DE3831176A1 - Oszillatorzelle - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Oszillatorzelle mit einem frequenzbestimmenden System und einem mit dem frequenzbestim­ menden System gekoppelten Verstärker.

Oszillatoren gehören heute zu den Standardschaltungen. Man findet sie in Rundfunk- und Fernsehgeräten, in Uhren, in Com­ putern usw. Vielfältig wie die Anwendungen sind auch die ein­ zelnen Ausführungsformen des Oszillators.

Ein wichtiges neues Anwendungsgebiet ist der zunehmende Ein­ satz in integrierten Bausteinen. Will man hierfür gute Oszil­ latoren mit Quarzen bauen, so muß der Oszillator speziell auf den verwendeten Quarz hin ausgelegt werden. Dies setzt voraus, daß der Einsatzbereich des Oszillators bekannt ist. Die Dimen­ sionierung muß dann in der Regel für jeden Oszillator erneut erfolgen, entweder durch den Schaltungsentwickler von Hand oder durch ein entsprechendes Programm.

Es ist bekannt, daß der Pierce-Oszillator eine für CMOS-Pro­ zesse besonders geeignete Schaltungsanordnung darstellt. Der Pierce-Oszillator besteht aus einem Inverter, der über einen hochohmigen Parallelwiderstand auf seinen Arbeitspunkt einge­ stellt wird. Ein Netzwerk, im wesentlichen bestehend aus Kapa­ zitäten und einem Quarz, paßt den Quarz an den hochohmigen Inverter an. Der Pierceoszillator ist z. B. aus Frequenz 39, 1985, Seiten 238 bis 242 bekannt.

Die Anforderungen an einen Oszillator, z. B. einen solchen Pierce-Oszillator, bei einem Einsatz für integrierte Schal­ tungen bestehen darin, daß der Oszillator ohne Abgleich zu­ verlässig auf Anhieb funktioniert, daß er unempfindlich auch gegenüber größeren Parameterschwankungen ist und mit möglichst kleinem Leistungsbedarf betrieben werden kann. Es ist weiter erforderlich, daß er zuverlässig bei jeder möglichen Art des Einschwingvorgangs anschwingt und daß Schwingungen auf Neben­ resonanzen auch ohne den Einsatz von weiteren LC-Kreisen sicher vermieden werden.

Es ist die der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe, eine Oszillatorzelle für integrierte Schaltungen anzugeben, die die oben angegebenen Anforderungen erfüllt. Diese Aufgabe wird bei einer Oszillatorzelle der eingangs angegebenen Art gemäß dem Kennzeichen des Patentanspruchs 1 gelöst.

Die Oszillatorzelle besteht somit aus einem amplitudenge­ regelten Oszillator. Die Regelung erfolgt mit Hilfe eines Regelkreises, der als geregelte Strecke den Verstärker ent­ hält und zudem einen Amplitudendiskriminator und ein Rückkopp­ lungsnetzwerk aufweist. Mit Hilfe des Reglers wird eine Steuerspannung für den Verstärker erzeugt, durch die die Steilheit des Verstärkers einstellbar ist. Durch die Dimen­ sionierung des Amplitudendiskriminators und des Rückkopp­ lungsnetzwerkes wird beim Einschalten der Oszillatorzelle die Steilheit zunächst langsam erhöht bis die Oszillator­ zelle zu schwingen beginnt. Wenn dann die Oszillatorzelle sicher schwingt, wird die Steilheit auf einen Betriebswert zurückgenommen, bei der die Schwingung gerade aufrechterhal­ ten wird. In dieser Betriebsart ist die Güte des Oszillators am größten und die Verlustleistung minimal.

Die Oszillatorzelle zeichnet sich also durch ihren breiten Einsatzbereich bei minimaler Verlustleistung, geringer Quarzbelastung und sehr guter Frequenzstabilität aus. Die Regelung ersetzt dabei nicht nur die Dimensionierung des Oszillators auf seinen speziellen Einsatz hin, sie regelt auch die meisten nachträglich auftretenden Parameterabwei­ chungen aus. Somit weist die Oszillatorzelle die Eigenschaf­ ten auf, die für Zellen für integrierte Schaltungen erforder­ lich sind.

Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Unter­ ansprüchen.

