DE2616678B2

DE2616678B2 - Oszillatorschaltung

Info

Publication number: DE2616678B2
Application number: DE2616678A
Authority: DE
Inventors: Osamu Kodaira Yamashiro (Japan)
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1975-04-21
Filing date: 1976-04-15
Publication date: 1978-03-30
Also published as: DE2616678A1; US4039973A; JPS51123044A; NL7604179A

Description

Die Erfindung betrifft eine Oszillatorschaltung mit einem Metallisolationshalbleiter-(MIS-)Inverter, bei dem ein Schwingquarz in einem Rückkoppelkreis liegt.

Die Erfindung betrifft insbesondere eine Auslöse- oder Treiberschaltung in einer Oszillatorschaltung und speziell ein Auslöseschaltung, die für eine quarzgesteuerte Oszillatorschaltung mit einem Metallisolatorhalbleiter-(MlS-)Inverter und speziell mit einem Komplementär-Metalloxidhalbleiter-(C-MOS-)lnverter geeignet ist.

Oszillatorschaltungen in der Komplementär-MOS-Bauweise sind allgemein bekannt und beispielsweise in dem Artikel von S. S. Eaton, RCS Application Note, IACN 6539, Januar 1971, Seiten 192 bis 205 beschrieben. Herkömmliche Oszillatorschaltungen mit Komplementär-MOS-Invertern benötigen jedoch zur Schwingungsauslösung, d. h. für den Einschwingvorgang mehrere Sekunden, manchmal sogar über 10 Sekunden. Für die Montage, die Einstellung und die Funktionsprüfung muß daher verhältnismäßig viel Zeit aufgewendet werden. Um diesen Zeitraum zu verkürzen, ist es möglich, einen größeren Strom fließen zu lassen, um die Auslöseenergie für den Komplementär-MOS-lnverter zu erhöhen. Bei diesem Verfahren fließt jedoch der größere Strom auch nach der Schwingungsauslösung, also auch dann, wenn die Oszillatorschaltung normal schwingt und sich im statischen Zustand befindet. Daher wird der Leistungsverbrauch sehr hoch.

Insbesondere dann, wenn eine Oszillatorschaltung als Standard-Frequenzgenerator in einer elektronischen Armbanduhr verwendet werden soll, werden erhebliche Forderungen gestellt, die Versorgungsspannung und die Verlustleistung klein zu halten. Auch dann, wenn der Inverter der Oszillatorschaltung mit Komplementär-MOS-Elementen in der Silicon-Gate-Technik hergestellt wird, ist der Leistungsverbrauch bei den herkömmlichen Oszillatorschaltungen recht hoch.

Aus der DE-OS 21 53 828 ist bereits eine Oszillatorschaltung der eingangs genannten Art bekannt, bei der zur Vergrößerung des Verstärkungsfaktors einem MIS-Inverter ein zusätzlicher MIS-Inverter parallel geschaltet ist. Da aber der zusätzliche MIS-Inverter dauernd in Kaskade mit dem MIS-Inverterverstärker des Oszillators geschaltet ist, hat die bekannte Oszillatorschaltung einen verhältnismäßig hohen Leistungsverbrauch.

Aus der DE-PS 12 52 735 ist ferner eine Schaltungsanordnung zum Anstoßen eines astabilen Multivibrators bekannt, die nur im Falle des Nichtschwingens des Multivibrators wirksam ist. Dieses Ziel wird dadurch erreicht, daß ein Kriterium über den Betriebszustand des astabilen Multivibrators in Form einer Spannung abgeleitet und im Fall des Mitschwingens diese Spannung als Eingangssignal zum Anschwingen des Multivibrators zugeführt wird.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Oszillatorschaltung der angegebenen Art derart auszubilden, daß sie innerhalb kurzer Zeit angeschwungen werden kann, beim normalen Oszillatorbetrieb, also im statischen Zustand aber mit möglichst geringer Leistung betrieben werden kann.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die vom

bo Patentanspruch 1 erfaßten Maßnahmen gelöst.

