NL8802719A - Relaxatie-oscillator met vertragingssturing. - Google Patents

Description

N.V. Philips' Gloeilampenfabrieken te Eindhoven Relaxatie-oscillator met vertragingssturing.

De uitvinding heeft betrekking op een oscillator omvattende een kapaciteit, oplaadmiddelen voor het opladen en ontlaadmiddelen voor het ontladen van de kapaciteit, alsmede een komparator voor het in afhankelijkheid van een overschrijden van een drempel door een kapaciteitsspanning sturen van de ontlaadmiddelen.

Een dergelijke oscillator is bekend uit het Amerikaanse octrooischrift USP 4,359,649. In de bekende oscillator ontvangt een niet-inverterende ingang van de komparator de kapaciteitsspanning en is een jnverterende ingang van de komparator aangesloten op een spanningsdeler met een eerste en een tweede weerstand. De komparator is daarbij als een Schmitt-trigger geschakeld. Een komparatoruitgang is aangesloten op een stuurelektrode van een transistor waarvan een geleidingskanaal is gekoppeld met de inverterende ingang via een verdere weerstand: De serieschakeling van het geleidingskanaal en de verdere weerstand is parallel aan de tweede weerstand geplaatst. De komparatoruitgang is verder aangesloten op een schakelaar in het ontlaadpad. In deze konfiguratie wordt een zaagtandspanning opgewekt over de kapaciteit.

Een nadeel van de bekende schakeling is, dat voor een snel schakelen van de referentiespanningen op de inverterende ingang van de komparator, welke referentiespanningen de schakeldrempels bepalen, de eerste weerstand voldoende klein moet zijn ten opzichte van de tweede weerstand, en de verdere weerstand voldoende klein moet zijn ten opzichte van de eerste weerstand hetgeen het stroomverbruik verhoogt.

Een verder nadeel van de bekende schakeling is dat beide schakeldrempels van de Schmitt-trigger afhankelijk zijn van de, gemiddeld over een oscillatieperiode ongelijk belaste, eerste en tweede weerstand. Een stroom, die door de eerste weerstand wordt aangeleverd, wordt beurtelings door de tweede weerstand en door de parallelkombinatie van de tweede weerstand met de verdere weerstand afgevoerd. In een geïntegreerd circuit, waarin een weerstandswaarde evenredig is met een oppervlak, zijn dan de per oppervlakte-eenheid gedissipeerde vermogens van de eerste en tweede weerstanden verschillend. Deze weerstanden verkeren dus in onderling verschillende werkgebieden, waarmee een temperatuurafhankelijkheid in de schakeldrempels van de Schmitt-trigger is geïntroduceerd.

De uitvinding beoogt daarom mede te voorzien in een oscillator van de in de aanhef vermelde soort, waarin één vaste drempel het oscilleren bepaalt, welke drempel bovendien temperatuurstabiel is.

Een oscillator volgens de uitvinding wordt daartoe gekenmerkt, doordat de oscillator vertragingsmiddelen omvat voor het uitschakelen van de ontlaadmiddelen na een vertraging met een door de vertragingsmiddelen voorafbepaalde duur volgend op een moment van inschakelen van het ontlaadpad. Door met behulp van de komparator de kapaciteitsspanning te vergelijken met een vaste referentiespanning ligt een eerste omslagpunt van de kapaciteitsspanning vast. De tijd, gedurende welke de ontladingsmiddelen geleiden, bepaalt een tweede omslagpunt. De vaste referentiespanning wordt bijvoorbeeld door een stationaire en dus temperatuurstabiele, ohmse spanningsdeler geleverd. Hierbij zij opgemerkt dat het schakelen van de ontladingsmiddelen via vertragingsmiddelen op zich bekend is uit het Amerikaanse octrooischrift USP 3,831,113. Deze laatstgenoemde vertragingsmiddelen zijn echter aangebracht als buffér, om de als Schmitt-trigger geschakelde komparator gelegenheid te geven zijn drempels en zijn uitgangssignaal in te stellen alvorens de Schmitt-trigger de ontladingsmiddelen in- of uitschakelt.

