DE3853983T2 - Elektronischer Oszillator. - Google Patents

Elektronischer Oszillator.

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Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft elektronische Oszillatoren.
  • Die digitale Kommunikation ist von genauer Taktgabe abhängig; in diesem Zeitalter der digitalen Kommunikation mit hohen Bitraten besteht ein großer Bedarf an Hochfrequenzoszillatoren zum Takten der hochratigen digitalen Schaltkreise. Weiterhin besteht aufgrund des Ausmaßes an Miniaturisierung in der Industrie ein besonders großer Bedarf an Miniaturoszillatoren, die in einer kostengünstigen Technik der Höchstintegration (VLSI - very large scale integration) wie die der Metalloxidhalbleitertechnik (MOS) hergestellt werden können.
  • Für die Genauigkeit, die dazu erforderlich ist, um Kommunikationsschaltungen synchronisiert zu halten, können die Oszillatoren von einem Resonator mit hoher Güte gesteuert werden; zu gebräuchlichen Resonatoren gehören L-C-Resonanzkreise, abgestimmte Hohlräume, Quarzkristalle und keramische Resonatoren. Wenn ein spannungssteuerbarer Oszillator mit einem Resonator hoher Güte in einer Phasenregelschleife zur Anpassung einer Frequenz an eine andere benutzt wird, muß seine Frequenz über einen sinnvollen Bereich veränderlich sein. Es hat sich erwiesen, daß diese Kombination von Anforderungen schwierig zu niedrigen Kosten zu erreichen ist. Die höchste Frequenz, mit der ein Oszillator arbeitet, ist durch die Verstärkung des Oszillatortransistors begrenzt; gleichermaßen ist der Frequenzbereich, über den ein Oszillator nachgezogen werden kann, ebenfalls von seiner Verstärkung begrenzt. Leider ist die Verstärkung von in MOS-Technik hergestellten Halbleitertransistoren niedrig im Vergleich zu beispielsweise der eines Transistors ähnlicher Größe in Bipolartechnik . Wenn das Verhältnis Breite zu Länge eines MOS-Transistors vergrößert wird um die Verstärkung zu erhöhen, steigen jedoch die Gate- Source- und Gate-Drain-Kapazitäten des Transistors ebenfalls. Die resultierende erhöhte Belastung des Oszillatorkreises wirkt der Erhöhung der Verstärkung entgegen und es ergibt sich nur eine geringe Steigerung der maximalen Betriebsfrequenz bei bedeutsamer Zunahme an Stromaufnahme. Eine bedeutende weitere Verringerung der effektiven Verstärkung von MOS-Transistoren wird durch den Substratvorspannungseffekt bewirkt. Der Frequenzbereich von Miniaturoszillatoren in verfügbarer VLSI- Technik ist daher bislang sehr begrenzt gewesen.
  • Wenn Oszillatoren in Taktgabeanwendungen für digitale Schaltkreise benutzt werden, ist eine Rechteckwelle mit einem Tastverhältnis von annähernd 50% wünschenswert, um gleiche Zeitdauer für eine von entweder der ansteigenden oder der abfallenden Impulsflanke ausgelöste Schaltungstätigkeit zu erlauben. Wenn Oszillatoren jedoch in der Nähe ihrer Höchstfrequenz betrieben werden, wird das Tastverhältnis von Transistorparametern gesteuert, die asymmetrisch sind. Um das Tastverhältnis auf 50% zu zwingen, können gebräuchliche Rückkopplungsschaltungen benutzt werden, aber damit kann die Oszillatorfrequenz sehr begrenzt werden und sie sind oft eine Quelle zusätzlichen Phasenrauschens.
