DE69909399T2 - Integrierte schaltung mit einem oszillator - Google Patents

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    • H03B2200/0026—Structural aspects of oscillators relating to the pins of integrated circuits

Description

  • Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen integrierten Oszillator zur Abgabe eines Oszillatorsignals mit einer Schwingungsfrequenz, welche von einem externen Resonator, der zwischen einem Anschluss einer externen Energieversorgung und einem Anschluss eines externen Signals geschaltet ist, abhängig ist, wobei der Anschluss des externen Signals der einzige Anschluss des externen Signals ist, welcher für den integrierten Oszillator erforderlich ist.
  • Ein integrierter Oszillator dieser Art ist in dem IEEE Journal of Solid-State Circuits, Band SC-19, Nr. 2, April 1984, Seiten 228–235, offenbart. Diese Publikation offenbart einen Quarzoszillator mit einer guten Frequenzstabilität und einer hohen Zuverlässigkeit. Die Vorteile des integrierten Oszillators liegen darin, dass lediglich ein Anschluss des externen Signals notwendig ist und keine anderen externen Komponenten als der Quarz erforderlich sind.
  • Nachteil des Oszillators gemäß der oben erwähnten Publikation ist, dass er mindestens einen sogenannten potentialfreien Kondensator aufweist. Für einen solchen potentialfreien Kondensator ist in dem integrierten Oszillator eine relativ große Fläche erforderlich.
  • Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen verbesserten, integrierten Oszillator vorzusehen, bei welchem die oben erwähnten Nachteile eliminiert sind.
  • Zu diesem Zweck ist der integrierte Schaltkreis der in dem einleitenden Absatz definierten Art dadurch gekennzeichnet, dass der Oszillator einen ersten Verstärker mit einem, an den Anschluss des externen Signals gekoppelten, nicht invertierenden Eingang, einem invertierenden Eingang und einem, an den nicht invertierenden Eingang gekoppelten Ausgang sowie einen zweiten Verstärker mit einem, an den nicht invertierenden Eingang des ersten Verstärkers gekoppelten, nicht invertierenden Eingang, einem, an den invertierenden Eingang des ersten Verstärkers gekoppelten, invertierenden Eingang sowie einem, an den invertierenden Eingang des zweiten Verstärkers gekoppelten Ausgang aufweist.
  • Große Kondensatoren können vermieden werden, wenn der Oszillator lediglich Kondensatoren aufweist, welche jeweils mindestens eine Elektrode aufweisen, die mit dem Anschluss der externen Energieversorgung elektrisch verbunden ist. Ein solcher Kondensator wird als potentialgebundener Kondensator bezeichnet. Durch die Verwendung eines potentialgebundenen Kondensators besteht die Möglichkeit, die Gatekapazität eines Anreicherungsfeldeffekttransistors als Kondensator zu verwenden. Für einen als Kondensator genutzten Anreicherungsfeldeffekttransistor ist in dem integrierten Oszillator keine große Fläche erforderlich.
  • US-4 760 353 offenbart ebenfalls einen integrierten Oszillator. Er weist einen ersten und einen zweiten Verstärker auf. Der Ausgang des zweiten Verstärkers ist mit dem negativen Eingang des ersten Verstärkers, der Ausgang des ersten Verstärkers mit dem positiven Eingang des zweiten Verstärkers verbunden. Der negative Eingang des zweiten Verstärkers ist geerdet. Wichtige Unterschiede gegenüber der vorliegenden Erfindung sind, dass Eingänge des ersten und zweiten Verstärkers nicht miteinander verbunden sind. Gegenüber dem ersten Verstärker ist jedoch eine positive Rückkopplungsschleife vorhanden. Bei dieser positiven Rückkopplungsschleife sind jedoch weitere Komponenten, wie ein Kondensator, so vorgesehen, dass diese Rückkopplungsschleife eine Induktion simuliert. Dieses steht im Gegensatz zu der vorliegenden Erfindung, wonach die positive Rückkopplungsschleife einen negativen Widerstand bildet, um Energieverluste auszugleichen, wodurch eine Oszillation möglich ist.
  • Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und werden im Folgenden näher beschrieben. Es zeigen:
  • 1 – einen integrierten Schaltkreis mit einem Oszillator gemäß der vorliegenden Erfindung;
  • 2 – ein elektrisches Schaltbild eines Ausführungsbeispiels eines Oszillators gemäß der vorliegenden Erfindung;
  • 3 – ein elektrisches Schaltbild eines Kondensatorenblocks, welcher in dem Ausführungsbeispiel gemäß der vorliegenden Erfindung verwendet werden kann. Teile oder Elemente, welche die gleichen Funktionen besitzen bzw. den gleichen Zwecken dienen, sind durch gleiche Bezugszeichen gekennzeichnet.
  • 1 zeigt ein elektrisches Schaltbild eines integrierten Schaltkreises IC mit einem Oszillator OSC gemäß der Erfindung. Der integrierte Schaltkreis IC wird von einer Spannungsquelle VS, welche zwischen einem Anschluss 1 einer externen Energieversorgung und einem weiteren Anschluss 2 einer externen Energieversorgung des integrierten Schaltkreises geschaltet ist, gespeist. Der integrierte Schaltkreis IC weist einen Anschluss XT eines externen Signals auf. Der Anschluss XT des externen Signals ist der einzige Anschluss des externen Signals, welcher in dem integrierten Schaltkreis IC für den Oszillator OSC erforderlich ist. Ein Resonator Q, welcher als Quarzkristall ausgeführt ist, ist zwischen dem Anschluss XT des externen Signals und dem Anschluss 1 der externen Energieversorgung geschaltet.
  • 2 zeigt ein elektrisches Schaltbild eines Ausführungsbeispiels eines integrierten Oszillators gemäß der Erfindung. Der Oszillator weist einen ersten Verstärker AMP1 und einen zweiten Verstärker AMP2 auf. Der erste und der zweite Verstärker AMP1, AMP2 weisen jeweils einen nicht invertierenden Eingang, einen invertierenden Eingang sowie einen Ausgang auf. Der Ausgang des ersten Verstärkers AMP1 ist mit dem nicht invertierenden Eingang des ersten Verstärkers AMP1 und ebenfalls mit dem nicht invertierenden Eingang des zweiten Verstärkers AMP2 verbunden. Der Ausgang des zweiten Verstärkers AMP2 ist mit dem invertierenden Eingang des ersten Verstärkers AMP1 und ebenfalls mit dem invertierenden Eingang des zweiten Verstärkers AMP2 verbunden. Der erste Verstärker AMP1 wird mittels eines Kondensators C, welcher zwischen dem Ausgang des ersten Verstärkers AMP1 und dem Anschluss 1 der externen Energieversorgung geschaltet ist, geladen. Der zweite Verstärker AMP2 wird mittels eines Kondensators CF, welcher zwischen dem Ausgang des zweiten Verstärkers AMP2 und dem Anschluss 1 der externen Energieversorgung geschaltet ist, geladen. Parallel zu dem Kondensator C ist ein Vorspannungswiderstand RB geschaltet. Um den Betrieb des Oszillators zu erläutern, zeigt 2 ein vereinfachtes, elektrisches Modell des Quarzkristalls. Das Modell weist einen Reihenwiderstand RS, einen Reihenkondensator CS, einen Reiheninduktor LS und einen parallelen Kondensator CP auf. Der Reihenwiderstand RS, der Reihenkondensator CS und der Reiheninduktor LS sind zwischen dem Anschluss XT des externen Signals und dem Anschluss 1 der externen Energieversorgung in Reihe geschaltet. Der parallele Kondensator CP ist zwischen dem Anschluss XT des externen Signals und dem Anschluss 1 der externen Energieversorgung geschaltet.
