DE2633512B2

DE2633512B2 - Spannungsvervielfacher für elektronische Zeitmeßgeräte

Info

Publication number: DE2633512B2
Application number: DE2633512A
Authority: DE
Inventors: Hubert Colombier Portmann (Schweiz)
Original assignee: Ebauches SA
Current assignee: Ebauches SA
Priority date: 1975-08-14
Filing date: 1976-07-26
Publication date: 1980-01-31
Also published as: JPS5223972A; US4068295A; DE2633512A1; FR2321144A1; CH1057575A4; FR2321144B1; CH593510B5; DE2633512C3; GB1544488A

Description

Die Erfindung betrifft einen Spannungsvervielfacher für elektronische Zeitmeßgeräte, der mindestens eine Stufe mit einem ersten Kondensator, welcher ein Eingangssignal an zwei erste komplementäre Feldeffekttransistoren übertragt, einem Inverter, dessen Ausgang die zwei ersten komplementären Feldeffekttransistoren steuert und einen zweiten Kondensator aufweist, der zwischen dem Ausgang und einem Punkt konstanten Potentials liegt

Die vollelektronischen Uhren (solid-state) benötigen zur Speisung der Anzeigevorrichtung eine Spannung, die größer ist als die Batteriespannung, Spannungsumformer in Form von Transformatoren oder einfachen Induktivitäten sind bekannt und werden gebraucht Diese Bauelemente haben gewisse Nachteile; der s 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 Verwen dung einer Induktivität eine Regulierung der Ausgangs spannung nötig: man muß dafür eine Zener-Diode mit den richtigen Kennwerten finden oder einen Widerstand abgleichen. Aus der DE-OS 21 53 906 ist ein Spannungsvervielfa eher bekannt, welcher Dioden zur Gleichrichtung des Steuersignals enthält Die Dioden können nicht durch die gleiche Technologie wie die MOS-Transistoren hergestellt werden, so daß sie nicht mit den anderen Elementen der Schaltung auf dem gleichen Träger integriert werden können.

Aus der DE-OS 23 47 404 ist ein Spannungsvervielfacher bekannt bei welchem die Dioden durch Transistoren ersetzt sind, welche durch ein Signal gesteuert werden, das durch eine Inverterstufe geliefert wird.

Diese Schaltung weist aber den Nachteil auf, daß sie pro Vervielfacherstufe einen speziellen Kondensator und eine spezielle Diode benötigt um den Spannungspegel des Steuersignals demjenigen der MOS-Transistoren anzupassen.

jo Es ist ein Ziel clsr 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 Zeitmeßschaltung. Diese und der Spannungsvervielfacher sollen also auf dem gleichen Träger integriert werden i.ö;inen.

Der Spannungsvervielfacher gemäß der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet daß die Steuerelektroden der beiden ersten komplementären Transistoren, die in Serie zwischen einen Referenzpunkt konstanten Potentials und den Ausgang geschaltet sind, durch eine direkte Verbindung mit dem Ausgang des Inverters verbunden sind, und daß der Inverter, der aus zwei komplementären Feldeffekttransistoren, deren Steuerelektroden nach dem ersten Kondensator durch eine direkte Verbindung mit einem gemeinsamen Punkt im Aus gangskreis der zwei ersten komplementären Transisto ren verbunden sind, besteht, durch die Ausgangsspanr:ung der Stufe gespeist ist, wobei die Ausgangsspannung des Spannungsvervielfacher zwischen einem Punkt konstanten Potentials und dem Ausgang liegt.

