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Die vorliegende Erfindung betrifft allgemein elektronische
Oszillatoren und im besonderen elektronische
Oszillatorschaltungen, die in Gate-Array Zellen gestaltet sind.
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Ein Taktsignal ist für viele Halbleiter-Chips, auf denen
digitale Logik durchgeführt wird, erforderlich. Eine
Oszillatorschaltung erzeugt eine Sinuswelle unter Verwendung einer
externen (außerhalb des Chips) Referenz, wie eines Quarzkristalls,
und wandelt sie in eine Rechteckwelle um. Diese Rechteckwelle
wird dann als ein Taktsignal für die Schaltkreise auf dem Chip
eingesetzt. Jedoch haben Oszillatorschaltungen gemäß dem Stand
der Technik den Nachteil prägnanter Signal/Rausch
Verschlechterung aufgrund der Rauscheinkopplung an den Stellen, an denen die
externe Referenz an dem Chip anliegt.
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In einer typischen Oszillatoranordnung sind die Leitungen eines
externen Kristalls über eine erste Verstärkerstufe in
Emitterschaltung angeschlossen. Diese Stufe bewirkt, daß zusammen mit
der Sinuswelle das eingekoppelte Rauschen bemerkenswert
verstärkt wird. In vielen Systemanwendungen ist das
Signal/Rausch-Verhältnis, das sich aus einer derartigen Rauschverstärkung
ergibt, unannehmbar. Es wurden Versuche unternommen, um dieses
Rauch-Einkopplungsproblem zu lösen. Aber solche Versuche
erschöpfen sich allgemein in dem Schaltverhältnis für die
Rauschunempfindlichkeit. Jedoch ist eine gute Rausch- und
Schaltverhältnis-Charakteristik kritisch für Taktgeberanwendungen beim
Hochgeschwindigkeitsrechnen.
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US-A 3529179 offenbart den Gebrauch eines Dioden-gekoppelten
Empfängerschaltkreises zur Unterdrückung von falschen
Rauschsignalen. Das Dokument "Crystal oscillator circuits" von J.R.
Matthys, John Wiley & Sons, New-York, 1983, Seiten 134 und 135
gibt den technologischen Stand der Technik von Oszillatoren, die
Quarzkristalle verwenden, wieder. Dieses Dokument beschreibt
einen Pierce-Oszillator ohne Serienwiderstand, der eine
Spannungsverstärkerstufe, die auf einem Transistor mit mittlerer
Verstärkung basiert, enthält.
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Die beanspruchte Erfindung ist besonders darauf gerichtet, eine
niedrige Rauschcharakteristik in Verbindung mit einer
fünfzigprozentigen Schaltverhältnis-Charakteristik zu erhalten.
Kurze Beschreibung der Zeichnung
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Die Figur ist ein schematisches Schaltungsdiagramm einer
bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
Detaillierte Beschreibung der bevorzugten Ausführungsform
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Die vorliegende Erfindung wird im Zusammenhang fit
Bipolartransistoren beschrieben und erklärt. Jedoch ist es für den Fachmann
klar, daß eine Vielfalt anderer Schaltelemente als Ersatz für
die Bipolartransistoren eingesetzt werden können. In Bezug auf
die Terminologie bezieht sich der stromempfangende Anschluß des
Transistors auf den Anschluß des Transistors, der Strom
aufnimmt, beispielsweise der Kollektor beim Bipolartransistor oder
der Drain beim Feldeffekttransistor. Ebenso bezieht sich der
stromabgebende Anschluß auf den Anschluß des Transistors, der
Strom abgibt, beispielsweise der Emitter beim Bipolartransistor
oder die Source beim Feldeffekttransistor.