  • Im Technical Disclosure Bulletin von Motorola, Band 3, Nr. 1, März 1983, Seite 17, Schaumburg IL:P. Gailus et al.: "High Pullability Voltage Controlled Crystal Oscillator" (Spannungsgesteuerter Quarzoszillator mit hohem Nachziehverrnögen) wird ein Oszillator offenbart, der aus einer ersten Stufe mit einem n-Kanal-MOS-Transistor und einer zweiten Stufe mit einem npn-Bipolartransistor besteht (diese Vorrichtungen weisen dieselbe (n-Kanal) Polarität auf) und Rückkopplung vom Ausgang der zweiten Stufe zum Eingang der ersten Stufe aufweist. Mit der Erfindung wird versucht, einen Oszillator bereitzustellen, der in VLSI-Technik hergestellt werden kann und einen bedeutend verbesserten Frequenzbereich und einen großen Nachziehbereich aufweist.
  • Nach der vorliegenden Erfindung ist ein elektronischer Oszillator nach Anspruch 1 bereitgestellt.
  • Das Tastverhältnis einer erfindungsgemäßen Oszillatorschaltung kann leicht auf annähernd 50% geregelt werden, ohne die maximale Schwingungsfrequenz wesentlich zu begrenzen, und kann durch ein externes Signal über einen gewählten gesteuerten Bereich proportional verändert werden.
  • Ein Tastverhältnis von annähernd 50% kann ohne wesentliche Frequenzverringerung durch einen bidirektionalen Spannungsbegrenzer sichergestellt werden, der mit dein Resonatorknoten verbunden ist, um die Schwingungen auf eine symmetrische Wellenform zu begrenzen, und durch kapazitive Ankopplung an eine symmetrisch vorgespannte Verstärkungsstufe.
  • Durch die unterschiedlichen Triggerspannungen verschiedener an den Oszillatorausgang angeschlossener Logik bewirkte Veränderungen des Tastverhältnisses können durch auswählbare Verlagerungen der Vorspannung für einen Pufferverstärker kompensiert werden.
  • Die Erfindung wird beispielhaf anhand der beiliegenden Zeichnungen beschrieben. In den Zeichnungen zeigen:
  • FIG.1 ein Schaltschema eines spannungssteuerbaren Quarzoszillators in CMOS-Technik nach der Erfindung; und
  • FIG. 2 eine für die Erklärung eines Tastverhältnisregelmerkmals des Oszillators der FIG. 1 nützliche Ausgangswellenform.
  • Der Einfachheit halber kann der Oszillator der FIG. 1 in drei Teilen betrachtet werden - einen Schwingungsteil 10, einen Spannungsbegrenzungsteil 30 und einen Verstärkungsteil 50.
  • Im Schwingungsteil 10 ist ein N-Kanal-CMOS-Transistor 12 mit seiner Drainelektrode an eine Betriebsspannungsquelle VDD und mit seiner Sourceelektrode über eine Stromquelle 14 mit Erde verbunden. Die Gateelektrode des Transistors 12 ist mit einem Resonatorknoten 18 verbunden. Ein P-Kanal-CMOS-Transistor 16 ist mit seiner Drainelektrode mit Erde verbunden und mit seiner Sourceelektrode über eine zweite Stromquelle 20 mit der Quelle VDD verbunden. Ein Rückkopplungskompensator 22 verbindet das Gate des Transistors 12 mit der Sourceelektrode des Transistors 16 und ein zweiter Rückkopplungskondensator 24 verbindet die Sourceelektrode des Transistors 16 mit Erde.
  • Der Körper des Transistors 12 ist mit Erde verbunden, während der Körper des Transistors 16 mit seiner Sourceelektrode verbunden ist. Um den Schwingungsteil des Schaltkreises zu vervollständigen, ist die Reihenschaltung eines Quarzresonators 26, eines Varaktors 28 und eines Festkondensators 29 zwischen Resonatorknoten 18 und Erde geschaltet.
  • Ein Oszillator kann als ein Verstärker mit Rückkopplung angesehen werden. Der Verstärker des Oszillatorteils 10 ist ein zweistufiger Verstärker mit sowohl Transistoren 12 als auch 16. Die Kondensatoren 22 und 24 liefern die notwendige Rückkopplung über beide Stufen zum Aufrechterhalten der Schwingungen.