Een uitvoeringsvorm van een oscillator volgens de uitvinding wordt gekenmerkt, doordat de vertragingsmiddelen een vertragingseleroent en een bistabiel element met een instelingang (set) en een terugzetingang (reset) omvatten, waarbij de ontlaadmiddelen een stuurbaar ontlaadpad omvatten, van welk bistabiel element een uitgang is aangesloten op een stuuringang van het ontlaadpad, de instelingang met een uitgang van de komparator is gekoppeld, en de terugzetingang via het vertragingselement een signaal ontvangt dat indikatief is voor de kapaciteitsspanning. Een logisch hoog signaal op de instelingang (set) van het bistabiele element zet het bistabiele element in een zodanige toestand dat het gestuurde ontlaadpad geleidt. Als even later het signaal, dat indikatief is voor de kapaciteitsspanning, de terugzetingang (reset) bereikt, wordt het bistabiele element weer teruggezet en wordt bijgevolg het ontlaadpad geblokkeerd. Bij voorkeur is het vertragend element uitgevoerd met een geringe temperatuurgevoeligheid.

Een verdere uitvoeringsvorm van een oscillator volgens de uitvinding wordt gekenmerkt, doordat de oscillator behalve de komparator, hierna te noemen eerste komparator, een tweede komparator omvat, van welke komparatoren inverterende ingangen met elkaar en met een knooppunt voor ontvangst van een referentiespanning zijn verbonden, waarbij een niet-inverterende ingang van de eerste komparator met de kapaciteit is gekoppeld en een niet-inverterende ingang van de tweede komparator via het vertragingselement het genoemde signaal ontvangt, en waarbij de terugzetingang met een uitgang van de tweede komparator is gekoppeld, waarbij de niet-inverterende ingang van de tweede komparator via het vertragingselement met, hetzij de uitgang van het bistabiele element, hetzij de niet-inverterende ingang van de eerste komparator, hetzij de uitgang van de eerste komparator is gekoppeld.

Via de tweede komparator, die als versterker fungeert, wordt het bistabiele element door signalen met nauwkeurig gedefinieerde flanken gestuurd.

Een andere uitvoeringsvorm van een oscillator volgens de uitvinding wordt gekenmerkt, doordat de terugzetingang van het bistabiele element via het vertragingselement met hetzij de uitgang van de komparator, hetzij een knooppunt tussen de kapaciteit en de komparator, hetzij de uitgang van het bistabiele element is gekoppeld. Deze uitvoeringsvorm heeft het voordeel een geringer aantal komponenten te gebruiken, waardoor zowel oppervlak als stroomverbruik kleiner zijn dan die van de vorige uitvoeringsvorm.

Om snel te kunnen schakelen, is een versterking van de genoemde komparatoren groot. De betreffende komparatoren verbruiken dienovereenkomstig veel stroom. De komparatoren zijn slechts onmisbaar in een tijdsinterval rond een overgang van opladen naar ontladen van de kapaciteit en een overgang van ontladen naar opladen van de kapaciteit. Buiten deze intervallen zorgt het bistabiele element ervoor dat het ontladingspad in de vereiste geleidende of blokkerende toestand wordt gehouden.

