DE2633512A1

DE2633512A1 - Spannungsvervielfacher fuer elektronische zeitmessgeraete

Info

Publication number: DE2633512A1
Application number: DE19762633512
Authority: DE
Inventors: Hubert Portmann
Original assignee: Ebauches SA
Current assignee: Ebauches SA
Priority date: 1975-08-14
Filing date: 1976-07-26
Publication date: 1977-02-17
Also published as: JPS5223972A; US4068295A; DE2633512B2; FR2321144A1; CH1057575A4; FR2321144B1; CH593510B5; DE2633512C3; GB1544488A

Description

EBAUCHES S.A. Neuenburg / Schweiz

Spannungsvervielfacher für elektronische Zeitmessgerate

MS/19 625
Fall 169

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Die Erfindung betrifft einen Spannungsvervielfacher fürelektronische Zeitmessgeräte.

Die vollelektronischen Uhren (solid-state) benötigen zur Speisung der Anzeigevorrichtung eine Spannung, die grosser ist als die Batteriespannung. Spannungsumformer in Form von Transformatoren oder einfacher! Induktivitäten sind bekannt und werden gebraucht. Diese Bauelement haben gewisse Nachteile: der Transformator ist besonders teuer und nimmt verhältnismässig viel Platz ein; ausserdem hat er eine grosse Zahl von Ausgängen und sein magnetischer Kreis muss gut geschlossen sein, um den übrigen Stromkreis nicht störend zu beeinflussen. Ausserdem macht die Verwendung einer Induktivität eine Re/julierung der Ausgangsspannung nötig; man muss dafür eine Zener-Diode mit den richtigen Kennwerten finden oder einen Widerstand abgleichen.

Es ist ein Ziel der Erfindung, einen Spannungsvervielfacher anzugeben, der die angegebenen Nachteile vermeidet; seine Leistung soll in der Grössenordnung eines Mikrowatts liegen, seine Ausgangsspannung soll konstant sein und wenig von der Belastung an seinem Ausgang abhängen. Schliesslich sollen die Teile, aus denen er besteht, mittels der gleichen Integrationstechnik hergestellt werden wie die übrige Zeitmessschaltung. Diese und der Spannungsvervielfacher sollen also auf dem gleichen Träger integriert werden können.

Der Spannungsvervielfacher gemäss der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass er mindestens eine Stufe mit einem ersten Kondensator enthält, der ein Eingangssignal zu zwei komplementären Feldeffekttransistoren überträgt, die es abwechselnd an den gemeinsamen Punkt der Stufe und an ihren Ausgang übertragen, welche Transistoren durch einen Inverter gesteuert sind, der seinerseits durch das den Transistoren übermittelte Signal gesteuert und durch die am gemeinsamen Punkt und am Ausgang der Stufe auftretenden Spannungen gespeist ist, während ein zweiter Kondensator zwischen dem Ausgang und einem Punkt konstanten Potentials liegt.

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im folgenden wird eine Ausführungsform der Erfindung mit HiITe der Zeichnungen beschrieben, wobei

Fig. 1 ein Prinzipschema ist, um die Arbeitsweise einer bekannten Anordnung zti erläutern,

Fig. 2...Ö Iinpulsdiagraniine sind zur Erläuterung der Arbeitsweise der Anordnung nach Fig. 1,

Fig. 7 eine Wandlereinheit gemäss der Erfindung zeigt, Fig. 8 ein schematisches Schnittbild der Anordnung der in der Erfindung gebrauchten Transistoren wiedergibt, Fig. 9 ein allgemeines Schema eines erfindungsgemässen Wandlers zeigt.