  • Der Betrieb des Oszillators erfolgt wie folgt. Da der Ausgang des ersten Verstärkers AMP1 mit dem nicht invertierenden Eingang des ersten Verstärkers AMP1 verbunden ist und somit eine positive Rückkopplungsschleife vorgesehen wird, bildet dieser erste Verstärker AMP1 einen negativen Widerstand. Dieser negative Widerstand kann den Einfluss eines positiven Widerstands des Quarzkristalls sowie den Einfluss des positiven Widerstands des Vorspannungswiderstands RB kompensieren. Infolgedessen schwingt der Oszillator OSC in Parallelresonanz. Da jedoch die positive Rückkopplungsschleife ebenfalls bei Gleichspannungen/-strömen aktiv ist, kann eine stabile Gleichstromeinstellung des Oszillators OSC nicht garantiert werden. Es ist die Hauptaufgabe des zweiten Verstärkers AMP2, eine stabile Gleichstromeinstellung des Oszillators OSC zu garantieren. Da der Ausgang des zweiten Verstärkers AMP2 mit dem invertierenden Eingang des zweiten Verstärkers AMP2 verbunden ist, wird eine negative Rückkopplungsschleife gebildet. Die Gleichstromeinstellung des Oszillators OSC ist sowohl von der positiven als auch der negativen Rückkopplungsschleife abhängig. Eine stabile Gleichstromeinstellung des Oszillators OSC wird garantiert, wenn der Einfluss der negativen Rückkopplungsschleife gegenüber dem Einfluss der positiven Rückkopplungsschleife dominierend ist. Dieses ist zum Beispiel dann der Fall, wenn der erste und der zweite Verstärker AMP1, AMP2 identisch sind. In diesem Fall ist der Verstärkungsfaktor des ersten Verstärkers AMP1 geringer als der Verstärkungsfaktor des zweiten Verstärkers AMP2. Dieses ist darauf zurückzuführen, dass der erste Verstärker AMP1 bei Gleichstrom durch einen Gleichstromwiderstand (d. h. den Vorspannungswiderstand RB), der zweite Verstärker AMP2 dagegen nicht durch einen Gleichstromwiderstand geladen wird.
  • Der weitere Kondensator CF bildet zusammen mit der Ausgangsimpedanz des zweiten Verstärkers AMP2 ein Tiefpassfilter. Damit wird verhindert, dass die negative Rückkopplungsschleife auch bei Wechselstrom aktiv ist. Andernfalls würde der Einfluss des durch den ersten Verstärker AMP1 gebildeten, negativen Widerstands aufgehoben werden, und der Oszillator OSC würde infolgedessen nicht oszillieren. Der Kondensator C ist im Grunde nicht erforderlich, ist jedoch auf Grund der (parasitären) Kapazität einer Bondkontaktstelle des integrierten Schaltkreises IC, welche mit dem Anschluss XT des externen Signals verbunden ist, und ebenfalls auf Grund der (parasitären) Kapazität des Anschlusses XT des externen Signals inhärent stets vorhanden. Der Kondensator C kann jedoch ebenfalls beabsichtigt zusätzlich angeordnet werden, wenn die parasitäre Kapazität nicht hoch genug ist. Der Kondensator C bildet zusammen mit der Ausgangsimpedanz des ersten Verstärkers AMP1 ebenfalls ein Tiefpassfilter.
  • Betrachten wir uns nun den Fall, in welchem der erste und der zweite Verstärker AMP1, AMP2 identisch sind und die Kapazität des Kondensators C höher als die Kapazität des weiteren Kondensators CF ist. In diesem Fall wird der erste Verstärker AMP1 bei Wechselstrom stärker als der zweite Verstärker AMP2 geladen. Die Konsequenz ist, dass die negative Rückkopplungsschleife gegenüber der positiven Rückkopplungsschleife dominierend ist. Aus diesem Grunde scheint es, dass der Oszillator OSC nicht oszilliert. Die Frequenz, auf welcher normalerweise mit einer Schwingung des Oszillators gerechnet wird, wird als Targetfrequenz bezeichnet. Auf der Targetfrequenz ist die durch den Quarzkristall und den Kondensator C vorgesehene Impedanz real (und hoch), d. h. sie weist keine imaginäre Komponente auf. Der Kondensator C sieht auf der Targetfrequenz daher keine Filterfunktion vor. Die Folge ist, dass auf der Targetfrequenz die positive Rückkopplungsschleife gegenüber der negativen Rückkopplungsschleife dominierend ist. Das heißt, dass der Oszillator OSC trotz der Tatsache, dass der Kondensator C eine Kapazität aufweist, welche höher als die weitere Kapazität CF ist, oszilliert. In der Praxis wird eine vorteilhafte Dimensionierung des Oszillators OSC erreicht, wenn die Kapazität des Kondensators C geringfügig höher als die Kapazität des weiteren Kondensators CF ist.
