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Die Erfindung betrifft die Herstellung von integrierten
Schaltungen und genauer die Herstellung von integrierten
Schaltungen mit einem Signalverarbeitungsprozessor, d.h.
einer Schaltung, die in der Lage ist, unter Steuerung durch
Befehle Datenverarbeitungsoperationen durchzuführen.
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Bei vielen integrierten Schaltungen ist die Anordnung eines
Taktgebers erforderlich. Ein Signalverarbeitungsprozessor
erfordert auf alle Fälle einen Taktgeber, der die
regelmäßige Ablaufsteuerung der durchgeführten
Verarbeitungsoperationen gewährleistet.
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Der Taktgeber kann ausgehend von einem Oszillator innerhalb
der integrierten Schaltung realisiert sein, oder aber die
Taktsignale können von außerhalb der integrierten Schaltung
an einem speziell für diesen Zweck reservierten Anschluß
angelegt werden.
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Wird ein externer Taktgeber verwendet, dann muß der
Benutzer der integrierten Schaltung diesen Taktgeber vorsehen,
womit für ihn die Kosten für die Schaltung indirekt erhöht
werden. Darüberhinaus wird damit ein für den Taktgeber
reservierter Schaltungsanschluß erforderlich.
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Wird auf einer integrierten Schaltung ein Oszillator
realisiert, dann liegt die Schwierigkeit darin, genau eine
gewünschte Frequenz zu erhalten. Aus den verwendeten
technischen Verfahren ergeben sich nämlich solche
Herstellungsstreuungen, daß nicht mit hinreichender Genauigkeit eine
Frequenz erhalten werden kann. Die Streuung der freien
Schwingfrequenz, die für zwei identische Oszillatoren
erhalten wird, die dem gleichen Herstellungsgang gefolgt
sind, kann leicht 100 % oder sogar mehr betragen. Dies
eraibt sich daraus, daß die Herstellungsverfahren Schritte
der Dotierung, der Diffusion von Störstellen bei
Hochtemperatur, des Aufbringens von dünnen Isolierschichten usw.
beinhalten; die Wiederholbarkeit dieser Schritte läßt sich
nicht leicht von einer Schaltung zur nächsten meistern.
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Oder aber, die Schwingf requenz ist nicht kritisch; dann
kann man es sich erlauben, einen vollständig in der
Schaltung integrierten Oszillator ohne äußeren Anschluß zum
Empfang eines Taktsignals vorzusehen. Ist aber im Gegenteil
die Frequenz ein kritischer Parameter, dann besteht die
allgemein verwendete Lösung darin, außerhalb der
integrierten Schaltung Regelelemente (allgemein Widerstände oder
Kapazitäten) für den auf der Schaltung vorhandenen Osziliator
anzuschließen. Diese Regelelemente weisen einen sehr genau
bekannten Wert auf, denn sie sind entweder nicht den
gleichen Herstellungsstreuungen unterworfen, oder aber sie
wurden aussortiert. Der Nachteil liegt aber darin, daß sie
direkt an den Oszillator der integrierten Schaltung
angeschlossen werden müssen, und folglich machen sie es
zwingend erforderlich, daß die integrierte Schaltung
zusätzliche äußere Kontakte aufweist, die speziell für diese
Verwendung reserviert sind. Allerdings sollten äußere Kontakte
soweit wie möglich vermieden werden, denn sie stellen einen
der wichtigsten Kostenfaktoren für integrierte Schaltungen
dar.
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Die US-A-4 691 124 beschreibt eine integrierte Schaltung
mit einem Register und einem Taktgeber, der die Schaltung
stets bei der maximalen reellen Frequenz arbeiten läßt.
Dazu sitzt eine Taktgeneratorschaltung auf dem gleichen
Substrat wie eine elektronische Schaltung und so nahe wie
möglich an dieser, wobei der Taktgenerator ein Taktsignal
abgibt, das vom langsamsten Verzögerungssignal der
elektronischen Schaltung abhängt. Die EP-A-0 186 864 beschreibt
auch einen Multiplizierer, der von einem internen Taktgeber
gesteuert wird, der eine ähnliche technische Struktur wie
der Multiplizierer aufweist, um dessen Arbeitszeit zu
optimieren.
