DE2933854A1

DE2933854A1 - Oszillatorschaltung

Info

Publication number: DE2933854A1
Application number: DE19792933854
Authority: DE
Inventors: Hiroshi Iguchi; Youichi Miyagawa; Jiroh Shimada
Original assignee: Nippon Electric Co Ltd
Current assignee: NEC Corp
Priority date: 1978-08-22
Filing date: 1979-08-21
Publication date: 1980-03-13
Also published as: US4307354A; DE2933854C2; JPS5528680A; JPS6232846B2

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Oszillatorschaltung und insbesondere auf einen Quarzoszillator, dessen Anlaufkurve bzw. Anschwingkurve und dessen Schwingungswirkungsgrad verbessert werden soll.

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Es ist bereits eine Quarzoszillatorschaltung bekannt, bei der ein P-Kanal-MOS-Feldeffekttransistor und ein N-Kanal-MOS-Feldeffekttransistor in Reihe zwischen entsprechenden Anschlüssen einer Spannungsquelle geschaltet sind und eine Parallelschaltung aus einem Quarzresonator und einem Widerstand zwischen dem Verbindungspunkt der beiden Gate-Elektroden der Feldeffekttransistoren und dem Verbindungspunkt der beiden Drain-Elektroden der Feldeffekttransistoren

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geschaltet ist. Eine derartige Quarzoszillatorschaltung weist eine Gatevorspannung für die P- und N-Kanal-MOS-Feldeffekttransistören auf, die automatisch durch die Hälfte der Spannung von der Spannungsquelle bestimmt wird. Während damit eine kurze Übergangszeit oder eine kurze Anlaufzeit nach Einschalten der Schaltung erreicht wird, wird eine große Leistung während der Zeit der stationären Schwingung bzw. im eingeschwungenen Zustand verbraucht. Dies ist dadurch begründet, daß der Vorspannungszustand die Transistoren derart treibt, daß sie lediglich während eines kleinen Teils der Schwinungsperiode in den gesättigten Zustand gebracht werden.

Demgegenüber besteht die Aufgabe der Erfindung darin, eine Oszillatorschaltung zu schaffen, bei der die Übergangszeit , die vom Schwimmgsbeginn bis zur stationären Schwingung benötigt wird, verkürzt wird und bei der der Stromverbrauch im eingeschwungenen Zustand minimisiert wird.

Die erfindungsgemäße Oszillatorschaltung weist auf: Einen Inverter mit Feldeffekttransistoren, deren Leitungstypen zueinander verschieden sind und die in Reihe zwischen den Klemmen der Spannungsquelle geschaltet sind, eine Rückkopplungsschaltung zum Rückkoppeln des Ausgangs-signals vom Inverter zu seinem Eingang, bei einer Phasen-

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verschiebung von 180°, eine erste und zweite Vorspannungsschaltung zum Anlegen von Vorspannungen an den Eingang des Inverters, wobei die erste Vorspannungsschaltung eine erste Vorspannung beim Schwingungsbeginn und die zweite Vorspannungsschaltung eine zweite Vorspannung im eingeschwungenen Zustand erzeugt, eine Detektorschaltung zum Feststellen des Schwingungsvorgangs und eine Schalteinrichtung, die in Abhängigkeit vom Ausgangssignal der Detektorschaltung die an den Eingang des Inverters angelegte Vorspannung derart schaltet, daß im eingeschwungenen Zustand die von der zweiten Vorspannungsschaltung erzeugte Vorspannung und im vom eingeschwungenen Zustand verschiedenen Zustand die von der ersten Vorspannungsschaltungferzeugte Vorspannung an den Eingang des Inverters angelegt wird. Die erste Vorspannun^rird vorzugsweise so gewählt, daß sie halb so groß ist wie die Spannung der Spannungsquelle, und die zweite Vorspannung wird vorzugsweise so gewählt, daß sie gleich der Schwellwertspannung der Feldeffekttransistoren ist.

Da die Eingangsvorspannung des Inverters zwischen der Dauer der stationären Schwingung und der übrigen Zeitdauer umgeschaltet wird, kann die nach dem Beginn der Schwingung erforderliche Übergangszeit bis zum Beginn der stationären Schwingung verkürzt und der Stromverbrauch während der Dauer der stationären Schwingung vermindert werden.

