DE60104111T2

DE60104111T2 - Oszillatorschaltung

Info

Publication number: DE60104111T2
Application number: DE60104111T
Authority: DE
Inventors: Andreas Rusznyak
Original assignee: Motorola Inc
Current assignee: NXP USA Inc
Priority date: 2000-05-12
Filing date: 2001-05-11
Publication date: 2005-08-25
Anticipated expiration: 2021-05-12
Also published as: KR100835130B1; WO2001086803A1; US6759914B2; GB2362276A; AU2001262287A1; EP1284046B1; DE60104111D1; GB0017894D0; CN1178377C; JP2003533115A; CN1419738A; EP1284046A1; KR20030013412A; GB0011558D0; US20030107445A1

Description

Gebiet der Erfindung
Diese Erfindung bezieht sich auf Oszillatorschaltungen zur Verwendung in integrierten Schaltkreisen.
Hintergrund der Erfindung
Eine der am häufigsten verwendeten analogen Schaltungen in heutigen ICs ist der zweipolige Oszillator vom Pierce-Typ. Typischerweise wird dieser Oszillatortyp verwendet, um Taktsignale in Mikroprozessoren und anderen integrierten System zu erzeugen.
Solch ein Oszillator wird typischerweise von einem Resonator gebildet, der zwischen zwei mit Masse verbundenen Kondensatoren sowie zwischen dem Eingang und Ausgang eines Invertierers eingebettet ist. 1 zeigt die schematische Schaltung eines solchen Oszillators.
Dieser Oszillator ist eine einfache Konstruktion, zeigt jedoch mehrere Nachteile:
Die Amplitude am Ausgang ist durch Nichtlinearitäten limitiert, welche Harmonische erzeugen, die elektromagnetische Kopplungsprobleme (EMC: electro-magnetic coupling) verursachen können.
Die Amplitude über dem Resonator ist hoch, was zu einer hohen Leistungsdissipation im Resonator führt, was dessen langfristige Frequenzstabilität limitiert.
Da beide den Invertierer bildende Transistoren während eines großen Teiles der Oszillationsperiode gleichzeitig leiten, weist der Oszillator einen hohen Stromverbrauch auf.
Zwischen dem Eingang und Ausgang des Invertierers wird ein Strompfad hoher Impedanz benötigt, um dessen korrekte Vorspannung sicherzustellen. Leckage externer Komponenten, die mit diesem Pfad verbunden sind, kann die Betriebsbedingungen des Oszillators verändern.
Es wurden verschiedene Lösungen zur Behandlung dieser Nachteile vorgeschlagen. 2 zeigt eine Schaltung nach dem Stand der Technik, bekannt aus dem US Patent 4,405,906, welche die oben erwähnten Nachteile durch Regelung der Oszillationsamplitude vermeidet. Bei dieser bekannten Schaltung polarisieren zwei DC-Vorspannungs-Stromquellen die Treibertransistoren, wohingegen die Ströme aus diesen Stromquellen auf die Versorgungsleitungen über Transistoren, welche zwischen dem gemeinsamen Drain der Treibertransistoren und deren Gate angeschlossen sind, abgesenkt werden.
Diese bekannte Schaltung zeigt zwei wichtige Nachteile. Erstens werden gutgesteuerte DC-Stromquellen benötigt, um die Treibertransistoren korrekt zu polarisieren. Zweitens wird eine Startschaltung benötigt, um sicherzustellen, dass beide Treibertransistoren in Sättigung bleiben, wenn die Schaltung angeschaltet wird.
Aus dem US-Patent Nr. 3,902,141 ist eine Quarzoszillatorschaltung bekannt, die einen Verstärker aufweist, der von zwei komplementären Halbleitern gebildet wird, deren Sources, Gates und Drains parallel in einer anderen Anordnung mit einer Leistungsversorgung, einem Quarzkristall, der zwischen den Drains und den Gates angeschlossen ist, einem Detektionskondensator, der zwischen den Gates und den Sources angeschlossen ist und einem Ladungskondensator, der zwischen den Sources und den Drains angeschlossen ist, geschaltet sind. Ein Integrations-Kondensator ist zwischen den Gates der Halbleiter angeschlossen, um die Betriebsklasse des Verstärkers in Abhängigkeit von der Oszillationsamplitude zu steuern.