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Bei einem Signalprozessor, d.h. einer elektronischen
Schaltung, die in der Lage ist, unter der Kontrolle von Befehlen
verschiedene Signalverarbeitungsaufgaben durchzuführen, ist
der Taktgeber, der die Ablaufsteuerung der von dem
Mikroprozessor durchgeführten Operationen bestimmt, ein sehr
wichtiges Schaltungselement, und seine Frequenz muß gut
bestimmt sein. Bei den gegenwärtig hergestellten
Signalverarbeitungsschaltungen liegt der Taktgeber außerhalb, oder
aber er liegt innerhalb und wird durch prazise außere
Bauteile (Quarz, Widerstände, Kapazitäten) eingestellt.
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Eine Aufgabe der Erfindung ist es, eine integrierte
Schaltung mit einem internen Taktgeber vorzuschlagen, die nicht
den eben beschriebenen Nachteilen und insbesondere den
Nachteilen unterworfen ist, die sich aus der technischen
Streuung zwischen theoretisch identischen Schaltungen
ergeben.
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Eine weitere Aufgabe der Erfindung ist es, die Realisierung
einer integrierten Schaltung mit einem Taktgeber zu
ermöglichen, dessen Frequenz leicht und präzise definiert werden
kann, ohne daß es unbedingt erforderlich wird, spezielle
Anschlußkontakte vorzusehen, um äußere Regelelemente an
einen internen Oszillator anzuschließen.
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Schließlich liegt eine Aufgabe der Erfindung insbesondere
in der Realisierung eines Signalverarbeitungsprozessors,
der einen Taktgeber aufweist, um die Ablaufsteuerung seiner
eigenen Operationen zu gewährleisten, wobei dieser
Taktgeber eine Frequenz aufweist, die leicht von dem Prozessor
selbst definiert werden kann.
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Um diese verschiedenen Ziele zu erreichen, schlägt die
vorliegende Erfindung eine integrierte Schaltung nach Anspruch
1 vor.
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Demnach kann ein völlig interner Oszillator verwendet
werden, und die Frequenzregeldaten für den Oszillator werden
entweder rein intern durch den Prozessor erstellt, z.B. aus
dem Inhalt von Festwertspeichern oder nicht flüchigen
Speichern, die auf dem gleichen Substrat wie der Prozessor und
der Oszillator realisiert sind, oder extern aus Daten, die
dem Prozessor von außen geliefert werden; allerdings würden
im Gegensatz zur Vorgehensweise beim Stand der Technik
diese Frequenzregeldaten keinen speziellen Anschluß
erfordern, da sie durch die Dateneingangs-/-ausgangsanschlüsse
der Schaltung laufen würden, die bereits obligatorisch zur
Ermöglichung des Dialogs des Prozessors mit außerhalb
vorgesehen sind.
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Die Erfindung ermöglicht damit die Einstellung der Frequenz
eines rein internen Oszillators, um die Frequenzfehler
aufgrund der technischen Streuung auszugleichen.
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Sie ermöglicht auch die Regelung der Frequenz des
Osziilators in Abhängigkeit von den Wünschen des Benutzers (in
Abhängigkeit von der Anwendung, in der seine Schaltung
liegt).
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Schließlich ermöglicht sie die Regelung der Frequenz in
Abhängigkeit von der Umgebung, z.B. in Abhängigkeit von der
Versorgungsspannung der Schaltung, und es kann sehr gu ins
Auge gefaßt werden, daß der Prozessor selbst
Umgebungsbelastungen erfaßt, die eine Änderung der Frequenz des
Oszillators erforderlich machen: so kann beispielsweise erwünscht
sein, daß die Frequenz verringert wird, wenn die
Versorgungsspannung übermäßig absinkt.
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Die Erfindung ist besonders interesssant, wenn der
betreffende Oszillator eben derjenige ist, der zum Erstellen der
Taktsignale für den Betrieb des Signalprozessors selbst
dient.
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Der Oszillator ist bevorzugt ein Kippgenerator, der eine
Kapazität und Lade- und Entladestromquellen für die
Kapazität aufweist, und das Register kontrolliert den Wert der
Lade- und Entladeströme für die Kapazität. Diese Kontrolle
wird bevorzugt durch eine Stromquellenumschaltung
durchgeführt.
Diese Quellen können binär gewichtete Werte
aufweisen, wobei das Register auf die gleiche Weise gewichtete
Bits aufweist.
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Allerdings könnte das Register auch den Wert der Kapazität
des Kippgenerators kontrollieren, und die Kontrolle würde
dann durch Parallelumschaltung von Eleinentkapazitäten
durchgeführt werden. Diese Kapazitäten können auch
gewichtete Werte aufweisen, um die Frequenzregulierung zu
erleichtern.