Anhand eines Ausführungsbeispiels, das in den Figuren dargestellt ist, wird die Erfindung weiter erläutert. Es zeigt

Fig. 1 ein Blockschaltbild der geregelten Oszillatorzelle,

Fig. 2 ein Beispiel eines spannungsgesteuerten Verstärkers,

Fig. 3 die Steilheit des Verstärkers in Abhängigkeit der Steuerspannung US,

Fig. 4 ein Beispiel für einen Amplitudendiskriminator,

Fig. 5 ein Beispiel für ein Rückkopplungsnetzwerk,

Fig. 6 ein Beispiel für einen Ausgangstreiber,

Fig. 7 eine Stromspiegelschaltung.

Das Blockschaltbild der Fig. 1 zeigt die Oszillatorzelle OZ, die den Oszillator OS enthält. Der Oszillator OS besteht in bekannter Weise aus einem Verstärker VST und einem frequenz­ bestimmenden System FS, z. B. einem Quarz. Der Oszillator, näm­ lich der Verstärker VST, erzeugt die Oszillatorschwingung mit der Amplitude UA. Diese Spannung wird auch dem frequenzbe­ stimmenden System FS zugeleitet, das seinerseits die Spannung UE erzeugt.

Zur Einstellung der Steilheit des Verstärkers VST wird nun ein Regler verwendet bestehend aus einem Amplitudendiskrimina­ tor AD und einem Rückkopplungsnetzwerk RK. Der Verstärker VST bildet dabei die Regelstrecke des Regelkreises.

Das Rückkopplungsnetzwerk RK erzeugt eine Steuerspannung US, die dem Verstärker VST zugeführt wird und mit deren Hilfe die Steilheit des Verstärkers eingestellt werden kann. Das Rückkopplungsnetzwerk RK arbeitet derart, daß z. B. nach einem Reset R bzw. beim Einschalten der Oszillatorzelle die Steuer­ spannung US von 0 an beginnend langsam ansteigt, was dazu führt, daß die Steilheit des Verstärkers VST langsam ansteigt. Der Oszillator OS beginnt aber sicher erst bei größerer Steil­ heit, also bei größerer Steuerspannung US, zu schwingen. Die dazu erforderliche Steilheit ist größer als die Steilheit, die im Betrieb zur Aufrechterhaltung der Schwingung erforderlich ist. Um den Zeitpunkt festzustellen, bei dem der Oszillator OS sicher schwingt, wird die Spannung UA des Verstärkers VST von dem Amplitudendiskrimator AD überprüft. Dies geschieht mit Hilfe einer Schwellspannung UR des Amplitudendiskriminators AD. Wenn die Spannung UA des Verstärkers VST die Schwell­ spannung des Amplitudendiskriminators AD übersteigt, gibt der Amplitudendiskriminator das Diskriminatorsignal UD ab, das dem Rückkopplungsnetzwerk RK zugeführt wird. Das Rückkopp­ lungsnetzwerk RK beendet dann den Anstieg der Steuerspannung US und führt diese Steuerspannung US auf den Betriebswert zurück.

Die Oszillatorschwingung UA, die vom Verstärker VST abgegeben wird, wird mit Hilfe eines Ausgangstreibers AT in eine Takt­ schwingung CL der gewünschten Form umgewandelt.

Wird als Oszillator OS ein Pierce-Oszillator verwendet, dann muß darauf geachtet werden, daß die Steilheit des Verstärkers VST nicht zu groß wird. Denn sonst würde das Schwingen des Os­ zillators verhindert werden. Durch geeignete Wahl der Schwel­ lenspannung des Amplitudendiskriminators AD und durch ent­ sprechende Dimensionierung des Rückkopplungsnetzwerkes RK kann dies sicher verhindert werden.

Das Rückkopplungsnetzwerk RK erhöht nach Einschalten der Versorgungsspannung oder nach Auftreten eines Reset-Signals R langsam die Steuerspannung US, z. B. mit einer maximalen An­ stiegszeit von 50 Millisekunden. Das Rückkopplungsnetzwerk RK legt auch die Zeitkonstante fest, mit der die Steuerspannung US auf Signale des Amplitudendiskriminators reagiert. Das Rückkopplungsnetzwerk RK kann dabei Tiefpaßverhalten aufwei­ sen.

