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HINTERGRUND
DER ERFINDUNG
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Die
vorliegende Erfindung betrifft einen Oszillator, der zur Verwendung
in einer integrierten Schaltung, wie beispielsweise einem Mikrocontroller, geeignet
ist.
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Mikrocontroller,
die auch Mikrocontrollereinheiten (MCUs) oder Ein-Chip-Mikrocomputer genannt
werden, verwenden eine Oszillatorschaltung auf dem Chip zum Erzeugen
eines internen Taktsignals. Die Oszillatorschaltung weist herkömmlich einen
Inverter auf, von welchem die Eingangs- und Ausgangsanschlüsse über einen
Rückkopplungswiderstand
aneinander gekoppelt sind, was veranlasst, dass der Inverter zwischen
den hohen und niedrigen Ausgabezuständen oszilliert. Die Eingangs-
und Ausgangsanschlüsse
sind auch an externe Anschlussleitungen des Mikrocontroller-Pakets
gekoppelt.
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In
einem ersten Betriebsmode sind diese externen Anschlussleitungen
an einen externen Schwingquarz gekoppelt, der die Oszillationsfrequenz
des Inverters bestimmt. In einem zweiten Betriebsmode wird ein externes
Taktsignal zu der externen Anschlussleitung zugeführt, die
an den Eingangsanschluss des Inverters gekoppelt ist, und oszilliert
der Inverter bei der Frequenz des externen Taktsignals. Die andere
externe Anschlussleitung kann offen bzw. im Leerlauf gelassen werden,
oder ein komplementäres
externes Taktsignal, das durch einen externen Inverter erzeugt wird,
kann zu dieser externen Anschlussleitung zugeführt werden.
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Zum
Antreiben des externen Schwingquarzes, der im ersten Betriebsmode
verwendet wird, erfordert der Inverter des Oszillators eine hohe
Ausgangstreiberfähigkeit,
aber diese Fähigkeit
hat unerwünschte
Konsequenzen, wenn der zweite Betriebsmode verwendet wird. Wenn
die externe Anschlussleitung, die an den Ausgangsanschluss des Inverters gekoppelt
ist, im Leerlauf gelassen wird, führt die hohe Ausgangstreiberfähigkeit
des Inverters dazu, dass diese externe Anschlussleitung ein elektromagnetisches
Wechselfeld mit steilen Übergängen zwischen
den hohen und niedrigen Zuständen
strahlt. Diese steilen Übergänge können leicht
eine elektromagnetische Interferenz (EMI) in anderen Schaltungen
in der Nähe
erzeugen.
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Wenn
ein komplementäres
externes Taktsignal von einem externen Inverter zu dieser externen Anschlussleitung
zugeführt
wird, können
Unterschiede zwischen den Umschaltcharakteristiken des Inverters
des Oszillators und dem externen Inverter momentane Kurzschlusszustände erzeugen,
wobei die Ausgabe von einem Inverter hoch ist, während die Ausgabe des anderen
Inverters niedrig ist. Die hohe Ausgangstreiberfähigkeit des Inverters des Oszillators
kann einen beachtlichen Stromfluss durch die externe Anschlussleitung
während
dieser Momente erzeugen, was wiederum eine elektromagnetische Interferenz
erzeugt, nicht zu reden von einer unerwünschten Dissipation von Strom
und Leistung.
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Strom
und Leistung werden ungeachtet dessen, wie die externen Anschlussleitungen
angeschlossen sind, während
des zweiten Betriebsmodes auch unnötigerweise im Rückkopplungswiderstand zerstreut
bzw. als Verlustleistung verbraucht.
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In
EP-A-0 642 222 ist ein Taktimpulsgenerator offenbart, der einen
Inverter mit drei Zuständen und
ein Übertragungsgatter
hat, die in einem internen Oszillationsmode in Kombination eine
Rückkopplungsschleife
zum Oszillieren eines Ausgangs-Taktsignals
in Kooperation mit einem Quarzoszillator bilden, und der Inverter
mit drei Zuständen
tritt in einem externen Oszillationsmode in einen Zustand hoher Impedanz
ein, so dass ein externes Taktsignal zum Ausgangsknoten des Inverters
mit drei Zuständen ohne
Fehlfunktion übertragen
wird.
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ZUSAMMENFASSUNG
DER ERFINDUNG
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Es
ist demgemäß eine Aufgabe
der vorliegenden Erfindung, eine elektromagnetische Interferenz
zu reduzieren, wenn eine Oszillatorschaltung durch ein externes
Taktsignal angetrieben wird.