  • Der Transistor 12 ist in einer Source-Folger-Konfiguration geschaltet. Als Ergebnis weist er eine sehr niedrige Eingangskapazität und eine niedrige Spannungsverstärkung auf. Es ist natürlich bekannt, daß eine niedrige Eingangsschaltungskapazität und hohe Verstärkung zur Erweitung des Frequenzbereichs eines Oszillators beitragen. Auch ist darauf hinzuweisen, daß das Gate des Transistors 12 über den Reihenweg der Kondensatoren 22 und 24 und auch über den Reihenweg des Resonators 26, Kondensators 28 und Kondensators 29 mit Erde verbunden ist. Man könnte daher erwarten, daß der Vorteil der niedrigen Eingangskapazität, der durch eine Source- Folger-Konfiguration der ersten Stufe zu gewinnen ist, in der Eingangsschaltungskapazität verloren gehen würde und daher durch den entstehenden Verstärkungsverlust mehr als kompensiert werden würde. Es hat sich jedoch herausgestellt, daß dies nicht der Fall ist. In der Tat wird, wenn das Verhältnis Breite zu Länge des Transistors 12 sehr niedrig gemacht wird, die Steilheit gm wie auch die Gate-Source- und Gate-Drain-Kapazität verringert. Die niedrigere gm ergibt zwar eine leichte Verringerung der Stufenverstärkung, doch kann eine zusätzliche Verbesserung des Frequenzbereichs aufgrund der erweiterten Kontrolle über die Resonatorknoten-Gesamtkapazität erreicht werden.
  • Da die erste Transistor- und Verstärkerstufe vorteilhafterweise als Spannungsfolger strukturiert sind, fällt im wesentlichen die gesamte Verstärkungsbürde der zweiten Stufe zu. Um diesem Erfordernis in CMOS-Technik zu genügen, kann der Transistor 16 ein viel größerer Transistor mit einem viel größerem Verhältnis Breite zu Länge sein.
  • Im komplementären Metalloxid-Halbleiter-(CMOS-)- Aufbau werden mit gut bekannten Verfahren viele Transistoren mit isoliertem Gate, sowohl der P-Kanal- als auch der N-Kanal-Arten in einem Halbleitersubstrat gebildet. Bei Transistoren mit einer dem Substrat entgegengesetzten Kanalart ist der Transistorkörper gewöhnlich das Substrat. Das heißt beispielsweise, wenn das Substrat P- Silizium ist, werden in ihm N-Gebiete gebildet, um die Source bzw. Drain eines N-Kanal-Transistors bereitzustellen. Der Körper solcher Transistoren ist das P- Substrat selbst, das im allgemeinen mit Schaltungserde verbunden ist. Bei Transistoren mit einer Kanalart, die dieselbe ist wie die des Substrats, wird andererseits ein Gebiet aus Material der entgegengesetzten Art oder eine "Wanne" im Substrat gebildet, woraus der Körper des Transistors wird. Beispielsweise werden kleine in einer großen N-Wanne in einem P-Substrat gebildete P-Gebiete zur Source und Drain eines P-Kanal-Transistors. Die Wannen sind normalerweise mit der Betriebsspannungsquelle VDD verbunden.
  • Die normale Verbindung von Substrat mit Erde und der Wannen mit der Betriebsspannungsquelle dient dazu, die Source-Körper-Diode in Sperrichtung vorzuspannen und das Gate den Source-Drain-Widerstand steuern zu lassen. Es liefert jedoch auch andere als Substratvorspannungseffekt bekannte Wirkungen, die die Verstärkung des Transistors und damit die Frequenz des Oszillators verringern.
  • Mit dem Oszillator der FIG. 1 wird diese Begrenzung überwunden.
  • In dem Schaltschema der FIG. 1 wird ein Substrat aus P-Halbleitermaterial angenommen, obwohl die Erfindung nicht darauf begrenzt ist.
  • Es ist zu bemerken, daß, während der Körper des Transistors 12 auf typische CMOS-weise mit Erde verbunden ist, der des Transistors 16 anstatt mit VDD mit der Sourceelektrode verbunden ist. Da der Transistor 16 in einer Wanne gebildet ist, kann sein Körper wie gezeigt mit seiner Source verbunden werden. Damit wird der Substratvorspannungseffekt und seine entsprechende Verstärkungsverringerung ausgeschaltet.