Eine Realisierung des Verstärkers VST kann der Fig. 2 entnommen werden. Es handelt sich um einen spannungsgesteuerten Verstär­ ker, dessen Steilheit S mit Hilfe der Steuerspannung US einstellbar ist. Der Verstärker ist in CMOS Technik aufgebaut. Er besteht aus einer Serienschaltung der gesteuerten Strecken eines ersten p-Kanaltransistors TP 1, eines zweiten p-Kanal­ transistors TP 2 und eines ersten n-Kanaltransistors TN 1. Diese Serienschaltung liegt zwischen einem ersten Betriebspoten­ tial VDD und einem zweiten Betriebspotential VSS. Die Se­ rienschaltung wird von einer Eingangsstufe bestehend aus einem n-Kanaltransistor TN 2 und einem als Widerstand geschal­ teten p-Kanaltransistor TP 3 angesteuert. An dem n-Kanaltransi­ stor liegt die Steuerspannung US an. An der Zusammenschaltung der Gateelektroden des n-Kanaltransistors TN 1 und des p-Kanal­ transistors TP 2 wird die Spannung UE vom frequenzbestimmenden System FS angelegt.

Durch Veränderung der Steuerspannung US kann die Steilheit des Verstärkers VST eingestellt werden. Der Verlauf der Steil­ heit S in Abhängigkeit der Steuerspannung US ergibt sich aus Fig. 3. Es ist zu sehen, daß in Abhängigkeit der Steuerspan­ nung US die Steilheit zunächst sehr niedrig ist und erst all­ mählich ansteigt, bei größerem US dagegen sehr steil ansteigt. Der Anstieg der Steilheit S beginnt erst dann, wenn die Transi­ storschwellspannung UT erreicht ist.

Zur Einstellung der Steilheit wird die Spannung am Verbin­ dungspunkt VP 1 der Eingangsstufe an die Gateelektrode des p-Kanaltransistors TP 1 angelegt. Je höher die Steuerspannung US wird, umso negativer wird das Potential am Verbindungspunkt VP 1 und umso durchlässiger wird der p-Kanaltransistor TP 1. Bei hoher Steuerspannung, also bei hoher Steilheit, arbeitet der Verstärker als CMOS-Inverter mit den Eigenschaften hoher Steilheit und geringe Verlustleistung.

Da die Eigenschaften des spannungsgesteuerten Verstärkers die Eigenschaften des Oszillators US wesentlich mitbestimmen, kommt es für die Eigenschaften der Oszillatorzelle im wesent­ lichen auf die Ausführung des Verstärkers an. Die Forderung nach einem breiten Regelbereich bildet kein Problem, da es bei Oszillatoren nicht auf Verzerrungsfreiheit ankommt (das frequenzbestimmende Bauelement filtert Oberwellen aus), so daß diese Forderung durch einfaches Begrenzen des Versor­ gungsstromes eines CMOS-Inverters zu erfüllen ist.

Weiterhin ist die Verlustleistung des spannungsgesteuerten Verstärkers proportional zur eingestellten Steilheit, somit ist die Verlustleistung des Oszillators bei minimaler Steil­ heit ebenfalls minimal. Der Ausgangswiderstand des Verstärkers, mit dem der Schwingkreis belastet wird und somit dessen Güte beeinflußt, verhält sich umgekehrt proportional zur einge­ stellten Steilheit.

Ein Beispiel für einen Amplitudendiskriminator kann der Fig. 4 entnommen werden. Er besteht aus einem p-Kanaltransistor TP 4, einem weiteren p-Kanaltransistor TP 5 und zwei n-Kanal­ transistoren TN 3 und TN 4. Die gesteuerten Strecken der Transi­ storen TP 4 und TN 3 sind in Serie geschaltet, ebenso die ge­ steuerten Strecken der Transistoren TP 5 und TN 4. An den Transi­ storen TP 4 und TP 5 liegt eine Schwellspannung UR an, die die Schwellspannung des Amplitudendiskriminators bildet. Die Aus­ gangsspannung UA des Verstärkers VST liegt am Transistor TN 3 an. Das Betriebspotential für den Amplitudendiskriminator wird wiederum durch VDD und VSS festgelegt.

Weiterhin wird das vom Amplitudendiskriminator abgegebene Signal mit Hilfe eines Inverters IN invertiert und als Signal UD an das Rückkopplungsnetzwerk weitergegeben.

