DE2323858A1

DE2323858A1 - Monolithisch integrierbare quarzoszillatorschaltung

Info

Publication number: DE2323858A1
Application number: DE2323858A
Authority: DE
Inventors: Wolfgang Dipl Ing Gollinger
Original assignee: Deutsche ITT Industries GmbH
Current assignee: TDK Micronas GmbH
Priority date: 1973-05-11
Filing date: 1973-05-11
Publication date: 1974-11-21
Also published as: DE2323858C3; CH640074A4; CH584988B5; US3868597A; JPS5032862A; DE2323858B2

Description

Deutsche ITT Industries GmbH W. Gollinger

78 Freiburg, Hans-Bunte-Szr.19 Mo/Be

10. Mai 1975

DEUTSCHE ITT INDUSTRIES GESELLSCHAFT MIT BESCHRÄNKTER HAFTUNG

FREIBURG I. B.

Monolithisch integrierbare Quarzoszillatorschaltung

Aus der Zeitschrift "Proceedings of the IEEE", September 1972, Seiten 1047 bis IO54, insbesondere Fig. 7 auf Seite 1049 ist eine monolithisch integrierbare Quarzoszillatorschaltung mit isolierten Feldeffekttransistoren von gleicher oder komplementärer Leitungsart bekannt, die insbesondere bei Quarzuhren verwendet werden kann. Bei dieser Schaltung ist ein mit einem Drain-Widerstand versehener und in Source-Schaltung betriebene* Transistor zwischen Drain- und Gate-Anschluß mit der Parallelschaltung aus einem Widerstand und einem Quarz beschaltet, und zwischen Gate- und Source- sowie zwischen Drain- und Source-Anschluß ist je ein Kondensator angeordnet. Als Drain-Widerstand kann sowohl ein ohmscher Widerstand als auch ein als Widerstand geschalteter isolierter Feldeffekttransistor gleicher Leitungsart als auch ein komplementärer isolierter Feldeffekttransistor, dessen Gate-Anschluß mit dem Gate-Anschluß des Oszillatortransistors verbunden ist, verwendet werden.

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INSPECTED

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Das frequenzkonstante Ausgangssignal dieser Oszillatorschaltung wird dem Eingang einer binären Prequenzteilerkette zugeführt oder es dient als Taktfrequenz für aus Schieberregistern aufgebaute Zähler, die ebenfalls isolierte Peldeffekttransistoren enthalten. Die Eingangskapazität der vom Ausgangssignal des Quarzoszillators angesteuerten Peldeffekttransistoren läßt sich bei direkter Ansteuerung dieser nachfolgenden Schaltimg in die zwischen dem Source- und Drain-Anschluß des Oszillatortransistors liegende Kapazität miteinbeziehen. Dies hat den Vorteil, daß die Umladung dieser Kapazität leistungslos erfolgt, so daß die Gesamtschaltung weniger Strom aufnimmt.

Aufgrund der Tatsache, daß insbesondere auf dem Uhrengebiet die Entwicklung zu immer höherfrequenten Quarzoszillatoren geht, was seine Ursache darin hat, daß hochfrequente Quarze, deren Schwingfrequenz in der Größenordnung von einigen Megahertz liegt, bessere Eigenschaften aufweisen und einfacher zu fertigen sind, tritt das Problem auf, die erwähnten nachfolgenden Schaltungen derart anzusteuern, daß sie auch bei diesen hohen Frequenzen noch arbeiten.

Hierbei nuß ferner die in der Uhrentechnik gestellte Forderung immer erfüllt bleiben, daß nämlich so wenig wie möglich Strom verbraucht wird und die Betriebsspannung nach Möglichkeit der einer einzelnen Monozelle, d.h. also einem Wert zwischen IV und 1,5V entspricht.

Da die Grenzfrequenz der nachfolgenden Schaltung im wesentlichen von den Umladeströmen bestimmt wird, die beim Umladen durch die

Taktsignale in den erwähnten Eingangskapazitäten entstehen, die Schnelligkeit der nachfolgenden Schaltung aber nur erhöht werden kann, wenn diese Umladeströme größer gemacht werden, muß die bekannte Quarzoszillatorschaltung also dahingehend weitergebildet werden, daß sie die erhöhten Umladeströme aufbringen kann.

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Aus den bekannten Beziehungen für die Umladeströme I = f(U_G-U_T)² für U_G-U_T^U_DS und

^{fÜr U}G-^UT^>

wobei V_n die Gate-Spannung υ_φ die Schwellspannung U™ die Drain-Source-Spannung und β die Steilheitskonstante der angesteuerten Transistoren ist, erkennt man, daß die Umladeströme sehr wesentlich von der Amplitude der Gate-Spannung U„ abhängen. Bei den bekannten Schaltungen ist die die nachfolgenden Stufen ansteuernde Gate-Spannung immer kleiner oder höchstens gleich der Betriebsspannung U_n.