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Eine Ausführungsform der Erfindung wird anhand der
Zeichnungen näher beschrieben. Es zeigen:

Fig. 1 ein Schaltungsdiagramm einer bekannten
Quarzoszillatorschaltung;

Fig. 2 ein Schaltungsdiagramm einer bevorzugten

Ausführungsform der erfindungsgemäßen
Oszillatorschaltung und

Fig. 3 ein Diagramm, das die Verschiebungen der

Vorspannung bei der bevorzugten Ausführungsform der Erfindung nach Fig. 2 zeigt.

Eine Quarzoszillatorschaltung, wie sie bisher für Uhren oder Taktgeber verwendet wurde, weist eine in Fig. 1 dargestellte Schaltunganordnung auf. P-Kanal-MOS-Feldeffekttransistor (im nachfolgenden P-MOS-FET genannt) 2 und ein N-Kanal-MOS-Feldeffekttransistor (im nachfolgenden N-MOS-FET genannt) 3 sind in Reihe geschaltet. Zwischen dem gemeinsamen Verbindungspunkt der Source-Elektroden und dem
gemeinsamen Verbindungspunkt der Gate-Elektroden der Feldeffekttransistoren ist ein Widerstand 1 geschaltet. Parallel zum Widerstand 1 ist ein Quarzresonator 4 geschaltet, dessen beiden Anschlüsse über Kondensatoren 5 und 6 mit einer
Spannungsquelle V₀₀ verbunden sind.

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Während bei einer derartigen Schaltung eine relativ kurze Startzeit bzw. Anschwingzeit vom Beginn der Schwingung bzw. vom Einschalten bis zum Erreichen der staitonären Schwingung erhalten wird, wird ein großer Strom während der Zeitdauer der stationären Schwingung verbraucht. Dies hat seinen Grund darin, daß die Gatevorspannungen des P-MOS-FET 2 und des N-MOS-FET 3 aufgrund der Wirkung des Widerstands 1 auf die Hälfte der Spannung von der Spannungsquelle eingespannt sind. Bei einer derartigen Vorspannungsbedingung wird eine kurze Startzeit erreicht. Da aber andererseits während eines großen Teils der Periodendauer ein Strom durch die beiden MOS-FET's 2 und 3 fließt, wird die Leistungsaufnahme bzw. der Leistungsverbrauch groß.

Eine bevorzugte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Oszillatorschaltung wird nun anhand von Fig. 2 beschrieben. Ein Komplementär-Inverter besteht aus einem P-MOS-FET 11 und einem N-MOS-FET 12, die in Reihe geschaltet sind zwischen einer Spannungsklemme V₀₀ 24, die beispielsweise auf Erdpotential gehalten wird, und einer weiteren Spannungsklemme Vag 25, die auf einem negativen Potential gehalten wird, beispielsweise -1,55 V. Der Verbindungspunkt der beiden Drain-Elektroden der MOS-FET's 11 und 12 ist mit einem Vorspannungswiderstand 14 von 20 MJh , einem Quarzresonator 20, einem Kondensator 21 und einem Frequenzteiler 23 verbunden. Zwischen dem Vorspannungswiderstand 14 und

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der Gate-Elektrode des P-MOS-FET 11 ist ein Schalter 13 und zwischen den Vorspannungswiderstand 14 und die Gate-Elektrode des N-MOS-FET ein weiterer Schalter 15 eingefügt, um die elektrischen Verbindungen zwischen dem Vor-Spannungswiderstand 14 und der entsprechenden Gate-Elektrode der MOS-FET 's 11 und 12 zu steuern. Andererseits sind die beiden Anschlüsse des Quarzresonators 20 kapazitiv mit der Spannungsklemme V_DD über Kondensatoren 21 bzw. 22 verbunden und der gemeinsame Verbindungspunkt von Quarzresonator 20 und Kondensator 22 ist über Kondensatoren 18 bzw. 19 mit den Gate-Elektroden des P-MOS-FET 11 bzw. des N-MOS-FET 12 verbunden. Die Kapazitäten der Kondensatoren 18 und 19 betragen beispielsweise 5pJ?' und die der Kondensatoren 21 und 22 beispielsweise 2OpF. Aufgrund der durch den Quarzresonator 20 und die Kondensatoren 18 und 19 gebildeten Rückkopplungsschaltung kann die Schwingung der Oszillatorschaltung bewirkt werden. Die für diese Schwingung erforderlichen Gate-Vorspannungen werden über hochohmige Widerstände 26 bzw. 27ι zusätzlich zur Wirkung des Vorspannungswiderstands 14, durch eine Schwellenwertspannungs-Generatorschaltung (im nachfolgenden Vmp-Generator genannt) 16, die eine Spannung gleich der Schwellwertspannung des P-MOS-FET 11 (im nachfolgenden Vrpp genannt) erzeugt, und durch eine Schwellwertspannungs-Generatorschaltung (im nachfolgenden V,™-Generator genannt) 17 angelegt, die eine Spannung gleich der Schwellwertspannung des N-MOS-FET 12 (im nachfolgenden V^_n genannt)