Die Schwelle UR des Amplitudendiskriminators ist derart ein­ gestellt, daß der Amplitudendiskriminator das Signal UD er­ zeugt, wenn die Spannung UA eine Größe erreicht hat, bei der eine stabile Regelung des Oszillators problemlos möglich ist. Der Amplitudendiskriminator wird dabei so ausgelegt, daß er diese Aufgabe für alle Betriebsbereiche sicher erfüllt. Für den Betrieb mit hoher Steilheit muß gewährleistet sein, daß der n-Kanalausgangstransistor TN 1 des spannungsgesteuerten Verstärkers VST bis in den linearen Bereich ausgesteuert wird. Für den Betrieb mit sehr kleiner Steilheit ist zu be­ achten, daß der Amplitudendiskriminator nicht schon bei der sich einstellenden Gleichgewichtslage, die etwa der Größe der Schwellspannung UR entspricht, anspricht. Die Schwellwert­ spannung UR ist darum so zu wählen, daß das Signal UD dann ab­ gegeben wird, wenn der Oszillator OS sicher schwingt.

Eine Ausführungsform des Rückkopplungsnetzwerkes RK ergibt sich aus Fig. 5. Das Rückkopplungsnetzwerk liefert die Steuer­ spannung US für den spannungsgesteuerten Verstärker. Dabei gibt es zwei Betriebsbereiche: Beim Einschalten oder nach dem Reset- Signal R läuft die Steuerspannung US von 0 beginnend hoch, z. B. innerhalb von 50 Millisekunden. Der dazu erforderliche kleine Strom I von z. B. 1 mA wird über eine Stromspiegelschal­ tung erzeugt. Ein Beispiel für eine Stromspiegelschaltung ergibt sich aus Fig. 7. Sobald Schwingungen einsetzen und der Amplitudendiskriminator anspricht, wird die Steuerspannung US wieder vermindert. So stabilisiert das Rückkopplungsnetzwerk zusammen mit dem Amplitudendiskriminator die Oszillatoraus­ gangsamplitude.

Wenn z. B. das Reset-Signal R am Transistors TN 5 anliegt, dann wird ein Kondensator C entladen. Verschwindet das Reset-Signal R wieder, dann wird der Kondensator C langsam über einen Transi­ stor TP 6 aufgeladen, z. B. mit dem Strom I = 1 mA. Am Transi­ stor TP 6 liegt dazu die Schwellwertspannung UR von der Strom­ spiegelschaltung. Die Aufladung des Kondensators C geht solange weiter, bis ein Diskriminatorsignal UD vom Amplitudendiskrimi­ nator erzeugt wird. Dann nämlich wird ein Transistor TN 6 lei­ tend gesteuert, der die Spannung am Kondensator C und damit die Steuerspannung US auf den Betriebswert einstellt. Der Kon­ densator C kann eine Kapazität von z. B. 20 pF haben, die Be­ triebspotentiale sind wiederum VDD und VSS.

An den Ausgang des Verstärkers VST ist ein Ausgangstreiber angeschlossen, der die vom Oszillator OS abgegebene Sinus­ schwingung übernimmt und in eine Rechteckschwingung umwandelt. Für die nachfolgenden Schaltkreise gibt der Ausgangstrei­ ber ein Taktsignal CL mit eindeutigen Pegeln ab.

Aus Fig. 7 kann schließlich noch eine Stromspiegelschaltung entnommen werden, mit der der konstante Strom von I = 1 mA eingestellt werden kann. Die Stromspiegelschaltung besteht aus Transistoren TP 6, TP 7 und TP 8. Das Verhältnis W zu L des Transistors TP 6 kann z. B. hundert tragen, während das Ver­ hältnis W zu L der Transitoren TP 7 und TP 8 z. B. 0,01 sein kann. Durch den Transistor TP 8 wird dann der geringe Strom von z. B. 1 mA erzeugt.