Das Prinzipschema der Fig. 1 zeigt einen Spannungswandler, welcher die Kondensatoren .1...4 und die Dioden 5···8 enthält. Die Schaltung gestattet, am Ausgang (e) eine Gleichspannung zu erhalten, die grosser ist als die Amplitude der am Punkt A eintreffenden Impulse. Fig. 2...6 zeigen den Verlauf der Spannungen ^A» ^B♦ ^C' ^D ^unciUg an den Punkten A, B, C, D und E des Stromkreises nach Fig. 1. Der Punkt COM dient als Referenzpunkt. Am Eingang des Stromkreises, am Punkt A, erscheint eine Impulsfolge mit der Amplitude U : die Punkte auf der rechten Seite der ungeraden Kondensatoren 1 und 3 (B und D) zeigen Rechtecksignale der Amplitude U , aber um die Gleichspannung U gegenüber den vorher genannten Punkten verschoben. Die Punkte auf der rechten Seite der geraden Kondensatoren 2 und 4 (C und E) zeigen Gleichspannungen deren ¥ert ein gerades Vielfaches des Wertes U ist. Die Kette kann beliebig verlängert werden mit weiteren Stufen, die aus zwei Kondensatoren und zwei Dioden bestehen. Dieser Stromkreis hat jedoch erst dann einen wirklichen praktischen Wert, wenn man die Spannungsabfalle an den Dioden im Verhältnis zur Spannung U vernachlässigen kann. In den Uhren jedoch ist die Amplitude des rechteckigen Eingangssignals durch die Speisespannung (Batteriespannung) auf etwa 1,5 V begrenzt: der Spannungsabfall an einer Diode liegt in der Grössenordnung von 0,5 V und ist deswegen durchaus nicht vernachlässigbar.

Es ist noch zu bemerken, dass die Impulszeitdiagramme der Fig. 2...6 nur dann gültig sind, wenn die Kapazitäten der Konden-. satoren genügend gross sind, sodass die Ladeströme und Entladeströme, die im Rhythmus des Steuersignals auftreten, ihren Ladungszustand und damit ihre Spannung nicht merkbar verändern.

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In diesem Falle unterscheiden sich die Spannungen an den Punkten Λ, B und C voneinander nur durch ihre Gleiclispamiungspegel . Es ist deswegen möglich, die Kondensatoren 1 und 3 zwischen den Punkt A und die Punkte B bzw. C anzuschalten. Ebenso unterscheiden sich die Spannungen an den Punkten COM, C und E nur durch ihre Gleichspannungskomponenten und man kann die Kondensatoren 2 und k zwischen den Punkt COM und den Punkt C bzw. E schalten. Da der Punkt COM sich auf konstantem Potential befindet, ist es ferner möglich, die Kondensatoren an irgend einen anderen Punkt anzuschliessen, der auch ein konstantes Potential hat, das sich vom Po'tential des Punktes COM nur durch einen Gleichspannungswert unterscheidet, insbesondere an die eine oder die andere Klemme der Batterie.

Im Beispiel der Fig. 1 bilden die Kondensatoren 1 und 2 und die Dioden 5 und 6 eine erste Schaltungsstufe: gegenüber dem Punkt COM nimmt der Punkt C eine negative Gleichspannung U an; wenn der Punkt COM an die negative Klemme der Batterie angeschlossen ist, so ist die Spannung des Punktes C negativ und hat den Wert 2 U gegenüber der positiven Elementklemme, die im allgemeinen mit der Masse verbunden ist. Selbstverständlich ! annnan die Polarität der Ausgangsspannung umkehren, indem man die Polaritäten der Dioden umkehrt und den Punkt COM an die positive Klemme der Batterie anschliesst. Ausserdem muss der Kondensator nicht mit dem Punkt COM verbunden sein; an dessen Stelle kann jeder Punkt mit konstantem Potential und niedriger Impedanz treten (FIX). Während der positiven Halbwelle des Eingangssignals (U.) führt die Diode 5 einen Strom, der den Kondensator 1 auflädt (in der Fig. links positiv, rechts negativ). Während der negativen Halbwelle (oder Null) entlädt sich der Kondensator 1 teilweise über die Diode 6, wodurch der Kondensator 2 aufgeladen wird: nach einigen Perioden werden die in den Fig. 3 und k gezeigten Potentiale erhalten, wenn der Kondensator 1 sich nicht zu stark entlädt. Die Spannungsabfalle an den Dioden verursachen in diesem Falle (Batteriespannung 1,5 V, Spannungsabfall an den Dioden 0,5 V) einen Verlust von über 30$ gegenüber dem theoretischen Wert. Um diesen Nachteil zu vermeiden, werden die Dioden durch aktive Elemente ersetzt, die im richtigen Takt gesteuert sind.