Im folgenden wird eine Ausführungsform der Erfindung mit Hilfe der Zeichnungen beschrieben, wobei

F i g. 1 ein Prinzipschema is'., um die Arbeitsweise einer bekannten Anordnung zu erläutern,

μ Fig.2 ... 6 Impulsdiagramme sind zur Erläuterung der Arbeitsweise der Anordnung nach F i g. 1,

Fig.7 eine Wandlereinheit gemäß der Erfindung zeigt, F i g. 8 ein schematisches Schnittbild der Anordnung

b5 der in der Erfindung gebrauchten Transistoren wiedergibt,

F i g. 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 größer ist als die Amplitude der am Punkt A eintreffenden Impulse. F i g. 2 ... 6 zeigen der Verlauf der Spannungen U_A, Ub, Uc, i/o und Ue an den Punkten A, B, Q D und E des Stromkreises nach Fig. 1. Der Punkt COAf dient als Referenzpunkt Am Eingang des Stromkreises, am Punkt A, erscheint eine Impulsfolge mit der Amplitude Uf. die Punkte auf der rechten Seite der ungeraden Kondensatoren 1 und 3 (Buna D)zeigen Rechtecksignale der Amplitude U_p gegenüber den vorher genannten Punkten verschoben. Die Punkte auf der rechten Seite der geraden Kondensatoren 2 und 4 (C und E) zeigen Gleichspannungen, deren Wert ein gerades Vielfaches des Wertes U₉ 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 Spannun^sabfälle an den Dioden im Verhältnis zur Spannung U₉ 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 vemachlässigbar.

Es ist noch zu bemerken, daß die Impulszeitdiagramme der Fig.2 ... 6 nur dann gültig sind, wenn die Kapazitäten der Kondensatoren genügend groß sind, so daß die Ladeströme und Entladeströme, die im Rhythmus des Steuersignals auftreten, ihren Ladungszustand und damit ihre Spannung nicht merkbar verändern.

In diesem Falle unterscheiden sich die Spannungen an den Punkten A, B und C voneinander nur durch ihre Gleichspannungspegel. Es ist deswegen möglich, die Kondensatoren 1 und 3 zwischen den Punkt A und die Punkte B dzw. C anzuschalten. Ebenso unterscheiden sich die Spannungen an den Punkten COAf, Cund £nur durch ihre Gleichspannungskomponenten und man kann die Kondensatoren 2 und 4 zwischen den Punkt COAf und den Punkt C bzw. E schalten. Da der Punkt COAf 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 Potential des Punktes COAf nur durch einen Gleichspannungswert unterscheidet, insbesondere an die eine oder die andere Klemme der Batterie.

Im Beispiel der F i g. 1 bilden die Kondensatoren 1 und 2 und die Dioden 5 und 6 eine erste Schaltungsstufe: gegenüber dem Punkt COAf nimmt der Punkt C eine negative Gleichspannung U₉ an; wenn der Punkt COAf an die negative Klemme der Batterie angeschlossen ist, so ist die Spannung des Punktes C negativ und hat den Wert 2 U₉ gegenüber der positiven Elementklemme, die im allgemeinen mit der Masse verbunden ist Selbstverständlich kann man die Polarität der Ausgangspannung umkehren, indem man die Polaritäten der Dioden umkehrt und den Punkt COAf an die positive Klemme der Batterie anschließt Außerdem muß der Kondensator nicht mit dem Punkt COAf verbunden sein; an dessen Stelle kann jeder Punkt mit konstantem Potential und niedriger Impedanz treten (FIX). Während der positiven Halbwelle des Eingangssignal (Ua) führt die Diode 5 einen Strom, der den Kondensator 1 auflädt (in der Fig. 1 links positiv, rechts negativ). Während der negativer. 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 4 gezeigten Potentiale erhalten, wenn der Kondensator 1 sich nicht zu stark entlädt Die Spannungsabfälle an den Dioden verursachen in diesem Falle (Batteriespannung 1,5 V, Spannungsabfall an den Dioden 0,5 V) einen Verlust von über

ίο 30% gegenüber dem theoretischen Wert Um diesen Nachteil zu vermeiden, werden die Dioden durch aktive Elemente ersetzt die im richtigen Takt gesteuert sind.

