DE3408393A1

DE3408393A1 - Elektronischer oszillator

Info

Publication number: DE3408393A1
Application number: DE19843408393
Authority: DE
Inventors: Veikko Reynold Spring Lake Geights N.J. Saari
Original assignee: American Telephone and Telegraph Co Inc
Current assignee: AT&T Corp
Priority date: 1983-03-09
Filing date: 1984-03-08
Publication date: 1984-09-13
Also published as: SE8401268L; GB2136651A; JPS59169211A; IT1175948B; SE8401268D0; GB8406277D0; FR2542526A1; IT8419954A0

Description

Elektronischer Oszillator

Die Erfindung betrifft Kristalloszillatoren und insbesondere solche Oszillatoren, die eine Folge von digitalen Taktimpulsen liefern. Im einzelnen bezieht sich die Erfindung auf Oszillatoren unter Anwendung der MOS-(Metal-Oxide-Semiconductor)-Technologie oder anderer Feldeffekttransistor-Technologien in einer Form, die zur Integration mit anderen Schaltungsabschnitten zu einer großintegrierten MOS-Halbleiterschaltung geeignet sind.

Es gibt eine große Vielzahl von Schaltungen zur Verarbeitung von elektrischen Digitalsignalen, beispielsweise Nachrichtensignalen, die für ihren Betrieb Taktimpulse benötigen. Solche Taktimpulse werden in typischer Weise durch eine Oszillatorschaltung erzeugt, die ein Verstärkerbauteil und einen Resonanz-Grundfrequenzgenerator enthält, beispielsweise einen Quarzkristall, der als Reihen- oder Parallelbauteil in ein Rückkopplungsnetzwerk eingeschaltet ist, das über dem Verstärkerbauteil liegt.

Schaltungen, die mit einer Ladungsneuverteilung oder geschalteten Kondensatoren arbeiten, sind im allgemeinen MOS-Schaltungen und benötigen für ihre Funktion eine Folge von Taktimpulsen, die durch einen Oszillator geliefert werden. Es ist wünschenswert, daß dieser Oszillator als Schaltungsabschnitt auf dem gleichen Halbleitersubstrat integriert wird.

Neuere Entwicklungen bei der Konstruktion von MOS-Schaltungen haben zu kleineren Abmessungen für die Bauteile und ihre Verbindungselemente geführt. Dadurch kann eine größere Zahl von Bauteilen auf einem einzigen Halbleiterplättchen integriert werden. Die erhöhte Bauteildichte auf einem Halbleiterplättchen bringt jedoch das Problem eines wesentlich erhöhten Leistungsverbrauchs mit sich. Das führt

dazu, daß die verbrauchte Leistung einer Schaltung häufig die Packungsdichte der Bauteile auf dem Halbleiterplättchen begrenzt. Die Notwendigkeit, den Leistungsverbrauch zu verringern, hat zur Bevorzugung von niedrigen Versorungsspannungen für die Schaltungen geführt. Es besteht demgemäß ein Bedarf an Kristalloszillatoren, die bei diesen niedrigen Versorgungsspannungen arbeiten können.

Der neuartige Oszillator nach der vorliegenden Erfindung weist eine Hauptoszillatorstufe, eine Komparatorstufe und eine Ausgangsstufe auf. Jede dieser Stufen besitzt einen Eingangs- und einen Ausgangsknotenpunkt. Der Eingangsknotenpunkt der Komparatorstufe ist mit dem Eingangsknotenpunkt der Hauptoszillatorstufe, der der Eingang des Verstärkerbauteils in dieser Stufe ist, verbunden. Dadurch ergibt sich eine genauere Nachführung der Schwellenwertspannung der Komparatorstufe mit der Gleichstromkomponente ihrer Treibspannung, wodurch das Tastverhältnis des Gesamtoszillators verbessert wird.