Een voorkeursuitvoering van een oscillator volgens de uitvinding wordt daarom mede gekenmerkt, doordat in schakelmiddelen is voorzien voor het in een spaarvoedingtoestand zetten van minstens één der genoemde komparatoren gedurende een substantieel deel van de tijdspanne tussen enerzijds een overgang van ontladen naar opladen van de kapaciteit en anderzijds een opvolgende overgang van opladen naar ontladen van de kapaciteit. Dit kan bijvoorbeeld worden gerealiseerd doordat de schakelmiddelen een verdere komparator omvatten voor vergelijken van de kapaciteitsspanning met een verdere referentiespanning, die in absolute waarde kleiner is dan een absolute waarde van de eerder genoemde referentiespanning, alsmede een verder bistabiel element waarvan een instelingang verbonden is met een uitgang van de verdere komparator, en waarvan een terugzetingang gekoppeld is met de terugzetingang van het eerder genoemde bistabiele element, en waarvan een uitgang verbonden is met een schakelaar voor het schakelen tussen een volledige voeding en de spaarvoeding van de minstens éne komparator. Bij voorkeur is de verdere komparator substantieel kleiner dan de eerder genoemde komparatoren, omdat de schakeltijd van de verdere komparator geen invloed heeft op de periodeduur.

Met bovenstaande uitvoeringsvormen zijn oscillatoren gerealiseerd, met een nauwkeurig gedefinieerde oscillatieperiode en een gering stroomverbruik.

De uitvinding zal worden toegelicht aan de hand van een tekening, waarin figuur 1 het principeschema van een oscillator volgens de uitvinding weergeeft, figuren 2A, 2B en 2C eerste uitvoeringsvormen van een oscillator volgens de uitvinding tonen, figuren 3A, 3B en 3C tweede uitvoeringsvormen van een oscillator volgens de uitvinding tonen, en figuur 4 een voorbeeld van de voorkeursuitvoeringsvorm geeft van een oscillator volgens de uitvinding.

In figuur 1 is het principeschema van een oscillator volgens de uitvinding weergegeven. De getoonde oscillator bevat een serieschakeling van een kapaciteit 10 en een stroombron 12 tussen voedingspunten 14 en 16. Over kapaciteit 10 is een geleidingspad van een transistor 18 parallel gezet. Het knooppunt 20 tussen de kapaciteit 10 en de stroombron 12 is verbonden met een niet-inverterende ingang van komparator 22, waarvan een inverterende ingang is aangesloten op spanningsdeler 24 voor het leveren van een referentiespanning Vre^.

Een stuurelektrode van transistor 18 is via vertragingsmiddelen 26 met de komparatoruitgang verbonden. Deze vertragingsmiddelen 26 schakelen transistor 18 in de niet-geleidende toestand een voorafbepaalde tijdspanne nadat de transistor in de geleidende toestand is geschakeld. De spanning op knooppunt 20 neemt toe als gevolg van de naar de kapaciteit toegevoerde stroom tot het moment waarop de spanning een waarde bereikt nagenoeg gelijk aan de referentiespanning. Op dat moment verandert de spanning op de komparatoruitgang van laag naar hoog en wordt transistor 18 opengestuurd, bijgevolg waarvan de kapaciteit 10 zich ontlaadt. De vertragingsmiddelen zorgen er vervolgens voor dat transistor 18 gedurende een voorafbepaalde tijd blijft geleiden, opdat de spanning op knooppunt 20 voldoende ver daalt tot bijvoorbeeld één promille van de maximale kapaciteitsspanning. Als daarna de transistor 18 weer blokkeert, kan de spanning op knooppunt 20 weer toenemen totdat een volgende ontlading plaatsvindt.

Hierbij zij opgemerkt dat ofschoon het symbool van een stroombron in figuur 1 is gebruikt hieronder ook een weerstand dient worden te verstaan. Evenzo zij opgemerkt, dat bijvoorbeeld in het ontladingspad een verdere weerstand kan worden opgenomen om een zaagtandspanning over de kapaciteit 10 een minder steil dalende flank te geven.

In figuren 2A, 2B en 2C zijn eerste uitvoeringsvormen van een oscillator volgens de uitvinding weergegeven. De komponenten die overeenkomen met die in figuur 1 zijn met dezelfde verwijzingscijfers aangeduid.