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Das Register kann bei bestimmten Anwendungen von dem
Prozessor ausgehend von einem elektrisch programmierbaren,
nicht flüchtigen Speicher geladen werden, der auf dem
gleichen Substrat wie der Oszillator und der Prozessor
realisiert ist und Frequenzkorrekturdaten enthält. Dieser nicht
flüchtige Speicher kann individuelle Korrekturdaten für die
integrierte Schaltung enthalten, wobei diese Daten durch
einen Test der integrierten Schaltung nach der Herstellung
erhalten wurden, um die Schwankungen von technischen
Fertigungsparametern zu berücksichtigen. Diese Lösung ist
besonders interessant, da auf der integrierten Schaltung selbst
individuelle Frequenzkorrekturdaten gespeichert werden, die
nur diese Schaltung betreffen.
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Allerdings kann der Speicher auch weitere
Frequenzmodifizierungsdaten enthalten, die nicht mit dem
Herstellungsverfahren für die Schaltung verknüpft sind.
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Weitere Charakteristika und Vorteile der Erfindung ergeben
sich bei der Lektüre der folgenden detaillierten
Beschreibung unter Bezug auf die beigefügten Zeichnungen, worin die
einzige Figur ein Schema einer Ausführungsform einer
integrierten Schaltung nach der Erfindung darstellt.
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Die Erfindung wird insbesondere unter Bezug auf die
Her-Stellung einer integrierten Schaltung beschrieben, die
einen Mikroprozessor aufweist und einen Oszillator OSC zur
Definition einer Taktfrequenz verwendet, die für die
Ablaufsteuerung der von dem Nikroprozessor abgearbeiteten
Aufgaben dient.
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Der Oszillator ist vollständig in das gleiche
Halbleitersubstrat wie der Mikroprozessor integriert. Er ist ein
Oszillator mit variabler Frequenz; die Frequenz ist unter der
Steuerung eines Registers R1 einstellbar, dessen Inhalt von
dem Mikroprozessor geladen werden kann.
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Der Mikroprozessor ist nur sehr teilschematisch in der
Figur dargestellt. Er weist wie üblich eine
Zentralverarbeitungseinheit CPU auf, die an einen Daten- (oder Daten- und
Adressen-)bus DB angeschlossen ist, der insbesondere den
Datenaustausch mit Speichern (RAMs, Festwertspeicher oder
nicht flüchtige Speicher), den Eingangs-/ Ausgangskanä;Len
der integrierten Schaltung und den internen Registern der
integrierten Schaltung ermöglicht.
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Unter den an den Bus DB angeschlossenen Speichern ist ein
elektrisch programmierbarer Speicher M1 vorgesehen, der
bevorzugt ein elektrisch programmierbarer und elektrisch
löschbarer Speicher (EEPROM) ist. Dieser Speicher kann
allerdings auch nicht elektrisch löschbar sein.
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Der Speicher M1 kann in der Schaltung verschiedene
Verwendungen haben, d.h. er ist nicht speziell zur
Frequenzregelung nach der Erfindung reserviert. In diesem Fall wird
eine bestimmte Zone des Speichers reserviert, die
erfindungsgemäß Daten enthalten soll, die die Sollfrequenz für
den Oszillator betreffen.
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Unter den an den Bus DB angeschlossenen Registern ist ein
bestimmtes Register R1 vorgesehen, das beim Betrieb dazu
bestimmt ist, Daten zu enthalten, die mit den in dem
Speicher M1 enthaltenen Daten verknüpft sind. Eben dieses
Register R1 steuert die automatische Regelung der Frequenz des
Oszillators. Später wird beschrieben, wie diese Regelung
abläuft.
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Am Ende der Herstellung der integrierten Schaltung werden
üblicherweise Tests vorgenommen; Abschlußtests werden
insbesondere nach der Einkapselung der integrierten Schaltung
in einem Gehäuse durchgeführt, während nur die Kontakte für
den äußeren Zugang zur integrierten Schaltung frei bleiben.
Bei diesen Tests wird eine Messung der freien Frequenz des
Oszillators OSC durchgeführt; daraus wird die Abweichung
berechnet, die zwischen der Frequenz des Oszillators und
der gewünschten Frequenz besteht; wobei diese Abweichung an
unkontrollierbaren Schwankungen der Parameter der
verschiedenen technischen Herstellungsschritte liegt (Dauer,
Temperaturen, Dotierungen usw.).
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Dann wird die Speicherung einer dieser Abweichung
entsprechenden Information in dem Speicher M1 befohlen. Der
Mikroprozessor kann diese Speicherung selbst durchführen.