Ein weiteres Merkmal des Oszillators besteht darin, daß die Komparatorstufe ein als Sourcefolger geschaltetes Lastbauteil enthält. Dadurch wird die Nachführung des Komparator-Schwellenwertes mit den Vorspannungsbedingungen der Hauptoszillatorstufe weiter verbessert und die Abfallzeit der Komparatorstufen-Ausgangsspannung auf die Schwellenwertspannung der Ausgangsstufe verkürzt. Beide Vorteile tragen zu einer verbesserten Steuerung des Tastverhältnisses für das Rechteckwellen-Ausgangssignal dar. Das Sourcefolger-Bauteil kann eine gemeinsame Vorspannungsschaltung zusammen mit der Hauptoszillatorstufe haben, wenn das Verstärkerbauteil in dieser Stufe so geschaltet ist, daß es das übertragene Signal invertiert. Alternativ kann es als aktive Last durch Anschaltung an den Ausgangsknotenpunkt der Hauptoszillatorstufe getrieben werden, wenn das Verstärkerbauteil in dieser Stufe so geschaltet ist, daß es das übertragene Signal invertiert. In den Zeichnungen zeigen :

Fig. 1 das Schaltbild eines Ausführungsbeispiels für einen Oszillator nach der Erfindung;

Fig. 2 das Schaltbild eines weiteren Ausführungs

beispiels für einen Oszillator nach der Erfindung, bei der Oszillator gemäß Fig. 1 so abgeändert ist, daß die Komparatorstufe einen aktiven Lasttransistor enthält.

Der Oszillator 10 gemäß Fig. 1 weist eine positive und eine geerdete Spannungsversorgungsschiene 12 bzw. 14 auf. Zwischen die Versorgungsschienen 12, 14 sind nacheinander als Stufen ein Hauptoszillator 16 , beispielsweise ein Pierce- oder ein Colpitts-Oszillator, ferner ein Komparator 18 und eine TTL-Ausgangsschaltung 20 geschaltet. Alle Transistoren M1 bis M11 des Oszillators 10 sind MOS-Bauteile mit η-leitendem Kanal. Die Transistoren M1 , M3, M6, M8 und M11 sind Anreicherungstyp-Bauteile. Die übrigen Transistoren sind Verarmungstyp-Bauteile. Die positive Versorgungsschiene 12 liegt auf einer Spannung V . Das Halbleitermaterial aller Transistoren ist einstückig mit dem Halbleitermaterial des Substrats ausgelegt und befindet sich auf der Spannung V die weniger positiv als V und

O w S-) JlJ

im allgemeinen den gleichen Wert wie V_Dn, aber engegengesetztes Vorzeichen hat.

Die Hauptoszillatorstufe 16 enthält einen invertierenden Verstärker, der aus den Transistoren M1 und M2 gebildet ist. Der Transistor M1 ist ein Transkonduktanz-(Gegenwirkleitwerts-)-Transistor, dessen Source-Elektrode mit der geerdeten Versorgungsschiene 14 und dessen Drain-Elektrode mit der Source- und Gate-Elektrode des Verarmungstyp-Transistors M2 verbunden sind. Dessen Drain-Elektrode ist mit der positiven Versorgungsschiene 12 verbunden.

Ein Vorspannungsnetzwerk spannt den Inverter der Hauptoszillatorstufe 16 auf einen Anfangszustand mit einer Verstärkung von >1 vor. Es ist eine ausreichend große Kapazität auf dem Halbleiterplättchen sowie eine Streukapazität vorhanden, um eine zusätzliche Phasenverschiebung entlang der Rückkopplungsschleife zu erzeugen, die für das Auftreten von Schwingungen erforderlich ist. Das Vorspannungsnetzwerk enthält einen Verarmungstyp-Transistor M4, dessen Drainelektrode mit der positiven Versor-

