DE4011795C2 - Quarzoszillatorschaltung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Quarzoszillatorschaltung gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Eine derartige Schaltung ist aus der US 41 22 414 bekannt.

Quarzoszillatorschaltungen in integrierter MOS-Technologie werden üblicherweise mittels rückgekoppelter Inverter realisiert. Hierbei muß (siehe Fig. 1) 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 (tpyischerweise 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.

Quarzoszillatorschaltungen mit nur einem Anschlußpin, die den Quarz in Parallelresonanz betreiben, sind nicht sehr schwingungsstabil und empfindlich gegenüber Bauelementetoleranzen und somit auch nicht sonderlich zuverlässig.

In der US 4 710 730 wird eine Oszillatorschaltung beschrieben, bei der der CMOS-Oszillator durch einen einzigen, in sich selbst rückgekoppelten, MOS-Transistor realisiert ist.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Quarzoszillatorschaltung gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 anzugeben, die vorteilhafte Eigenschaften aufweist - insbesondere ein sicheres Anschwingverhalten bei allen während des Produktionsprozesses auftretenden Quarztoleranzen.

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 Serienresonanz 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 Gesamtverstärkung 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 C_G aufgebaut; der Quarz Q wird am - einzigen - externen Anschlußpin P angeschlossen.

Die Verstärkerstufe 1 - Transistor T₁, Widerstände R₂, R_G und Kondensator C_S - 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 R_V und R_G, den am Anschlußpin P angeschlossenen Quarz Q und fakultativ die beiden Kondensatoren C_S und C_V. 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 R_G im Rückkopplungszweig des Transistors T₁ sollte sehr hochohmig sein, damit der Eingangswiderstand des Transistors T₁ groß wird und gleichzeitig der Rückkopplungs-Kondensator C_G, durch den eine Gleichspannungsabtrennung erreicht wird, klein gemacht werden kann.

Der Vorwiderstand R_V legt den Strom I₀ und damit den Strom I₁, fest.

Der Kondensator C_S verhindert, daß der Verstärker bei hohen Frequenzen anschwingt, indem dieser unter Ausnutzung der Parallelkapazität des Quarzes eine Verstärkungsüberhöhung bildet.

Der (externe) Kondensator C_V 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 U_B, 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 V_ges 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 R_G (R_G gegen unendlich) zu: Dabei ist R_L der Lastwiderstand - in diesem Fall der Eingangswiderstand der zweiten Verstärkerstufe 2 - und R_S der dynamische Source-Widerstand des Transistors T₁; S ist die Steilheit des Transistors T₁.
  Der Widerstand R_S 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 U_B. Da die Transistoren T₂ und T₃ im Sättigungsbereich arbeiten, ist der Drain­ strom I_D von T₂ durch folgende Beziehung gegeben: I_D=k₂×(U_GS-U_th)² (2)Dabei ist U_th die Schwellspannung, U_GS 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 V_ges 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 V_ges gemäß Gleichung (4) bei einer Frequenz größer als 1 ist, wird die Schaltung mit dieser Frequenz anschwingen; ist die Gesamtverstärkung V_ges kleiner als 1, findet keine Oszillation statt. Wegen des Minimums der Impedanz Z des Quarzes bei der Serienresonanzfrequenz f_res 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 (C_S) einschränken.

Bei einem Ausführungsbeispiel fließt bei einer Batteriespannung U_B 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 I_ges=400 µA (analog zur Standard-Quarzoszillatorschaltung mit zwei externen Anschlußpins).

Der Quarz Q besitzt eine Schwingfrequenz von 4 MHz; die minimale Impedanz Z_min abseits der Serienresonanz­ frequenz beträgt im Frequenzbereich bis 10 MHz ca. 1,5 kΩ, im Resonanzfall ergibt sich eine Impedanz Z_res von ca. 100 Ω. Damit die Bedingung V_ges (f=f_res)<1 und V_ges (f≠f_res)<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 V_ges=3; abseits der Serienresonanzfrequenz besitzt sie maximal den Wert V_ges=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, wobei die erste Verstärkerstufe (1) mit der Verstärkung V₁ einen ersten MOS-Verstärkertransistor (T₁) enthält, der den in Serienresonanz betriebenen Quarz (Q) als Source-Impedanz aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Verstärkerstufen (1, 2) über einen Rückkopplungs-Kondensator (C_G) zu einem Oszillator- Ring zusammengeschaltet sind und daß die zweite Verstärkerstufe (2) des Oszillator-Rings 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 (V_ges) des aufge­ trennten Verstärkerrings, die durch das Produkt der Verstärkungen (V₁×V₂) der beiden Verstärkerstufen (1, 2) gegeben ist, bei der Serienresonanzfrequenz (f_res) 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 (U_B) 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 (R_V), einen Gegenkopplungswiderstand (R_G) sowie einen Kondensator (C_S) 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 Gegenkopplungswiderstand (R_G) im Gegenkopplungszweig des ersten Ver­ stärkertransistors (T₁) angeordnet ist, daß der Vorwiderstand (R_V) zwischen den beiden Stromquellen (S₁, S₂) geschaltet ist, und daß der Kondensator (C_S) am Knoten­ punkt (K₁) gegen Bezugspotential angeschlossen ist.