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Bezugnehmend auf die Figur enthält die Erfindung in einem
Ausführungsbeispiel einen ersten Knoten 10, einen ersten Transistor
12, der mit seinem stromabgebenden Anschluß mit dem ersten
Knoten verbunden ist, und einen zweiten Transistor 14, der mit
seinem stromabgebenden Anschluß mit dem ersten Knoten verbunden
ist. Der Schaltkreis umfaßt weiterhin eine erste
Stromversorgungsleitung 16, einen ersten Widerstand 18, der zwischen der
ersten Stromversorgungsleitung 16 und dem stromempfangenden
Anschluß
23 des ersten Transistors 12 angeschlossen ist. Ein
zweiter Widerstand 20 ist zwischen der ersten
Stromversorgungsleitung 16 und dem stromempfangenden Anschluß 25 des zweiten
Transistors 14 angeschlossen. Eine Referenz, zum Beispiel ein
Quarzkristall mit geeigneter Lastkapazität, die von jedem der
Anschlüsse 23 und 25 gegenüber Massepotential bereitgestellt wird,
ist zwischen dem stromempfangenden Anschluß 23 und dem
Steuereingangsanschluß 22 des ersten Wransistors 12 angeschlossen. Ein
dritter Transistor 24 ist mit seinem stromempfangenden Anschluß
mit der ersten Stromversorgungsleitung 16 verbunden und mit
seinem Steuereingang mit dem stromempfangenden Anschluß 25 des
zweiten Transistors 14 verbunden. Ein vierter Transistor 26 Ist
mit seinem stromempfangenden Anschluß mit dem ersten Knoten 10
und mit seinem stromabgebenden Anschluß mit einer zweiten
Stromversorgungsleitung 28, die beispielsweise die Massespannung sein
kann, verbunden. Eine erste Konstantspannungsquelle wird zum
Vorspannen der Steuerleitung des vierten Transistors 26
bereitgestellt. In der Ausführungsform, welche die Figur zeigt, umfaßt
die erste Konstantspannungsquelle eine Diode 30 (einen
Transistor, dessen Kollektor und Basis kurzgeschlossen sind) und
Widerstände 32 und 34, die in Reihe zwischen der ersten
Stromversorgungsleitung 16 und der Anode der Diode 30 geschalten sind.
Der Spannungsabfall über der Diode 30 stellt eine
Konstantspannung auf der Steuerleitung des vierten Transistors 26 zur
Verfügung.
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Man sieht, daß der erste und zweite Transistor 12 und 14 wie die
Schalttransistoren für einen Stromschalter verbunden sind. Der
vierte Transistor 26 arbeitet als eine Stromquelle für den
Stromschalter. Der erste Transistor 12 ist mit seiner
Steuerleitung über einen Widerstand 36 mit einer ersten
Referenzspannungsleitung 38 verbunden. Ebenso ist der zweite Transistor 14
mit seiner Steuerleitung über einen Widerstand 40 mit der ersten
Referenzspannungsleitung 38 verbunden. Die Transistoren 12 und
14 und die Lastwiderstände 18 und 20 sind spezifisch ausgewählt,
um den stromschaltenden Schaltkreis mit einer sehr niedrigen
Spannungsverstärkung in der Größenordnung von 10 am Anschluß 23
zu versorgen. Besonders werden die Spannungsverstärkungen
zwischen den Anschlüssen 22 und 23 und zwischen den Anschlüssen 22
und 25 auf einem niedrigen Niveau gehalten. Dieses Niveau ist
gerade ausreichend um eine Oszillation zu sichern, so daß die
Amplitude der beim Anschluß 22 erzeugten Sinuswelle groß genug
ist, um eine geeignete Rechteckwelle am Anschluß 25
herzustellen, während die Verstärkung jeglichen eingekoppelten Rauschens
am Anschluß 22 oder Anschluß 23 minimiert wird.
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Weiterhin umfaßt der Schaltkreis einen zweiten Knoten 42 und
einen fünften Transistor 44, der mit seinem stromempfangenden
Anschluß mit dem zweiten Knotenpunkt 42 verbunden ist und mit
seinem stromabgebenden Anschluß mit der zweiten
Stromversorgungsleitung 28 verbunden ist. Eine zweite
Konstantspannungsquelle steht zum Vorspannen der Steuerleitung des fünften
Transistors 44 zur Verfügung. In der Ausführungsform, die in der
Figur gezeigt wird, umfaßt die zweite Konstantspannungsquelle
eine Diode 46 (einen Transistor, dessen Kollektor und Basis
kurzgeschlossen sind) und einen Widerstand 48. Die Diode 46 ist
mit ihrer Katode mit der zweiten Stromversorgungsleitung 28
verbunden und mit ihrer Anode mit einem Ende des Widerstandes 48
verbunden. Das anderer Ende des Widerstands 48 ist mit der
Stromversorgungsleitung 16 verbunden. Der konstante
Spannungsabfall über der Diode 46 stellt eine Konstantspannung zum
Vorspannen der Steuerleitung für Transistor 44 bereit.