  • Der CMOS-Verstärker des Schwingungsteil 10 weist daher eine geringe von der ersten Stufe beigetragene Eingangskapazität und eine große von der zweiten Stufe beigetragene Verstärkung ohne bedeutenden Substratvorspannungseffekt auf. Das optimale Größenverhältnis von CMOS-Transistoren hängt natürlich von den vom Herstellungsprozess erzeugten besonderen Eigenschaften ab. Es hat sich herausgestellt, daß ein Verhältnis von 5:1 sehr zufriedenstellend wirkt und eine maximale Schwingungsfrequenz von ca. 80MHz ergibt. Stromquellen 14 und 20 sind nach standardmäßigen CMOS-Verfahren konstruiert, um die Verstärker-Gesamtverstärkung zu maximieren.
  • Es ist von Bedeutung, darauf hinzuweisen, daß während es vorteilhaft ist, daß der Transistor 12 der ersten Stufe die mit CMOS- oder NMOS-Technik verbundene kleine Größe und hohe Eingangsimpedanz aufweist, dasselbe nicht für den Transistor 16 der zweiten Stufe zutrifft. Die höhere gm anderer Techniken, wie beispielsweise der Bipolartechnik, ist in der Tat in dieser Anwendung sehr nützlich. Aus diesem Grund ist die als BIMOS-Technik bekannte Technik, bei der Bipolartransistroren auf einen MOS-Baustein integriert sind, auch für den erfindungsgemäßen Oszillator sehr geeignet. Bei BIMOS kann der Oszillator auf einem Baustein gebildet werden; der Transistor der ersten Stufe kann für eine sehr niedrige Eingangskapazität im MOS realisiert sein und der Transistor der zweiten Stufe kann für hohe Steilheit in Bipolartechnik realisiert sein.
  • Wie schon erwähnt, ist die Ausführungsform der FIG. 1 als spannungssteuerbarer Quarzoszillator dargestellt, obwohl die Erfindung nicht darauf begrenzt ist. Zur Veränderung der Varaktorkapazität und damit der Frequenz für Phasenregelschleifenanwendungen nützliche Varaktorsteuernetzwerke sind in der Technik gut bekannt. Ein typisches derartiges Netzwerk könnte einen Verstärker 31 mit einer Verstärkung 1, einen Spannungsteiler mit 3 Widerständen 41, 42 und 43 und eine Bezugsspannungsquelle 44 enthalten. Der Verstärker dient zur Pufferung der an seinen Eingangsanschluß 45 angelegten Steuerspannung. Die Bezugsspannung von der Quelle 44 und der Spannungsteiler stellen die Varaktorspannung auf eine maximale Kapazitätsverschiebung entsprechend der Varaktorkennlinie ein. Da in dem Schaltkreis kein Gleichstrom fließt, läßt sich die Varaktorspannung festlegen als Vsteuerung
  • wobei Vsteurung die an den Anschluß 45 angelegte Spannung und V&sub4;&sub4; die Bezugsspannung von der Quelle 44 ist. Obwohl auch mit anderen Prozessen gebildete Varaktore zufriedenstellend benutzt werden können, ist ein besonders nützlicher Varaktor in unserer zugleich anstehenden, am 27. November 1987 eingereichten und EP-A- 0,318,210 entsprechenden US-Anmeldung mit Seriennummer 126,132 mit der Bezeichnung "Voltage Controlled Variable Capazitor" (Spannungsgesteuerter veränderlicher Kondensator) beschrieben. Er ist in CMOS herstellbar und kann daher zur Kostenersparnis und optimalen Miniaturisierung auf demselben Baustein integriert sein.
  • Wo ein Betrieb mit fester Frequenz gewünscht ist, kann der Resonator 26 zwischen dem Knoten 18 und entweder VDD oder Erde geschaltet werden.
