DE69022185T2 - Kondensatorenanordnung mit variabler Kapazität. - Google Patents
Kondensatorenanordnung mit variabler Kapazität.Info
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Description
- Die Erfindung betrifft eine Kondensatoranordnung, die zur Bereitstellung einer variablen Kapazität ausgelegt ist, und betrifft insbesondere eine hochgenaue temperaturkompensierende Flüssigkristalloszillatorschaltung mit einer solchen Kondensatoranordnung zur Einstellung der Frequenz des Oszillatorausgangs.
- Die japanische offengelegte Patentanmeldung Nr. 62-76801 beschreibt eine temperaturkompensierende Flüssigkristalloszillatorschaltung mit einer Kondensatoranordnung, bei der die Ausgabe eines Temperaturkompensationsdaten enthaltenden Speichers in Parallelform umgewandelt wird und ihr dann mittels einer Lade/Entladeschaltung ein großer Zeitkoeffizient zugeordnet wird, um das Zu- und Abschalten der Kondensatoren zu bzw. von der Anordnung zu steuern. Diese Ausbildung versucht, die Reinheit des Oszillatorausgangssignals (C/N-Verhältnis) zu verbessern.
- Mit der gegenwärtig verfügbaren Technologie ist es allerdings schwierig, Lade/Entladeschaltungen mit großen Zeitkoeffizienten in einer integrierten Halbleiterschaltung herzustellen. Außerdem verlangt eine hohe Genauigkeit, daß jeder einzelne Kondensator der Kondensatoranordnung kleiner wird, woraufhin die Zahl der Kondensatoren zunimmt. Mit einer Zunahme der Zahl der Kondensatoren erreicht die parasitäre Kapazität der Schaltelemente bezogen auf die Kapazität der Kondensatoren eine Höhe, die nicht vernachlässigt werden kann, und das Verhältnis der Kapazität der Kondensatoren und der parasitären Kapazität der Schaltelemente wird sehr klein. Als Folge wird es schwierig, die Schwingfrequenz über einen weiten Bereich hinweg einzustellen. Wenn die Zahl der Kondensatoren zunimmt, muß ferner auch die Kapazität des Speichers für die Temperaturkompensationsdaten erhöht werden, was größere Kosten mit sich bringt.
- Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, zumindest in ihrer bevorzugten Form, solche Probleme zu überwinden.
- Erfindungsgemäß ist eine Kondensatoranordnung zum Bereitstellen einer variablen Kapazität vorgesehen, mit einer Mehrzahl von Schaltelementen, von denen jedes zum EIN- und AUS-Schalten je eines Kondensators in der Anordnung vorgesehen ist, und mit Mitteln, um das Schalten der Schaltelemente so zu steuern, daß ausgewählte der Kondensatoren EIN- oder AUS- geschaltet werden, wodurch die Kapazität geändert wird, wobei die Steuermittel zum Zusammenwirken mit Spannungserzeugungsmitteln ausgebildet sind, um einer Steuerelektrode jedes Schaltelements zum Schalten eines ausgewählten Kondensators eine EIN-Spannung oder eine AUS-Spannung zu liefern, welche bewirkt, daß sich die durch das Schaltelement vorgesehene Impedanz zwischen EIN- und AUS-Niveaus ändert, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuermittel und die Spannungserzeugungsmittel dergestalt zusammenwirken, der Steuerelektrode jedes Schaltelements zum Schalten eines ausgewählten Kondensators wenigstens eine weitere Spannung zu liefern, welche bewirkt, daß sich die durch das Schaltelement vorgesehene Impedanz von einem EIN- oder AUS-Niveau auf ein Zwischenniveau ändert, bevor die Änderung auf ein AUS- oder EIN-Niveau erfolgt.
- Als Folge der obigen Struktur kann ein halbkontinuierliches Schalten der Schaltelemente zwischen ihren Ein- und Aus- Zuständen (und damit eine Zwischenimpendanz) erreicht werden. Daher macht das elektrische Potential der Kondensatorelektroden keine plötzlichen Änderungen; es ist ein weiches Schalten der Kondensatoren möglich.