gungsschiene 12 und dessen Gate- und Sourceelektrode mit der Gate- und Drainelektrode des Anreicherungstyp-Transistors M3 verbunden sind, dessen Sourceelektrode wiederum an der geerdeten Versorgungsschiene 14 liegt. Die Transistören M4 und M3 stellen die Gleichspannung an der Gateelektrode des Transkonduktanz-Transistors M1 ein. Ein Verarmungstyp-Transistor M5, der als Widerstandselement mit zwei Anschlüssen in das Vorspannungsnetzwerk eingeschaltet ist, liegt mit seiner Drainelektrode an der Sourceelektrode des Transistors M4 und mit seiner Gate- und Sourceelektrode an der Gateelektrode des Transkonduktanz-Transistors M1 . Der Knotenpunkt 21 an der Gateelektrode des Transistors M1 wird als Signaleingangsknotenpunkt des Inverters und der Hauptoszillatorstufe 16 selbst angesehen, während der Knotenpunkt 22 an der Drainelektrode des Transistors M1 und der Sourceelektrode des Transistors M2 als Signalausgangsknoten der Stufe 16 gilt. Zwischen dem Knotenpunkt 21 und der geerdeten Versorgungsschiene 14 liegt ein Kondensator 24 zur Formung der Schleifenverstärkung. Ein Quarzkristall-Resonanzelement 25 ist zwischen die Knotenpunkte 21 und 22 gelegt und erzeugt eine schmalbandige Rückkopplungsschleife zur Bereitstellung der Frequenz-einstellenden Grundresonanz für die Hauptoszillatorstufe 16, wodurch sich die Erzeugung einer annähernd sinusförmigen Kurvenform am Knotenpunkt 21 erzielen läßt. Ein bevorzugter Quarzkristall für das Bauteil 25 ist bei einem Anwendungsbeispiel ein Farbburst-Kristall, der eine Grundresonanzfrequenz von 3,5 mHz hat.

Der Transistor M5, der als großer Widerstand wirkt, bildet ein Hochfrequenz -rSperrelement, das die Verstärkungsgrenze der Oszillator-Rückkopplungsschleife erhöht, indem es verhindert, daß das Vorspannungsnetzwerk den Signalknotenpunkt 21 zu stark belastet. Dies-ermöglicht die Verwendung von mäßigen Breiten/Längen-VerhälAnissen für den leitenden Kanal der Transistoren M3 und M4. Dadurch wird Ruhestrom gespart und trotzdem eine genaue Nachführung des Ruhestroms für den Transistor M1 mit dem Strom des Transistors M3 sowie eine Nachführung der Drain-

Source-Spannung des Transistors M2 mit der Drain-Source-Spannung des Transistors M4 erreicht, in Verbindung hiermit ist es wichtig, daß die Kanallänge der Transistoren M1 und M2 gleich der für die Transistoren M3 bzw. M4 ist, um eine ausreichend stabile Anfangsvorspannung am Knotenpunkt 22 zu erzeugen.

Der Knotenpunkt 21 der Hauptoszillatorstufe 16 ist mit der Gateelektrode 26 des Anreicherungstyp-Verstärkertransistors M6 verbunden, die der Eingangsanschluß der Komparatorstufe 18 ist. Die Drainelektrode des Transistors M6 liegt über einen als Option vorgesehenen Widerstand 2 7 zurBegrenzung des Spannungsausschlages an der Sourceelektrode des Lasttransistors M7 , dessen Drainelektrode mit der positiven Versorgungsschiene 12 verbunden ist. Die Gateelektrode des Lasttransistors M7 ist entweder mit dem gemeinsamen Knotenpunkt 29 der Transistoren M4 und M5 oder mit dem Ausgangsanschluß 22 der Hauptoszillatorstufe verbunden. Mit einem gewissen Nachteil hinsichtlich des erzielten Ausgangstastverhältnisses, aber einem gewissen Vorteil hinsichtlich der Ausbeute bei der Herstellung kann das Gate des Lasttransistors M7 alternativ mit der positiven Versorgungsschiene 12 verbunden sein.

