DE3224481A1

DE3224481A1 - Referenz-impulsgenerator

Info

Publication number: DE3224481A1
Application number: DE19823224481
Authority: DE
Inventors: Yoshiaki Tokyo Matsuura
Original assignee: Seiko Instruments Inc
Current assignee: Seiko Instruments Inc
Priority date: 1981-07-03
Filing date: 1982-06-30
Publication date: 1983-01-27
Also published as: GB2102991B; GB2102991A; JPS586606A; FR2509065A1; CH657497GA3; US4618837A; DE3224481C2; FR2509065B1

Description

Meine Akte: D-5OO5

Anmelderin: Kabushiki Kaisha Daini Seikosha, Tokyo, Japan

Re feren z-Impuls generator

Die Erfindung betrifft einen Referenz-Impulsgenerator entsprechend dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

In Quarzuhren wird ein Impulsgenerator als Referenz-Signalquelle benötigt, dessen Quarzoszillator und der daran angeschlossene Frequenzteiler einen möglichst geringen Energiebedarf besitzen. Um den Energieverbrauch des Oszillators zu verringern, wurden zunächst verschiedene Schaltungssysteme des Oszillators geprüft. Die bisherigen Prüfungen erfolgten jedoch im Hinblick auf die Schaltungssysteme und die Entwicklungskonstanten zur Verringerung der hindurchtretenden Stromstärke, die im wesentlichen unabhängig von der Oszillation ist. Zweitens erfolgte bisher im Hinblick auf den Frequenzteiler eine Mikroelektronik-Anpassung mit Hilfe von MOS-Strukturen und eine Prüfung von Schaltungssystemen, die beispielsweise eine dynamische Unterteilung ermöglichen. Die genannten bekannten Systeme wurden unter Annahme geprüft, daß die Spannung der verwendeten Batterie in dem Referenz-Impulsgenerator als solche benutzt wird, was insbesondere bei Quarzuhren bisher der Fall war. Um den Energieverbrauch zu verringern, kann die Antriebsspannung entsprechend der folgenden Beziehung verringert werden:

I = fCV

(D,

wobei I der Energieverbrauch, f die Betriebsfrequenz, C die Lastkapazitä-t und V die Antriebsspannung ist.

Üblicherweise wird feine Spannung V, die kleiner als die Antriebsspannüng V ist, für den Oszillatorteil und den Frequenzteilerteil des Referenz-Impulsgenerators benutzt, um die Antriebsspannung V zu verringern.

Fig. 1 zeigt eine bekannte Schaltung mit einer Spannungsquelle 1, einem Referenz-Spannungsgenerator 2, der mit Anschlüssen 6 und 7 der Spannungsquelle 1 verbunden ist, einem Quarzoszilla- j tor 3, der mit einem Anschluß 9 des Referenz-Spannungsgenera- ^:

tors 2 und einem Anschluß 6 der Spannungsquelle 1 verbunden, ■

einem Frequenzteiler 4, sowie einem Diskriminator 5, der zum j

Nachweis des Beginns der Schwingungen des Oszillators in Abhängigkeit von einem Ausgangssignal an dem Ausgang 11 des Fre- ;

quenzteilers 4 dient. !

Fig. 2 zeigt ein Schaltbild des Quarzoszillators 3 in Fig. 1, j

bei dem die folgende Beziehung zwischen der Spannung V . . zum i

stuarL· ι

ι Starten der Schwingung und der Spannung V . eingehalten wird, I

die zur Beibehaltung der Schwingung erforderlich ist: j

V ?" V ■ .... (2) start- stop ^κ '

Deshalb wird bei dem bekannten Verfahren zur Verringerung des Energieverbrauchs durch die Spannungssteuerung eine Spannung VD2 erzeugt, die höher als die Spannung V₊. . ist, sowie eine

Spannung VD1 zwischen V . . und V . um den Referenz-Impuls-

start stop,

generator mit einer optimalen ,Spannung während einer langen Betriebszeit anzutreiben. Die Spannung VD2 wird zugeführt, um die Schwingung des Oszillators einzuleiten, wonach die Spannung VD1 zugeführt wird, wenn der Oszillator in den normalen Schwingungszustand gelangt, um damit den Referenz-Impulsgenerator weiter anzutreiben. Um die Spannung von VD1 zu VD2 und umgekehrt zu ändern, wird der Diskriminator 5 benötigt, durch den festgestellt wird, ob der Oszillator normal schwingt oder nicht. Da der Oszillator unterschiedliche Zustände zwischen dem normalen Schwingungszustand und dem nicht schwingenden Zustand aufweist,