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erzeugt. Die Widerstandswerte der hochohmigen Widerstände 26 und 27 betragen vorzugsweise 100 MJ2> . Das Umschalten zwischen diesen beiden Gate-Vorspannungen wird durch die Schritte der Frequenzteilung eines Signals am geineinsamen Verbindungspunkt der Drain-Elektroden der entsprechenden MOS-FET¹S 11 und 12 mittels eines Frequenzsteilers 23 bewirkt, der mittels einer Kurvenform-Detektorschaltung 28 feststellt, ob der Pegel bzw. die Amplitude einer Kurvenform einen vorbestimmten Wert überschreitet oder nicht, und der die Schalter 13 und 15 ein- bzw. ausschaltet. Insbesondere werden im Nicht-Schwingungszustand und während der Übergangszeit, während der die Amplitude der Schwingung nicht einen vorbestimmten Wert beim Beginn der Schwingung erreicht, die Schalter 13 und 15 leitend, so daß eine Gate-Vorspannung an die entsprechenden MOS-FET's 11 und 12 über der Vorspannungswiderstand 14 angelegt wird. Zu diesem Zeitpunkt ist die Gate-Vorspannung gleich der Hälfte der Spannungsdifferenz zwischen den an den Klemmen V^- und V₃₅ anliegenden Spannungen. Im Zustand der stationären Schwingung, bei dem die Amplitude der Schwinungskurve einen vorbestimmten Wert überschreitet, sind die Schalter 13 und 15 geöffnet, so daß von der Vmp-Generatorschaltung 16 und der Vmjr-Generatorschaltung 17 Gate-Vorspannungen zugeführt werden, die gleich den Schwellwertspannungen der entsprechenden MOS-FET's 11 und 12 sind.

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-JAILS wird nun die Wirkungsweise der oben beschriebenen bevorzugten Ausführungsform der Erfindung anhand der Fig. 2 und 3 näher beschrieben.

Zum Zeitpunkt des Einschaltens der Spannungsquelle oder nach dem Abstoppen der Schwingung werden, da der Kurvenformdetektor 28 kein Ausgangssignal liefert, die Schalter 13 und 15 durch das Ausgangs signal des Kurvenfornidetektors 28 eingeschaltet, wodurch der Vorspannungswiderstand 14 mit den Gate-Elektroden des P-MOS-FET 11 und des W-MOS-FET 12 verbunden wird, so daß am P-KOS-FET 11 und am N-MOS-FET 12 eine Vorspannung V^ anliegt, die kleiner ist als die Schwellwertspannung Vmp des P-MOS-FET 11 und größer ist als die Schwellwertspannung V^ des N-MOS-FET 12, wie es am Vorspannungspunkt 31 in Fig. 3 dargestellt ist. Damit kann die Startzeit der Schwingung verkürzt werden. In diesem Fall wird der Stromverbraich groß, da die Gate-Spannungen des P-MOS-FET 11 und des N-MOS-FET 12 häufiger in den Eingangsspannungsbereich (schraffierter Bereich in Fig. 3) eintreten, in dem sowohl der P-MOS-FET 11 als auch der N-MOS-FET 12 gleichzeitig leitend werden. Danach, wenn die Schwingung/sich stabilisiert und der Kurvenformdetektor 28 ein Ausgangssignal liefert, schaltet dieses Ausgangssignal die Schalter 13 und 15 aus, so daß die Verbindung zwischen Vorspannungswiderstand 14 und Gate-Elektroden der MOS-FET¹S 11 und 12 unterbrochen wird. Damit wird, wie es am, der

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Schwellwertspannung Vmp entsprechenden Vorspannungspunkt 32 bzw. am, der Schwellwertspannung V™ entsprechenden Vorspannungspunkt 33 in Fig. 3 dargestellt ist, die Schwellwertspannung Vrpp dem P-MOS-FET 11 als Vorspannung zugeführt, während die Schwellwertspannung V_TN an den N-MOS-FET 12 angelegt wird, wodurch der Durchflußstrom im Inverter vermindert und der Stromverbrauch in der Oszillatorschaltung kleingemacht werden kann.