Da erfindungsgemäß der Verstärkungsfaktor der Oszillatorschaltung nur zum Zeitpunkt der Auslösung erhöht wird, wird sie einerseits sicher angeschwungen, während andererseits im Normalbetrieb der Leistungs-

^hr) verbrauch sehr gering gehalten werden kann.

Die erfindungsgemäße Oszillatorschaltung eignet sich besonders für Armbanduhren, wobei die für diesen Zweck vorgesehene erfindungsgemäße Oszillatorschal-

tung eine große Antriebsleistung und im normalen Schwingungszustand einen geringen Leistungsverbrauch aufweist und darüber hinaus in integrierter Bauweise hergestellt werden kann.

Bevorzugte Weiterbildungen und Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Oszillatorschaltung sind Gegenstand der Unteransprüche 2 bis 5.

Die Erfindung wird nachstehend anhand der Zeichnungen beispielsweise näher erläutert. Es zeigt

Fig. I eine Ausführungsforrn der Auslöseschaltung für eine erfindungsgemäße Oszillatorschaltung und

F i g. 2 der zeitliche Verlauf von Schwingungsformen von Signalen, die an verschiedenen Schaltungspunkten der in Fig. 1 dargestellten Schaltung auftreten, anhand denen die Arbeitsweise der in Fig. 1 dargestellten Schaltung erläutert wird.

In Fig. 1 ist eine Ausführungsform der Auslöseschaltung, nämlich der Treiberstufe in einer Oszillatorschaltung dargestellt, in der ein MlS-Inverteroszülator 1, d. h. ein Komplemeniär-MOS-inverieroszillator I (der in Fig. 1 strichliniert umrandet ist) einen in einer Rückkoppelschleife liegenden Quarz C„ einen P-Kanal-MOSFET Tu einen N-Kanal-MOSFET T₂, Widerstände R] und R₂ und Kondensatoren Q und C₂ enthält. Hierbei können auch andere MISFETs für die MOSFETs verwendet werden. Die Source-Elektrode des P-Kanai-MOSFETs T) ist mit der negativen Versorgungsspannungsklemme 4 (— Vs), die Gate-Elektrode mit einem Anschluß des Widerstandes R] und einem Ausgang 2 und die Drain-Elektrode mit dem anderen Anschluß des Widerstandes R) und dem anderen Anschluß des anderen Widerstandes R₂ verbunden. Die Source-Elektrode des N-Kanal-MOSFET T₂ steht mit einer Anschlußklemme 5 für die positive Versorgungsspannung (+ Vg), die Gate-Elektrode mit der Gate-Elektro- J5 de des MOSFET T] und die Drain-Elektrode mit der Drain-Elektrode des MOSFET T] in Verbindung. Der andere Anschluß des Widerstandes R₂ liegt an einem Ausgang 3. Der Eingang 2 und der Ausgang 3 liegen über die Kondensatoren Ci bzw. C₂ an Masse. Zwischen dem Eingang 2 und dem Ausgang 3 liegt der Schwingquarz C_x.

Ein weiterer Komplementär-MOS-Inverter 6, oder allgemeiner ein weiterer MIS-Inverter 6 (der in F i g. 1 strichliniert umrandet ist), der nur zum Zeitpunkt der Einschaltschwingung parallel zum Komplementär-MOS-Inverter liegt, enthält P-Kanal-MOSFETs 7₃ und T₄ und N-Kanal-iv1OSFETs T₅ und T₆. Die Drain-Elektrode des P-Kanal-MOSFETs T_} ist mit der Anschlußklemme 4 für die negative Spannung und die Gate-Elektrode mit dem Ausgang eines Inverters 13 verbunden. Die Source-Elektrode des P-Kanal-MOSFETs T₄ ist mit der Source-Elektrode des MOSFETs T₃, die Gate-Elektrode des P-Kanal-MOSFETs T₄ ist mit der Gate-Elektrode des MOSFETs Γ, und die Drain-Elektrode des P-Kanal-MOSFETs T₄ ist mit der Drain-Elektrode des MOSFETs Ti verbunden. Die Drain-Elektrode des N-Kanal-MOSFETs T₅ ist mit der Drain-Elektrode des MOSFETs T₄ und die Gate-Elektrode des N-Kanal-MOSFETs T₅ mit der Gate-Elektro- ω de des MOSFETs T₂ verbunden. Die Source-Elektrode des N-Kanal-MOSFETs T₆ ist mit der Source-Elektrode des MOSFETs T₅, die Gate-Elektrode des N-Kanal-MOSFETs T₆ ist mit dem Eingang des MOS-Inverters 13 und die Drain-Elektrode des N-Kanal-MOSFETs T₆ ist hi mit der Versorgungsquelle 5 für die positive Spannung (+ Ve) verbunden. Beispielsweise kann das Massepotential als positive Spannung + Vn verwendet werden.