Ein Pierce-Oszillator mit sehr niedrigem Strom ist aus dem US Patent Nr. 4,360,789 bekannt.
Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung eine Oszillatorschaltung zur Verfügung zu stellen, wobei die oben genannten Nachteile überwunden oder wenigstens gemindert werden können.
Zusammenfassung der Erfindung
Gemäß einem ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung wird eine Oszillatorschaltung, wie in Anspruch 1 beansprucht, zur Verfügung gestellt.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Es sollen nun, lediglich beispielhaft, fünf Oszillatorschaltungen, welche die Erfindung enthalten, beschrieben werden und zwar unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen in denen:
1 ein schematisches Schaltungsdiagramm einer bekannten zweipoligen Oszillatorschaltung des Pierce-Typs zeigt;
2 ein schematisches Schaltungsdiagramm einer bekannten Oszillatorschaltung mit Amplitudenregelung zeigt;
3 ein schematisches Schaltungsdiagramm einer ersten Oszillatorschaltung, welche die vorliegende Erfindung verkörpert, zeigt;
4 ein schematisches Schaltungsdiagramm einer zweiten Oszillatorschaltung, welche die vorliegende Erfindung verkörpert, zeigt; und
5 ein schematisches Schaltungsdiagramm einer dritten Oszillatorschaltung, welche die vorliegende Erfindung verkörpert, zeigt.
Beschreibung einer bevorzugten Ausführungsform
Es wird Bezug genommen auf 1. Ein zweipoliger Oszillator 100 vom Pierce-Typ wird von einem Resonator Q, der zwischen zwei Kondensatoren C1 und C2 eingebettet ist, gebildet. Die Kondensatoren werden an von dem Resonator Q entfernten Anschlüssen gemeinsam mit einem Spannungsknoten VSS angeschlossen. Ein CMOS-Transistorpaar MP, MN hat seine Source- und Drain-Elektroden in Reihe zwischen Spannungs knoten VDDA und VSS angeschlossen. Die CMOS-Transistoren MP und MN bilden einen Invertierer, dessen Eingang IN mit den Transistor-Gate-Elektroden verbunden ist und dessen Ausgang OUT mit einem Punkt zwischen den Transistor-Stromelektroden verbunden ist. Der Eingang IN und Ausgang OUT sind mit den Kondensatoren C1 bzw. C2 an von dem Spannungsknoten VSS entfernten Anschlüssen verbunden. Ein Widerstand R0 ist zwischen dem Eingang IN und Ausgang OUT angeschlossen.
Wie oben diskutiert zeigt der bekannte zweipolige Oszillator 100 vom Pierce-Typ, obgleich er den Vorteil einer einfachen Konstruktion hat, mehrere Nachteile: (i) die Amplitude am Ausgang ist durch Nichtlinearitäten limitiert, welche Harmonische erzeugen, die elektromagnetische Kopplungsprobleme (EMC) verursachen können; (ii) die Amplitude über dem Resonator Q ist hoch, was zu einer hohen Leistungsdissipation im Resonator führt, was dessen langfristige Frequenzstabilität limitiert; (iii) da während eines großen Teils der Oszillationsperiode beide Transistoren MP und MN, welche den Invertierer bilden, gleichzeitig leiten, weist der Oszillator einen hohen Stromverbrauch auf; und (iv) es wird ein Strompfad (R) hoher Impedanz zwischen dem Eingang IN und Ausgang OUT des Invertierers benötigt, um dessen korrekte Vorspannung sicherzustellen, und eine Leckage externer Komponenten, die mit diesem Pfad verbunden sind, kann die Betriebsbedingungen des Oszillators verändern.