  • Normalerweise erzeugt ein resonatorgesteuerter Oszillator ohne besondere Resonatorbegrenzungsmittel eine nichtsinusförmige Wellenform. Die Halbleitertransistoren werden zwischen ihren linearen Bereichen und dem Eckpunkt betrieben, und der Ausgangsspannungshub kann sich beinahe über den vollen Bereich der Versorgungsspannung erstrekken. Eine solche Betriebsweise ergibt im allgemeinen eine nicht symmetrische Ausgangswellenform, die nicht für Digitalschaltungstaktzwecke sinnvoll ist, da sie hinsichtlich Spannungs-, Temperatur- und Vorrichtungsherstellungstoleranzen nicht geregelt ist.
  • Nach einem weiteren Aspekt der Ausführungsform der FIG. 1 begrenzt der Spannungsbegrenzungsteil 30 der Ausführungsform der FIG. 1 die Auslenkungen am Resonatorknoten 18, um die Transistoren 12 und 16 in ihren gesättigten Bereichen zu halten und eine gesteuerte symmetrische Wellenform bereitzustellen.
  • Im Teil 30 ist die Drain-Source-Strecke eines N- Kanaltransistors 32 in Reihe mit der Source-Drain-Strecke eines P-Kanaltransistors 43 an die Betriebsspannungsquelle VDD angeschaltet. Die Source-Elektroden der Transistoren 32 und 34 sind miteinander und mit dem Resonatorknoten 18 verbunden. Ein diodengeschalteter P-Kanaltransistor 36 ist mit seiner Sourceelektrode über eine Stromquelle 38 mit der Spannungsquelle VDD und mit seinen Drain-Gateelektroden mit einer Bezugsspannungsquelle 40 verbunden. Die Gateelektrode des Transistors 34 ist mit der Bezugsspannungsquelle 40 verbunden und die Gateelektrode des Transistors 32 ist mit der Stromquelle 38 verbunden.
  • Die Funktionsweise des Begrenzers kann wie folgt erläutert werden:
  • Da die Gateelektrode des Transistors 34 mit der Bezugsspannungsquelle 40 verbunden ist und die Sourceelektrode mit dem Resonatorknoten 18 verbunden ist, leitet der Transistor 34 jedesmal dann, wenn die Spannung am Knoten 18 um mehr als die Schwellenspannung über der Bezugsspannung 40 liegt. Gleichermaßen leitet der Transistor 32 jedesmal dann, wenn die Spannung an seiner Sourceelektrode um weniger als die Schwellenspannung unterhalb seiner Gatespannung liegt. Da die in Durchlaßrichtung vorgespannte Diode 36 mit einer der Schwellenspannung des Transistors 32 annähernd gleichen Spannung arbeitet, leitet der Transistor 32 jedesmal dann, wenn die Spannung am Knoten 18 unter den annähernden Wert der Bezugspannung 40 abfällt. Da der Resonator 26 schon durch selbst geringe Ströme schnell belastet wird, begrenzt der Begrenzer die Spannung am Knoten 18 auf ein Mindestmaß der Bezugsspannung und ein Höchstmaß der Diodenspannung, die größer als die Bezugsspannung sind. Damit wird verhindert, daß die beiden Transistoren 12 und 16 des Oszillatorteils den Sättigungsbetriebszustand verlassen und dadurch gleichzeitig verhindert, daß Unterbrechungen in der Wellenform entstehen, und Wellenformsymmetrie und ein Tastverhältnis von 50% sichergestellt.
  • Die Bezugsspannung 40 wird daher zum Einstellen der Ruhespannung des Knotens 18 und der Stromquelle 38 gewählt, so daß der Transistor 36 auf einen stabilen Leitungspunkt vorgespannt ist.
  • Wenn zum Nachziehen der Oszillatorfrequenz ein Varaktor benutzt wird, kann die Bezugsspannung 40 mit gut bekannten Spannungsteilerverfahren von der Varaktor- Steuerspannung abgeleitet werden.