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Eine
weitere Aufgabe der Erfindung besteht im Reduzieren einer Strom-
und Leistungsdissipation, wenn eine Oszillatorschaltung durch ein
externes Taktsignal angetrieben wird.
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Gemäß der vorliegenden
Erfindung ist eine Oszillatorschaltung zur Verfügung gestellt, wie sie im Anspruch
1 definiert ist.
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Gemäß einem
ersten Aspekt weist eine Oszillatorschaltung einen Inverter mit
Eingangs- und Ausgangsanschlüssen,
eine erste Umschaltschaltung zum schaltba ren Reduzieren der Ausgangstreiberfähigkeit
des Inverters und eine zweite Umschaltschaltung zum schaltbaren
Koppeln der Eingangs- und Ausgangsanschlüsse des Inverters aneinander über einen
bestimmten Widerstand auf. In einem ersten Betriebsmode wird die
erste Umschaltschaltung geschaltet, um die Ausgangstreiberfähigkeit
des Inverters zu reduzieren, wird die zweite Umschaltschaltung geschaltet,
um die Eingangs- und Ausgangsanschlüsse des Inverters über den
oben angegebenen Widerstand aneinander zu koppeln, und wird ein
externer Resonator an die Eingangs- und Ausgangsanschlüsse gekoppelt.
In einem zweiten Betriebsmode wird die erste Umschaltschaltung geschaltet,
um die Ausgangstreiberfähigkeit
des Inverters zu reduzieren, wird die zweite Umschaltschaltung geschaltet, um
die Eingangs- und Ausgangsanschlüsse
des Inverters nicht aneinander zu koppeln, und wird ein externes
Taktsignal zum Eingangsanschluss zugeführt.
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Bei
einem weiteren Oszillator, der nicht zur vorliegenden Erfindung
gehört,
weist eine Oszillatorschaltung einen Inverter mit Eingangs- und
Ausgangsanschlüssen,
die oben beschriebene zweite Umschaltschaltung und eine dritte Umschaltschaltung
zum schaltbaren Halten des Ausgangsanschlusses des Inverters auf
einem festen Potential auf. Die Ausgabe der Oszillatorschaltung
wird vom Eingangsanschluss des Inverters erzeugt. Die dritte Umschaltschaltung
wird im zweiten Betriebsmode, in welchem ein externes Taktsignal
zum Eingangsanschluss zugeführt
wird, geschaltet, um den Ausgangsanschluss des Inverters auf einem
festen Potential zu halten, und im ersten Betriebsmode, in welchem
ein externer Resonator an die Eingangs- und Ausgangsanschlüsse gekoppelt
ist, um den Ausgangsanschluss des Inverters nicht auf einem festen Potential
zu halten.
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Im
zweiten Betriebsmode wird eine elektromagnetische Interferenz bei
der Erfindung durch Reduzieren der Ausgangstreiberfähigkeit
des Inverters reduziert, und bei dem anderen Oszillator durch Halten
des Ausgangs des Inverters auf einem festen Potential. Bei den zwei
obigen Oszillatorschaltungen werden eine Stromdissipation und eine
Leistungsdissipation im zweiten Betriebsmode durch Ausschalten der
Widerstandskopplung zwischen den Eingangs- und Ausgangsanschlüssen reduziert.
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KURZE BESCHREIBUNG
DER ZEICHNUNGEN
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Die
beigefügten
Zeichnungen zeigen:
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1 eine schematische Zeichnung
einer herkömmlichen
Oszillatorschaltung;
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2 eine schematische Zeichnung
eines ersten Ausführungsbeispiels
der Erfindung;
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3 eine schematische Zeichnung
einer weiteren Oszillatorschaltung, die nicht zur vorliegenden Erfindung
gehört.
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DETAILLIERTE
BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
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Nach
einer detaillierteren Beschreibung der herkömmlichen Oszillatorschaltung
werden Ausführungsbeispiele
der Erfindung unter Bezugnahme auf die beigefügten illustrativen Zeichnungen
beschrieben.