und da die Zwischenstufen des Betriebszustands nicht ohne wei- i teres von Betriebsbedingungen unterschieden werden können, die

durch ein äußeres Geräusch verursacht werden, ist ein genauer Antrieb des Diskriminators 5 äußerst schwierig. Wenn der Diskriminator feststellt, daß das Ausgangssignal des Frequenzteilers 4, das durch Geräusch verursacht wird, normal ist, steuert das Ausgangssignal des Diskriminators 5 den Referenz-Spannungsgenerator 2 und ändert die Spannung VD2, die für eine Schwingung nötig ist, auf die Spannung VD1, durch die die Schwingung nicht eingeleitet werden kann, die aber zur Beibehaltung der Schwingung ausreicht. Als Folge davon wird die Spannung verringert, obwohl der Oszillator nicht normal schwingt, weshalb es nicht möglich ist, die Schwingung einzuleiten. Deshalb ist eine präzise Unterscheidung durch den Diskriminator eine absolute Bedingung, falls die geschlossene Schleife gesteuert wird. Ein derartiges Verfahren ist jedoch sehr gefährlich, wenn es auf den Referenz-Impulsgenerator angewandt wird, weil die Wahrscheinlichkeit einer falschen Interpretation durch den Diskriminator hoch ist.

Es ist deshalb Aufgabe der Erfindung, einen Referenz-Impulsgenerator der eingangs genannten Art derart zu verbessern, daß ein geringer Energieverbrauch ohne Verwendung eines Diskriminators für das Spannungssystem erzielbar ist. Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch den Gegenstand des Patentanspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte.Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.

Anhand der Zeichnung soll die Erfindung beispielsweise näher erläutert werden. Es zeigen:

Fig. 1 ein Blockschaltbild eines bekannten Spannungssteuerungssystems für einen Referenz-Impulsgenerator;.

Fig. 2 ein Schaltbild des Quarzoszillators in Fig. 1;

Fig. 3 ein Blockschaltbild eines Referenz-Impulsgenerators ge-, maß der Erfindung;

Fig. 4 eine grafische Darstellung der Abhängigkeit der Ausgangsspannung von der Eingangsspannung des Quarzoszillators bei dem Impulsgenerator in Fig. 2; und

Fig. 5 eine grafische Darstellung der Abhängigkeit des Drainstroms ID eines strombegrenzenden Elements bei dem Ausführungsbeispiel in Fig. 3 von der Source-Drainspannung VDS.

Bei dem in Fig. 3 dargestellten Ausführungsbeispiel ist ein Referenz-Spannungsgenerator 20 an eine Spannungsquelle 29 angeschlossen. Der am Ausgang eines strombegrenzenden Elements 21 auftretende Strom wird durch ein Ausgangssignal auf einer Verbindungsleitung 27 zwischen dem Spannungsgenerator 20 und dem strombegrenzenden Element 21 begrenzt/ das über eine Verbindungsleitung 28 mit der Spannungsquelle 29 verbunden ist. Zwischen einem Quarzoszillator 22 und einem Frequenzteiler ist eine Verbindungsleitung 24 vorgesehen, an die das strombegrenzende Element 21 angeschlossen ist. Die anderen Anschlüsse des Quarzoszillators 22 und des Frequenzteilers 2 3 sind über eine Verbindungsleitung 26 mit dem anderen Pol der Spannungsquelle 29 verbunden. Das strombegrenzende Element kann beispielsweise einen MOS-Feldeffekttransistor enthalten.

Im folgenden soll die Arbeitsweise der in Fig. 3 dargestellten Schaltung unter der Annahme erläutert werden, daß der Quarzoszillator einen zusätzlichen MOS-Inverter enthält, in dem ein p-Kanal MOS Traiastor 12 mit einem η-Kanal MOS Transistor 13 entsprechend dem Schaltbild in Fig. 2 in Reihenschaltung verbunden ist. Die Spannung VD2 ist die Summe der Schwellenwertspannung VTP des p-Kanal MOS Transistors, der Schwellenwertspannung VTN des η-Kanal MOS Transistors (Fig. 4) und der Spannung VO, die sowohl den p-Kanal MOS Transistor 12 und den η-Kanal MOS Transistor 13 schließt. Die Spannung VD2 wird von den Verbindungsleitungen 24 und 26 in Fig. 3 zugeführt, um eine Schwingung einzuleiten.

