DE4011795A1 - Quarzoszillatorschaltung - Google Patents
QuarzoszillatorschaltungInfo
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Classifications
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Landscapes
- Oscillators With Electromechanical Resonators (AREA)
Description
Die Erfindung betrifft eine Quarzoszillatorschaltung
gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
Quarzoszillatorschaltungen in integrierter MOS-Technologie
werden üblicherweise mittels rückgekoppelter
Inverter realisiert. Bei einer derartigen Schaltung - wie
sie beispielhaft in Fig. 1 dargestellt ist - muß
lediglich der Inverter - Verstärker V und Widerstand R -
integriert werden; der Anwender kann die Kondensatoren
C₁ und C₂ passend zum jeweiligen Quarz Q an den beiden
Anschlußpins P₁ und P₂ extern anschließen. Neben der
Unempfindlichkeit gegenüber Bauelemente-, Quarz- oder
Betriebsspannungs-Schwankungen besitzt die Schaltung
einen verhältnismäßig niedrigen Stromverbrauch (tpyischer
weise 400 µA).
In der Halbleiter-Technik besteht die Tendenz, immer
komplexere Systeme in einem Schaltkreis zu integrieren.
Da die Gehäuse der integrierten Schaltkreise oder ICs
jedoch nur eine bestimmte vorgegebene Gesamtzahl an
externen Anschlußpins aufweisen, ist bei fortschreitender
Integration die Reduzierung der für die einzelnen
Schaltungsteile benötigten Anschlußpins dringend erfor
derlich; die Verringerung der Zahl der Anschlußpins
bedeutet eine Erhöhung der Zuverlässigkeit und eine Ver
ringerung des Flächen-/Platzbedarfs.
Bekannte Quarzoszillatorschaltungen mit nur einem
Anschlußpin, der den Quarz in Parallelresonanz betreiben,
sind nicht sehr schwingungsstabil und empfindlich
gegenüber Bauelementetoleranzen und somit auch nicht
sonderlich zuverlässig.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine
Quarzoszillatorschaltung gemäß dem Oberbegriff des
Anspruchs 1 anzugeben, die nur einen externen Anschlußpin
aufweist und die dennoch die Vorteile der
Quarzoszillatorschaltung mit zwei externen Anschlußpins
besitzt.
Dies wird erfindungsgemäß durch die Merkmale des kenn
zeichnenden Teils des Anspruchs 1 erreicht.
Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich
aus den Unteransprüchen.
Mit der erfindungsgemäßen Ausbildung der
Quarzoszillatorschaltung lassen sich sehr stabile
Betriebsbedingungen erzielen:
- - Da die Schaltung den Schwingquarz in Serien resonanz betreibt - was wesentlich vorteilhafter als der Betrieb in Parallelresonanz ist - kann eine große Schwingfrequenzstabilität und Toleranzunempfindlichkeit erreicht werden.
- - Das Verhältnis der Quarz-Impedanz zur Steilheit des ersten Verstärkertransistors, der Eingangswiderstand und die Verstärkung der zweiten Verstärkerstufe werden so gewählt, daß die Gesamt verstärkung der Quarzoszillatorschaltung bei der Resonanzfrequenz größer als 1 und abseits der Resonanzfrequenz kleiner als 1 wird.
- - Die Schaltung ist ohne Quarz nicht schwingungs fähig, so daß bei der Auslegung bzw. Dimensionierung der Schaltung keine kritischen Parameter gewählt werden müssen.
- - Die Schaltung ist unempfindlich gegenüber Quarz toleranzen; auch muß die Schaltung für den Betrieb mit einer anderen Quarzfrequenz nicht geändert werden.
- - Die Schaltung kann so dimensioniert und ausgelegt werden, daß der Stromverbrauch nicht größer als bei einer Standard-Quarzoszillatorschaltung mit zwei Anschlußpins ist.
- - Wegen der Kopplung der beiden Verstärkerstufen ist die Einstellung der Gleichspannungs-/ Wechselspannungs-Pegel eindeutig; es werden sowohl die Wechselspannungsbedingungen erfüllt, als auch die Arbeitspunkte der Verstärkungs-Transistoren eindeutig festgelegt, d. h. die Gleich spannungspegel eindeutig definiert.