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■iie Schal tun,»; der Fig. 7 enthält auch die Kondensatoren 1 und :>i.e Dioden 5 und 6 der Fig. 1 sind jedoch durch die Transistoren TJ bzw. T2 ersetzt worden. Der Transistor Tl soll während der positiven Ilalbwelle des Signals im Punkte Λ leitend sein, während T2 während der negativen Ilalbwelle des gleichen Si.^mals leiten "soll.

Wenn man die Potentiale an den Punkten B, C und COM ansieht, so wird klar, dass der Transistor Tl leiten soll, wenn seine Quelle und seine Senke sich auf dem am meisten positiven Potential der Anordnung befinden. Man muss also einen Feldeffekttransistor des Typs -p- für Tl wählen, weil die p-Transistoren leiten, wenn ihre Steuerelektrode negativ gegenüber den beiden anderen Elektroden vorgespannt ist. So kann man mit den in der Anordnung verfügbaren Potentialwerten arbeiten, wobei die Spannung am Punkt C gegenüber B und COM im betrachteten Zeitintervall genügend negativ ist. Es ist ferner leicht, den Transistor Tl mit einem dem Punkt COM entsprechenden Potential zu sperren; da keine andere Elektrode von Tl an ein positiveres Potential angeschlossen ist, «o ist er mit Sicherheit gesperrt.. Eine ähnliche üeberlegung ergibt, dass T2 am besten ein Transistor des Typs -n- ist. Deswegen können die Steuerelektroden von Tl und T2 durch das gleiche Signal beaufschlagt werden, wobei wegen des komplementären Charakters der beiden Transistoren ,jeweils nur einer leitet. Da jedoch das Signal am Punkt B die richtigen Pegel zur Steuerung von Tl und T2 hat, aber die falsche Phase, so leitet man es über einen Inverter, der von den Komplementärtransistoren T3 und Τ4 gebildet wird, um ein Steuersignal der richtigen Phase zu erhalten. Dieser Inverter muss durch die Pegel der Punkte COM und C gespeist werden, um richtig zu arbeiten.

Wenn die Eingangsspannung am Punkt A von dem positivsten Wert zum negativsten Wert übergeht, leitet der Transistor Tl bis die Spannung genügend abgefallen ist, damit der Inverter T3, Τ4 seinen Zustand wechselt; von diesem Augenblick an ist nur der Transistor Tl gesperrt. So entlädt sich der Kondensator .1, der geladen war, indem seine Ladung dem Eingangssignal solange folgt, als der Transistor Tl leitet. In entsprechender Weise, wenn der Inverter umschaltet, leitet der Transistor T2 undstrebt danach, den Kondensator 2 in den Kondensator 1 zu entladen, da die Spannung an dem ersten in diesem Augenblick noch grosser ist als die Summe der Spannung am Eingang und der Spannung am

ORlGiMAL INSPECTED

Kondensator 1. Erst wenn die Eingangsspannung ihren negativsten V.^rert erreicht hat, beginnt der Transistor T2 zu leiten. Der Vorgang ist ähnlich, wenn die Eingangsspannung von ihrem negativsten zum positivsten Wert übergeht; der Transistor T2 bleibt zu lange leitend und der Transistor Tl fängt zu früh an zu leiten. Die Schalttransistoren widerstreben also den Spannungsänderungen,. die vom Eingang her gesteuert werden. Um diesen Nachteil zu beheben, kann man den Umschalttransistoren Tl, T2 kleine Abmessungen im Vergleich zu den Transistoren der Stufe geben, die das Eingangssignal U. (nicht gezeigt) liefern. Das Signal U. behält dann sehr steile Flanken trotz der Belastung durch die Transistoren Tl und T2. Der genannte Uebergang ist dann so kurz, dass er nicht mehr stört. Man kann auch, wie auf Fig. 7 zu erkennen ist, einen Widerstand R zwischen den Punkt B und die Transistoren Tl und T2 einschalten, um den schädlichen Einfluss der Transistoren Tl und T2 währen!des Umschaltens abzuschwächen.