In figuur 2A omvatten de vertragingsmiddelen een RS-flipflop 30, een tweede komparator 32 en een vertragingselement 34. De eerste komparator 22 is met zijn uitgang op de instelingang (set) van flipflop 30 aangesloten. De tweede komparator 32 heeft een uitgang gekoppeld met de terugzetingang (reset) van flipflop 30. De inverterende ingangen van de komparatoren 22 en 32 zijn met elkaar en met een referentiespanning Vre£ verbonden. De niet-inverterende ingang van komparator 32 is via vertragingselement 34 gekoppeld met de niet-inverterende uitgang van flipflop 30. Vertragingselement 34 omvat bijvoorbeeld een temperatuurstabiele kombinatie van een weerstand, en een verdere kapaciteit, waarbij de laatste de niet-inverterende ingang van komparator 32 met voedingspunt 16 verbindt. Of vertragingselement 34 omvat bijvoorbeeld een aantal inverters in cascade geschakeld. Nog een andere mogelijkheid is dat vertragingselement 34 een halfgeleidervertragingslijn omvat, waarvan een vierkantswaarde van de weerstand en kapaciteit de vertraging vastlegt. Bij voorkeur heeft vertragingselement 34 een geringe temperatuurgevoeligheid.

De werking van de schakeling is als volgt. Zodra de kapaciteitsspanning op knooppunt 20 de referentiespanning Vref overstijgt, wordt flipflop 30 door komparator 22 ingesteld, zodat de flipflopuitgang met een hoog signaal transistor 18 openstuurt.

Vervolgens daalt de spanning op knooppunt 20. Komparator 22 voert dan een laag signaal toe aan de instelingang. De uitgangsspanning van flipflop 30 verandert hierdoor niet. De uitgangsspanning wordt via vertragingselement 34 toegevoerd aan komparator 32 die de terugzetingang van flipflop 30 na een voorafbepaalde tijd voorziet van een hoog signaal. Daarop wórdt de flipflop 30 teruggezet en wordt met een laag flipflopuitgangssignaal transistor 18 geblokkeerd. De schakelingen in de figuren 2B en 2C onderscheiden zich slechts van de schakeling in figuur 2A, doordat het signaal dat vertraagd aan de tweede komparator 32 wordt toegevoerd respektievelijk. afkomstig is van de uitgang van komparator 22 en van knooppunt 20. Mits dit signaal de juiste polariteit heeft en jndikatief is voor de spanning op knooppunt 20, hetzij direkt, hetzij indirekt, funktioneren deze laatste twee schakelingen op soortgelijke wijze als de schakeling uit figuur 2A. Het kan echter de voorkeur verdienen een zo klein mogelijke vertragingselement 34 te gebruiken. Het is daarom van voordeel om gebruik te maken van de inherente schakelvertraging van flipflop 30, en vertragingselement 34 aan te sluiten op de uitgang van flipflop 30.

In figuur 2 is in twee komparatoren voorzien, opdat de flipflop 30 met scherp gedefinieerde stuursignalen wordt gekontroleerd. Dit komt de nauwkeurigheid van de oscillatieperiode ten goede.

In de figuren 3A, 3B en 3C is een tweede uitvoeringsvorm van een oscillator volgens de uitvinding weergegeven. Komponenten die korresponderen met die uit de schakelingen volgens de voorafgaande figuren zijn met dezelfde verwijzingscijfers aangeduid.