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Ein dritter Widerstand 50 ist zwischen dem stromabgebenden
Anschluß des dritten Transistors 24 und dem zweiten Knoten 42
angeordnet. Eine erste Diode 52 wird so angeordnet, daß ihre
Katode mit dem zweiten Knotenpunkt 42 verbunden ist. Ein sechster
Transistor 54 wird so angeordnet, daß seine Steuerleitung mit
der Anode der ersten Diode verbunden ist. Eine zweite
Referenzspannungsleitung 56 wird mit einer Spannung, die unterschiedlich
von den Spannungen der ersten und zweiten
Stromversorgungsleitung und der ersten Referenzspannungsleitung ist,
bereitgestellt. Ein Spannungsquellentransistor 58 wird so angeordnet,
daß er mit seiner Steuerleitung mit der zweiten
Referenzspannungsleitung
und mit seinem stromempfangenden Anschluß mit der
Stromversorgungsleitung 16 verbunden ist. Ein erstes
Widerstandsnetzwerk wird so angeordnet, daß ein Strom vom
Spannungsquellentransistor 58 zum stromempfangenden Anschluß des sechsten
Transistors 54 und zu der Anode der ersten Diode 52
bereitgestellt wird. In der Ausführungsform, die in der Figur gezeigt
wird, umfaßt dieses erste Widerstandsnetzwerk einen Widerstand
60, der den stromabgebenden Anschluß des Transistors 58 mit der
Anode der ersten Diode 52 verbindet und einen Widerstand 62, der
den stromabgebenden Anschluß des Transistors 58 mit dem
stromempfangenden Anschluß des Transistors 54 verbindet.
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Der Schaltkreis umfaßt weiterhin einen dritten Knoten 64 und
eine zweite Diode 66, die mit ihrer Katode mit dem dritten
Knoten 64 verbunden ist und mit ihrer Anode mit dem stromabgebenden
Anschluß des Transistors 54 verbunden ist. Ein vierter
Widerstand 68 ist zwischen dem dritten Knotenpunkt 64 und der zweiten
Referenzspannungsleitung 28 geschaltet. Ein siebter Transistor
70 wird so angeordnet, daß er mit seiner Steuerleitung mit dem
dritten Knoten 64 verbunden ist und mit seinem stromabgebendem
Anschluß mit der zweiten Referenzspannungsleitung 28 verbunden
ist. Ein achter Transistor 72 wird so angeordnet, daß er mit
seiner Steuerleitung mit dem stromempfangenden Anschluß des
siebten Transistors 70 verbunden ist und mit seinem
stromabgebenden Anschluß mit der zweiten Stromversorgungsleitung 28
verbunden ist. Der Ausgangsanschluß 84 des Oszillators ist mit dem
stromempfangenden Anschluß des Transistors 72 verbunden. Eine
dritte Referenzspannungsleitung 74 wird bereitgestellt, um
jeweils den siebten und achten Transistor 70 und 72 mit einer
Spannung, die unterschiedlich zur ersten und zweiten
Stromversorgungsleitung und zur zweiten Referenzspannungsleitung ist, zu
versorgen. Ein zweites Widerstandsnetzwerk ist enthalten, um
Strom von der dritten Referenzspannungsleitung 74 zu den
stromempfangenden Anschlüssen des siebten Transistors 70 und des
achten Transistors 72 bereitzustellen. In der Ausführungsform, die
in der Figur gezeigt wird, umfaßt dieses dritte
Widerstandsnetzwerk die Widerstände 76, 78 und 80, die in Reihe geschaltet
sind, wobei sie mit einem Ende der Reihenschaltung mit der
dritten Referenzspannungsleitung 74 verbunden sind und mit dem
anderen Ende der Reihenschaltung mit dem stromempfangenden Anschluß
des siebten Transistors 70 verbunden sind. Das zweite
Widerstandsnetzwerk enthält weiterhin einen Widerstand 82, der
zwischen der dritten Referenzspannungsleitung 74 und dem
stromempfangenden Anschluß des achten Transistors 72 geschaltet ist.