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Bei der Verwendung der Schaltung wird diese Information
dazu benutzt, systematisch die Frequenz des Oszillators zu
korrigieren, damit dieser tatsächlich den gewünschten Wert
annimmt.
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Es kann beispielsweise vorgesehen sein, daß durch das
Unterspannungsetzen der integrierten Schaltung ein
systematischer Schritt der Übertragung der in dem Speicher M1
enthaltenen Korrekturinformation in das Register R1
hervorgerufen wird. Da diese Übertragung über den Mikroprozessor
durchgeführt wird, der in der Lage ist, Rechnungen
auszuführen, kann ihm übrigen sehr gut vorgesehen sein, daß in
das Register R1 nicht genau der in dem Speicher M1
gespeicherte Inhalt eingebracht wird, sondern Daten, die von dem
Mikroprozessor ausgehend von dem Inhalt des Speichers M1
berechnet sind.
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Solange der Mikroprozessor mit Energie versorgt wird,
behält das Register R1 diese Daten und korrigiert ständig die
Frequenz des Oszillators OSC.
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In dem Falle, in dem der Oszillator derjenige ist, der die
Erstellung der Taktsignale des Mikroprozessors ermöglicht,
arbeitet der Oszillator bevorzugt anfänglich mit einer
relativ niedrigen Frequenz. Dafür wird anfänglich, beim
Unterspannungsetzen vorgesehen, daß das Register R1
systematisch auf Null zurückgestellt wird (dies geschieht
allgemein bei allen Mikroprozessoren durch Reinitialisierungs
schaltungen), und man sorgt dafür, daß der Inhalt Null des
Registers einer relativ niedrigen Frequenz entspricht. Das
Startprogramm des Prozessors führt dann das Laden des
Registers durch, um die gewünschte Betriebsfrequenz zu
erhalten.
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Die Frequenz kann beispielsweise mit einem Korrekturoktett
in Schritten von 2 % in einem Bereich von technischen
Schwankungen von etwa 200 % korrigiert werden.
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Ebenso kann vorgesehen sein, daß die Frequenzeinstellung
nicht systematisch ist, oder aber daß sie nicht (oder nicht
ausschließlich) mit den technischen Fertigungsparametern
der integrierten Schaltung verknüpft ist. Die Erfindung
ermöglicht es nämlich, in Abhängigkeit von jedem beliebigen
Kriterium eine variable Oszillatorfrequenz zu erhalten. Der
Mikroprozessor muß nur eine Frequenzmodifizierungsanwelsung
erhalten; dann setzt er den ihm angegebenen
Frequenzkorrekturwert in das Register R1. Die Frequenzkorrektur geschieht
ohne Verwendung äußerer Bauteile und auf jeden Fall nur
unter Verwendung der Dateneingangs-/-ausgangsanschlüsse, die
notwendigerweise in der integrierten Schaltung vorgesehen
sind.
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Bei einem Anwendungsbeispiel könnte man ins Auge fassen,
daß die Frequenz in Abhängigkeit von der Temperatur oder
auch in Abhängigkeit von dem Wert der Versorgungsspannung
der integrierten Schaltung korrigiert wird. Genauso ist
eine Korrektur in Abhängigkeit von den je beliebigen
Wünschen des Benutzers möglich.
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Der in der Figur dargestellte Oszillator OSC ist ein
Kippgenerator, der eine Kapazität C verwendet, die durch
einen regelbaren Ladestrom i geladen und durch einen
Entladestrom entladen werden kann, der bevorzugt gleich dem
Ladestrom ist und ein umgekehrtes Vorzeichen aufweist.
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Die Oszillatoreinheit wird zwischen zwei
Versorgungsanschlüssen versorgt, von denen einer auf einem niedrigen
Potential Vss und der andere auf einem hohen Potential Vcc
liegt.
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Der Ladestrom wird von einer Einheit aus mehreren
Stromquellen erzeugt, die zwischen Vcc und die Kapazität
geschaltet sind (wobei ein Anschluß der Kapazität im übrigen
auf Vss liegt); diese Stromquellen können unter der
Kontrolle des Registers R1 in Abhängigkeit von den darin
enthaltenen Daten parallelgeschaltet werden, um einen
Entladestrom mit variablem Wert zu erzeugen.
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Ebenso wird der Entladestrom von einer Einheit aus
Stromquellen erzeugt, die mit den Anschlüssen der Kapazität
verbunden sind. Diese Quellen können auch unter der
Kontrolle des Registers in Abhängigkeit von den darin
enthaltenen Daten parallelgeschaltet werden, um einen
Entladestrom mit variablem Wert zu erstellen.