Die erfindungsgemäße Schaltung sowie deren Wirkungs
weise soll nachstehend anhand der Fig. 2 und 3 näher
erläutert werden.
Dabei zeigt die Fig. 2 das Prinzipschaltbild der
erfindungsgemäßen Schaltung, die Fig. 3 ein Ausführungs
beispiel.
Die Quarzoszillatorschaltung der Fig. 2 ist aus den
beiden Verstärkerstufen 1 und 2 sowie dem
Rückkopplungskondensator CG aufgebaut; der Quarz Q wird
am - einzigen - externen Anschlußpin P angeschlossen.
Die Verstärkerstufe 1 - Transistor T₁, Widerstände R₂,
RG und Kondensator CS - dient zur Verstärkung und
Resonanzüberhöhung; d. h. eine effektive Verstärkung der
Eingangs-Gate-Spannung findet nur bei der (Serien-)
Resonanz des Quarzes Q statt. Die Dimensionierung der
Verstärkerstufe 1 wird dabei derart vorgenommen, daß
der Resonanzüberhöhungseffekt groß bzw. deutlich wird.
Die Verstärkerstufe 2 - Transistoren T₂ und T₃ sowie
Widerstand R₁ - bildet einen Inverter mit definierter
Verstärkung.
Um eine sichere Funktionsweise der Quarzoszillator
schaltung zu gewährleisten, muß die Gesamtverstärkung
der Oszillatorschaltung - die sich aus dem Produkt der
Verstärkungen der beiden Verstärkerstufen 1 und 2
ergibt - bei der Resonanzfrequenz deutlich größer als 1
und außerhalb der Resonanzfrequenz deutlich kleiner
als 1 werden.
Gemäß Fig. 3 enthält die Verstärkerstufe 1 den ersten
Verstärker-Tansistor T₁, die beiden Stromquellen S₁
und S₂, die Widerstände RV und RG, den am Anschlußpin P
angeschlossenen Quarz Q und fakultativ die beiden
Kondensatoren CS und CV. Die Stromquelle S₁, die zur
Arbeitspunkteinstellung von T₁ dient, muß eine hohe
Güte besitzen, so daß zwei Stromquellen - gebildet
jeweils aus den als Stromspiegel geschalteten P-MOS-
Transistoren T₄ und T₅ bzw. T₆ und T₇ - in Serie geschaltet
werden.
Die Stromquelle S₂ - ebenfalls zur Gleichspannungsver
sorgung des Transistors T₁ - wird aus den beiden N-MOS-
Transistoren T₈ und T₉ gebildet.
Der Gegenkopplungswiderstand RG im Rückkopplungszweig
des Transistors T₁ sollte sehr hochohmig sein, damit
der Eingangswiderstand des Transistors T₁ groß wird und
gleichzeitig der Rückkopplungs-Kondensator CG, durch
den eine Gleichspannungsabtrennung erreicht wird, klein
gemacht werden kann.
Der Vorwiderstand RV legt den Strom I₀ und damit den
Strom I₁, fest.
Der Kondensator CS verhindert, daß der Verstärker bei
hohen Frequenzen anschwingt, indem dieser unter Ausnutzung
der Parallelkapazität des Quarzes eine
Verstärkungsüberhöhung bildet.
Der (externe) Kondensator CV dient zum genauen Abgleich
bzw. zum exakten Einstellen der Schwingfrequenz des
Quarzes Q.
Die Verstärkerstufe 2 besteht aus den beiden Verstärker-
Transistoren T₂ und T₃ sowie aus dem Widerstand R₁;
dieser Widerstand R₁ wird durch die beiden kreuzgekoppelten
komplementären Transistoren T₁₀ und T₁₁ gebildet,
so daß Bauelemente- und Temperatur-Toleranzen
durch dieses sogenannte Transmission-Gate (T-Gate) aus
geglichen werden können. Eine Spannungsverstärkung
durch die Verstärkerstufe 2 erfolgt somit unabhängig
von Bauelementeeigenschaften bzw. -toleranzen.