  • Ist die Kapazität des Kondensators C höher als die weitere Kapazität CF, ist die negative Rückkopplungsschleife gegenüber der positiven Rückkopplungsschleife bei allen Frequenzen, mit Ausnahme der Targetfrequenz, dominierend. Dieses hat den Vorteil, dass garantiert wird, dass der Oszillator lediglich auf der Targetfrequenz oszillieren kann. Das bekannte Problem von Quarzkristall-Oszillatoren, dass eine Oszillation auf einer sogenannten falschen Obertonfrequenz erfolgen kann, wird somit eliminiert. Ebenso wird garantiert, dass der Oszillator OSC nicht oszillieren kann, wenn der Quarzkristall entfernt wird.
  • Der Oszillator OSC kann ebenfalls mit einem Amplitudenregelkreis (in den Figuren nicht dargestellt) versehen sein, um den Verstärkungsfaktor des ersten und des zweiten Verstärkers AMP1, AMP2 zu reduzieren. Infolgedessen kann es sich bei dem Oszillatorsignal, welches zum Beispiel dem Ausgang des ersten Verstärkers AMP1 entnommen werden kann, um eine reine Sinuswelle handeln, was bedeutet, dass die Verzerrung des Ausgangssignals sehr gering ist. Des Weiteren sei erwähnt, dass eine sogenannte Rail-to-Rail-Ausgangsschwingung des Oszillatorsignals gestattet ist.
  • Bei einigen Anwendungsbereichen kann es von Vorteil sein, den Oszillator OSC des integrierten Schaltkreises IC nicht einzusetzen, sondern stattdessen ein anderes externes (Rail-to-Rail) Taktsignal zu verwenden. Sollte das externe Rail-to-Rail-Taktsignal dem Anschluss XT des externen Signals zugeführt werden, deaktiviert der Amplitudenregelkreis den Oszillator OSC automatisch.
  • Obgleich es sehr praktisch ist, den ersten und den zweiten Verstärker AMP1, AMP2, wie bisher davon ausgegangen wurde, identisch vorzusehen, ist dieses nicht wirk lich erforderlich. Um die oben erwähnten Vorteile zu erreichen, reicht es aus, den ersten und den zweiten Verstärker AMP1, AMP2 zusammen mit dem Kondensator C und dem weiteren Kondensator CF so vorzusehen, dass die negative Rückkopplungsschleife gegenüber der positiven Rückkopplungsschleife bei sämtlichen Frequenzen, mit Ausnahme der Targetfrequenz, dominierend ist.
  • Es sei erwähnt, dass der erste und der zweite Verstärker AMP1, AMP2 faktisch die Form von Transkonduktanz-Operationsverstärkern (OTAs) annehmen.
