander einzustellen.

Wenn beispielsweise bei der 35 MHz-Obertonschwingschaltung für Obertöne dritter Ordnung der variable Kondensator 43 gemäß Fig. 9 als Kondensator ausgelegt ist, der in einem Bereich von 12 pF regelbar ist, läßt sich eine Feineinstellung der Frequenz innerhalb von + 10 χ IO erzielen.

Fig. 11 veranschaulicht eine Schwingschaltung gemäß einer anderen Ausführungsform der Erfindung. Der Aufbau dieser Schwingschaltung entspricht weitgehend demjenigen der Schwingschaltung nach Fig. 3, nur mit dem unterschied, daß der bei der Schwingschaltung gemäß Fig. 3 verwendete Kondensator 42 weggelassen ist. Wie erwähnt, liegt an der Eingangsklemme des CMOS-Umsetzers 32 eine Äquivalentkapazität CN. Da die Kapazität CN im allgemeinen mehrere pF beträgt, kann zur Verringerung der Teilezahl aus Kostengründen der Eingangskondensator 42 gemäß Fig. 11 weggelassen werden. Wenn die an der Ausgangsklemmenseite des CMOS-Umsetzers entstehende Streukapazität groß ist, kann gemäß Fig. 12 aus denselben Gründen wie bei der Ausführungsform nach Fig. 11 der Kondensator 44 weggelassen werden.

Fig. 13 veranschaulicht eine Schwingschaltung gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung. Zur Gewährleistung einer stabileren Schwingung ist dabei der Quarzschwinger 34 von einem

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elektrisch leitenden Abschirmelement 35 umschlossen. Der Gegenwirkleitwert des als Verstärker dienenden CMOS-Umsetzers besitzt eine kleine Größe, die 1/100 derjenigen des bipolaren Transistors entspricht. Aus diesem Grund wird vorzugsweise eine von außen her auf den Quarzschwinger 34 einwirkende elektrische Wirkung möglichst verringert. Durch Einschluß des Quarzschwingers 34 in dem beispielsweise auf Massepotential gehaltenen leitfähigen Abschirmelement 35 kann somit eine unerwünschte externe Beeinflußung des Quarzschwingers auf ein Mindestmaß unterdrückt werden. Infolgedessen liefert die Schwingschaltung auch dann eine stabile Schwingung, wenn sie durch eine Stromquelle niedriger Spannung angesteuert wird.

Die in Fig. 14 dargestellte Schwingschaltung gemäß einer weiteren Ausfuhrungsform der Erfindung ist so ausgebildet, daß ein CMOS-Umsetzer 82 mit p- und n-Kanal-MOS-Transistören an die Ausgangsklemme der Schwingschaltung gemäß Fig. 3 angeschlossen ist. Wie erwähnt, ist der Gegenwirkleitwert gm des als Verstärker wirkenden CMOS-Umsetzers 32 klein, so daß die Amplitude eines an der Ausgangsklemme des Umsetzers 32 erscheinenden Obertonschwingungssignals im Vergleich zur Stromquellenspannung kleiner wird, xirenn die Schwingungs frequenz höher ist. Wenn somit ein Schwingungssignal beispielsweise als Taktsignal benutzt wird, empfiehlt es sich, den Puffer-Umsetzer 82 gemäß Fig. 14 mit der Ausgangsklemme des CMOS-Umsetzers 32 zu verbinden. Da die Eingangsimpedanz des Umsetzers 82 hoch ist, ist es nicht nötig, die Stromansteuerbarkeit des CMOS-Umsetzers 32 zu vergrößern» Der Umsetzer 82 besitzt einen ähnlichen Aufbau wie der Umsetzer 32= Hieraus folgt bereits, daß beide Umsetzer 32 und 82 nach demselben CMOS-Herstellungs-

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verfahren hergestellt werden können. Obgleich der Umsetzer 82 bei der dargestellten Ausfuhrungsform zwischen die Stromquellenklemmen Vq und Vg geschaltet ist, kann er auch zwischen andere Stromquellenklemmen geschaltet sein.