Die TTL-Ausgangsstufe 20 enthält vier Transistoren M8, M9, M10, M11. Die Gateelektroden der Transistoren M8 und M11 liegen am Knotenpunkt 28 , der der Ausgang der Komparatorstufe 18 ist. Ihre Drainelektroden sind mit den Sourceelektroden der Lasfctransistoren M10, M9 und ihre Sourceelektroden mit der geerdeten Versorgungsschiene 14 verbunden. Die Drainelektroden der Lasttransistoren M9, M10 liegen an der positiven Versorgungsschiene 12,und deren Gateelektroden sind mit der Sourceelektrode des Lasttransistors M10 verbunden. Die Sourceelektrode des Lasttransistors M9 und die Drainelektrode des Transkonduktanz-Transistors 11 führen zum Ausgangsanschluß 30 des Oszillators 10. Die TTL-Ausgangsstufe 20 ist ein typisches Beispiel für Schaltungsabschnitte, die nach dem Stand der Technik in integrierten MOS-Schaltungen verwen-

det werden.

Bei Oszillatoren nach dem Stand der Technik wäre es üblich, den Haupteingangsknoten 26 der Komparatorstufe 18 mit dem Ausgangsknoten 22 der Hauptoszillatorstufe 16 zu verbinden. Bei Pierce-Oszillatoren kann dieser Ausgangsknoten 22 eine höhere Signalspannungsamplitude als der Eingangsknoten 21 der Hauptoszillatorstufe 16 liefern. Bei der Konstruktion des Oszillators 10 wurde jedoch erkannt, daß es zur Verbesserung des Tastverhältnisses für den Oszillator 10 zweckmäßig ist, daß die Schwellenwertspannung der Komparatorstufe 18 mit der Gleichspannung im eingeschwungenen Zustand an demjenigen Knotenpunkt der Hauptoszillatorstufe 16 übereinstimmt, mit welchem der Komparatoreingangsknoten verbunden ist. Da die Transistoren M1 und M6 ähnliche Diffusionswerte und Kanallängen besitzen, stimmen ihre Ströme in der Nähe der Vorspannungszustände sehr genau überein. Dadurch läßt sich ein Tastverhältnis der TTL-Ausgangsspannung von im wesentlichen 50 % , d.h. eine Ausgangsspannung, die für im wesentlichen gleiche Zeitabschnitte oberhalb und unterhalb eines mittleren Pegels verweilt, auf zweckmäßige Weise durch geeignete Konstruktionsparameter für die verschiedenen Lasttransistoren M4, M3, M2 und M7 erreichen. Dies steht im Gegensatz zu bekannten Oszillatoren dieses allgemeinen Typs, bei denen es erforderlich war, entweder die Schwellenwertspannung des Komparator-Verstärkerbauteils (entsprechend den Transistoren M6 und M7 der Inverterstufe im Oszillator 10) an den eingeschwungenen Gleichspannungswert am Ausgangsknoten der Hauptoszillatorstufe (entsprechend dem Knoten 22 im Oszillator 10) anzupassen oder im anderen Fall einen Koppelkondensator und zusätzliche Vorspannungsbauteile vorzusehen. Eine solche Anpassung ist schwierig und ungenau, da sie von der Amplitude am Ausgang der Hauptoszillatorstufe abhängt und daher von Nichtlinearitäten dieses Ausgangssignals beeinflußt wird. Die Signalkurvenform am Knotenpunkt 21 ist genauer sinusförmig als die Kurvenform am Knotenpunkt 22. Bei der Konstruktion des

Oszillators 10 ermöglicht die Verbindung des Eingangsknotenpunktes 26 der Komparatorstufe 18 mit dem Eingangsknotenpunkt 21 der Hauptoszillatorstufe 16 eine genauere Steuerung des Tastverhältnisses. Dies führt zu einer erhöhten Zuverlässigkeit des TTL-Ausgangstastverhältnisses und ermöglicht eine Vereinfachung der Schaltung.