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1 ist ein schematisches
Diagramm der herkömmlichen
Oszillatorschaltung, das für
einen Vergleich mit der vorliegenden Erfindung gezeigt ist. Der
oben genannte Inverter 1 weist einen p-Kanal-Anreicherungsmode-Metalloxidhalbleiter-Feldeffekttransistor
(der nachfolgend PMOS-Transistor genannt wird) TR1 und einen n-Kanal-Anreicherungsmode-Metalloxidhalbleiter-Feldeffekttransistor
(der nachfolgend NMOS-Transistor genannt wird) TR2 auf. Die Transistoren
TR1 und TR2 sind zwischen einem Paar von Leistungsversorgungspotentialen
in Reihe geschaltet, die in der Zeichnung durch die Buchstaben VDD
und das Erdungszeichen dargestellt sind, wobei VDD in Bezug auf
die Erdung positiv ist. Der Eingangsanschluss 2 des Inverters 1 ist
an die Gate-Anschlüsse
der Transistoren TR1 und TR2, an ein Ende eines Rückkopplungswiderstands 4 und an
eine externe Anschlussleitung OSC0 gekoppelt; der Ausgangsanschluss 3 des
Inverters 1 ist an die Drain-Anschlüsse der Transistoren TR1 und
TR2, das andere Ende des Rückkopplungswiderstands 4, an
eine weitere externe Anschlussleitung OSC1 und an den Eingangsanschluss
eines zweiten Inverters INV1 gekoppelt. Die Ausgabe des Inverters
INV1 ist ein Taktsignal, das beispielsweise zu der Zentralverarbeitungseinheit
(CPU, nicht zu sehen) eines Mikrocontrollers geführt wird, in welchem die Oszillatorschaltung
verwendet wird.
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Zu
sagen, dass der Inverter 1 eine hohe Ausgangstreiberfähigkeit
hat, bedeutet grundsätzlich, dass
die Transistoren TR1 und TR2 breite Kanäle und niedrige Ein- Widerstände haben
und daher zulassen können,
dass relativ große
Ströme
von VDD zur externen Anschlussleitung OSC1 oder von OSC1 zur Erdung
fließen.
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2 ist ein schematisches
Diagramm eines ersten Ausführungsbeispiels
der Erfindung. Ein Inverter 11 ist gleich dem Inverter 1 beim
Stand der Technik und weist einen PMOS-Transistor TR3 und einen
NMOS-Transistor TR4 auf, die zwischen VDD und der Erdung in Reihe
geschaltet sind. Der Eingangsanschluss 12 und der Ausgangsanschluss 13 des
Inverters 11 sind jeweils an externe Anschlussleitungen
OSC0 und OSC1 gekoppelt. Der Ausgangsanschluss 13 ist auch
an einen zweiten Inverter INV2 gekoppelt, der gleich dem Inverter
INV1 in 1 ist.
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Die
Ausgangstreiberfähigkeit
des Inverters 11 wird durch eine erste Umschaltschaltung
gesteuert, die einen p-Kanal-Verarmungsmode-Metalloxidhalbleiter-Feldeffekttransistor
TR5 und einen n-Kanal-Verarmungsmode-Metalloxidhalbleiter-Feldeffekttransistor
TR6 aufweist. Beide Transistoren TR5 und TR6 sind vom normal eingeschalteten
Typ. Wenn das Gate-Potential des Transistors TR5 VDD ist, ist der
Transistor TR5 leitend, aber mit einem vergleichsweise hohen Widerstand.
Wenn das Gate-Potential des Transistors TR5 das Erdungspotential
ist, ist der Transistor TR5 mit einem vergleichsweise niedrigen
Widerstand leitend. Der Transistor TR6 ist mit einem vergleichsweise
hohen Widerstand leitend, wenn sein Gate-Potential das Erdungspotential
ist, und mit einem vergleichsweise niedrigen Widerstand, wenn sein
Gate-Potential VDD ist.
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Der
Eingangsanschluss 12 und der Ausgangsanschluss 13 des
Inverters 11 sind über
eine zweite Umschaltschaltung aneinander gekoppelt, die einen PMOS-Transistor TR7 und
einen NMOS-Transistor TR8 aufweist. Diese zwei Transistoren TR7 und
TR8 sind parallel geschaltet, was ein Übertragungsgatter 14 bildet,
und sind entworfen, um einen vergleichsweise hohen Ein-Widerstand
zu haben. Wenn das Gate-Potential des Transistors TR7 das Erdungspotential
ist und das Gate-Potential
des Transistors TR8 VDD ist, sind beide Transistoren leitend, während sie
als Rückkopplungswiderstand
wirken, der äquivalent
zu R1 in 1 ist. Das
bedeutet, dass die Kombination aus den parallelen Ein-Widerstände der
Transistoren TR7 und TR8 im Wesentlichen gleich dem Widerstand R1
ist. Wenn das Gate-Potential
des Transistors TR7 VDD ist und das Gate-Potential des Transistors
TR8 das Erdungspotential ist, sind beide Transistoren ausgeschaltet.