  • 3 zeigt ein elektrisches Schaltbild eines Kondensatorenblocks, welcher in dem Ausführungsbeispiel der Erfindung verwendet werden kann. Bei einigen Einsätzen in integrierten Schaltkreisen ist es wünschenswert, dass die Kapazität des Kondensators C und/oder des weiteren Kondensators CF auf einfache Weise angepasst werden kann. Dieses ist zum Beispiel dann der Fall, wenn der Oszillator OSC in einem Phasenregelkreis-(PLL)-System verwendet wird, bei welchem es erforderlich ist, dass die Frequenz des Oszillators geringfügig verändert werden kann. Zu diesem Zweck kann der Kondensatorenblock, wie in 3 dargestellt, als variabler Kondensator eingesetzt werden. Der Kondensatorenblock weist mehrere Stufen STGS auf. So sind bei der Darstellung von 3 zum Beispiel drei Stufen STGS vorgesehen. Jede Stufe weist einen Kondensator auf, welcher zum Beispiel auf die gleiche Weise wie der durch den elften und zwölften Transistor T11, T12 gebildete Kondensator C vorgesehen wird. Jede Stufe weist ferner einen Schalter SW auf, um dessen zugeordneten Kondensator mit dem Ausgangsanschluss CV des Kondensatorenblocks zu verbinden; dieser Schalter wird zum Beispiel durch ein sogenanntes Durchgangsgate mit einer Parallelschaltung eines n-Kanal-Transistors und eines p-Kanal-Transistors gebildet. Durch Anlegen eines Spannungspegels mit einem logischen ,H-Zustand' oder einem logischen ,L-Zustand' an die Schalter der Stufen STGS kann die Anzahl der mit dem Ausgangsanschluss CV verbundenen Kondensatoren programmiert werden. Es sei erwähnt, dass im Allgemeinen Kondensatorenblocks in Oszillatoren, bei welchen der Kondensator, der variabel sein muss, ein potentialfreier Kondensator ist, nicht verwendet werden können. Dieses ist auf parasitäre Kapazitäten der Schalter des Kondensatorenblocks zurückzuführen. Da der Oszillator OSC der Erfindung jedoch ausschließlich potentialgebundene Kondensatoren (C, CF) aufweist, ist der Kondensatorenblock zum Einsatz in dem Oszillator OSC äußerst geeignet.
  • Der Resonator Q kann ebenfalls durch einen Kombinationsschaltkreis aus einem externen Kondensator und einer externen Spule gebildet werden. Das von dem Os zillator OSC abgegebene Oszillatorsignal kann verschiedenen Anschlüssen/Knotenpunkten des Oszillators OSC, zum Beispiel dem Anschluss XT des externen Signals oder dem Ausgang des zweiten Verstärkers AMP2, entnommen werden. Der erste bis zehnte Transistor T1–T10 kann durch sämtliche Arten Transistoren, zum Beispiel Bipolartransistoren oder MOS-Transistoren, vorgesehen werden.

Claims (7)

  1. Integrierter Oszillator zur Abgabe eines Oszillatorsignals mit einer Schwingungsfrequenz, welche von einem externen Resonator (Q), der zwischen einem Anschluss (1) einer externen Energieversorgung und einem Anschluss (XT) eines externen Signals geschaltet ist, abhängig ist, wobei der Anschluss (XT) des externen Signals der einzige Anschluss des externen Signals ist, welcher für den integrierten Oszillator (OSC) erforderlich ist, dadurch gekennzeichnet, dass der Oszillator einen ersten Verstärker (AMP1) mit einem, an den Anschluss (XT) des externen Signals gekoppelten, nicht invertierenden Eingang, einem invertierenden Eingang und einem, an den nicht invertierenden Eingang gekoppelten Ausgang sowie einen zweiten Verstärker (AMP2) mit einem, an den nicht invertierenden Eingang des ersten Verstärkers (AMP1) gekoppelten, nicht invertierenden Eingang, einem, an den invertierenden Eingang des ersten Verstärkers (AMP1) gekoppelten, invertierenden Eingang sowie einem, an den invertierenden Eingang des zweiten Verstärkers (AMP2) gekoppelten Ausgang aufweist.
  2. Integrierter Oszillator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens einer des ersten (AMP1) und zweiten (AMP2) Verstärkers ein Transkonduktanz-Operationsverstärker ist.
  3. Integrierter Oszillator nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Ausgang des ersten Verstärkers (AMP1) mittels eines Kondensators (C) geladen wird.
  4. Integrierter Schaltkreis nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Ausgang des zweiten Verstärkers (AMP2) mittels eines weiteren Kondensators (CF) geladen wird.
  5. Integrierter Oszillator nach Anspruch 1, 2, 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass der externe Resonator (Q) ein piezoelektrisches Element aufweist.
  6. Integrierter Oszillator nach Anspruch 1, 2, 3, 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass der externe Resonator (Q) einen Kombinationsschaltkreis aus einem externen Kondensator und einer externen Spule aufweist.
  7. Integrierter Oszillator nach Anspruch 3, 4, 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens einer der Kondensatoren (C, CF) einen Kondensatorenblock aufweist.
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