Weiterhin ist ein Frequenteiler !6 mit dem Ausgang des Oszillators 1 über Inverter 14 und 15 verbunden, die der Formung der Schwingungsform bzw. der Impulsformung und dem Stroben bzw. dem Abtasten (strobing) dienen. Diese Schaltungsteile können vorteilhafterweise zusammen mit der Auslösesteuerung, die nachfolgend noch beschrieben werden wird, mit Ausnahme des Schwingquarzes C_x in einem Halb'eittrbaustein integriert sein, wobei der Schwingquarz C. extern angeschlossen wird. Entsprechend den gewünschten Konstanten für die Osziilatorschaltung können die Kondensatoren C] und C₂ und/oder die Widerstände R] und R> auch außerhalb des integrierten Bauteils liegen und von außen angeschlossen werden, normalerweise sind diese Bauteile jedoch ebenfalls integriert.

Anhand der in F i g. 2 dargestellten Schwingungsformen soll der Aufbau und die Arbeitsweise der Auslösesteuerschaltung beschrieben werden, die dazu dient, die MOS-lnverterschaltung 6 und den MOS-Inverterosziliator I in einer Parallelschaltung zu verbinden.

Wenn ein (nicht dargestellter) Schalter für die Versorgungsspannung eingeschaltet wird, wie dies in F i g. 2 durch die Schwingungsform s dargestellt ist, wird an die Spannungsversorgungsanschlüsse 4, 5, 7 bzw. 8 eine Versorgungsspannung angelegt. Die Spannung am Schaltungspunkt a fällt auf einen Spannungswert - Vu (niederen Pegel) mit einer Zeitkonstante exponentiell ab, die durch die Werte des Widerstandes Ri und des Kondensators C₃ vorgegeben ist. Dieser am Schaltungspunkt a auftretende Spannungsverlauf ,' ist in Fig. 2 dargestellt. Dann ändert sich die Spannung am Punkt b. die durch die Inverter 9 und 10, die die Schwingungsform bzw. die Impulse formen und stroben, vom hohen Pegel (»1«) in den niederen Pegel (»0«) nach einer bestimmten Zeit, die durch die Zeitkonstante vorgegeben ist, d. h. die Spannung am Schaltungspunkt a erreicht die digitale Schwellwertspannung, wie dies durch die Schwingungsform i> in Fig. 2 dargestellt ist. Dann wird ein aus zwei NOR-Gliedern bestehender RS-Flip-Flop 12 rückgesetzt und stellt eine Ausgangsspannung mit niederem Pegel bereit. Der RS-Flip-Flop

12 liefert also eine Spannung mit niederem Pegel an die Gate-Elektrode des MOSFETs T_b und über den Inverter

13 eine Spannung mit niederem Pegel an die Gate-Elektrode des MOSFETs T₃. Die MOSFETs T_} und 76 werden daher in den leitenden Zustand versetzt und demzufolge wird der Komplementär-MOS-Inverter 6 parallel zum Komplementär-MOS-Inverter dem Komplementär-MOS-Inverter-Oszillator 1 geschaltet. Da die Schwingungsauslösung mit zwei MOS-Invertern durchgeführt wird, wird der Verstärkungsfaktor der Oszillatorschaltung erhöht, d. h. die die Oszillatorschwingung auslösende Kraft wird erhöht und dadurch die Oszillator-Auslösezeit verringert. Im vorliegenden Falle können die Kondensatoren C3 und C₄ in einer monolithischen integrierten Schaltung durch Ausnützen der Streukapazität der MOS-Transistoren gebildet werden.