Durch das Umschalten von einer Oszillatorvorspannung beim Abstoppen der Schwingung zu einer Oszillatorvorspannung im Zustand der stationären Schwingung und umgekehrt wird eine Oszillatorschaltung geschaffen, bei der die Schwingung innerhalb einer kurzen Zeitdauer nach dein Einschalten der Spannungsquelle gestartet und die nach Erreichen des Zustande der stationären Schwingung mit niedrigem Stromverbrauch arbeiten kann. Da die Schwellwertspannungen V^p und V_TN als Vorspannungen benutzt verden, hält bei einer stabilen Schwingung die Ausgangsamplitude eine stabile Kurvenform selbst dann bei, wenn die Eingangsamplitude aus irgendeinem Grund klein wird, so daß dadurch eine stabile Schwingung beibehalten werden kann.

Bei der oben beschriebenen Ausführungsform kann als Frequenzteiler 23 irgendein herkömmlicher Frequenzteiler verwendet werden. Bei der Kurvenformdetektorschaltung 28 wird das Ausgangssignal des Frequenzteilers 23 einem aus

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P-MOS-FET 51 und N-MOS-FET 52 bestehenden Kompiementär-MOS-Inverter zugeführt, während das Ausgangssignal des Inverters von einem Verbindungspunkt einer iteihenschaltung aus Kondensator 53 und Widerstand 54 der Gate-Elektrocie eines N-HOS-FET's 55 zugeführt wird. Die Kapazität des Kondensators 53 beträgt vorzugsweise 5pF und der Widerstandswert des Widerstands 54 vorzugsweise 100 MSL. Wenn die Schaltung nicht schwingt oder das Schwingungsausgangssignal hinsichtlich seiner Amplitude kleiner ist als ein vorbestimmter Wert, so wird die Spannung am Verbindungspunkt von Kondensator 53 und Widerstand 54 auf dem Spannungspegel der Spannungsklemme V_ss gehalten. Andererseits wird im Zustand der stationären Schwingung die Schwinungskurvenform durch den Kondensator 53 und den Widerstand 54 differenziert, Da die Zeitkonstante der Reihenschaltung aus Kondensator und Widerstand groß gewählt wird, ändert sich zu diesem Zeitpunkt die Spannung am Verbindungspunkt auf den Spannungspegel der Spannungsklemme V,™. Ein von einem Lastwiderstand 56 mit 100 M Jh erhaltenes Ausgangssignal wird einem aus P-MOS-FET 59 und N-MOS-FET 60 bestehenden Komplementär-MOS-Inverter über einen weiteren aus P-MOS-FET 57 und N-MOS-FET 58 bestehenden Komplementär-MOS-Inverter zugeführt, Das Ausgangssignal der Kurvenformdetektorschaltung 28 besteht aus den komplementären Ausgangssignalen am Eingang und Ausgang des aus dem P-MOS-FET 59 und dem N-MOS-FET 60

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bestehenden Komplementär-MOS-Inverter. Diese komplementären Ausgangssignale werden den Schaltern 13 bzw. 15 zugeführt, die jeweils aus einem P-MOS-FET und einem N-MOS-FET bestehen, deren Source-Elektroden und Drain-Elektroden jeweils miteinander verbunden sind, um das Ein- und Ausschalten der Schalter 13 und 15 zu steuern.

Die Vmp-Generatorschaltung 16 weist einen P-MOS-FET 61, dessen Gate und Drain miteinander kurzgeschlossen sind, sowie einen N-MOS-FET 62 auf. Diese MOS-FET's 61 und 62 sind in Reihe zwischen der Spannungsklemme V_DD und dem Gate-Drain-Kur ζ Schlußpunkt des P-MOS-FET 61 geschaltet. Eine aus dem P-MOS-FET 63 und den N-MOS-FET 64 bestehende Reihenschaltung stellt eine Spannungszuführungsschaltung zum Anlegen einer Gate-Vorspannung an den N-MOS-FET 62 dar. Die Vm^-Generatorschaltung 17 besteht aus einem P-MOS-FET 65 und einem N-MOS-FET 66, die zwischen den Spannungsklemmen V_QD und Vq₃ in Reihe geschaltet sind. Die Schwellwertspannung V_TN wird zwischen der Spannungsklemme V₃₃ un den Gate-Drain-Kurzschlußpunkt des N-MOS-FET 66 erhalten. Den Gate-Elektroden der P-MOS-FET's 63 und 65 wird über eine Klemme 10 eine Vorspannung von beispielsweise -0,2 V zugeführt.