Schliesslich sind noch die Probleme zu lösen, die durch die Vorspannung des Substrats und der Wannen gebildet werden, die die Feldeffekttransistoren enthalten, welche den Stromkreis bilden. Ein Feldeffekttransistor hat vier Eingänge, nämlich: die drei normalen Elektroden, Quelle, Senke und Steuerelektrode, ?owie eine Elektrode, die mit dem Substrat oder der Wanne in \^rerbindung steht, auf welcher sie sich befinden. In der sogenannten C-MOS-Technik (complementary MOS) werden die Transistoren der beiden Typen auf dem gleichen Substrat aufgebaut; wie in Fig. gezeigt, erhält man in einem negativ dotierten Substrat 10 einen p-Transistor, indem in diesem Substrat zwei positiv dotierte Schichten 11 und 12 gebildet werden, die die Quelle und die Senke bilden sollen. Auf dem Substrat und zwischen den beiden Schichten 11 und 12 befindet sich eine Isolierschicht 13 aus SiO2 zur Aufnahme der Steuerelektrode des Transistors. Um einen η-Transistor herzustellen, wird in das Substrat 10 eine positiv dotierte Wanne ik eingebaut, in welcher negativ dotierte Schichten 15 und 16 und eine Isolierschicht 17, die Senken-, Quellen-und Steuerelektroden aufnehmen. Das negativ dotierte Substrat 10 muss an einen Punkt angeschlossen werden, dessen Potential genügend positiv gegenüber der Quellen- und Senkenelektrode des p-Transistors ist. Entsprechend müssen die Potentiale der positiv dotierten Wannen genügend negativ gegenüber

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den iOlektroden der entsprechenden η-Transistoren .sein.

In Fig. 9 ist ein zweistufiger Vervielfacher dargesteJIt. 20 ist die Batterie mit Angabe ihrer Polarität. Ausserdeiu ir-t die letzte Stufe der Schaltung gezeigt, die den Wandler steuert und die aus^!zwei Transistoren TlO, TIl besteht und einen Inverter darstellt, der durch ein vom Zeitkreis abgeleitetes Signal F gespeist wird. Die auf dem Schema dargestellten Transistoren enthalten ausser den normalen drei Elektroden eine vierte Elektrode, die entweder mit dem Substrat oder mit der eingesetzten Wanne verbunden ist: diese Elektrode ist auf der Zeichnung durch einen Pfeil gekennzeichnet. Ein Eingangspfeil bezeichnet einen η-Transistor, ein Ausgangspfeil einen p-Transistor. Das Substrat aller p-Transistoren ist mit der positiven Klemme der Batterie verbunden, während die Wannen der η-Transistoren direkt mit den Quellen dieser Transistoren verbunden sind. Das für alle p-Transistoren gemeinsame Substrat muss nämlich an ein möglichst positives Potential angeschlossen werden; äas nächstliegende ist, es an die positive Klemme der Batterie anzuschliessen, die in diesem Falle mit der Masse des ganzen Stromkreises verbunden ist. Was die Wannen der η-Transistoren anbetrifft, kann jeder Transistor seine eigene Wanne haben, wenn es nötig ist_? und diese muss an einem genügend negativem Potential liegen gegenüber der Quellen- und Senkenelektrode des oder der Transistoren, die sie enthält; infolgedessen genügt es, die Wannen mit den Quellen der entsprechenden Transistoren zu verbinden. Vorteilhafterweise werden nicht alle Wannen mit dem negativsten Potential des Stromkreises verbunden, da die Schwellenspannung der n-Transistoren stark von der Vorspannung der Wannen abhängt; wenn diese Vorspannung zu gross ist, wächst die Schwellenspannung unnötigerweise, In der verwendeten Lösung, die auf Fig. 9 dargestellt ist, ist die Vorspannung der Wanne schwach und diefcchwellenspannung wird unabhängig von der Potentialgrösse. So sind die η-Transistoren in Wannen gruppiert, die gerade genügend vorgespannt sind, dass Quelle oder Senke niemals negativ gegenüber der Wanne werden.

Die erste Stufe besteht aus den Transistoren Tl, T2, T3, Tk, aus dem Widerstand R und den beiden Kondensatoren 1 und 2} sie enthält ausserdem die Diode 6, die zwischen den Punkten C und B liegt. Die zweite Stufe enthält die Transistoren Tl', TZ¹, T3¹ lind Th' ₆ den Widerstand R¹ und die beiden Kondensatoren 1' und 2¹

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ausserdeni die Diode 6', die zwischen den Punkten E (Ausgang) und D liegt. Die Dioden 6 und 6' (analog zur Fig. l) sorgen für einen richtigen Start des Vervielfachers, wenn die Ausgangsspannung noch gleich Null ist.