Die Erfindung ist selbstverständlich nicht auf die vorstehend dargestellten beschriebenen Ausführungsformen beschränkt. Bei den vorher beschriebenen Ausführungsformen ist die Reihenschaltung mit der Induktivität 46 und dem Kondensator 42 parallel zu den an den Ausgang des CMOS-ümsetzers 32 angeschlossenen Kondensator 44 geschaltet. Wahlweise kann diese Reihenschaltung mit dem Kondensator 42 parallel geschaltet sein, der an die Eingangsklemme des CMOS-Umsetzers 32 angeschlossen ist, so daß gemäß Fig. 15 ein Parallelresonanzkreis gebildet wird. Bei der Ausführungsform nach Fig. 14 kann der CMOS-Umsetzer 82 durch eine CMOS-Torschaltung mit Verstärkungsfunktion ersetzt werden, beispielsweise durch ein CMOS-iJAND-Glied gemäß Fig. 16 oder ein CMOS-NOR-Glied gemäß Fig. 17. Bei der Ausführungsform nach Fig. 14 können die Kondensatoren 42 und 44 sowie die Induktivität 46 ebenfalls regelbar bzw. variabel sein. Bei den beschriebenen Ausführungsformen sind die Kondensatoren 42, 44 und 48 mit der einen Seite gemeinsam an die Stromquellenklemme Vg angeschlossen. Wahlweise kann jedoch diese Klemme V₅ durch eine geeignete Gleichstromversorgungsklemme oder eine Masseklemme ersetzt werden.

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Leerseit

Claims

Henkel Kern, Baler St HSnzel Patetitanwälte Registered Representatives before the Eurcpean Tokyo Shibaura Denki Kabushiki Kaisha MöhlstraBe37 Kawasaki, Japan D-AX)OMünchen80 Tel.: 089/982085-87 Telex: 0529802 hnkld Telegramme: ellipsoid SS-55P6O8-2 1. Oktober 1980 Patentansprüche

1.Jobertonkristallschwingschaltung mit einem komplementären MOS-ümsetzerkreis, einem zwischen dessen Eingangs- und Ausgangsklemmen eingeschalteten Kristall- bzw. Quarzschwinger , zwischen Eingangs- und Ausgangsklemmen des Umsetzerkreises eingeschalteten Widerstandselementen sowie ersten und zweiten, mit Eingangs- bzw. Ausgangsklemme des Umsetzerkreises verbundenen kapazitiven Elementen, gekennzeichnet durch eine Reihenschaltung mit induktiven' Elementen (46, 47) und einem kapazitiven Element (48), die unter Bildung einer Parallelresonanzschaltung parallel zum einen der beiden kapazitiven Elemente (42, 43; 44, 45) geschaltet ist.

2. Schaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Parallelresonanzschaltung eine Resonanzfrequenz besitzt, die um ein (ungeradzahliges) Mehrfaches höher liegt als die Grundfrequenz des Quarzschwingers.

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3. Schaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der komplementäre MOS-Umsetzerkreis aus p- und n-Kanal-MOS-Transistoren gebildet ist, die jeweils eine Kanallänge von weniger als 5 um besitzen.

4. Schaltung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens eines der ersten und zweiten kapazitiven Elemente ein regelbarer oder variabler Kondensator ist.

5. Schaltung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß das induktive Element eine variable Induktivität bzw. Drossel ist.

6. Schaltung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das induktive Element eine variable Induktivität bzw. Drossel ist.

7. Schaltung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Quarzschwinger durch ein Abschirmelement elektrisch abgeschirmt ist.

8. Schaltung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß ein weiterer komplementärer MOS-Umsetzerkreis vorgesehen ist, der an die Ausgangsklemme des genannten komplementären MOS-ümsetzerkreises angeschlossen ist und dessen Ausgangssignal verstärkt.

9. Schaltung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß das induktive Element eine varibale Induktivität bzw. Drossel ist.

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ORIGINAL INSPECTED

10. Schaltung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das erste kapazitive Element ein der Eingangsklemme des komplementären MOS- bzw. CMOS-Umsetzerkreises zugeordneter Streukondensator ist.

11. Schaltung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das zweite kapazitive Element ein der Ausgangsklemme des komplementären MOS- bzw. CMOS-Umsetzerkreises zugeordneter Streukondensator ist.

12. Schaltung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Reihenschaltung mit induktiven und kapazitiven Elementen mit dem ersten kapazitiven Element parallelgeschaltet ist.

13. Schaltung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Reihenschaltung mit induktiven und kapazitiven Elementen mit dem zweiten kapazitiven Element parallelgeschaltet ist.

14. Schaltung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß eine logische Torschaltung vorgesehen ist, die mit der Ausgangsklemme des komplementären Umsetzerkreises verbunden ist und dessen Ausgangssignal verstärkt.

15. Schaltung nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß die logische Torschaltung ein NAND-Glied ist.

16. Schaltung nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß die logische Torschaltung ein NOR-Glied ist.

130015/1020