Die Schaltung der Fig. 7 enthält auch die Kondensatoren 1 und 2. Die Dioden 5 und 6 der F i g. 1 sind jedoch durch die Transistoren Tl bzw. T2 ersetzt worden. Der

Transistor Ti soll während der positiven Halbwelle des Signals im Punkte A leitend sein, während TI während

der negativen Halbwelle des gleichen Signals leiten soll.

Wenn .nan die Potentiale an den Punkten B, C und

COAf ansieht, so wird klar, daß der '<. ransislor Ti leiten soll, wenn seine Quelle und seine Senke sich auf dem am meisten positiven Potential der Anordnung befinden. Man muß also einen Feldeffekttransistor de·* Typs — p— für Ti wählen, weil die p-Transistoren leiten,

>5 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 COAf im betrachteten Zeitintervall

«ι genügend negativ ist Es ist ferner leicht, den Transistor 7*1 mit einem dem Punkt COAf entsprechenden Potential zu sperren; da keine andere Elektrode von Tl an ein positiveres Potential angeschlossen ist, so ist er mit Sicherheit gesperrt Eine ähnliche Überlegung ergibt, daß T2 am besten ein Transistor des Typs — η — ist Deswegen können die Steuerelektroden von Ti und 7"2 durch das gleiche Signal beaufschlagt werden, wobei wegen des komplementären Charakten> des 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 T4 gebildet wird, um ein Steuersignal der richtigen Phase zu erhalten. Dieser Inverter muß

4-i durch die Pegel der Punkte COAf 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

-,ο abgefallen ist, damit der Inverter T3, T4 seinen Zustand wechselt; von diesem Augenblick an ist nur der Transistor Tl gesperr».So entlädt sich der Kondensator <, '.'ti? geladen war, indem seine Ladung dem Eingangssignal solange folgt, als der Transistor Tl

V) leitet In entsprechender Weise, wenn ά-.τ Inverter umschaltet, leitet der Transistor T2 und strebt danach, den Kondensator 2 in den Kondensator 1 zu entladen, da die Spannung an dem ersten in diesem Augenblick noch größer ist als die Summe der Spannung am

bo Eingang und der Spannung am Kondensator 1. Erst wenn die Eingangsspannung ihren negativsten Wert erreicht hat beginnt der Transistor 7*2 zu leiten. Der Vorgang ist ähnlich, wenn die Eingangsspannung von ihrem negativsten zum positivsten Wert übergeht; der

hi Transistor Tl 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 Ua (nicht gezeigt) liefern. Das Signal Ua behält dann sehr steile Flanken trotz der Belastung durch die Transistoren 71 und 72. Der genannte Übergang ist dann so kurz, daß er nicht mehr stört Man kann auch, wie auf F i g. 7 zu erkennen ist, einen Widerstand R zwischen den Punkt B und die Transistoren Ti und Tl einschalten, um den schädlichen Einfluß der Transistoren Ti und 72 während 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, sowie sine Elektrode die mit dem Substrat oder der ^Vsππ£ in Transistoren zu verbinden. Vorteilhafterweise werden nicht alle Wannen mit dem negativsten Potential des Stromkreises verbunden, da die Schwellenspannung der η-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 die Schwellenspannung 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 Ti. 72, 73, 74, 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 TV, 72', 73' und 74',

Verbindung 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.8 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 SiOj zur Aufnahme der Steuerelektrode des Transistors. Um einen n-Transistor herzustellen, wird in das Substrat 10 eine positiv dotierte Wanne 14 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 de^r Quellen- und Senkelektrode des p-Transistors ist. Entsprechend müssen die Potentiale der positiv dotierten Wannen genügend negativ gegenüber den Elektroden der entsprechenden n-Transistoren sein.