  • Ein mit niedrigem Pegel arbeitender CMOS-Oszillator braucht Verstärkung, um ein nützliches Signal mit digitalem Ausgangspegel zu liefern, und Pufferung, um zu vermeiden, daß die Last seine Funktionsweise beeinträchtigt. Dies sind Hauptfunktionen des Verstärkungsteil 50 der Ausführungsform der FIG. 1. Mit der besonderen Auslegung des Teils 50 kann jedoch die Symmetrie der Wellenform und damit das Tastverhältnis bewahrt werden, ohne die Betriebsfrequenz zu opfern.
  • Der Teil 50 kann vorteilhafterweise mehrere Paare komplementärer Transistoren umfassen, wobei jedes Paar mit seinen Source-Drain-Strecken in Reihe an die Versorgungsspannung VDD angeschaltet ist und eine invertierende Verstärkungsstufe bildet. Um das durch die symmetrische Schwingung erzeugte Tastverhältnis von 50% zu bewahren, muß jedoch der Nullsignal-Vorspannungspunkt für jede Stufe annähernd VDD/2 betragen und die Schwellenspannungen müssen für jede nachfolgende Stufe beinahe konstant bleiben. Da das Ausgangssignal des Schwingungsteils über einen Koppelkondensator 49 angeschaltet ist, kann die Vorspannung anfangs durch ein erstes Paar komplementärer als Dioden geschalteter Transistoren 51 und 52 eingestellt werden. Die Transistoren sind nach standardmäßiger MOS-Praxis ausgelegt, um komplementäre Eigenschaften zu erzeugen. Um konstante Schwellenspannungen zu bewahren, muß jedes nachfolgende Paar komplementärer Transistoren, z.B. 53, 54 und 55, 56 eng an die Transistoren 51 bzw. 52 angepaßt sein. Die Anpassung wird durch Verwendung desselben Mehrfachen des Verhältnisses Breite zu Länge für die Transistoren in jedem Paar erreicht. Das heißt, wenn das Verhältnis Breite zu Länge des Transistors 53 10,6 mal das Verhältnis Breite zu Länge des Transistors 51 ist, sollte das des Transistors 54 10,6 mal das des Transistors 52 innerhalb einiger weniger Prozente sein. Dasselbe gilt für jede nachfolgende Stufe, obwohl das Verhältnis für jede Stufe unterschiedlich sein kann. Die Anzahl von Verstärkungsstufen kann so gewählt sein, daß sie den Erfordernissen der bestimmten Anwendung entspricht. Zusätzlich können sie in einem Puffer 57 mit 3 Ausgangszuständen abschließen, damit das Taktsignal ein- und ausgeschaltet werden kann, ohne die Funktionsweise des Schwingungsteils zu beeinflussen.
  • Zur weiteren Verbesserung der Ausführungsform der FIG. 1 kann eine Vorspannungsänderungsschaltung 70 an die Gates der Transistoren 53, 54 angeschaltet sein, um das Tastverhältnis zu modulieren und eine Taktwellenform mit einem Tastverhältnis von annähernd 50% an Lasten von verschiedenen Logikarten zu geben. Wenn ein symmetrisches Taktsignal mit annähernd maximaler Frequenz in eine Last abgegeben wird, können die Anstiegs- und Abfallzeiten der Wellenform einen beträchtlichen Teil des Zyklus in Anspruch nehmen. Das Ergebnis ist eine trapezförmige Wellenform gleich der durchgezogenen Kurve 60 der FIG. 2. Wenn die Last zufällig eine CMOS-Schaltung ist, würde der Lastschaltungs-Triggerpegel, wie als Pegel 61 in FIG. 2 dargestellt, typischerweise annähernd VDD/2 betragen.