Die Spannung VD2 am Beginn der Schwingung ist gegeben durch: VD2 i^/vTp/+ VTN ± VO (3).

Nach dem Beginn der Schwingung wird der Zustand entsprechend Formel (3) zu dem Zustand entsprechend der Formel (4) geändert. Wenn die Spannung zur Aufrechterhaltung der Schwingung VD1 ist, dann gilt:

VD2 ^ VD1 ΐ=£|ντρ/ + VTN (4).

Fig. 5 zeigt die Beziehung zwischen der Source-Drainspannung VDS des MOSFET und den Drainstrom ID, falls das strombegrenzende Element 21 in Fig. 3 einen MOSFET enthält. Fig. 5 zeigt die

Beziehung zwischen der Source-Drainspannung VDS und dem Drainstrom ID, wenn die Spannung auf der Verbindungsleitung 27 am Ausgang des Referenz-Spannungsgenerator 20 in Fig. 3 VG beträgt. Ein Festwert-Strom ID1 fließt, wenn die Spannung des Ausgleichs zwischen der Spannung VD, die zwischen der Verbindungsleitung 26 und der Verbindungsleitung 24 angelegt wird, und der Spannung VDD der Spannungsque.lle, die an beide Verbindungsleitungen 26 und. 2 8 in Fig. 3 angelegt wird, höher als die Source-Drain-Sättigungsspannung VS des MOSFET ist, während der Strom ID2, welcher sich mit der Verringerung der Source-Drainspannung VS verringert, fließt, falls die erstere Spannung geringer als die letztere Spannung ist.

Wenn VDD - VD§VS, dann ist ID = IDI ein Festwert; falls VDD - VD^VS, dann ist ID = ID2 ein veränderlicher Wert.

Da der Frequenzteiler in Fig. 3 beim Beginn der Schwingung nicht arbeitet, ist in diesem Fall der Stromverbrauch I¹DIV in diesem Fall extrem klein. Deshalb kann der Oszillator nahezu den maximalen Wert ID1 des Stroms durch das strombegrenzende EIe ment nutzen. Wenn der Strom des Oszillators bei dem Beginn der Schwingung I¹OSC beträgt, ergibt sich die Beziehung ID1 S'I'OSC. Falls die zur Einleitung der Schwingung nötige Spannung größer als der Ausgleich zwischen der Sourcespannung VDD in Fig. 5 und der Source-Drain-Sättigungsspannung VS des strombegrenzenden Elements ist, wird die Spannung VD zwischen der Verbindungsleitung. 26 und der Verbindungsleitung 24 iiFig. 3 automatisch höher und wird zu der Spannung VD2, die zur Einleitung der Schwingung erforderlich ist. Zu diesem Zeitpunkt wird der Strom durch das strombegrenzende Element 21 mit einer Erhöhung der Spannung VD kleiner.

Zur Einleitung der Schwingung muß in erster Linie die zugeführte Spannung die Beziehung (3) erfüllen, wenn eine Schaltung entsprechend Fig. 2 verwendet wird. 2. muß die zur Einleitung der Schwingung erforderliche Stromstärke die Beziehung (4) erfüllen. Die Spannung VD, die dem Quarzoszillator 22 und dem Frequenzteiler 23 zugeführt wird, erhöht das Leistungsprodukt entsprechend der Beziehung (6), welche die Beziehungen (3) und (4) erfüllt und der S.trom ID durch das strombegrenzende Element

wird verringert. Wenn das zur Einleitung der Schwingung erforderliche Leistungsprodukt K ist, ändert sich die Vorspannung automatisch, bis die Beziehung

VD · IDZT K (6) -

erfüllt ist.

Wenn, die Spannung zur Einleitung der Schwingung kleiner als der Ausgleich zwischen der Sourcespannung VDD und der Source-Drainspannung VS des strombegrenaenden Elements ist, wird der Sättigungsstrom ID1 des strombegrenzenden Elements in den die Schwingung einleitenden Strom I¹OSC und den Strom I¹DIV über den Spannungsteiler unterteilt, so daß sich die folgende Beziehung ergibt:

ID1 = I¹OSC + I¹DIV (7).