Es wird nun Bezug genommen auf 2. Eine bekannte Oszillatorschaltung 200 vermeidet diese Nachteile. Bei der Oszillatorschaltung 200 sind Resonator Q, Transistoren T1 und T2 bzw. Kondensator C2 analog zu dem Resonator Q, den Transistoren MP und MN bzw. dem Kondensator C2 in 1.
Die Kondensatoren C3' und C4' (zusammen mit Kondensatoren C3 und C4) in 2 sind analog zu dem Kondensator C1 in 1. Bei der Oszillatorschaltung 200 dienen Knoten a und b als Eingangs- bzw. Ausgangsknoten.
Die Oszillatorschaltung 200 vermeidet die oben diskutierten Nachteile der Oszillatorschaltung 100 durch Regelung der Oszillationsamplitude. Bei der Oszillatorschaltung 200 wird die Oszillationsamplitude durch zwei DC-Vorspannungs-Stromquellen (gebildet durch Transistoren T3 bzw. T4), welche die Treibertransistoren T1 und T2 polarisieren, geregelt, wohingegen die Ströme von diesen Stromquellen auf die Versorgungsleitungen P und M über Transistoren T5, T6 und T8, die zwischen dem gemeinsamen Drain der Treibertransistoren und deren Gate angeschlossen sind, abgesenkt werden.
Wie oben diskutiert, hat die Oszillatorschaltung 200, obgleich die Oszillatorschaltung 200 die Nachteile der Oszillatorschaltung 100 vermeidet, zwei wichtige Nachteile. Erstens werden gut gesteuerte DC-Stromquellen T3 und T4 benötigt, um die Treibertransistoren T1 und T2 korrekt zu polarisieren. Zweitens wird eine (nicht gezeigte) Startschaltung benötigt, um sicherzustellen, dass beide Treibertransistoren in Sättigung bleiben, wenn die Schaltung angeschaltet wird.
Es wird nun Bezug genommen auf 3. Eine Oszillatorschaltung 300 zeigt die oben diskutierten Vorteile der bekannten Schaltungen von 1 und 2, vermeidet jedoch deren oben diskutierten Nachteile.
Bei der Oszillatorschaltung 300 ist ein Resonator Q zwischen zwei Kondensatoren C1 und C2 eingebettet. Die Kondensatoren sind üblicherweise an von dem Resonator Q ent fernten Anschlüssen mit einem Spannungsknoten VSS verbunden. Ein CMOS-Transistorpaar MP, MN hat ihre Source- und Drain-Elektroden in Reihe zwischen Spannungsknoten VDDA und VSS angeschlossen. Die CMOS-Transistoren MP und MN bilden einen Invertierer, dessen Eingang IN über Kondensatoren CP bzw. CN mit den Gateelektroden der Transistoren verbunden ist und dessen Ausgang OUT mit einem Punkt zwischen den Stromelektroden der Transistoren verbunden ist. Der Eingang IN bzw. der Ausgang OUT sind mit den Kondensatoren C1 bzw. C2 an von dem Spannungsknoten VSS entfernten Anschlüssen verbunden. Die Gateelektroden der Transistoren MP und MN (bei Knoten PG bzw. NG) sind über zwei in Reihe geschaltete Widerstände PX und NX verbunden. Ein Punkt zwischen den Widerständen PX und NX ist mit dem Ausgang OUT verbunden. Die Gateelektroden der Transistoren MP und MN (bei Knoten PG bzw. NG) sind jeweils über Dioden-verbundene CMOS-Transistoren MND und MNP mit Knoten NF verbunden, welcher über einen Verstärker A mit dem Ausgang OUT verbunden ist.
Bei dem Oszillator 300 von 3 wird der korrekte Vorspannungszustand der Treibertransistoren MN und MP mittels Pfaden hoher Impedanz durch die Transistoren NX und PX zwischen dem Ausgang dieser Treibertransistoren und ihren Gates sichergestellt. Auf diese Weise sind beim Start beide Treibertransistoren MN und MP in Sättigung.