  • Bei diesem Triggerpegel ist ersichtlich, daß das effektive Tastverhältnis der Wellenform 60 in der Tat ca. 50% ist. Wenn andererseits die Lastschaltung eine Transistor- Transistor-Logik (TTL) ist, so ist ihr Triggerpegel viel niedriger, typisch 1,4 Volt. Dieser Pegel wird durch die gestrichelte Linie 62 dargestellt. Aus den Schnittpunkten der Linie 62 mit der Wellenform 60 ist ersichtlich, daß das effektive Tastverhältnis bei einer TTL-Last weit von 50% abliegt und daher nicht so nützlich ist. Eine schaltbare Korrektur wird durch die Vorspannungsverlagerungsschaltung 70 bereitgestellt. Die Schaltung 70 kann ein erstes Paar komplementärer Transistoren 71 und 72 umfassen, deren Drains miteinander verbunden sind und deren Drain-Source-Strecken zwischen VDD und Erde geschaltet sind. Ein Paar P-Kanal Transistoren 73 und 74 sind mit ihren Source-Drain-Strecken in Reihe zwischen VDD und den Gates der Transistoren 53 und 54 geschaltet. Die Vorrichtung 74 ist diodengeschaltet; das Gate des Transistors 73 ist mit den Drains der Transistoren 71 und 72 verbunden und die Gates der Transistoren 71 und 72 sind über einen Schalter 75 mit VDD oder Erde verbunden.
  • Die Schaltung 70 funktioniert wie folgt:
  • Wenn der Schalter 75 mit Erde verbunden ist, sperrt der Transistor 72 und der Transistor 71 leitet. Damit wird der Transistor 73 gesperrt und die Vorspannung der Verstärkungsschaltung 50 ist unbeeinflußt. Die Wellenform 60 ist die effektive Ausgabe, die für eine CMOS-Last ideal ist. Wenn der Schalter 75 andererseits mit VDD verbunden ist, sperrt der Transistor 71 und der Transistor 72 leitet. Damit wird der Transistor 73 durchgeschaltet und die Eingangsgleichspannung des Verstärkungsteils 50 wird angehoben. Bei insgesamt invertierender Eigenschaft der Kombination von Verstärkungs- und Pufferstufen wird die Ausgangswellenform verschoben, um, wie in der gepunkteten Wellenform 63 der FIG. 2 gezeigt, länger in der Nähe von Erde zu verweilen. Die Schnittpunkte der gepunkteten Wellenform 73 mit dem gepunkteten Schwellenpegel 62 zeigen, daß auf diese Weise für eine TTL-Last ein Tastverhältnis von 50% hergestellt werden kann. Es ist nützlich zu bemerken, daß die Vorspannungsverlagerungsschaltung 70 mit einer früheren Verstärkerstufe verbunden sein sollte, wo das Oszillatorsignal noch eine beträchtliche Anstiegs- und Abfallszeit aufweist; sie würde bei einer Stufe mit beinahe Rechteckwelle eine viel geringere Auswirkung auf das Tastverhältnis haben.
  • Auch ist zu bemerken, daß ein in das Gate des Transistors 54 eingeblendetes Analogsignal mit entsprechender Amplitude eine Oszillatorschaltungsausgabevom Puffer 57 bereitstellt, dessen Tastverhältnis entsprechend dem Analogsignal moduliert ist. Dieses Analogsignal weist eine Schwellwertveränderungswirkung gleich der der Vorspannungsverlagerungsschaltung 70 auf. So ist eine in VLSI-Technik herstellbare Oszillatorkleinschaltung beschrieben worden, die bei einem Tastverhältnis von annähernd 50% einen großen Frequenzbereich aufweist. Weiterhin kann das Tastverhältnis durch ein Analogsignal moduliert werden oder leicht für veränderliche Schaltschwellwerte für unterschiedliche Logikarten kompensiert werden.

Claims (8)

1. Elektronischer Oszillator mit einer ersten Verstärkungsstufe mit einem ersten MOS-Transistor (12), einer zweiten Verstärkungsstufe mit einem zweiten Transistor (16) und zwischen den Ausgang der zweiten Stufe und den Eingang der ersten Stufe geschalteten Rückkopplungsmitteln (22, 24, 28, 29, 26), dadurch gekennzeichnet, daß der erste MOS-Transistor die entgegengeßetzte Polarität zum zweiten Transistor aufweist, die erste Stufe als Quellenfolger geschaltet ist und die Steilheit des zweiten Transistors wesentlich größer als die des ersten Transistors ist.
2. Oszillator nach Anspruch 1, wobei der zweite Transistor eine CMOS-Vorrichtung ist, deren Körper und Quellenelektroden zusammengeschaltet sind, um den Substratvorspannungseffekt auszuschalten.