Der N-MOS-Transistor T₂ und der P-MOS-Transistor T₃
sind über ihre gemeinsam verbundene Gate-Elektrode an
die erste Verstärkerstufe 1 (Knotenpunkt K₁) ange
schlossen; an diesem Knotenpunkt K₁ liegt auch ein
Anschluß des Widerstandes R₁ sowie die Drain-Elektrode des
Transistors T₁. Mit dem anderen Anschluß des Wider
stands R₁ ist die Drain-Elektrode des Transistors T₂
sowie die Source-Elektrode des Transistors T₃ verbunden.
Die Drain-Elektrode des Transistor T₃ ist an die
Versorgungsspannung UB, die Source-Elektrode des
Transistors T₂ an Bezugspotential angeschlossen.
Durch die Kopplung der beiden Verstärkerstufen 1 und 2
werden bei der Zusammenschaltung die Arbeitspunkte der
Transistoren T₁, T₂ und T₃ eindeutig definiert, wobei
die Verstärkerstufe 2 die Arbeitspunkte der Verstärker
stufe 1 festlegt. Trotz Gleichstromkopplung der beiden
Verstärkerstufen 1 und 2 nimmt die Verstärkerstufe 1
als keinen Einfluß auf die Verstärkerstufe 2; die
Drain-Spannung am Transistor T₁ wird ausschließlich
durch die Drain-Spannung der Transistoren T₂ und T₃
bestimmt.
Die Gesamtverstärkung der Verstärkerschaltung Vges läßt
sich als Produkt der beiden Verstärkungen V₁ und V₂ der
Verstärkerstufen 1 und 2 berechnen:
- - Die Verstärkung V₁ der Verstärkerstufe 1 (des
Transistors T₁) ergibt sich bei einem großen
Gegenkopplungswiderstand RG (RG gegen unendlich)
zu:
Dabei ist RL der Lastwiderstand - in diesem Fall
der Eingangswiderstand der zweiten Verstärkerstufe
2 - und RS der dynamische Source-Widerstand des
Transistors T₁; S ist die Steilheit des Transistors T₁.
Der Widerstand RS wird vom Quarz Q gebildet, dessen Widerstand (Impedanz Z) in Serienresonanz ein Minimum durchläuft; wenn die Steilheit S des Transistors T₁ - die vom Verhältnis der Kanalweite W zur Kanallänge L abhängt - groß gegenüber der maximalen Admittanz (1/Z) des Quarzes Q gewählt wird, kann eine deutliche Verstärkungsüberhöhung bei der Serienresonanzfrequenz des Schwingquarzes erzielt werden. - - Bei der Berechnung der Verstärkung V₂ der zweiten
Verstärkerstufe 2 wird vorausgesetzt, daß die
Steilheit des Transistors T₃ gleich derjenigen des
Transistors T₂ ist; dann ist deren Gate-Spannung
gleich der Drain-Spannung gleich der halben
Betriebsspannung 1/2 UB. Da die Transistoren T₂ und
T₃ im Sättigungsbereich arbeiten, ist der Drain
strom ID von T₂ durch folgende Beziehung gegeben:
ID=k₂×(UGS-Uth)² (2)Dabei ist Uth die Schwellspannung, UGS die Gate-
Source-Spannung des Transistors T₂; k₂ ist ein
Proportionalitätsfaktor, der die Einflüsse der
Gateoxiddicke, der Beweglichkeit der Elektronen und
der Geometrie des Transistors T₂ umfaßt.
Damit ergibt sich die Verstärkung der zweiten Ver stärkerstufe 2 zu:
Die Gesamtverstärkung Vges der Schaltungsanordnung läßt
sich dann folgendermaßen angeben:
Hierbei wurde die Steilheit S des Transistors T₁ in
Analogie zur Gleichung (2) durch S=(k₁×I₁)1/2
ersetzt; der Widerstand R₂ ist in der Endformel Gleichung
(4) nicht mehr enthalten.
Wenn die Gesamtverstärkung Vges gemäß Gleichung (4) bei
einer Frequenz größer als 1 ist, wird die Schaltung mit
dieser Frequenz anschwingen; ist die Gesamtverstärkung
Vges kleiner als 1, findet keine Oszillation statt.