Die Spannung der Batterie ist U; damit ist die Ausgangsspannung theoretisch gleich 3 U . Tm folgenden werden die Resultate.wiedergegeben, die mit zwei Arten von Vervielfachern, verschiedenen Ausgangsströmen und den folgenden Werten erhalten wurden:

Frequenz der Steuerimpulse: 250 Hz Batteriespannung U = 2,5 V

Verdoppler (eine Stufe) mit Cl = C2 = 0,15 JiF *

Ausgangsspannung (v) Ausgangsstrom (uA) Wirkungsgrad ($) 5 0 0

h,91 0,5 90

4,7 5 93

*) Cl, C2 = Werte der Kondensatoren 1, 2

Vervierfacher (drei Stufen) mit Cl = C2 = 0,1 uF

Aus gangs spannung (v) Ausgangsstrom (uA) Wirkungsgrad (^co) 9,7 0 0

9 0,1 75

8 1 78

Im ersten Fall war die Stabilität und der Wirkungsgrad sehr hoch, im zweiten Fall hingen diese beiden Werte offensichtlich von der Güte der verwendeten Transistoren ab.

Was die Steuerimpulsfrequenz anbetrifft, ist zu sagen, dass sie aus einem Kompromiss zwischen den Dimensionen der Kondensatoren einerseits (die eine hohe Frequenz günstig erscheinen lassen würden), und den durch die Streukapazitäten verursachten Verluste (für die eine niedrige Frequenz günstig wäre).

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Man sieht, dass die Wahl von MOS-Transistoren wesentliche Vorteile bietet: der Vervielfacher und die C-M03-Logik des Zeitkreises sind miteinander kompatibel, die Spannungsverluste sind zu vernachlässigen, da die Feldeffekttransistoren keine "offset"· Spannung haben; es bestehen keine Schwierigkeiten durch Energieverluste in der Transistorsteuerung, da die Eingangsimpedanz dieser Transistoren praktisch unendlich ist.

7nPRD7/1ü13 ORIGINAL !MSPECTED

Claims

Patentansprüche

(1./ Spannungsvervielfacher für ein elektronisches Zeitmessgerät,

dadurch gekennzeichnet, dass er mindestens eine Stufe mit einem ersten Kondensator (l) enthält, der ein Eingangssignal zu zwei komplementären Feldeffekttransistoren (Tl, T2) überträgt, die es abwechselnd an den gemeinsamen Punkt der Stufe (COM) und an ihren Ausgang (c) übertragen, welche Transistoren durch einen Inverter (Τ3> Tk) gesteuert sind, der seinerseits durch da? den Transistoren (Tl, T2) übermittelte Signal gesteuert und durch die am gemeinsamen Punkt (COM) und am Ausgang (c) der Stufe auftretenden Spannungen gespeist ist , während ein zweiter Kondensator (2) zwischen dem Ausgang (c) und einem Funkt konstanten Potentials (FIX) liegt.
2. Spannungsvervielfacher nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Transistoren (Tl, T2) des Vervielfachers in ihren Abmessungen klein sind verglichen mit den Transistoren, die das Eingangssignal liefern.
3. Spannungsvervielfacher nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ein Widerstand (r) den ersten Kondensator (l) mit den beiden Transistoren (Tl₁. T2) verbindet.
k. Spannungsvervielfacher nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das konstante Potential (FIX) eine der Klemmen der das Zeitmessgerät speisenden Batterie ist und dass die Ausgangsspannung des Vervielfachers zwischen dem Ausgang (c) der ^ctufe und der zweiten Klemme der Batterie entnommen wird.
5. Spannungsvervielfacher nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass er mehrere in Reihe geschaltete Stufen enthält, derart, dass der gemeinsame Punkt (COM) einer Zelle mit dem Ausgang der vorhergehenden Stufe verbunden ist, während die Eingänge (A, A¹) der Stufen und die Punkte konstanten Potentials (FIX) gemeins am s ind.

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