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Die
erste und die zweite Umschaltschaltung werden durch ein Steuersignal
(CONT) gesteuert, das an die Gate-Anschlüsse der Transistoren TR5 und
TR7 angelegt wird. Dieses Steuersignal wird auch durch einen Inverter
INV3 invertiert, und das invertierte Steuersignal wird an die Gate-Anschlüsse der
Transistoren TR6 und TR8 angelegt. Wenn das erste Ausführungsbeispiel
bei einem Mikrocontroller verwendet wird, wird das Steuersignal
(CONT) dadurch erzeugt, dass man die Software des Mikrocontrollers
ein Flag-Bit setzen oder löschen
lässt.
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Das
erste Ausführungsbeispiel
arbeitet wie folgt in einem ersten Mode und einem zweiten Mode.
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Im
ersten Mode ist ein externer Schwingquarz (nicht zu sehen) an die
Anschlussleitungen OSC0 und OSC1 gekoppelt, und ist das oben angegebene
Flag-Bit gelöscht,
so dass CONT niedrig ist, das Übertragungsgatter 14 eingeschaltet
ist und die Transistoren TR5 und TR6 mit einem niedrigen Widerstand
leitend sind. In diesem Mode arbeitet das erste Ausführungsbeispiel
im Wesentlichen auf dieselbe Weise wie die herkömmliche Oszillatorschaltung
in 1. Dieser Mode wird
beispielsweise bei einem Mikrocontroller verwendet, der als Master-Controller
bzw. Haupt-Controller bzw. unabhängiger
Controller arbeitet.
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Im
zweiten Betriebsmode wird ein externes Taktsignal zur externen Anschlussleitung
OSC0 zugeführt.
Die externe Anschlussleitung OSC1 kann offen bzw. im Leerlauf gelassen
werden, oder ein komplementäres
Taktsignal kann zugeführt
werden. Das oben angegebene Flag-Bit wird gesetzt, so dass CONT
hoch ist, das Übertragungsgatter 14 ausgeschaltet
ist und die Transistoren TR5 und TR6 mit einem vergleichsweise hohen
Widerstand leitend sind. Dieser hohe Widerstand reduziert die Ausgangstreiberfähigkeit
des Inverters 11 durch Begrenzen des Stromflusses durch
den Inverter 11. Dieser Mode wird beispielsweise bei einem
Mikrocontroller verwendet, der als Slave-Controller bzw. Unter-Controller
bzw. abhängiger
Controller arbeitet.
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Im
zweiten Betriebsmode reduziert dann, wenn die externe Anschlussleitung
OSC1 im Leerlauf gelassen wird, die reduzierte Ausgangstreiberfähigkeit
des Inverters 11 die Rate, mit welcher die Kapazität der Anschlussleitung
OSC1 und seine interne Verdrahtung geladen und entladen wird, so
dass keine abrupten Hoch-Niedrig-Übergänge auftreten.
Eine elektromagnetische Interferenz wird daher reduziert. Ebenso
wird im Vergleich mit der herkömmlichen
Oszillatorschaltung eine Strom- und
Leistungsdissipation reduziert, weil kein Strom durch das Übertragungsgatter 14 fließt.
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Wenn
ein komplementäres
externes Taktsignal zur Anschlussleitung OSC1 zugeführt wird,
begrenzt die reduzierte Ausgangstreiberfähigkeit des Inverters 11 den
Stromfluss durch diese Anschlussleitung selbst dann, wenn momentane
Kurzschlusszustände
zwischen dem Inverter 11 und dem externen Inverter (nicht
zu sehen), der das komplementäre
Taktsignal erzeugt, auftreten. Eine elektromagnetische Interferenz
und eine Strom- und Leistungsdissipation werden daher reduziert.
Eine Strom- und Leistungsdissipation wird auch deshalb reduziert,
weil das Übertragungsgatter 14 ausgeschaltet
ist.
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3 ist ein schematisches
Diagramm einer weiteren Oszillatorschaltung, die nicht zu der vorliegenden
Erfindung gehört.
Ein Inverter 21 ist gleich dem Inverter 11 beim
ersten Ausführungsbeispiel und
weist einen PMOS-Transistor TR10 und einen NMOS-Transistor TR11
auf, die zwischen VDD und der Erdung in Reihe geschaltet sind, wobei
ihre Gate-Anschlüsse
an eine externe Anschlussleitung OSC0 gekoppelt sind und ihre Drain-Anschlüsse an eine
externe Anschlussleitung OSC1. Die Ausgabe des weiteren Oszillators
gemäß 3 wird aus dem Signal am
Eingangsanschluss 22 des Inverters 21 durch ein
weiteres Paar von Invertern INV4 und INV5 erzeugt.