Die Erfindung hat sich daher die Aufgabe gestellt, die geschilderten Nachteile zu beseitigen und eine monolithisch integrierbare Quarzoszillatorschaltung mit isolierten Feldeffekttransistoren anzugeben, die bei direkter Ansteuerung nachfolgender Prequenzteilerschaltungen eine höhere Oszillatorfrequenz zu verwenden gestattet. Diese Aufgabe wird durch die im Anspruch 1 angegebene Erfindung gelöst. Eine Weiterbildung der Erfindung ist im Unteranspruch 2 gekennzeichnet.

Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nun anhand der in der Zeichnung dargestellten Figuren näher erläutert.

Fig. 1 zeigt eine erfindungsgemäße Quarzoszillatorschaltung mit Feldeffekttransistoren derselben Leitungsart und

Fig. 2 zeigt eine erfindungsgemäße Quarzoszillatorschaltung mit komplementären Feldeffekttransistoren.

Fig. 1 zeigt ein Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen ^uarzoszillatorschaltung mit isolierten Feldeffekttransistoren derselben Leitungsart, nämlich n-Kanal-Transistoren. Sie besteht

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aus dem Oszillatorentransistor Tl, der in Source-Schaltung betrieben ist und als Drain-Widerstand den als Lastwiderstand geschalteten Transistor T2 aufweist, dessen Source-Elektrode mit der Drain-Elektrode des Oszillatortransistor Tl und dessen Gate- sowie Drain-Elektrode mit dem spannungsführenden Pol + der Betriebsspannungsquelle TJ_n verbunden ist. Zwischen dem Verbindungspunkt der beiden Transistoren Tl, T2 und dem Gate-Ansehluß des Oszillatortransistors Tl liegt der Widerstand R, der den Gleichstromarbeitspunkt der Oszillatorschal.tung festlegt.

Ferner liegt zwischen dem Gate des Oszillatortransistors Tl, das als dessen Eingangselektrode aufgefaßt werden kann, und dem Schaltungsnullpunkt, der mit dem Minuspol der Betriebsspannungsquelle im Ausführungsbeispiel nach Pig. I identisch ist, der Kondensator Cl, dessen Kapazität zum Feinabgleich der Oszillatorfrequenz einstellbar sein kann, was durch den gestrichelt gezeichneten Pfeil angedeutet ist. Zwischen dem gemeinsamen Verbindungspunkt der beiden Transistoren, der als Ausgang des Oszillatortransistors aufgefaßt werden kann, und dem Schaltungsnullpunkt liegt der Kondensator C2.

Bei der Schaltungsanordnung nach dem eingangs genannten Stand der Technik liegt nun der frequenzbestimmende Quarz zwischen Eingang und Ausgang des Oszillatortransistors Tl, also parallel zum Widerstand R.

Im Gegensatz zu dieser bekannten Schaltungsanordnung wird beim Ausführungsbeispiel nach der Fig. 1 entsprechend der Erfindung Jeder der Quarzelektroden ein Kondensator in Serie geschaltet, so daß der Quarz Q jetzt über die Serienkondensatoren CJ und C4 parallel zum Widerstand R liegt. Ferner sind die Verbindungspunkte des Quarzes mit den Serienkondensatoren über jeweils eine Diode, nämlich die Klemmdioden Dl und D2 mit dem Schaltungsnullpunkt verbunden, wobei die Polung dieser Dioden so gewählt ist, daß das betragsmäßig kleinste Potential der Verbindungs-

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punkte von Quarz und Serienkondensatoren auf das Potential des Schaltungsnullpunktes festgelegt ist. Im Ausführungsbeispiel nach Fig. 1 bedeutet dies, daß die Anoden der Klemmdioden Pl und D2 am Schaltungsnullpunkt liegen. Wird eine Oszillatorspannung mit höherei'Amplitude benötigt, so kann ein Serienkondensator mit der zugehörigen Klemmdiode weggelassen werden.

Die sinusförmige Oszillatorspannung kann nun zwischen einer der beiden Quarzelektroden und dem Schaltungsnullpunkt abgenommen werden, welche beiden möglichen Spannungen U und Ü zueinander invers sind, bzw. eine Phasenverschiebung von 180° gegeneinander aufweisen. Obwohl somit die Source-Spannung des Oszillatortransistors Tl um eine Schwellspannung kleiner ist als die Betriebsspannung UU, wird durch die erfindungsgemäßen Maßnahmen sichergestellt, daß die Ausgangsspannungen U und U um das Übersetzungsverhältnis der kapazitiven Spannungsteiler Cl-C3 und C2-C4 größer sind. Dadurch können in den mit diesen Taktspannungen betriebenen nachfolgenden Schaltungen die Umladeströme größer sein und somit, da 'das Anstiegszeit-Umladestrom-Produkt konstant ist, diese Schaltung mit höheren Frequenzen betrieben werden.