In Fig. 9 ist ein zweistufiger Vervielfacher dargestellt. 20 ist die Batterie mit Angabe ihrer Polarität. Außerdem ist die letzte Stufe der Schaltung gezeigt, die den Wandler steuert und die aus zwei Transistoren Γ10. 711 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 n-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; das 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 Hegen gegenüber der Quellen- und Senkenelektrode des oder der Transistoren, die sie enthält; infolgedessen genügt es, die Wannen mit den Quellen der entsprechenden und 2' außerdem die Diode 6', die zwischen den Punkten E(Ausgang) und D liegt. Die Dioden 6 und 6' (analog zur Fig. 1) sorgen für einen richtigen Start des Vervielfachers, wenn die Ausgangsspannung noch gleich Null ist. Die Spannung der Batterie ist U_p\ damit ist die Ausgangsspannung theoretisch gleich 3 Up. Im folgenden werden die Resultate wiedergegeben, die mit zwei Arten von Vervielfachern, verschiedenen Ausgangsströmen i'.M den folgenden Werten erhalten wurden:

Frequenz der Steuerimpulse: 250 Hz
Batteriespannung U_p-2,5 V

Verdoppler (eine Stufe) mit C 1 = C2 = 0,15 μΡ')

Ausgangsspannung
(V)

Ausgangsstrom
(μΑ)

Wirkungsgrad

0,5

0
90
93

") C]. C2 = Werte der Kondensatoren 1, 2.
Vervierfacher (drei Stufen) mit Cl = Cl = 0.1

Ausgangsspannung
(V)

Ausgangsstrom

(μΑ)

Wirkungsgrad

0,1

0 75 78

Im ersten Fall war die Stabilität und der Wi~':ungsgrad 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 wurden), und den durch die Streukapazitäten verursachten Verluste (für die eine niedrige Frequenz günstig wäre).

Man sieht daß die Wahl von MOS-Transistoren wesentliche Vorteile bietet: der Vervielfacher und die C-MOS-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

Hiereu 2 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Spannungsvervielfacher für ein elektronisches Zeitmeßgerät, der mindestens eine Stufe mit einem ersten Kondensator, welcher ein Eingangssignal an zwei erste komplementäre Feldeffekttransistoren überträgt, einem Inverter, dessen Ausgang die zwei ersten komplementären Feldeffekttransistoren steuert und einem zweiten Kondensator aufweist, der zwischen dem Ausgang und einem Punkt konstanten Potentials liegt, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuerelektroden der beiden ersten komplementären Transistoren (Ti, T2; TV, TV\ die in Serie zwischen einen Referenzpunkt (COM; COM') konstanten Potentials und den Ausgang (C; C) geschaltet sind, durch eine direkte Verbindung mit dem Ausgang des Inverters verbunden sind, und daß der Inverter, der aus zwei komplementären Feldeffekttransistoren (Γ3, 74; 7*3', TA*), deren Steuerelektroden nach dem ersten Kondensator (1, V) durch eine direkte Verbindung mit einem gemeinsamen Punkt (B; B') im Ausgangskreis der zwei ersten komplementären Transistoren verbunden sind, besteht, durch die Ausgangsspannung der der Stufe gespeist ist, wobei die Ausgangsspannung des Spannungsvervielfacher* zwischen einem Punkt konstanten Potentials (COM, FIX)und dem Ausgang (C, C)liegt

2. Spannungsvervielfacher nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Transistoren (Ti, T2; TV, 7 J) des Vervielfachers, verglichen mit den Transistoren, die das Eingangssignal zum Spannungsvervielfacher liefern, mit kleinen Abmessungen integriert sind, damit d'tses Eingangssignal, trotz der Belastung durch die Transistoren (Ti, TI; TV, T2') sehr steile Flanken behält.

3. Spannungsvervielfacher nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein Widerstand ^ den ersten Kondensator (1) mit den beiden Transistoren (Ti, T2) verbindet

4. 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 Stufe 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 Stufe mit dem Auegang der vorgehenden Stufe verbunden ist, während die Eingänge (A, A') der Stufen und die Punkte konstanten Potentials (FIX)gemeinsam sind.