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In einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung
sind die erste und die zweite Referenzspannungsleitung auf dem
gleichen Spannungsniveau. Zusätzlich können die Dioden 52 und 66
als Dioden mit Schottky-Übergängen geeignet ausgeführt werden.
Zusätzlich ist es für viele Anwendungen wünschenswert eine Diode
wie eine Schottky Diode über die Basis- und Kollektor-Anschlüsse
aller Transistoren zu legen, um die Transistorsättigung zu
vermeiden.
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Man sieht, daß die Transistoren 24, 44, die Widerstände 50 und
48 und die Diode 46 als ein Pegel verstellender und Schwellwert
justierender Schaltkreis für die Rechteckwelle, die vom Anschluß
25 erhalten wird, arbeiten. Insbesondere ist die Wellenform am
zweiten Knoten 42 eine nahezu rechteckige Trapezfunktion, deren
Mittelpunkt so justiert werden kann, daß er mit einer
gewünschten Schellwertspannung durch Anpassung des Wertes des dritten
Widerstands 50 koinzidiert. Der Spannungsabfall über dem dritten
Widerstand 50 regelt die Spannung am zweiten Knoten 42. Im
wesentlichen folgt die Spannung am Knotenpunkt 42 der Spannung am
stromabgebenden Anschluß des dritten Transistors 24, mit einem
durch den Abfall über dem Widerstand 50 vorgeschriebenen
dazwischen liegenden Spannungsabfall. Diese Widerstandsanpassung kann
genutzt werden, um Unsymmetrien im Schaltverhältnis
nachfolgender Schaltkreise, die an den Oszillator angeschlossen sind (so
wie ein Ausgangstreiber), zu kompensieren, so daß das gesamte
Schaltverhältnis mit ungefähr 50% bestehen bleibt.
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Es ist anzumerken, daß die Schaltungsanordnung auf der rechten
Seite vom Knoten 42 einem Dioden-gekoppelten Empfänger mit einem
direkt-gekoppelten Inverter an seinem Ausgang sehr ähnelt.
Dieser Schaltkreis ist tätig, um die Spannung am zweiten
Knotenpunkt 42 auf die Pegel, die durch die internen Schaltkreise des
Logik-Gate-Arrays gefordert sind, umzuwandeln. Es ist
anzumerken, daß die Rauschunempfindlichkeit für den gesamten
Schaltkreis durch diesen empfangstypischen Ausgang erhöht ist, weil
nur das Rauschen, das während schneller Umformung im
Schwellwertbereich erscheint, sich bis-zum Ausgang des Schaltkreises
ausbreiten kann. Diese verbesserte Rauschunterdrückung kann wie
folgt verstanden werden. Wenn der Ausgangsanschluß entweder auf
einer hohen oder einer niedrigen Spannung ist, dann
wird-irgendein Rauschen, das am Anschluß 25 vorhanden ist, nicht in der
Lage sein, diesen Pegel der Ausgangsspannung umzuschalten. Es
ist nur in dem Punkt möglich, wo das Spannungsniveau des zweiten
Knotens 42 gerade hoch genug ist, um die Vorspannung der Diode
52 umzukehren und den Schalttransistor 54 einzuschalten, daß
irgend ein Rauschen, das am Anschluß 25 vorhanden ist, eine
Wirkung auf das Ein- oder Ausschalten des Transistors 54 haben
kann. Jedoch ist wiederholt zu vermerken, daß die Amplitude
irgendeines Rauschens, das am Anschluß 25 vorhanden ist, aufgrund
der niedrigen Verstärkung des stromschaltenden Schaltkreises
niedrig sein wird.
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Der Dioden-gekoppelte Empfänger arbeitet folgendermaßen. Wenn
der zweite Knoten 42 auf niedriger Spannung liegt, dann ist die
Diode 52 in Durchlaßrichtung vorgespannt und der Strom fließt
von der Konstantspannungsquelle über Transistor 58 durch den
Widerstand 60, durch die Diode 52 und durch den fünften
Transistor 44 zum Referenzpotential 28. Es fließt kein Strom
durch den Widerstand 60 zum Steuereingang des Transistors 54.