Claims (5)

1. Oszillatorzelle mit einem frequenzbestimmenden System und einem mit dem frequenzbestimmenden System gekoppelten Verstärker, gekennzeichnet durch folgende Merkmale:

• - die Steilheit (S) des Verstärkers (VST) ist über eine Steuerspannung (US) einstellbar,
• - die Spannungssteuerung des Verstärkers (VST) erfolgt über einen Regelkreis, enthaltend
  • a) den Verstärker (VST) als geregeltes Element,
  • b) einen am Ausgang des Verstärkers angeschlossenen Ampli­ tudendiskriminator (AD), der ein Diskriminatorsignal (UD) abgibt, wenn die Ausgangsspannung (UA) des Verstärkers die Schwellspannung (UR) des Amplitudendiskriminators über­ steigt,
  • c) ein am Ausgang des Amplitudendiskriminators (AD) ange­ schlossenes Rückkopplungsnetzwerk (RK), das zu Beginn der Regelung eine steigende Steuerspannung (US) abgibt, bis das Diskriminatorsignal (UD) auftritt, und das dann die Steuerspannung auf den Betriebswert festlegt.

2. Oszillatorzelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Verstärker (VST) aus einer zwischen einem ersten Betriebspotential (VDD) und einem zweiten Betriebspotential (VSS) angeordneten Serien­ schaltung der gesteuerten Strecken eines ersten Transistors des einen Kanaltyps (TP 1), eines zweiten Transistors des einen Kanaltyps (TP 2) und eines ersten Transistors des ande­ ren Kanaltyps (TN 1) und aus einer zwischen dem ersten Be­ triebspotential und dem zweiten Betriebspotential liegenden zweiten Serienschaltung aus einem als Widerstand geschalte­ ten dritten Transistors des einen Kanaltyps (TP 3) und einem zweiten Transistor des anderen Kanaltyps (TN 2) besteht, daß an der Zusammenschaltung der Gateelektroden des zweiten Transistors des einen Kanaltyps und des ersten Transistors des anderen Kanaltyps die Ausgangsspannung (UE) des fre­ quenzbestimmenden Systems (FS) anliegt, daß an der Gateelektrode des zweiten Transistors des anderen Kanal­ typs (TN 2) die Steuerspannung (US) anliegt und daß der Verbindungspunkt (VP 1) der gesteuerten Strecken des drit­ ten Transistors des einen Kanaltyps (TP 3) und des zweiten Transistors des anderen Kanaltyps (TN 2) mit der Gateelek­ trode des ersten Transistors des einen Kanaltyps (TP 1) ver­ bunden ist.

3. Oszillatorzelle nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Amplitudendiskri­ minator (AD) aus einer zwischen dem ersten Betriebspotential (VDD) und der Ausgangsspannung (UA) des Verstärkers (VST) angeordneten Serienschaltung der gesteuerten Strecken eines vierten Transistors des einen Kanaltyps (TP 4) und eines dritten Transistors des anderen Kanaltyps (TN 3) und aus einer zwischen dem ersten Betriebspotential (VDD) und dem zweiten Betriebspo­ tential (VSS) angeordneten Serienschaltung der gesteuerten Strecken eines fünften Transistors des einen Kanaltyps (TP 5) und eines vierten Transistors des anderen Kanaltyps (TN 4) besteht, daß an den Gateelektroden des vierten und fünften Transistors des einen Kanaltyps die Schwellenspannung (UR) anliegt und daß die Gateelektroden des dritten und vierten Transistors des anderen Kanaltyps miteinander verbunden sind und an den Verbindungspunkt (VP 2) der gesteuerten Strecken des fünften Transistors des einen Kanaltyps (TP 4) und des vierten Transistors des anderen Kanaltyps (TN 5) angeschlos­ sen ist.

4. Oszillatorzelle nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Rückkopplungsnetz­ werk (RK) aus einem parallel zu den gesteuerten Strecken eines fünften und eines sechsten Transistors des anderen Kanaltyps (TN 5, TN 6) angeordneten Kondensator (C) besteht, der über einen sechsten Transistor des einen Kanaltyps (TP 6) mit dem ersten Betriebspotential (VDD) verbunden ist und andererseits an dem zweiten Betriebspotential (VSS) anliegt, daß am fünften Transistor des anderen Kanaltyps (TN 5) eine Reset-Signal (R) anliegt, daß am sechsten Transistor des anderen Kanaltyps (TN 6) das Amplituden­ diskriminatorsignal (UD) anliegt und daß am sechsten Transistor des einen Kanaltyps (TP 6) die Schwellwert­ spannung (UR) anliegt.

5. Oszillatorzelle nach einem der vorhergehenden An­ sprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Oszillator (OS) als Pierce-Oszillator ausgeführt ist.