Wegen des Minimums der Impedanz Z des Quarzes bei der
Serienresonanzfrequenz fres kann also eine Schwingung
hervorgerufen werden. Abseits der Serien
resonanzfrequenz bestimmt die Parallelkapazität des
Schwingquarzes die Verstärkung; man muß also dafür
Sorge tragen, daß die Verstärkung außerhalb der Grund
wellen-Serienresonanzfrequenz immer kleiner als 1 ist,
gegebenenfalls die Bandbreite der Anordnung durch Ein
führen eines Kondensators (CS) einschränken.
Bei einem Ausführungsbeispiel fließt bei einer
Batteriespannung UB von 5 V ein Strom I₁ bzw. I₂ von
jeweils 200 µA in den Verstärkerstufen 1 und 2; dies
bedeutet eine - sehr niedrige - Gesamtstromaufnahme der
Quarzoszillatorschaltung von Iges=400 µA (analog zur
Standard-Quarzoszillatorschaltung mit zwei externen
Anschlußpins).
Der Quarz Q besitzt eine Schwingfrequenz von 4 MHz; die
minimale Impedanz Zmin abseits der Serienresonanz
frequenz beträgt im Frequenzbereich bis 10 MHz ca. 1,5 kΩ,
im Resonanzfall ergibt sich eine Impedanz Zres von ca.
100 Ω. Damit die Bedingung Vges (f=fres)<1 und Vges
(f#fres)<1 deutlich bei jeder Bauelementetoleranz
erfüllt wird, sollte nach Gleichung (4) der Term
(k₁×I₁)-1/2<200 Ω gewählt werden. Dies bedeutet bei
einem Wert von I₁=200 µA einen Wert für k₁ von
0,125 A×V-2; hierfür muß beim Transistor T₁ ein W/L-
Verhältnis von ca. 1000, beispielsweise 3000 µm : 3 µm
vorliegen.
Bei einem Wert von I₂=200 µA (dies ist der Drain-
Strom durch den Transistor T₃) ergibt sich beispiels
weise für k₂ ein Wert von 70 µA×V-2; die beiden
Transistoren T₂ und T₃ besitzen damit beispielsweise ein
W/L-Verhältnis von 10 : 3 bzw. 20 : 3.
Wählt man R₂=0 und R₁=6 kΩ, beträgt die Gesamtver
stärkung im Resonanzfall Vges=3; abseits der
Serienresonanzfrequenz besitzt sie maximal den Wert
Vges=0,6.
Einsetzen läßt sich die erfindungsgemäße
Quarzoszillatorschaltung in komplexen integrierten
Schaltkreisen, beispielsweise als Taktoszillator in
Digitalschaltungen.
Claims (10)
1. Quarzoszillatorschaltung in integrierter
MOS-Technologie, mit zwei Verstärkerstufen (1, 2) und
einem externen Anschlußpin (P), an dem der Schwingquarz
(Q) angeschlossen ist, dadurch gekennzeichnet, daß die
beiden Verstärkerstufen (1, 2) über einen Rückkopplungs-
Kondensator (CG) zu einem Ring zusammengeschaltet
sind, daß die erste Verstärkerstufe (1) mit der Ver
stärkung V₁ einen ersten MOS-Verstärkertransistor (T₁)
enthält, der den in Serienresonanz betriebenen Quarz
(Q) als Source-Impedanz aufweist, und daß die zweite
Verstärkerstufe (2) mit der Verstärkung V₂ mit einem
zweiten und dritten MOS-Verstärkertransistor (T₂, T₃)
als rückgekoppelter Inverter aufgebaut ist.
2. Quarzoszillatorschaltung nach Anspruch 1, dadurch
gekennzeichnet, daß die Verstärkung V₁ der ersten Ver
stärkerstufe (1) und die Verstärkung V₂ der zweiten
Verstärkerstufe (2) durch die Schaltung derart vorgegeben
werden, daß die Gesamtverstärkung (Vges) des aufge
trennten Verstärkerrings, die durch das Produkt der
Verstärkungen (V₁×V₂) der beiden Verstärkerstufen (1,
2) gegeben ist, bei der Serienresonanzfrequenz (fres)
des Quarzes (Q) größer als 1 und abseits der
Serienresonanzfrequenz kleiner als 1 ist.