Bei der Konstruktion von Oszillatoren nach dem Stand der Technik wäre es außerdem üblich, die Gateelektrode des Lasttransistors M7 in der Komparatorstufe 18 ^mit der eigenen Sourceelektrode zu verbinden. Die Anschaltung der Gateelektrode an den gemeinsamen Knotenpunkt der Transistoren M3 und M4 des Vorspannungsnetzwerkes bewirkt eine Umwandlung des Lasttransistors M7 in ein als Sourcefolger geschaltetes Lastbauteil. Der Ausdruck "als Sourcefolger geschaltet" bedeutet in seiner Anwendung auf MOS-Transistoren hier, daß die Drainelektrode mit einer Versorgungsspannung verbunden ist, die Gateelektrode einen Eingangsknoten darstellt, der an einer konstanten oder sich ändernden Eingangsspannung liegt, ^unc* die Sourceelektrode ein Ausgangsknoten ist. Die Nichtübereinstimmung zwischen dem Komparatorschwellenwert und der Vorspannung am Knoten 21, die durch Änderungen der Versorgungsspannung zustande kommt, wird hierdurch verringert. Dadurch wird die Stromversorgungs-Rauschunterdrückung verbessert und die Möglichkeit geschaffen, daß ein Bauteil fester Auslegung über einen weiten Bereich von Versorgungsspannungen betrieben werden kann. Der Oszillator 10 kann bei einer verhältnismäßig niedrigen Gesamtversorgungsspannung arbeiten, beispielsweise bei 2 V. Der Lasttransistor M7 ist zwar mit Vorteil ein Verarmungstyp, er kann aber auch ein Anreicherungstyp-Bauteil sein, das in bekannter Weise angepaßt ist, ohne den Schutzumfang der Erfindung zu verlassen.

Ein Merkmal des Oszillators 10 besteht darin, daß die Hauptoszillatorstufe 16 mit der TTL-Ausgangsstufe 20 über die spezielle Komparatorstufe 18 verbunden ist, die die erwünschte Eigenschaft eines Ausgangstastverhältnisses von 50 % innerhalb eines Bereiches von wenigen

Prozenten liefert. Dadurch wird es möglich, daß bei der Schaltung 10 die Pierce-Netzwerktopologie mit ihrer von Natur aus vorhandenen, hohen Toleranz gegen parasitäre Einflüsse verwendet werden kann und die gesamte Oszilüiatorschaltung 1 0 mit NMOS-Technologie und ohne wes-entliche Startprobleme realisiert werden kann. Die Oszillatorfrequenz des Oszillators 10 ist nicht auf die Frequenz des speziellen Kristallbauteils 25 beschränkt, das in der speziellen Schaltung ein außerhalb der integrierten Schaltung angeordnetes Bauteil ist, sondern kann auf eine andere erwünschte Frequenz gelegt werden, indem ein alternativer Resonator, beispielsweise ein passives Resonatornetzwerk, zwischen den Eingangsknoten 21 und den Ausgangsknoten 22 des Inverters geschaltet wird.

In Fig. 2 ist ein Oszillator 32 dargestellt, dessen Bauteile die gleichen Bezugszeichen wie die des Oszillators 10 in Fig. 1 tragen und der in allen Punkten identisch mit der Ausnahme ausgebildet ist, daß beim Oszillator 32 die Gateelektrode des Lasttransistors M7 im Transistor 18 mit der Drainelektrode des Transkonduktanz-Transistors M1 in der Hauptoszillatorstufe 16 , nämlich dem Ausgangsknotenpunkt 22 des Inverters der Hauptoszillatorstufe 16, verbunden ist. Dann ist der Lasttransistor M7 eine aktive Last , so daß das Tastverhältnis des Oszillators weiter verbessert wird. Die Verwendung dieser Anordnung ist jedoch nur dann zweckmäßig, wenn die positive Versorgungsspannung V__ der positiven Versorgungsspannungschiene 12 so niedrig ist, daß die Gatespannung des Lasttransistors 7 auf einen Wert abfallen kann, bei dem die Transkonduktanz-Transistoren M8 und M11 ausgeschaltet bleiben. Wenn die Spannung V_D_ zu hoch ist, so zieht der Lasttransistor M7 die Gateelektroden dieser Transkonduktanz-Transistoren so weit hoch, daß der Transistor M6 die Transistoren M8 und M11 bei der nächsten Halbperiode ausschalten kann. Es ist dann zweckmäßig, die Gateelektrode des Transistors Mt?¹ gemäß Fig. 1 zu schalten, um eine maximale , stabile und vorgegebene Gatespannung fürodeh Transistor M7 über das Vorspannungsnetzwerk sicherzustellen.