Die Transistoren MND und MPD, die in Dioden-Konfiguration angeschlossen sind, führen die Amplitudenregulierung auf ähnliche Weise wie bei der Schaltung nach dem Stand der Technik gemäß 1 durch. Die Transistoren MND und MPD, die zwischen den Gates der Treibertransistoren MN und MP und dem Knoten NF angeschlossen sind, sind in der Lage, den Strom, der von den Pfaden hoher Impedanz gelie fert wird, abzusenken, wenn die Amplitude am Oszillatorausgang OUT ansteigt. Im Gleichgewichtszustand ist die periodisch durch die Transistoren MND und MPD übertragene Ladung gleich derjenigen, die von den Pfaden hoher Impedanz über die Widerstände NX bzw. PX geliefert wird.
Man wird verstehen, dass auf diese Weise die Oszillatorschaltung 300 von 3 die oben diskutierten Vorteile der bekannten Schaltungen von 1 und 2 zeigt, deren oben diskutierte Nachteile werden jedoch vermeidet.
4 zeigt eine praktische Ausführungsform der Oszillatorschaltung 300 von 3. Bei der Oszillatorschaltung 400 von 4 sind die Widerstände hoher Impedanz PX und NX der Oszillatorschaltung 300 von 3 zwischen dem Ausgang der Treibertransistoren MPD, MND und deren Gates durch adäquat gesteuerte Langkanal-CMOS-Transistoren MPX bzw. MNX realisiert. Weiter sind in der Oszillatorschaltung 400 von 4 Verbindungen zu den Transistoren MPD und MND wie folgt eingerichtet.
Parallel mit den Treibertransistoren MP und MN sind ein Paar von CMOS-Transistoren MP1 und MN1 sowie Kondensatoren CP2 und CN2 in Reihe geschaltet. Der Transistor MP1 hat seine Gate-Elektrode mit seiner Source-Elektrode (bei einem Knoten PF) und mit der Drain-Elektrode des Treiber-Transistors MPD verbunden. Ein Kondensator CP1 ist zwischen den Source- und Drain-Elektroden des Transistors MP1 angeschlossen. Der Transistor MN1 hat seine Gate-Elektrode mit seiner Source-Elektrode (bei einem Knoten NF) und mit der Drain-Elektrode des Treiber-Transistors MND verbunden. Der Kondensator CN1 ist zwischen den Source- und Drain-Elektroden des Transistors MN1 angeschlossen.
Bei der Oszillatorschaltung 400 von 4 erfolgt die Amplitudenregelung mittels der in den Kondensatoren CN2, CP2 gespeicherten und an die Knoten NG, PG übertragenen Ladung. Man wird verstehen, dass bei dieser Ausführungsform kein Bedarf besteht, Verstärker auszubilden. Der Stromverbrauch der Gesamtschaltung unter den Bedingungen, wie bereits oben definiert, ist 0,25 mA, wenn die Spannung bei IN und OUT zwischen 10% und 90% der Versorgungsspannung oszilliert.
5 zeigt eine weitere praktische Ausführungsform der Oszillatorschaltung 300 von 3. Bei der Oszillatorschaltung 500 von 5 sind die Verbindungen mit den Transistoren MPD und MND wie folgt eingerichtet.
Zwischen den Gate-Elektroden der Treibertransistoren MP und MN (bei den Knoten PG und NG) sind ein paar von CMOS-Transistoren MPX und MNX in Reihe geschaltet, wobei ein Punkt zwischen den Transistoren MPX und MNX mit einem Punkt zwischen den Treiber-Transistoren MP und MN verbunden ist. Zwischen den Gateelektroden der Transistoren MPX und MNX (bei den Knoten PC und NC) sind ein paar von Diodenverbundene CMOS-Transistoren MNA0 und MPA0 in Reihe geschaltet, wobei ein Punkt zwischen den Transistoren MNA0 und MPA0 einen Knoten DIV bildet. Die Transistoren MPA1 und MPA2 haben ihre Gate-Elektroden gemeinsam mit dem Knoten DIV verbunden und haben ihre Source-Elektroden gemeinsam mit dem Spannungsknoten VDDA verbunden. Der Transistor MPA1 hat seine Drain-Elektrode mit dem Knoten DIV verbunden. Der Transistor MPA2 hat seine Drain-Elektrode mit dem Knoten NC verbunden. Die Transistoren MNA1 und MNA2 haben ihre Gate-Elektrode gemeinsam mit dem Knoten DIV verbunden und haben ihre Source-Elektroden gemeinsam mit dem Spannungsknoten VSS verbunden. Der Transistor MNA1 hat seine Drain-Elektrode mit dem Knoten DIV verbunden. Der Transistor MNA2 hat seine Drain-Elektrode mit dem Knoten PC verbunden.