- Vorteilhafterweise erfordert die erfindungsgemäße Kondensatoranordnung nur geringes Schalten, weist aber ein beträchtliches Ein/Aus-Kapazitätsverhältnis auf. Und bei Einsatz in einer temperaturkompensierenden Flüssigkristalloszillatorschaltung ermöglicht die Erfindung vorteilhafterweise eine Feineinstellung mit nur einer geringen Speicherkapazität.
- Die Erfindung wird beispielhaft mit Bezug auf die beigefügten Zeichnungen näher beschrieben, in denen:
- Figur 1 ein Blockdiagramm ist, das eine Kristalloszillatorschaltung mit einer erfindungsgemäßen Kondensatoranordnung zum Bereitstellen einer variablen Kapazität darstellt,
- Figur 2 ein Schaltungsdetail ist, das eine äquivalente Schaltung für die Kondensatoranordnung der Kristalloszillatorschaltung der Figur 1 zeigt,
- Figur 3 eine graphische Darstellung ist, die die Änderung der äquivalenten Kapazität bezogen auf das Gate-Potential eines jeweiligen Schaltelements zeigt, und
- Figur 4 ein Schaltplan ist, der ein spezielles Schaltungsbeispiel der Kristalloszillatorschaltung der Figur 1 zeigt.
- Figur 1 ist ein Schaltplan einer Kristalloszillatorschaltung, der die Verwendung einer Kondensatoranordnung zum Bereitstellen einer variablen Kapazität zeigt, um den Oszillatorausgang zu stabilisieren. Ein spezielles Beispiel der Schaltung ist in Figur 4 gezeigt, in der den gleichen Schaltungselementen die gleichen Zahlen gegeben wurden. Das Beispiel der Figur 4 basiert auf einer integrierten Halbleiterschaltung, welche komplementäre MOS-Transistoren (CMOS-Transistoren) verwendet; die Erfindung ist jedoch nicht auf diese Technologie beschränkt.
- Wie dargestellt, umfaßt die Kristalloszillatorschaltung ein zwischen den Gate-Anschluß und den Drain-Anschluß eines Oszillationsverstärkers 27 geschaltetes Kristallschwingelement 25. Außerdem sind an die Drain-Leitung 28 ein Festkondensator 23 sowie eine Kondensatoranordnung mit Kondensatoren 20, 21 und 22 angeschlossen. Die Kondensatoren in der Anordnung sind durch FET-Schalter 10, 11 und 12 jeweils mit Masse verbunden, die so angeordnet sind, daß sie über Signale von einem Schaltsteuerkreis 8 ein- und ausgeschaltet werden, um den Gesamtkapazitätswert zu verändern. Der große Unterschied der Erfindung von der bisherigen Technologie liegt darin, daß den Gates der FET-Schalter 10, 11 und 12 eine Anzahl elektrischer Potentiale über einen D/A-Wandler 7 bereitgestellt wird, um die zugehörigen Kondensatoren zu steuern.
- Insbesondere gelangt der Ausgang eines Temperatursensors 1 durch einen A/D-Wandler 2, um digitalisierte Temperaturdaten zu erhalten. Die höchstwertigen Bits 31 des Ausgangs dieses A/D-Wandlers 2 werden als ein Adressignal in die Speicherschaltung eingegeben, welche Temperaturkompensationsdaten speichert. Die niedrigstwertigen Bits 32 des Ausgangs des A/D-Wandlers 2 werden über eine Umkehrschaltung 6 in den D/A- Wandler 7 eingegeben. Der Ausgang 33 der Speicherschaltung 3 gelangt durch einen (BCD-) Decoder 4 und wird einem Linearwandler 5 zugeführt. Um den Betrag der Speicherkapazität zu reduzieren, speichert die Speicherschaltung 3 die Kompensationsdaten für jede kompensierte Temperatur im Binärcode. In Antwort auf diese Daten gehen ausgewählte Ausgänge des Decoders 4 in einen aktiven Status. Wenn im Fall des Decoders 4 oder des Linearwandlers 5 der Ausgang 33 gleich dem Ausgang des Decoders 4 oder des Linearwandlers 5 in Figur 1 ist, kann diese Schaltung weggelassen werden. Wenn ein jeweiliger FET- Schalter vermittels des Ausgangs des Decoders 4 direkt ein- und ausgeschaltet wird, muß der zugehörige Kondensator notwendigerweise einen gewichteten Kapazitätswert annehmen. Die Erfindung wurde jedoch so ausgelegt, daß eine Wichtungssteuerung sogar dann stattfinden kann, wenn ein Linearwandler 5 verwendet wird und selbst wenn die Kapazität jedes Kondensators in der Anordnung gleich ist. Auf diese Weise kann der Gesamtkapazitätswert der Kondensatoranordnung minimiert werden, und es werden ein gleichmäßiges Schaltrauschen bei niedrigem Pegel und ein größerer Grad an Freiheit bei der Kompensation möglich.