3. Quarzoszillatorschaltung nach Anspruch 2, dadurch
gekennzeichnet, daß die Verstärkung V₁ der ersten Ver
stärkerstufe (1) vom Verhältnis der Steilheit (S) des
ersten MOS-Verstärkertransistors (T₁) zur Impedanz (Z)
des Quarzes (Q) sowie vom Eingangswiderstand der zweiten
Verstärkerstufe (2) abhängt, wobei die Steilheit
(S) des ersten Verstärkertransistors (T₁) durch dessen
Verhältnis von Kanalweite (W) zu Kanallänge (L)
bestimmt wird.
4. Quarzoszillatorschaltung nach Anspruch 3, dadurch
gekennzeichnet, daß das Verhältnis Kanalweite (W) zu
Kanallänge (L) des ersten Verstärkertransistors (T₁)
größer als 100 ist.
5. Schaltung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekenn
zeichnet, daß die Transistoren (T₂, T₃) der zweiten
Verstärkerstufe (2) mittels eines Widerstands (R₁)
resistiv rückgekoppelt sind.
6. Schaltung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet,
daß der Gegenkopplungswiderstand (R₁) derart durch zwei
kreuzgekoppelte komplementäre MOS-Transistoren
(T₁₀, T₁₁) gebildet wird, deren Gate-Elektrode an die
Betriebsspannung (UB) bzw. an Bezugspotential
angeschlossen ist, daß dadurch die Verstärkung (V₂) der
zweiten Verstärkerstufe (2) hinsichtlich Temperatur-,
Betriebsspannungs- und Transistortoleranzen stabili
siert wird.
7. Schaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch
gekennzeichnet, daß die beiden Verstärkerstufen (1, 2)
an einem gemeinsamen Knotenpunkt (K₁), der die Drain-
Elektrode des ersten Verstärkertransistors (T₁) und die
Gate-Elektrode des zweiten und dritten Verstärker
transistors (T₂, T₃) verbindet, zusammengeschaltet sind.
8. Schaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch
gekennzeichnet, daß durch Einspeisen des gleichen
Stromes (I₁) in die Drain- und Source-Leitung des ersten
Verstärkertransistors (T₁) eine Gleichspannungskopplung
beider Verstärkerstufen (1, 2) erreicht wird, und daß
durch die Gleichspannungskopplung die Drain-Spannung
des ersten Verstärkertransistors (T₁) festgelegt wird.
9. Schaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch
gekennzeichnet, daß die erste Verstärkerstufe (1) neben
dem ersten Verstärkertransistor (T₁) zwei Stromquellen
(S₁, S₂), einen Vorwiderstand (RV), einen Gegen
kopplungswiderstand (RG) sowie einen Kondensator (CS) ent
hält.
10. Schaltung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet,
daß die erste Stromquelle (S₁) der ersten Verstärker
stufe (1) aus zwei in Serie geschalteten
P-MOS-Transistorpaaren (T₄, T₅ bzw. T₆, T₇) und die
zweite Stromquelle aus einem N-MOS-Transistorpaar (T₈,
T₉) besteht, wobei die Transistorpaare jeweils als
Stromspiegel geschaltet sind, daß der Gegenkopplungs
widerstand (RG) im Gegenkopplungszweig des ersten Ver
stärkertransistors (T₁) angeordnet ist, daß der Vor
widerstand (RV) zwischen den beiden Stromquellen (S₁, S₂)
geschaltet ist, und daß der Kondensator (CS) am Knoten
punkt (K₁) gegen Bezugspotential angeschlossen ist.
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8181 | Inventor (new situation) |
Free format text: SAPOTTA, HANS, DR., 7100 HEILBRONN, DE SCHILPP, HARALD, 74336 BRACKENHEIM, DE |
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D2 | Grant after examination | ||
8364 | No opposition during term of opposition | ||
8327 | Change in the person/name/address of the patent owner |
Owner name: TEMIC SEMICONDUCTOR GMBH, 74072 HEILBRONN, DE |
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8327 | Change in the person/name/address of the patent owner |
Owner name: ATMEL GERMANY GMBH, 74072 HEILBRONN, DE |
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8339 | Ceased/non-payment of the annual fee |