Selbstverständlich können auch andere Schaltungskonfigurationen für die Kurvenformdetektorschaltung 28, die V_Tp-Generatorschaltung 16, die V^-Generatorschaltung YJ und die Schalter 13 und 15 Verwendung finden. So ist es beispielsweise möglich, den P-MOS-FET 59 und den N-MOS-FET 60

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in der Kurvenformdetektorschaltung 28 wegzulassen und lediglich die N-MOS-FET's von den Schaltern 13 und 15 zu entfernen.

Änderungen und Ausgestaltungen der beschriebenen Ausführungsform sind für den Fachmann ohne weiteres möglich und fallen in den Rahmen der Erfindung. So kann die oben beschriebene Oszillatorschaltung beispielsweise so abgeändert werden, daß die Feststellung des stationären Schwingungszustands dadurch erfolgt, daß die Periode des Schwingungsausgangssignals gleich der Periode bei einem vorbestimmten Zustand der stationären Schwingung ist oder nicht, und der Schalter dann in Abhängigkeit von dieser Feststellung umgeschaltet wird.

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Claims

Patentansprüche

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Oszillatorschaltung, gekennzeichnet durch einen Inverter aus Feldeffekttransistoren (11, 12), eine Rückkopplungsschaltung (20, 18, 19) zum Rückkoppeln des Ausgangssignals des Inverters zu seinem Eingang, eine erste und zweite Gatevorspannungs-Generatorschaltung (16, 17), eine Spannungszuführungseinrichtung (13» 14·» 15) zum wahlweisen Anlegen der Vorspannungen der ersten und zweiten Gatevorspannungs-Generatorschaltungen (16, 17) an die Gate-Elektroden der Feldeffekttransistoren (11, 12) im Inverter und durch eine Detektoreinrichtung (28) zum Feststellen, ob sich das Ausgangssignal des Inverters im Zustand der stationären Schwingung befindet oder nicht, um dementspx^echend die Spannungszu-

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führungseinrichtung (13, 14, 15) zu schalten.
2. Oszillatorschaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß die erste Gatevorspannungs-Generatorschaltung eine für den Einschwingvorgang geeignete Gatevorspannung erzeugt, während die zweite Gatevorspannungs-Generatorschaltung eine für den eingeschwungenen Zustand geeignete Gatevorspannung erzeugt, und daß die SpannungszufUhrungseinrichtung im eingeschwungenen Zustand die Ausgangsspannung der zweiten Gatevorspannungs-Generatorschaltung und im vom eingeschwungenen Zustand verschiedenen Zustand die Ausgangsspannung der ersten Gatevorspannungs-Generatorschaltung den Feldeffekttransistoren des Inverters zuführt.
3. Oszillatorschaltung nach Anspruch 2, dadurch g e kennzeichnet, daß der Inverter eine Reihenschaltung aus Feldeffekttransistoren von zueinander verschiedenen Leitungstypen aufweist.
4. Oszillatorschaltung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet , daß die erste Gatevorspannungs- Generatorschaltung einen Widerstand aufweist.
5. Oszillatorschaltung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet , daß die Rückkopplungsschaltung einen Quarzresonator aufweist.

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6. Oszillatorschaltung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet , daß die Detektoreinrichtung feststellt, ob die Schwingungsamplitude des Ausgangssignals des Inverters einen vorbestimmten Pegel überschreitet, und bei Überschreiten des vorbestimmten Pegels den Feldeffekttransistoren im Inverter die Ausgangsspannung der zweiten Gatevorspannungs-Generatorschaltung zuführt, während bei einer niedrigeren SchwingungSamplitude als der vorbestimmte Pegel die Detektorschaltung die Ausgangspannung der ersten Gatevorspannungs-Generatorschaltung den Feldeffekttransistoren des Inverters zuführt.

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