- Der Ausgang des D/A-Wandlers 7 wird zu einem Zwischenwert eines Bereichs interpoliert, der dem Ausgang des Linearwandlers 5 entsprechend über den Schaltsteuerkreis 8 eine Kompensation vorsieht. Wenn bei der Erfindung die Zwischeninterpolation stattfindet, ist das Ergebnis, daß sich der Ein- Widerstand der FETS ändert und dies die CR-Zeitkonstante zwischen der Drain-Leitung 28 und Masse verändert.
- Bezugnehmend nunmehr auf Figur 4, entsprechen Signale D0, D1 und D2, Signale d0 und d1 und Signale D/u dem Ausgang 33, dem Ausgang 32 bzw. dem Ausgang 34 in Figur 1. Es ist möglich, die Zahl der Bits für die Ausgänge 33 und 32 zu vergrößern und zu verkleinern.
- Das Schalten der Kondensatoranordnung findet auf Basis einer Kombination des Ausgangs des Decoders 4 mit 3-Bit-Eingang und des Ausgangs des D/A-Wandlers 7 statt. Der Ausgang des Decoders 4 wird dem Linearwandler 5 zugeführt, wo eine Umformung stattfindet, derart, daß die Grenze zwischen denjenigen Kondensatoren in der Anordnung, die angeschaltet sind, und jenen, die abgeschaltet sind, stets eine ist, die mit der physikalischen Position des jeweiligen Kondensators 10, 11 oder 12 in der Anordnung übereinstimmt. Anders ausgedrückt: Entsprechend den Eingängen D0 bis D2 wird ein jeweiliger Ausgang des Decoders 4 L (und die anderen werden H); wenn dieser Ausgang dem Linearwandler 5 an einer Stelle in der Figur zugeführt wird, die einem bestimmten Kondensator an dieser Grenze entspricht, werden dieser Kondensator sowie der Kondensator zur linken angeschaltet (mit Masse verbunden) und der Kondensator zur rechten abgeschaltet.
- Wie zuvor erwähnt, wird der Eingang des Decoders 4 von dem Temperatursensor 1 vermittels des A/D-Wandlers 2 geliefert. Der Temperatursensor kann beispielsweise in Form eines Kristalloszillators oder eines Halbleitersensors vorliegen, dessen Ausgang durch den A/D-Wandler, der einen Spannungs-Frequenz-Wandler umfassen kann, zur Umwandlung in einen digitalen Wert geleitet wird. Die höchstwertigen Bits des digitalen Ausgangs des Wandlers 2 werden als Adressignal 31 der Speicherschaltung 3 (ROM) bereitgestellt, in der die Temperaturkompensationsdaten gespeichert worden sind. Die niedrigstwertigen Bits 32 (d0 und d1) sind als Eingang des D/A-Wandlers 7 vorgesehen. Weil die niedrigstwertigen Bits 32 eine sekundäre oder tertiäre Kurve der Schwingkristall-Temperaturcharakteristik darstellen, ist es notwendig, die Folge der niedrigstwertigen Bits umzukehren, um eine gleichmäßige Kompensation an den Krümmungspunkten vorzusehen. Dies wird erreicht, indem die Signale d0 und d1 dem D/A-Wandler 7 über die Umkehrschaltung 6 zugeführt werden. Das der Umkehrschaltung 6, die aus EX-ODER Gattern 61 und 62 aufgebaut ist, zugeführte Umkehrsteuersignal D/u wird aus dem Ausgang der Speicherschaltung 3 erhalten oder berechnet.