Die niedrige Spannung an der Katode der Diode 52 ist mit der
Steuerleitung des Transistors 54 gekoppelt und hält den
Transistor im Sperrzustand. Mit dem sechsten Transistor 54 im
Sperrzustand bleibt die Spannung am dritten Knoten 64 niedrig und der
siebte Transistor 70, dessen Steuerleitung mit dem dritten
Knoten 64 verbunden ist, ist in Sperrichtung vorgespannt. Der
stromempfangende Anschluß 71 des siebten Transistors 70 ist
infolgedessen auf einem hohen Potential, so daß der achte
Transistor 72, dessen Steuerleitung mit dem Anschluß verbunden ist, in
Durchlaßrichtung vorgespannt ist. Der Transistor 72 zieht
deshalb einen Strom durch den Widerstand 82, was einen
Spannungsabfall oder eine niedrige Spannung am Ausgangsanschluß 84
ergibt.
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Wenn der zweite Knoten 42 auf eine hohe Spannung steigt, wird
die Diode 52 in Sperrichtung vorgespannt. Folglich wird der
Strom, der durch den Widerstand 60 gezogen wird, auf den
Steuereingang des sechsten Transistors 54 wirken und die Spannung am
Steuereingang wird ansteigen, so daß der Transistor 54 zu leiten
beginnt. Der Strom, der durch den Transistor 54 fließt, fließt
durch den Widerstand 68 und verursacht darüber einen
Spannungsabfall, wodurch die Spannung am dritten Knoten 64 ansteigt.
Dieser Spannungsanstieg in Kombination mit dem Stromfluß in der
Steuerleitung des siebten Transistors 70 schaltet diesen
Transistor auf Durchlaß. Transistor 70 zieht infolgedessen Strom durch
die Widerstände 76, 78 und 80, womit sich ein Spannungsabfall am
Knoten 71 ergibt. Dieser Spannungsabfall am Knoten 71 ist
ausreichend, um den achten Transistor 72 im Sperrzustand
vorzuspannen. Wenn kein Strom durch den Widerstand 82 fließt, wächst die
Spannung am Ausgangsanschluß 84 auf ein hohes Niveau an.
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Es ist anzumerken, daß der Gebrauch einer
Konstantspannungsquelle 58, die mit der Referenzspannungsleitung 56 verbunden ist,
erlaubt, die Widerstände 60 und 62 mit einer niedrigeren
Spannung, als die der Stromversorgungsleitung 16, zu verbinden. Wenn
die Widerstände 60 und 62 direkt mit der Versorgungsleitung 16
verbunden wären, müßten sie größer sein, um den gleichen Strom
dem sechsten Transistor 54 zur Verfügung zu stellen. Jedoch
würden diese größeren Widerstände in Kombination mit den
Kapazitäten der Steuerleitungs- und der stromempfangenden Anschlüsse des
Transistors 54 eine größere RC-Zeitkonstante bewirken, die einen
langsameren Schaltvorgang des Schaltkreises ergeben würde.
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Die vorliegende Oszillatorschaltung stellt eine Rechteckwelle
Schaltkreis kennzeichnet
eine doppelte Rauschunempfindlichkeit
durch Verbinden einer externen Referenz über einen niedrig
verstärkenden Stromschalter und durch Gebrauchen eines
Dioden-gekoppelten Empfängerschaltkreises, der nur durch Rauschen während
der schnellen Übergänge im Schwellwertbereich der Rechteckwelle
beeinflußt wird. Den Schaltkreis kennzeichnet weiterhin ein
Schwellwertschaltkreis zur Anpassung der Spannung des Signals
der Rechteckwelle und Anlegen der angepaßten Signalspannung an
den Eingang des Dioden-gekoppelten Empfängers. Schließlich
beseitigt dieser Schaltkreis das Erfordernis einer ersten
Verstärkerstufe in Emmitterschaltung mit den damit verbundenen
Rauschverstärkungsproblemen.