Bei Betrieb der Oszillatorschaltung 500 von 5 veranlasst die wachsende Spannung an dem Ausgangsanschluss OUT die Transistoren MND, MPD zu öffnen und so den von Transistoren MNX bzw. MPX gelieferten Strom zu senken.
Die Steuerspannung der Transistoren MNX, MPX, die eine Verbindung hoher Impedanz zwischen dem Oszillatorausgang und den Gates der Treiber-Transistoren darstellen, wird so eingestellt, dass sie bei der DC-Spannung am Ausgangsanschluss OUT beim Start plus der Schwellenspannung der Transistoren MNX, MPX liegt. Auf diese Weise folgen die von diesen Transistoren gelieferten Ströme Verfahrens-, Temperatur-, und Versorgungsspannungsvariationen, um so Leistungsvariationen anderswo in der Schaltung entgegenzuwirken.
Man wird anerkennen, dass falls erforderlich, der von den Transistoren MNX und MPX gelieferte Strom mittels einer Hilfsschaltung (nicht gezeigt), welche einen DC-Strom erzeugt, der proportional zu dem Wert eines integrierten Kondensators ist, auf die Versorgungsspannung und die Frequenz des Oszillators selbst stabilisiert werden kann.
Ein weiteres Merkmal der Oszillatorschaltung 500 von 5 ist die Inkorporation eines widerstandsbehafteten Transmissionsgates, welches von CMOS-Transistoren TG1 und TG2 gebildet wird, die zwischen dem Eingang IN und dem Ausgang OUT angeschlossen ist. Die Gate-Elektroden der Transistoren TG1 und TG2 sind mit den Versorgungsspannungen VDDA bzw. VSS verbunden. Man wird verstehen, dass es der Effekt dieses Transmissionsgates ist, die Spannung am Ein gang bei niedrigen Frequenzen zu definieren. Man wird weiter verstehen, dass, falls erwünscht, solch ein Transmissionsgate in die Oszillatorschaltung 300 von 3 und/oder die Oszillatorschaltung 400 von 4 inkorporiert werden könnte.
Man wird verstehen, dass alle Oszillatorschaltungen von 3, 4 und 5 eine einfache und effektive Regelung der Oszillatoramplitude ermöglichen, ohne die Notwendigkeit für gut gesteuerten DC-Stromquellen, um die Treiber-Transistoren korrekt zu polarisieren, und ohne die Notwendigkeit für eine Startschaltung, um sicherzustellen, dass beide Treibertransistoren in Sättigung bleiben, wenn die Schaltung angeschaltet wird.
Man wird verstehen, dass alle Transistorschaltungen von 3, 4 und 5 vollständig in CMOS-integrierter Schaltkreisprozesstechnologie hergestellt werden können, was die Größe des Halbleiterchips minimiert, die von der Oszillatorschaltung gefordert wird, und was die Energieanforderungen der Schaltung reduziert.