- In Figur 4 ist jeder der Schaltkreise 4, 5 und 8 zum Steuern der Kondensatoranordnung als Mehrzahl regelmäßiger Schaltungseinheiten ausgebildet, wie durch die gestrichelten Linien A, B und C angedeutet. Nachfolgend wird die Einheit B erläutert. Der Schaltsteuerkreis 8, der aus Steuergattern 84, 85 und 86 und Transfergattern in Form von Transistoren 184, 185 und 186 aufgebaut ist, empfängt den Ausgang des Decoders 4 und Linearwandlers 5, die aus einem Decoder 42 und Gattern 53 und 54 aufgebaut sind, und steuert das Gate-Potential des FET-Schalters 11, der ein N-Kanal-MOS-Transistor ist. Der Schaltsteuerkreis 8 ist aus den drei Transfergattern zur Übertragung des elektrischen Aus-Potentials (Masse), des elektrischen Ein-Potentials (Vcc) und eines elektrischen Zwischenpotentials VEE2 zwischen dem Aus-Potential und dem Einpotential sowie aus den Steuergattern für diese drei Transfergatter aufgebaut. Wenn der Ausgang des Decoders 4 L (aktiv) ist, wird das Zwischenpotential VEE2 übertragen, das von dem D/A-Wandler 7 bereitgestellt wird. In der Einheit A auf der linken Seite der Einheit B wird das elektrische Ein- Potential mittels des Transfergatters 181 übertragen. In der Einheit C auf der rechten Seite wird das elektrische Aus- Potential (gewöhnlich Masse) mittels des Transfergatters 188 übertragen.
- Hieraus resultierend und weil die FET-Schalter 10, 11 und 12 bei der Erfindung als variable Widerstände wirken, wird die äquivalente Schaltung für jeden Kondensator der Anordnung so, wie sie in Figur 2 gezeigt ist. Bei diesem Schaltbild ist Cx die parasitäre Kapazität des zugehörigen Schalters, Rs der FET-Schalterwiderstand und CA die Kapazität des betreffenden Kondensators. Weil die von der Drain-Leitung 28 aus gesehene äquivalente Kapazität C ausgedrückt werden kann als:
- und weil für ein FET-Gate-Potential Vg gilt:
- Rs α 1/Vg
- besteht die in Figur 3 gezeigte Beziehung.
- An dieser Stelle ist es wert zu erwähnen, daß die äquivalente Kapazität C sich in der Nähe der Schwellenspannung VTH des FET-Schalters abrupt ändert. Wenn daher der FET-Schalter mit einer einfachen Zeitkonstantenschaltung gesteuert wird, wird dies eine plötzliche Änderung der äquivalenten Kapazität C hervorrufen. Es werden sich dann das elektrische Potential der Drain-Leitung 28 abrupt ändern und ein durch die Kondensatorkopplung verursachter Schaltvorgang auf der Drain-Leitung 28 erzeugt, wie in der japanischen Patentanmeldung Nr. 62-76801 beschrieben. Aus diesem Grund wird bei der Erfindung unter Verwendung des D/A-Wandlers 7 in Figur 1 eine Gate- Spannung in dem Bereich der in Figur 3 gezeigten äquivalenten Kapazität C erzeugt, der der plötzlichen Änderung unterliegt. In Figur 4 läßt man einen MOS-Transistor 161, der die gleiche Kanallänge wie jeder der FET-Schalter hat, bei konstantem Strom mit einer Spannung nahe der Schwellenspannung arbeiten. Ein elektrisches Potential v0 wird als dessen Gate-Spannung verwendet; elektrische Potentiale v1 und v2, die geringfügig höher sind, werden aus dem elektrischen Potential v0 unter Verwendung passiver Widerstände 162 und 163 gewonnen, welche entweder diffundierte Widerstände oder Polysilizium-Widerstände sind. Ein maximales elektrisches Potential v3 ist so festgelegt, daß es nahe der Energieversorgungsspannung Vcc liegt.