Wie aus der Beziehung (7) ersichtlich ist, steigt nach dem Beginn der normalen Schwingung der für die Teilung erforderliche Strom I¹DIV an und der Oszillatorstrom IOSC fällt ab, und jeder der Ströme wird der Oszillatorstrom IOSC zur Beibehaltung der Schwingung und des Stroms IDIV durch den Frequenzteiler bei der normalen Schwingung. Da sich die Summe der Ströme nicht ändert, ergeben sich folgende Beziehungen:

IDIV S 1¹DIV (8)

IOSC-^I ¹OSC (9)

ID1 = IOSC + IDIV = I¹OSC + I¹DIV (10)

Da der von dem strombegrenzenden Element 21 zugeführte Strom auf den Frequenzteiler 2 3 und den Quarzoszillator 22 verteilt wird, nutzt die beschriebene Arbeitsweise zwangsläufig die Differenz der notwendigen Stromverhältnisse beim Beginn der . Schwingung und bei der stabilen Schwingung zwischen dem Frequenzteiler und dem Quarzoszillator. Ferner können die dem Quarzoszillator und dem Frequenzteiler zugeführten Spannungen automatisch geändert werden, und der Quarzoszillator und der Frequenzteiler könnenmit der optimalen Spannung angetrieben werden, weil dies nicht ein Spannungssteuerungssystem ist, so daß die Schaltung zur Feststellung, ob der Oszillator eine Schwingung beginnt oder nicht, nicht erforderlich ist und die Schaltung öffnet. Deshalb wird die stabile Arbeitsweise bei-

behalten, sobald der stabile Betriebszustand erreicht ist.

Obwohl das Ausführungsbeispiel in Verbindung mit einem Quarzoszillator mit einem komplementären MOS-Invertersystem entsprechend Fig. 2 beschrieben wurde, kann ein derartiges System auch durch eine andere Schaltung ersetzt werden. Dieses System beruht auf dem Prinzip, daß die zur Einleitung einer Schwingung erforderliche Energie immer größer als diejenige Energie ist, die zur Aufrechterhaltung der Schwingung benötigt wird. Deshalb kann dieses Prinzip auch auf andere Systeme angewendet werden.

Durch das beschriebene Ausführungsbeispiel wird deshalb eine beträchtliche Verringerung des Leistungsverbrauchs erzielt, was bei den bekannten Systemen nicht der Fall ist, bei denen die Spannung der Spannungsquelle selbst angelegt wird. Wie bereits erwähnt wurde, ist bevorzugtes Anwendungsgebiet der Erfindung ein Referenz-Impulsgenerator für eine Quarzuhr. Bei bekannten Schaltungen entsprach der minimale Leistungsverbrauch einer Stromstärke von O,3 ^uA bei einem System mit einem Schwingquarz für 32 KHz sowie einer 1,57 V Silberoxidbatterie und einer 1,5V Sourcespannung, während bei dem beschriebenen Ausführungsbeispiel ein Energieverbrauch entsprechend 0,15 ^aA erzielt werden konnte. Bei dem beschriebenen Ausführungsbeispiel ist der Ausgang des Referenz-Impulsgenerators derselbe wie bei bekannten Systemen, bei denen die Sourcespannung als solche angelegt wird. Durch die Verringerung des Energieverbrauchs werden keine Nachteile verursacht. Bei dem in Fig. 1 dargestellten Spannungssteuerungssystem ist ferner die Schaltungsstruktur komplizierter und bei bekannten Systemen kann ein fehlerhafter Nachweis auftreten, wenn die Spannung ungeändert zugeführt wird, während der Referenz-Impulsgenerator geprüft oder angetrieben wird, selbst wenn sich derselbe Leistungsverbrauch ergibt. Durch den Gegenstand der Erfindung kann eine wesentliche Verringerung des Stromverbrauchs erzielt werden, ohne daß sich Nachteile im Hinblick auf elektrische Eigenschaften, das Betriebsverhalten oder auf die Ausschußrate bei der Herstellung ergeben. Insbesondere kann durch die Anwendung des Anmeldungsgegenstands eine höhere Lebensdauer der Spannungsquellen von Quarzuhren oder dergleichen elektronischen Geräten erzielt werden.

Claims

Patentansprüche

Referenz-Impulsgenerator mit einem Quarzoszillator, einer Frequenzteilerschaltung und einem Referenz-Spannungsgenerator, dadurch gekennzeichnet, daß zur Verringerung des Leistungsverbrauchs ein strombegrenzendes Element (21) in Reihenschaltung mit dem Quarzoszillator (22) und der Frequenzteilerschaltung (23) vorgesehen ist.

Referenz-Impulsgenerator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Frequenzteilerschaltung (23) und der Quarzoszillator (22) durch das strombegrenzende Element (21) antreibbar sind.

Referenz-Impulsgenerator nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das strombegrenzende Element (21) einen MOSFET,.enthält.