De schakelingen volgens de figuren 3A, 3B en 3C benodigen slechts een enkele komparator 22. De terugzetingang van flipflop 30 wordt nu rechtstreeks via vertragingselement 34 gevoed. In de praktijk zijn vertragingselementen vaak frequentieselektief, zodat een scherpe flank van een signaal, dat aan een dergelijke vertragingselement 34 wordt toegevoerd, afgevlakt wordt. Dit zou tot enige onnauwkeurigheid in het moment van schakelen van de flipflop 30 kunnen leiden. Door tussenvoegen van een extra komparator, zoals is gebeurd in de schakelingen in figuren 2A, 2B en 2C, kan dit probleem worden ondervangen. Hiertegenover staat echter het voordeel dat het stroomverbruik geringer is en de afmeting van de schakeling kleiner. Onderling verschillen de schakelingen in figuren 3A, 3B en 3C op analoge wijze als de schakelingen in figuren 2A, 2B en 2C, namelijk daarin, dat het signaal dat via vertragingselement 34 aan flipflop 30 wordt toegevoerd van verschillende punten in de schakeling wordt afgetakt.

In figuur 4 is een voorkeursuitvoeringsvorm van een oscillator volgens de uitvinding weergegeven. Komponenten die overeenkomen met die uit de voorafgaande figuren zijn met dezelfde verwijzingscijfers weergegeven. Het vertragingselement 34 is uitgevoerd als een RC-kombinatie met een weerstand 35 en een kapaciteit 37. Komparatoren 22 en 32 zijn via schakelaars 40 en 42 geschakeld met een vermogensvoeding, hier gesymboliseerd door stroombronnen 44 en 46.

Zolang deze schakelaars sperren, staan de komparatoren op een (niet-weergegeven) spaarvoeding. De komparatoren 22 en 32 omvatten daartoe bijvoorbeeld elk een verschilversterker van een long-tailed-pair-type, die gevoed wordt met een spaarstroombron in de staart. Zodra schakelaars 40 en 42 geleiden, wordt een vermogensstroombron aan de spaarstroombron parallel geschakeld, bijgevolg waarvan de stromen in de verschilversterker toenemen. De schakelaars 40 en 42 zijn gekoppeld met een uitgang van een flipflop 48, een instelingang waarvan verbonden is met een uitgang van komparator 50, en een terugzetingang waarvan gekoppeld is met de uitgang van komparator 32. Komparator 50 ontvangt op een inverterende ingang een referentiespanning ü, die kleiner is dan referentiespanning Vrej. De niet-inverterende ingang van komparator 50 is verbonden met knooppunt 20, waarop de kapaciteitsspanning staat. Voordat de kapaciteitsspanning gelijk wordt aan referentiespanning ü zijn de schakelaars 40 en 42 gesperd. Op het moment dat de kapaciteitsspanning boven referentiespanning U uitstijgt, wordt vermogensvoeding 44 en 46 aangesloten op komparatoren 22 en 32. De kapaciteitsspanning neemt vervolgens verder toe tot deze het niveau van Vrej bereikt. Zoals eerder is beschreven wordt kapaciteit 10 daarna ontladen via transistor 18, die blijft geleiden totdat komparator 32 met een hoog signaal flipflop 30 terugzet. Op dat moment wordt ook flipflop 48 teruggezet bijgevolg waarvan de vermogensvoeding wordt uitgeschakeld. Op deze wijze wordt door komparatoren 22 en 32 slechts vermogen gedissipeerd bij het schakelen van transistor 18.

Claims (10)

1. Oscillator omvattende een kapaciteit, oplaadmiddelen voor het opladen en ontlaadmiddelen voor het ontladen van de kapaciteit, alsmede een komparator voor het in afhankelijkheid van een overschrijden van een drempel door een kapaciteitsspanning sturen van de ontlaadmiddelen gekenmerkt, doordat de oscillator vertragingsmiddelen omvat voor het uitschakelen van de ontlaadmiddelen na een vertraging met een door de vertragingsmiddelen voorafbepaalde duur volgend op een moment van inschakelen van het ontlaadpad.