- Unter Steuerung des D/A-Wandlers 7 werden elektrische Potentiale v0 bis v3 durch analoge Schalter 171 bis 178 ausgewählt und den jeweiligen Transfergattern 183, 186 und 189 als elektrische Zwischenpotentiale VEE1 und VEE2 zugeführt. Während des Einschaltens jedes FET-Schalters 10, 11 und 12 durchläuft der Ausgang des D/A-Wandlers vier verschiedene Zustände in Antwort auf die unterschiedlichen Kombinationen der der Umkehrschaltung 6 gelieferten Signale d0 und d1. Dementsprechend ändert sich das elektrische Potential VEE1 oder VEE2 in Stufen von v0 bis v3, um den betreffenden FET-Schalter einzuschalten. Da die elektrischen Potentiale v0 bis v3 über hohe Widerstände erzeugt werden, werden sie dem Gate des FET- Schalters mit einer großen Zeitkonstante geliefert; damit erfolgt effektiv ein halbkontinuierliches Schalten des FET- Schalters und die äquivalente Kapazität kann sich gleichmäßiger ändern.
- Wenn der Schaltzustand der Kondensatoranordnung wechselt, so daß ein FET-Schalter, der das elektrische Ein-Potential Vcc erhalten hat, ausgeschaltet werden soll, würde sich die Spannung VEE1 oder VEE2 abrupt von v3 auf v0 ändern. Somit könnte eine Situation eintreten, in der das Gate-Potential des FET-Schalters für einen Augenblick über das Transfergatter 183, 186 oder 189 wild zum Schwanken kommt. Um dies zu verhindern, sind bei der vorliegenden Erfindung zwei Leitungen für die Spannungen VEE1 und VEE2 vorgesehen und der D/A- Wandler 7 sowie die analogen Schalter 171 bis 178 in zwei Spannungserzeugungsabschnitte aufgeteilt, einen zur Erzeugung eines ansteigenden elektrischen Zwischenpotentials und einen zur Erzeugung eines abfallenden elektrischen Zwischenpotentials. Die Logik des D/A-Wandlers 7 ist folglich so ausgeführt, daß eine stufenweise Anderung des elektrischen Zwischenpotentials einerseits von v0 bis v3 und andererseits von v3 bis v0 bewirkt wird.
- Das Testen der beschriebenen Schaltkreises zum Schalten der Kondensatoranordnung kann im allgemeinen nicht hinreichend mit einem LSI-Tester durchgeführt werden. Bei der Erfindung sind jedoch für jede Einheit der Anordnung Transfergatter 91 bis 96 vorgesehen, die durch den Ausgang des Decoders 4 und des Linearwandlers 5 sowie ein Testsignal TEST ein- und ausgeschaltet werden, so daß das Gate-Potential der FET-Schalter von einem Überwachungsanschlußstift MO aus überwacht werden kann. Nur jene Einheiten, für die der Ausgang des Decoders 4 aktiv ist, werden zur Ausgabe des Gate-Potentials an den MO- Anschlußstift ausgewählt. Auf diese Weise ist der Betrieb des die FET-Schalter steuernden Schaltkreises eindeutig testbar, was die Realisierung einer hochzuverlässigen Kondensatoranordnung erlaubt.
- Wie vorstehend beschrieben, unterliegt wegen der sehr gleichmäßigen Änderung der Kapazität der Kondensatoranordnung eine die Anordnung verwendende Schwingschaltung keinen plötzlichen, durch Schaltvorgänge hervorgerufenen Frequenzschwankungen, was es ermöglicht, einen äußerst reinen Schwingungsausgang bereitzustellen. Verglichen mit anderen bisherigen Technologien kann außerdem eine Feineinstellung mit hoher Auflösung realisiert werden, weil eine bedeutende Verringerung der Zahl der Kondensatoren möglich ist, während weiterhin eine vergleichsweise große Kapazität zur Verfügung gestellt wird. Daher kann das Verhältnis der parasitären Kapazität Cx in Figur 2 verkleinert werden, was einen weiteren Frequenzbereich für die Schwingschaltung erlaubt. Überdies kann die große von den Kondensatoren auf der Oberfläche der integrierten Halbleiterschaltung eingenommene Fläche reduziert werden, und es kann ebenfalls die zur Kompensation benötigte Speicherkapazität verringert werden, wodurch die Verwirklichung von billigeren integrierten Schaltungen mit variabler Kapazitätsanordnung möglich ist.