Der Spannungspegel am Ausgang ddes Frequenzteilers 16 bleibt auf einen niederen oder hohen Pegel und ändert sich nicht, bevor die Schwingung beginnt. Daher liegt am Schaltungspunkt farn Ausgang eines exklusiven ODER-Gliedes 18 ein hoher Pegel an, wobei diesem exklusiven ODER-Glied 18 der Spannungspegel am Schaltungspunkt d und die vom MOS-lnverter 17 invertierte Spannung zugeführt wird. Die Ausgangsspannung des exklusiven ODER-Gliedes 18 wird einem

Eingang eines NOR-Gliedes 11 zugeleitet, dessen Ausgang mit dem Rücksetzanschluß des RS-Flip-Flops 12 verbunden ist. Das NOR-Glied 11 erhält über den anderen Eingang die am Schaltungspunkt b auftretende Spannung zugeführt. Daher wird der RS-Flip-Flop 12 zum Zeitpunkt des Einschaltens gelöscht gehalten.

Wenn die Schwingung in der Inverteroszillatorschaltung 1 ausgelöst worden ist und die Spannung am Schaltungspunkt d abwechselnd den hohen und den niederen Spannungspegel einnimmt, wie dies in Fig. 2 anhand der Schwingungsform {/dargestellt ist, tritt am Schaltungspunkt e hinter dem Inverter 17 die in F i g. 2 durch die Schwingungsform e dargestellte Spannung mit Spannungsänderungen auf, die durch das Produkt des Widerstandswertes des Inverters 17 und des Wertes des Kondensators Q vorgegebene Zeitkonstante festgelegt ist. Daher tritt am Schaltungspunkt f bei jeder Änderung des Spannungspegels am Schaltungspunkt e für einen Zeitraum eine Spannung mit niederen Pegel auf, die durch diese Zeitkonstante vorgegeben ist (vgl. die Schwingungsform f in Fig. 2). Dann stellt das NOR-Glied 11 ein hohes Ausgangssignal bereit, das den RS-Flip-Flop 12 rücksetzt. Der RS-Flip-Flop 12 liefert infolgedessen eine Spannung mit hohem Pegel an die Gate-Elektrode des MOSFETs Tb und eine Spannung mit niederem Pegel an die Gate-Elektrode des MOSFETs T₃, so daß diese beiden MOSFETs in den nichtleitenden Zustand übergehen.

Der Komplementär-MOS-lnverter 6 ist während der normalen Schwingungszeit mit Ausnahme der Einschaltperiode, d. h. der Auslöseperiode vom Komplementär-MOS-Inverteroszillator 1 getrennt. Daher ist der Leistungsverbrauch in der Zeit, in der eine normale Schwingung vorliegt, gering.

Es sei in diesem Zusammenhang noch erwähnt, daß der Frequenzteiler nicht notwendigerweise in der in Fig. 1 dargestellten Schaltung erforderlich ist. Er kam auch weggelassen werden und die Ausgangssignale clei Inverter 14 und 15 können direkt als Rücksetzsignak dienen.

Wenn die erfindungsgemäße Schaltung bei einei elektronischen Armbanduhr verwendet werden soll kann der Frequenzteiler 16 als Frequenzteiler-Schal tungsteil zum Frequenzteilen der Standard-Oszillatorfrequenz des Oszillators, also der Frequenz vor 16 384Hz verwendet werden. Der Frequenzteiler Ii kann auch durch eine an sich bekannte Schaltung crsetzi werden, die das Ausgangssignal der Inverterschaltung ir der Oszillatorschaltung in RechteckOszillatorschwin gungen umsetzen kann.