2. Oscillator volgens conclusie 1, gekenmerkt, doordat de vertragingsmiddelen een vertragingselement en een bistabiel element met een instel ingang (set) en een terugzetingang (reset) omvatten, waarbij de ontlaadmiddelen een stuurbaar ontlaadpad omvatten, van welk bistabiel element een uitgang is aangesloten op een stuuringang van het ontlaadpad, de instelingang met een uitgang van de komparator is gekoppeld, en de terugzetingang via het vertragingselement een signaal ontvangt dat indikatief is voor de kapaciteitsspanning.

3. Oscillator volgens conclusie 2, gekenmerkt, doordat de oscillator behalve de komparator, hierna te noemen eerste komparator, . een tweede komparator omvat, van welke komparatoren inverterende ingangen met elkaar en met een knooppunt voor ontvangst van een referentiespanning zijn verbonden, waarbij een niet-inverterende ingang van de eerste komparator met de kapaciteit is gekoppeld en een niet-inverterende ingang van de tweede komparator via het vertragingselement het genoemde signaal ontvangt, en waarbij de terugzetingang met een uitgang van de tweede komparator is gekoppeld.

4. Oscillator volgens conclusie 3, gekenmerkt, doordat de niet-inverterende ingang van de tweede komparator via het vertiagingselement met, hetzij de uitgang van het bistabiele element, hetzij de niet-inverterende ingang van de eerste komparator, hetzij de uitgang van de eerste komparator is gekoppeld.

5. Oscillator volgens conclusie 2, gekenmerkt, doordat de terugzetingang van het bistabiele element via het vertragingselement roet hetzij de uitgang van de komparator, hetzij een knooppunt tussen de kapaciteit en de komparator, hetzij de uitgang van het bistabiele element is gekoppeld.

6. Oscillator volgens conclusie 2, 3, 4 of 5, gekenmerkt, doordat in schakelmiddelen is voorzien voor het in een spaarvoedingtoestand zetten van minstens één der genoemde komparatoren gedurende een substantieel deel van de tijdspanne tussen enerzijds een overgang van ontladen naar opladen van de kapaciteit. en anderzijds een opvolgende overgang van opladen naar ontladen van de kapaciteit.

7. Oscillator volgens conclusie 6, gekenmerkt, doordat de schakelmiddelen een verdere komparator omvatten voor vergelijken van de kapaciteitsspanning met een verdere referentiespanning, die in absolute waarde kleiner is dan een absolute waarde van de eerder genoemde referentiespanning, alsmede een verder bistabiel element waarvan een instelingang verbonden is met een uitgang van de verdere komparator, en waarvan een terugzetingang gekoppeld is met de terugzetingang van het eerder genoemde bistabiele element, en waarvan een uitgang verbonden is met een schakelaar voor het schakelen tussen een volledige voeding en de spaarvoeding van de minstens éne komparator.

8. Oscillator volgens conclusie 2, 3, 4, 5 of 6, gekenmerkt, doordat in verdere schakelmiddelen is voorzien voor het in een spaarvoedingstoestand zetten van minstens één der genoemde komparatoren gedurende een substantieel deel van de tijdspanne tussen enerzijds een overgang van opladen naar ontladen van de kapaciteit en anderzijds een opvolgende overgang van ontladen naar opladen van de kapaciteit.

9. Oscillator volgens conclusie 8, gekenmerkt, doordat de schakelmiddelen een verdere komparator omvatten voor vergelijken van de kapaciteitsspanning met een verdere referentiespanning, die in absolute waarde hoger is dan een absolute waarde van een ontladen niveau van de kapaciteit, alsmede een verder bistabiel element waarvan een instelingang is verbonden met een uitgang van de verdere komparator, en waarvan een terugzetingang is gekoppeld met de terugzetingang van het eerder genoemde bistabiele element, en waarvan een uitgang verbonden is met een schakelaar voor het schakelen tussen een volledige voeding en de spaarvoeding van de minstens ene komparator.

10. Oscillator volgens conclusie 7 of 9, gekenmerkt, doordat de verdere komparator substantieel kleiner is dan de minstens éne komparator.