- Bei dem beschriebenen Beispiel befindet sich die Kondensatoranordnung auf der Ausgangsseite des Oszillationsverstärkers. Es muß jedoch nicht gesagt werden, daß die Anordnung eingangsseitig oder sowohl eingangsseitig als auch ausgangsseitig angeordnet werden könnte. Außerdem ist die Erfindung nicht auf Schwingschaltungen beschränkt. Sie kann in weitem Maße bei Applikationen zur Anwendung kommen, bei denen Kondensatoren benutzt werden, beispielsweise in Filtern und Abstimmvorrichtungen, sowie bei Applikationen, die Zeitkonstanten verwenden, als auch in elektronischen Schaltungen, die feine programmierbare Einstellungen der Kapazität verlangen.
Claims (6)
1. Kondensatoranordnung zum Bereitstellen einer variablen
Kapazität, mit einer Mehrzahl von Schaltelementen (10,
11...12), von denen jedes zum EIN- und AUS-Schalten je
eines Kondensators (20, 21...22) in der Anordnung
vorgesehen ist, und mit Mitteln (8), um das Schalten der
Schaltelemente so zu steuern, daß ausgewählte der
Kondensatoren EIN- oder AUS-geschaltet werden, wodurch die
Kapazität geändert wird, wobei die Steuermittel (8) zum
Zusammenwirken mit Spannungserzeugungsmitteln (7)
ausgebildet sind, um einer Steuerelektrode jedes
Schaltelements zum Schalten eines ausgewählten Kondensators eine
EIN-Spannung oder eine AUS-Spannung zu liefern, welche
bewirkt, daß sich die durch das Schaltelement
vorgesehene Impedanz zwischen EIN- und AUS-Niveaus ändert,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Steuermittel (8) und die
Spannungserzeugungsmittel (7) dergestalt zusammenwirken, der
Steuerelektrode jedes Schaltelements zum Schalten eines
ausgewählten Kondensators wenigstens eine weitere Spannung zu
liefern, welche bewirkt, daß sich die durch das
Schaltelement vorgesehene Impedanz von einem EIN- oder AUS-
Niveau auf ein Zwischenniveau ändert, bevor die Änderung
auf ein AUS- oder EIN-Niveau erfolgt.
2. Anordnung nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, daß durch das Zusammenwirken der
Steuermittel (8) und der Spannungserzeugungsmittel (7)
wenigstens zwei weitere Spannungen geliefert werden, um
zu bewirken, daß sich die durch das Schaltelement
vorgesehene Impedanz zwischen einer Mehrzahl von
Zwischenniveaus zwischen EIN- und AUS-Niveaus ändert, und daß
die Reihenfolge, in der die weiteren Spannungen
geliefert werden, durch die Steuermittel (8) für eine
Änderung von einem EIN-Niveau gesteuert wird und für eine
Änderung von einem AUS-Niveau diese Reihenfolge durch
die Steuermittel (8) umgekehrt wird.
3. Anordnung nach Anspruch 1 oder 2,
dadurch gekennzeichnet, daß die Schaltelemente (10,
11...12), die Kondensatoren (20, 21...22) sowie die
Steuermittel (8) so geschaltet sind, daß sie ähnliche
Einheiten bilden, von denen jede eine vorbestimmte
Anzahl der Schaltelemente, eine vorbestimmte Anzahl von
Kondensatoren und einen vorbestimmten Teil der
Steuermittel enthält.
4. Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
gekennzeichnet durch Mittel (2), um eine Steuereingabe
zu empfangen und eine digitale Ausgabe zu liefern, bei
welcher zur selektiven Bestimmung der Spannung das
niedrigstwertige Bit oder die niedrigstwertigen Bits an
die Spannungserzeugungsmittel angelegt werden.
5. Anordnung nach Anspruch 4,
dadurch gekennzeichnet, daß die Steuermittel (8) zu
solchem Zusammenwirken mit den
Spannungserzeugungsmitteln (7) ausgebildet sind, daß in Antwort auf eine
Änderung des niedrigstwertigen Bits der digitalen
Ausgabe die Impedanz von nur zweien der Schaltelemente
geändert wird.
6. Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
gekennzeichnet durch Mittel (91 bis 96), um zu
Testzwecken die Spannung an der Steuerelektrode jedes
Schaltelements zum Einschalten eines ausgewählten
Kondensators an einen Überwachungsanschluß (MO) zu liefern.
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