Die Fig. 2 zeigt ein Ausführungsbeispiel der Erfindung mit komplementären isolierten Feldeffekttransistoren, d.h. der Transistor Tl ist nach Fig. 2 ein η-Kanal-Transistor, während der Transistor T2' ein p-Kanal-Transistor ist. Während im Ausführungsbeispiel nach Fig. 1 die beiden Substratanschlüsse der Transistoren Tl und T2 beide am Schaltungsnullpunkt angeschlossen sind, trifft dies bei der Fig. 2 nur für den Transistor Tl zu, während der Substratanschluß des Transistors T2' am spannungsführenden Pol der Betriebspannungsquelle U_ß liegt. Im übrigen entspricht das Ausführungsbeispiel der Fig. 2 dem der Fig. 1, außer daß anstatt der Klemmdiode Dl und D2 in Fig. 2 die Diodenkombinationen Dl* und D2¹ gezeigt sind, die aus mehr als einer hintereinandergeschalteten Diode bestehen. Ferner ist der

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Verbindungspunkt von Quarzelektroden und Serienkondensatoren im Ausführungsbeispiel nach Pig. 2 über weitere Klemmdioden D3 und D4 mit dem spannungsführenden Pol der Batteriespannungsquelle verbunden. Damit wird eine ausreichende Symmetrie der Ausgangsspannungen U und ü erreicht. Auch im Falle der zusätzlichen Klemmdioden DJ> und D^- können im Bedarfs falle ein oder mehrere Dioden angewandt werden. Die Flußrichtung der Klemmdioden D3 und D^ ist die gleiche wie die der Klemmdioden Dl,D2, d.h. sämtliche Klemmdioden sind gleichartig in Reihe geschaltet.

Die Schaltungsanordnung nach dem AusfUhrungsbeispiel der Fig. 2 ist insbesondere dann von Vorteil, wenn die anzusteuerden Schaltungen ebenfalls mit komplementären isolierten Feldeffekttransistoren aufgebaut sind.

Es ist selbstverständlich, daß bei monolithischer Integrierung mit isolierten Feldeffekttransistoren lediglich solche Bau·^ elemente integriert werden, die einer Integration zugänglich sind, d.h. mit Sicherheit wird also der Quarz nicht mitintegriert. Auch der gegebenenfalls veränderbare Kondensator Cl wird im allgemeinen als diskretes Bauelement von außen an die integrierte Schaltung angeschlossen werden müssen. Was die Serienkondensatoren Cj5 und C4 betrifft, so wird es bei der Integrationsfähigkeit dieser Kondensatoren von deren erforderlichem Nennwert abhängen, ob sie in die integrierte Schaltung miteinbezogen werden. Der Kondensator C2 setzt sich, wie bereits erwähnt, aus den Eingangskapazitäten der nachfolgenden Schaltungen und einem festen Wert zusammen, wobei bei umfangreichen Schaltungen dieser feste Wert relativ klein ausfallen kann, so daß dieser Teilkondensator dann ohne weiteres integriert werden kann.

2 Patentansprüche

1 Blatt Zeichnungen mit 2 Figuren

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Claims

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PATENTANSPRÜCHE

Monolithisch integrierbare Quarzoszillatorschaltung mit isolierten Feldeffekttransistoren von gleicher oder komplementärer Leitungsart zur direkten Ansteuerung von ebenfalls isolierte Feldeffekttransistoren enthaltenden logischen Schaltungen, insbesondere Frequenzteilerschaltungen, wobei ein mit einem Drain-Widerstand versehener und in Source-Schaltung betriebener Transistor zwischen Drain- und Gate-Anschluß mit der Parallelschaltung aus einem Widerstand und dem Quarz beschaltet ist und zwischen Gate- und Source- sowie zwischen Drain- und Source-Anschluß je ein Kondensator angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, daß mit mindestens einer der Qarzelektroden ein Serienkondensator (Cj5* C4) in Reihe geschaltet ist und daß das betragmäßig kleinste Potential des Verbindungspunktes von Quarz (Q) und Serienkondensator mittels mindestens einer Klemmdiode (Dl, Dl', D2, D2¹) auf das Potential des Schaltungsnullpunktes festgelegt ist.

Qaurzoszillator nach Anspruch 1 mit zum Oszillatortransistor komplementärem Transistor als Drain-Widerstand, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen den spannungsführenden Pol der Betriebsspannungsquelle (tL·) und den Verbindungspunkt von Klemmdiode ( Dl', D2¹) und Serienkondensator (C^, C4) mindestens eine weitere Klemmdiode (Dj5, D4) geschaltet ist, deren Flußrichtung der der Klemmdiode(n) entspricht.

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