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Der
weitere Oszillator gemäß 3 hat eine dritte Umschaltschaltung,
die einen PMOS-Transistor TR12 und einen NMOS-Transistor TR13 aufweist. Der
Transistor TR12 ist zu dem Transistor TR10 zwischen VDD und dem
Ausgangsanschluss 23 des Inverters 21 parallel
geschaltet. Der Transistor TR13 ist zwischen dem Ausgangsanschluss 23 des
Inverters 21 und der Erdung in Reihe zum Transistor TR11
geschaltet.
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Die
zweite Umschaltschaltung oder das Übertragungsgatter 24,
die einen NMOS-Transistor TR14
und einen PMOS-Transistor TR15 aufweist, ist gleich dem Übertragungsgatter 14 beim
ersten Ausführungsbeispiel.
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Die
zweite und die dritte Umschaltschaltung werden durch ein Steuersignal
(CONT) gesteuert, das zum Gate des Transistors TR15 und zu einem
Inverter INV6 zugeführt
wird. Das durch den Inverter INV6 ausgegebene invertierte Steuersignal
wird zu den Gate-Anschlüssen
der Transistoren TR12, TR13 und TR14 zugeführt.
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Im
ersten Betriebsmode wird, wenn ein externer Schwingquarz an die
Anschlussleitungen OSC0 und OSC1 gekoppelt ist, das Steuersignal CONT
niedrig, der Transistor TR12 ausgeschaltet, der Transistor TR13
eingeschaltet und das Übertragungsgatter 24 eingeschaltet.
In diesem Mode arbeitet das erste Ausführungsbeispiel im Wesentlichen auf
dieselbe Weise wie die herkömmliche
Oszillatorschaltung in 1.
Insbesondere ist die Phase des Ausgangssignals der weiteren Oszillatorschaltung gemäß 3 (die Ausgabe des Inverters
INV5) dieselbe wie die Phase der Ausgabe in 1 (die Ausgabe des Inverters INV1), auch
wenn das Ausgangssignal vom Eingangsanschluss 22 des Inverters 21 anstatt
vom Ausgangsanschluss 23 erzeugt wird.
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Im
zweiten Betriebsmode wird ein externes Taktsignal zur externen Anschlussleitung
OSC0 zugeführt
und wird die externe Anschlussleitung OSC1 offen bzw. im Leerlauf
gelassen. Das Steuersignal CONT ist hoch, der Transistor TR12 ist
eingeschaltet, der Transistor TR13 ist ausgeschaltet und das Übertragungsgatter 24 ist
ausgeschaltet. Der Ausgang des Inverters 21 wird auf dem
hohen Pegel gehalten, während
er über
den Transistor TR12 an VDD gekoppelt ist und von der Erdung durch
den Transistor TR13 getrennt ist. Das Ausgangssignal bei der weiteren
Oszillatorschaltung gemäß 3 wird durch zweimaliges
Invertieren des externen Taktsignals in den Invertern INV4 und INV5
erzeugt. Das Ausgangssignal hat dieselbe Phase wie beim ersten Ausführungsbeispiel
und beim herkömmlichen
Stand der Technik.
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Im
zweiten Mode wird keine elektromagnetische Interferenz an der externen
Anschlussleitung OSC1 erzeugt, weil diese Anschlussleitung auf einem
konstanten Potential gehalten wird. Kein Strom oder keine Leistung
wird im Übertragungsgatter 24 dissipiert,
welches ausgeschaltet ist. Ein weiterer Vorteil besteht darin, dass
es niemals eine Notwendigkeit für
eine Eingabe eines komplementären
Taktsignals bei OSC1 gibt.
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Das
oben beschriebene Ausführungsbeispiel kann
auf zahlreiche Arten variiert werden. Beispielsweise kann das Steuersignal
(CONT) durch eine Eingabe bei einer weiteren externen Anschlussleitung erzeugt
werden, anstatt dass es durch ein Flag-Bit erzeugt wird. Die Polarität des Steuersignals
kann umgekehrt sein. Bei dem weiteren Oszillator gemäß 3, der nicht zu der vorliegenden
Erfindung gehört,
kann im zweiten Betriebsmode der Ausgangsanschluss 23 des
Inverters 21 niedrig statt hoch gehalten werden, indem
der Transistor TR12 in Reihe zu dem Transistor TR10 geschaltet wird,
der Transistor TR3 parallel zu dem Transistor TR11 geschaltet wird
und das nicht invertierte Steuersignal zu den Gate-Anschlüssen der
Transistoren TR12 und TR12 zugeführt
wird.
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Fachleute
auf dem Gebiet werden erkennen, dass weitere Variationen innerhalb
des Schutzumfangs der Erfindung möglich sind, die durch den Anspruch
1 definiert ist.