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Die einfachste Lösung besteht darin, eine binäre Wichtung
zu verwenden, bei der die in dem Register R1 gespeicherten
Bits in steigender Wichtungsreihenfolge liegen und jedes
Bit eine Stromquelle mit einem entsprechend gewichteten
Wert steuert. So kann das erste Bit des Registers (das
niedrigstwertige Bit) eine Ladestromquelle mit dem Wert I
und gleichzeitig eine Entladestromquelle mit dem gleichen
Wert I steuern; das zweite Bit des Registers steuert eine
Ladestromquelle mit dein Wert 21 und eine Entladestromquelle
mit dem Wert 21, usw; das n-te Bit steuert eine
Ladestromquelle und eine Entladestromquelle mit dem Wert 2nI.
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Damit erhält man nach dem Inhalt des Registers einen
Ladeund Entladestrom i, der zwischen 0 und (2n&spplus;¹-1)I in
Schritten gleich I variabel ist. Dieser Strom kann der
Hauptladeund -entladestrom sein oder parallel zu einem
Basisladeoder Entladestrom IO liegen, in welchem Fall das Register
zur Korrektur des Werts dieses Stroms IO dient (wobei der
Ladestrom bei einem Registerinhalt Null gleich IO ist).
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Der Ladestrom i, der aus der Summe des Stroms IO und der
von dem Register individuell eingesetzten Ströme gebildet
ist, wird zur Kapazität C über einen Schalter Kc
übertragen, der nur während der Ladung der Kapazität geschlossen
ist.
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Umgekehrt wird der Entladestrom i über einen Schalter Kd
übertragen, der nur während der Entladung geschlossen ist.
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Die Schalter Kc und Kd werden von Schwellenwertkomparatoren
COMP1 und COMP2 gegenphasig umgeschaltet, die mit der
Kapazität verbunden sind. Die Funktion des
Schwellenwertkomparators COMP1 liegt darin, die Ladung der Kapazität zu
unterbrechen und ihre Entladung einzuleiten, wenn die
Spannung an ihren Anschlüssen einen oberen Schwellenwert Vh
erreicht. Die Funktion des Komparators COMP2 liegt darin, die
Entladung der Kapazität zu unterbrechen und die Ladung
wieder zu beginnen, wenn die Spannung an den Anschlüssen der
Kapazität einen unteren Schwellenwert Vb erreicht. Eine
Logikschaltung CL (RS-Flipflop), die die Ausgänge der
Komparatoren empfängt, liefert die Steuersignale für die
Schalter Kc und Kd. Der Ausgang S dieser Logikschaltung CL ist
der Ausgang des Oszillators OSC; er liefert Rechteckimpulse
mit einer Frequenz, die mit dem (durch das Register R1
regelbaren) Wert des Lade- und Entladestroms, dem Wert der
Kapazität C und schließlich mit dem Wert der Abweichung
zwischen dem oberen und dem unteren Schwellenwert Vh bzw.
Vb der Komparatoren COMP1 und COMP2 verknüpft ist.
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Llegt die Technologie so vor, daß die Ströme I und IO von
dem Wert der Versorgungsspannung Vcc abhängen, dann kann
vorgesehen sein, daß die Komparatoren COMP1 und COMP2
ausgehend von Stromquellen ausgelegt sind, die auf die gleiche
Weise wie Quellen für die Lade- und Entladeströme IO, I, 2I,
usw. aufgebaut sind; genauer ist vorgesehen, daß die
Komparatoren COMP1 und COMP2 so ausgelegt sind, daß die
Differenz der Schwellenwerte Vh - Vb zu dem Strom I einer
Elementstromquelle proportional bleibt, wenn sich die
Versorgungsspannung ändert; auf diese Weise wird die Lade- und
Entladedauer von der Spannung Vcc unabhängig: läuft die
Ladung langsamer ab, da der Strom schwächer ist, dann ist der
Spannungsabstand Vh - Vb, der mit dem Strom die Dauer der
Ladung definiert, proportional schwächer, und die Periode
des Oszillators ändert sich insgesamt nicht.
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Dient das Register R1 im wesentlichen zum Empfang einer
Frequenzkorrektur, die mit den technischen Schwankungen
verknüpft ist, dann wird über dieses Register der (den
technischen Schwankungen unterworfene) Wert der Kapazität C
berücksichtigt.