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Claims

American Telephone and Telegraph Company 550 Madison Avenue, New York N.Y. 10022, USA

Patentansprüche

Elektronischer Oszillator mit einer Hauptoszillatorstufe, die ein Vorspannungserzeugungsnetzwerk und ein an einen Eingangsknotenpunkt eines Verstärkers angekoppeltes Resonanzelement besitzt, und mit einer Ausgangsstufe, die an eine Komparatorstufe angekoppelt ist, wobei ein Eingangsknotenpunkt der Komparatorstufe mit der Hauptoszillatorstufe verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, daß der Eingangsknotenpunkt (Fig.1: 26) der Komparatorstufe

(18) mit dem Eingangsknotenpunkt (21) des Verstärkers (M1) in der Hauptoszillatorstufe (16) verbunden ist.
2. Elektronischer Oszillator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Komparatorstufe (18) einen als Sourcefolger geschalteten Lasttransistor (M7) aufweist, der zwischen einer positiven Versorgungsspannung (V_n ) und der Drainelektrode eines Verstärkertransistors (M6) in der Komparatorstufe liegt, und daß die Gateelektrode des Komparatorstufen-Lasttransistors (M7) mit einem Knotenpunkt (29) des Vorspannungserzeugungsnetzwerkes in der Hauptoszillatorstufe (16) verbunden ist.

Sonnenberger Straße 43 6200 Wiesbaden Telefon (06121) 562943/561998 Telex 4186237 Telegramme Patentconsult

Radeckestrafle 43 8000 München 60 Telefon (089) 883603/883604 Telex 5212313 Telegramme Patentconsult

Telefax (CCITT 2) Wiesbaden und München (089) 8344618 Attention Patentconsult
3. Elektronischer Oszillator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Verstärker (M1) ein Inverter (M1, M2) mit einem Transkonduktanz-Transistor (M1) ist, dessen Sourceelektrode mit einer Versorgungsspannungsquelle

(14) und dessen Drainelektrode mit einer Vorspannungseinrichtung verbunden sind, und

daß der Eingangsknotenpunkt (21) eine Steuerelektrode (G) des Transkonduktanz-Transistors (M1 ) umfaßt.
4. Elektronischer Oszillator nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Komparatorstufe (18) einen als Sourcefolger geschalteten Lasttransistor (M2) umfaßt, der zwischen eine positive Versorgungsspannung (V_nn) und die Drainelektrode eines Verstärkertransistors (M6) in der Komparatorstufe geschaltet sind, und daß die Gateelektrode des Komparatorstufen-Lastttransistors (M2 ) mit einem Knotenpunkt (29) des Vorspannungserzeugungsnetzwerkes in der Hauptoszillatorstufe verbunden ist.
5. Elektronischer Oszillator nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Komparatorstufe (18) einen aktiven Lasttransistor (Fig. 2: M7) aufweist, der zwischen eine positive Versorgungsspannung und die Drainelektrode eines Verstärkertransistors (M6) in der Komparatorstuf e geschaltet ist, und
daß die Gateelektrode des aktiven Lasttransistors (M7) mit der Drainelektrode (22) des Transkonduktanz-Transistors (M1) verbunden ist.