Claims

Oszillatorschaltung umfassend: einen Eingang und einen Ausgang, die zum Anschluss eines Resonators dazwischen eingerichtet sind; Invertierermittel mit einem ersten Treiber-Transistor und einem zweiten Treiber-Transistor, die über den Ausgang in Reihe geschaltet sind; Vorspannungsmittel mit einem zwischen dem Ausgang und einer Steuerelektrode des ersten Treiber-Transistors angeschlossenen, ersten Vorspannelement zum Vorspannen des ersten Treiber-Transistors und mit einem zwischen dem Ausgang und der Steuerelektrode des zweiten Treiber-Transistors angeschlossenen, zweiten Vorspannelement zum Vorspannen des zweiten Treiber-Transistors; erste Begrenzungsmittel, die zwischen der Steuerelektrode des ersten Treiber-Transistors und einem ersten Knoten zum Empfangen eines für das Signal am Ausgang repräsentativen Signals angeschlossen sind, und zweite Begrenzungsmittel, die zwischen der Steuerelektrode des zweiten Treiber-Transistors und einem zweiten Knoten zum Empfangen eines für das Signal am Ausgang repräsentativen Signals angeschlossen sind, wobei die Steuereingänge der ersten und zweiten Treiber-Transistoren kapazitiv mit dem Eingang gekoppelt sind.
Oszillatorschaltung gemäß Anspruch 1, weiter umfassend Verstärkermittel mit einem mit dem Ausgang verbundenen Eingang und mit einem Ausgang, der mit den Knoten zum Empfangen eines für das Signal am Ausgang repräsentativen Signals verbundenen ist.
Oszillatorschaltung gemäß Anspruch 1, weiter umfassend: erste kapazitive Mittel, die zwischen den Ausgang und den ersten Knoten zum Empfangen eines für das Signal am Ausgang repräsentativen Signals gekoppelt sind; erste Stromdefinitionsmittel zum Definieren des in den ersten Begrenzungsmitteln fließenden Stroms; zweite kapazitive Mittel, die zwischen den Ausgang und den zweiten Knoten zum Empfangen eines für das Signal am Ausgang repräsentativen Signals gekoppelt sind; und zweite Stromdefinitionsmittel zum Definieren des in den zweiten Begrenzungsmitteln fließenden Stroms.
Oszillatorschaltung gemäß Anspruch 3, wobei die ersten Stromdefinitionsmittel einen Dioden-verbundenen Transistor und einen Kondensator zwischen dem ersten Knoten zum Empfangen eines für das Signal am Ausgang repräsentativen Signals und einem ersten Versorgungsknoten umfassen und wobei die zweiten Stromdefinitionsmittel einen Dioden-verbundenen Transistor und einen Kondensator zwischen dem zweiten Knoten zum Empfangen eines für das Signal am Ausgang repräsen tativen Signals und einem zweiten Versorgungsknoten umfassen.
Oszillatorschaltung gemäß einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Vorspannmittel widerstandbehaftete Transistoren mit Steuerelektroden umfassen.
Oszillatorschaltung gemäß Anspruch 5, wobei die Steuerelektroden der widerstandsbehafteten Transistoren der ersten und zweiten Vorspannmittel mit den ersten bzw. zweiten Versorgungsknoten gekoppelt sind.
Oszillatorschaltung gemäß Anspruch 5, wobei die Steuerelektroden der widerstandsbehafteten Transistoren mit Mitteln zum Bereitstellen von Steuerspannungen verbunden sind, um sicherzustellen, dass die widerstandsbehafteten Transistoren leiten, wenn die Spannung an den Steuerelektroden der Treiber-Transistoren niedriger ist als eine Startspannung am Ausgang.
Oszillatorschaltung gemäß Anspruch 7, wobei die Mittel zum Bereitstellen von Steuerspannungen umfassen: Mittel zum Bereitstellen einer für die Startspannung repräsentativen Spannung sowie von für die Schwellenspannungen der Vorspannmittel repräsentativen Spannungen und Mittel zum Erzeugen der Steuerspannungen daraus.
Oszillatorschaltung gemäß einem der vorangehenden Ansprüche, weiter umfassend ein widerstandsbehaftetes Transmissionsgate, welches zwischen dem Eingang und dem Ausgang angeschlossen ist, um die Spannung am Eingang bei niedrigen Frequenzen zu definieren.
Oszillatorschaltung gemäß Anspruch 9, wobei das widerstandsbehaftete Transmissionsgate Steuerelektroden aufweist, die mit den ersten bzw. zweiten Versorgungsknoten verbunden sind.
Oszillatorschaltung gemäß einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Transistoren CMOS-Transistoren sind.