Bei der zuvor beschriebenen Ausführungsform wurde der Inverter der Oszillatorschaltung von Komplementär-MOS-Transistoren gebildet. Anstelle der Komple mentär-MOS-Transistoren können natürlich auch aride re MIS-Transistoren mit MOS-Transistoren verwende werden. Darüber hinaus kann auch die Steuerung, durch die der Inverter der Auslöseschaltung gemäß dei Erfindung parallel zum Inverter des Oszillator! geschaltet wird, auf verschiedenste Weise abgewandel· werden. Selbstverständlich bestehen für die erfindungsgemäße Schaltung vielfältige Anwendungsmöglichkeiten, auch über elektronische Uhren und elektronische Armbanduhren hinaus.

Wie bereit zuvor beschrieben wurde, läßt sich mit dei erfindungsgemäßen Auslöseschaltung in einer Oszilla torschaltung deshalb, weil zwei Komplementär-MOS Inverter lediglich während der Schwingungs-Auslösc zeit zueinander parallel geschaltet sind, die Antrieb!) bzw. Auslöseenergie vergrößern, die Oszillations-Aus lösezeit verkürzen und der Leistungsverbrauch wäh rend des normalen Schwingens der Oszillatorschaltunj verringern.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Oszillatorschaltung mit einem Metallisolatorhalbleiter-(MIS-)Inverter, bei dem ein Schwingquarz in einem Rückkoppelkreis liegt, gekennzeichnet durch eine Einrichtung zur Vergrößerung des Verstärkungsfaktors der Oszillatorschaltung (1) zum Zeitpunkt des Auslösens der Oszillatorschaltung (1) gegenüber dem Verstärkungsfaktor der Oszillatorschaltung (1) während des normalen Oszillatorbetriebes.

2. Oszillatorschaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung zur Vergrößerung des Verstärkungsfaktors einen zusätzlichen, vom ersten getrennten MIS-Inverter (T₄, T₅) und Inverterverbindungseinrichtungeii enthält, die den zusätzlichen MIS-Inverter (T₄, T₅) zum Zeitpunkt der Oszillations-Auslösung parallel zum ersten MIS-Inverter /Ti, T₂) legen.

3. Oszillatorschaltung nach Anspruch I oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Inverterverbindungseinrichtungen mit Steuerelektroden versehene Schalterelemente (Ti, 7J) aufweisen, die jeweils zwischen den Source-Elektroden der entsprechenden MIS-Transistoren (T₄, Ts) des zusätzlichen MIS-Inverters (T*, T₅) und den jeweiligen Versorgungsanschlußklemmen (4, 5) liegen und daß Schaltersteuereinrichtungen vorhanden sind, die die Schalterelemente (Ti, Te) über die Steuerelektroden beim Einschalten der Versorgungsspannung zum Auslösen der Schwingung in den leitenden Zustand und beim Feststellen, daß die Oszillatorschaltung (1) normal schwingt, in den nichtleitenden Zustand zu versetzen.

4. Oszillatorschaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Schalterelemente (T3, Tt) M IS-Transistoren vom gleichen Leitfähigkeitstyp wie die MIS-Transistoren (T₄, Ti) sind und deren Source-Elektroden mit den Source-Elektroden der Inverter-MIS-Transistoren (T₄, T₅), deren Drain-Elektroden mit einem Versorgungsspannungsanschluß (4, 5) verbunden sind und den Gate-Elektroden jeweils ein Steuerspannungssignal angelegt wird.

5. Oszillatorschaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Schaltersteuereinrichtung einen Frequenzteiler (16), der das Ausgangssignal der MIS-Inverter (Tu T₂) zugeführt erhält und ein in einem vorgegebenen Frequenzverhältnis geteiltes Rechtecksignal erzeugt, Spannungsversorgungsanschlüsse (7, 8), einen Flip-Flop (12), der beim Einschalten der Versorgungsspannung gesetzt und beim Ausschalten der Versorgungsspannung rückgesetzt wird, sowie eine Rücksetz-Schaltung aufweist, der beim Anstieg und beim Abfall des vom Frequenzteiler (16) kommenden Rechtecksignals Impulse erzeugt und den Flip-Flop (12) rücksetzt, wobei das Ausgangssignal des Flip-Flops (12) der Steuerelektrode der Schalterelemente (Ti, Te) zugeleitet wird.