3. Oszillator nach Anspruch 1, wobei der zweite Transistor ein bipolarer Transistor auf demselben Chip wie der erste MOS-Transistor ist.
4. Oszillator nach Anspruch 1, 2 oder 3 mit einem an den Eingang des ersten MOS-Transistors angeschalteten Resonatorknotenpunkt (18) zur Verbindung mit einem Resonator zur Steuerung der Schwingungsfrequenz und mit mit dem Resonatorknotenpunkt verbundenen zweiseitig gerichteten Spannungsbegrenzungsmitteln (30) zur Bereitstellung von Wellenformsymmetrie an der zweiten Verstärkungsstufe.
5. Oszillator nach Anspruch 4 mit Pufferverstärkermitteln (53, 54), die an mindestens eine der Verstärkungsstufen kapazitiv angekoppelt sind, um einen Oszillatorschaltungsausgang bereitzustellen, und deren Nullsignal-Vorspannungspunkt im wesentlichen an ihrer Schwellspannung liegt, um die Wellenformsymmetrie am Oszillatorschaltungsausgang zu bewahren.
6. Oszillator nach Anspruch 5 mit an die Pufferverstärkermittel angeschaltetem Vorspannungsveränderungsmittel (70) zum Verändern der Pufferverstärkervorspannung zum entsprechenden Verändern des Tastverhältnisses der Oszillatorschaltungsausgabe.
7. Oszillator nach Anspruch 6, wobei das Vorspannungsveränderungsmittel zur gezielten Veränderung des Pufferverstärkers zum Kompensieren einer Veränderung des Tastverhältnisses (60, 63), die von einer Veränderung des gewünschten Triggerpegels am Oszillatorschaltungsausgang bewirkt wird, geeignet ist.
8. Oszillator nach einem der vorhergehenden Ansprüche mit einem an den Eingang der ersten Verstärkungsstufe angeschalteten Quarzresonator (26) und veränderlichen CMOS-Kapazitätsmitteln (28), die mit dem Quarzresonator verbunden sind, um einen spannungssteuerbaren Quarzoszillator zu bilden.
DE3853983T 1987-11-27 1988-11-25 Elektronischer Oszillator. Expired - Fee Related DE3853983T2 (de)

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US07/266,686 US4887053A (en) 1987-11-27 1988-11-07 High frequency VLSI oscillator

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Families Citing this family (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP3001284B2 (ja) * 1991-04-23 2000-01-24 日本電気株式会社 電圧制御発振システム
US5481228A (en) * 1993-10-15 1996-01-02 Hewlett-Packard Corporation Method and apparatus for controlling oscillator duty cycle
DE69426875T2 (de) * 1994-07-01 2001-06-21 St Microelectronics Srl Integrierter Crystal-Oszillator mit einem einzigen Anschluss
US5477197A (en) 1994-10-24 1995-12-19 At&T Corp. Voltage controlled oscillator with improved voltage versus frequency characteristic
US5534826A (en) * 1994-10-24 1996-07-09 At&T Corp. Oscillator with increased reliability start up
SE515783C2 (sv) * 1997-09-11 2001-10-08 Ericsson Telefon Ab L M Elektriska anordningar jämte förfarande för deras tillverkning

Family Cites Families (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US4152675A (en) * 1978-04-03 1979-05-01 Motorola, Inc. Crystal oscillator with adjustable duty cycle
CH640693B (fr) * 1980-07-21 Asulab Sa Circuit oscillateur c-mos.
US4400812A (en) * 1981-06-15 1983-08-23 Santa Barbara Research Center Laser drive circuits
US4388536A (en) * 1982-06-21 1983-06-14 General Electric Company Pulse generator for IC fabrication
JPS6020394A (ja) * 1983-07-14 1985-02-01 Ricoh Co Ltd 電源切換回路
US4527131A (en) * 1983-12-22 1985-07-02 Motorola, Inc. Oscillating circuit exhibiting tolerance to crystal impedance variations

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