DE3127588A1

DE3127588A1 - "kristalloszillator"

Info

Publication number: DE3127588A1
Application number: DE19813127588
Authority: DE
Inventors: Lanny L. Laguna Beach Calif. Lewyn; Charles H. Newport Beach Calif. Lucas
Original assignee: Hughes Aircraft Co
Current assignee: Raytheon Co
Priority date: 1980-07-17
Filing date: 1981-07-13
Publication date: 1982-04-22
Also published as: GB2143393B; US4360789A; JPS5752205A; HK5986A; GB2080650B; GB8420746D0; CH648180GA3; GB2143393A; HK17786A; GB2080650A; JPS643361B2

Description

Anmelderin; Stuttgart, den 6.7.1981

Hughes Aircraft Company P 4077 S/Lö

Centinela Avenue and Teale Street

Culver.City, California V. St. Α.·'

Vertreter; Kohler - Schwindling - Späth Patentanwälte Hohentwielstraße

7000 Stuttgart

Kristalloszillator

Die Erfindung betrifft einen -Kristal oszillator, bestehend aus Kristallresonator und eii:er rückgekoppelt · ^n Verstärkerschaltung mit einem Paar in Serie geschalteter, komplementärer Feldeffekt-Transistor· n, deren miteinander verbundene Elektroden mit dem einen nnd deren Gateelektroden mit dem anderen Anschluß des LriStallresonators

gekoppelt sind.

Bei einem solchen Kristalloszillator handelt es sich mn ' einen Pierce-Oszillator, der insbesondere für elektronische Uhren geeignet ist und dessen Schaltungsanordnung' auf einem Halbleiter-Substrat gebildet' werden kann.

Typische M"ikroschaltkreise für Uhren sind als MOS-Schaltungen ausgebildet und auf einem einzigen Halbleiter-Substrat angeordnet. Diese Sc.haltungsanordnungen werden von einer Miniaturbatterie gespeist, die zusammen mit dem Substrat innerhalb des Uhrengehäuses angeordnet ist. Solche Uhrenschaltungen umfassen typischerweise einen Kristalloszillator, wie er beispielsweise in .dem "RCA GOS/MOS Integrated Circuits Manual",'RGA'Solid State Division, Sumrnerville, New Jersey, 1971, Seiten-138 bis Ή8, beschrieben ist. Ein typischer Kristalloszillator mit einer CMOS-Schalbung umfaßt einen passiven Resonator, wie beispielsweise einen Quarz mit zwei Anschlüssen, der den Eingang mit dem Ausgang eines invertierenden Verstärkers verbindet, welcher Verstärker einen MGSFET mit p-Kanal und einen MOSFET mit η-Kanal umfaßt, deren Hruinelektroden miteinander und mit einem Anschluß des üosonators verbunden sind, während die Gateelektroden .der beiden MOSFESs miteinander und mit dem anderen Anschluß des Resonators verbunden sind. Wie in der oben erwähnten RCA-Veröffentlichung dargelegt, arbeitet der Kristalloszillator nur dann, wenn die SchleifenverStärkung; des Oszi.llato.es größer als 1 ißt. Der Nachteil dieser Art von OszilLatoren besteht darin, daß der Oszillator κ inen Nennstrom in der Größenordnung von 1 oder 2 mA verbraucht, wenn die Schleifenverstäi/kunp; ausreichend größer al ό 1

-- AO -

ist, um einen zuverlässigen Betrieb zu gewährleisten. Da die zum Speisen einer solchen Uhrenschaltung verwendete Miniaturbatterie eine nur begrenzte Kapazität aufweist, ist der Nennstrorabedarf des Oszillators ein kritischer Faktor und muß möglichst reduziert werden.

Ein verbesserter bekannter Kristalloszillator, der einen geringeren Strombedarf hat, enthält einen n-Kanal-FET, mit dessen Gate und Drain die beiden Anschlüsse eines zweipoligen Quarz-Resonators verbunden sind. Der Strombedarf des Kristall-Oszillators wird mit Hilfe eines p-Kanal-FET reduziert, der zwischen die Drainelektrode des n-Kanal-FET und den Batterieanschluß geschaltet ist. Ein Vorspannungsregler bestimmt die Gatespannung des p-Kanal-FET in solcher Weise,- daß der Source-Drain-Strom durch die beiden FETs reduziert wird, wodurch der von dem Kristall-Oszillator aufgenommene Wennstrom bedeutend vermindert wird. Es ist jedoch das von dieser Schaltungsanordnung gelieferte Ausgangssignal zu schwach,' um zusätzliche Elemente der Uhrenschaltung anzutreiben. Daherwird eine zusätzliche Verstärkungsstufe zwischen dem Ausgang des Oszillators und den übrigen Kreisen der Uhrenschaltung benötigt. Diese zusätzliche Verstärkungsstufe· führt zu einem zusätzlichen Stromverbrauch. Weiterhin schwingt nur der n-Kanal-FET mit dem Quarz, während der p-Kanal-FET lediglich eine geregelte Stromquelle bildet. Daher benötigt der verbesserte Kristall-Oszillauor bei vorgegebenem Oszillatorverstärkung einen auf das wenigstens 1,6-fache erhöhten Strom durch den n-Kanal~FET als der zuvor beschriebene Kristalloszillator. Wegen des Vorliegens der Verstärkerstufe ist ,jedoch die erforderliche Oszillatorverstärker geringer und," infolge der Stromregelung,verbraucht der verbesserte KristalloszilIa-

tor weniger Strom als der zuvor beschriebene Kristalloszillator. Die Grenzen des verbesserten Oszillators ergeben sich daraus, daß einem verminderten Stromverbrauch durch die Oszillatorstufe, ein zusätzlicher Stromverbrauch durch die Verstärkerstufe gegenübersteht. Da weiterhin nur ein FET mit dem Kristall schwingt, benötigt der eine schwingende FET einen stärkeren Strom zum Erzielen einer bestimmten Oszillatorverstärkung im Vergleich zu einer komplementären Oszillatorstufe, die von η-Kanal-und p-Ka~ nal-MOSFETs Gebrauch macht. Demnach erschien es bisher nicht möglich, den Stromverbrauch von Kristalloszillator ren , die für Uhrenschaltungen geeignet sind, noch weiter nennenswert zu vermindern.

Demgegenüber liegt.der Erfindung die Aufgabe zugrunde, einen Kristalloszillator der eingangs genannten Art so zu verbessern, daß eine noch weitergehende Reduktion des Strombedarfes erzielt wird« ' '

Diese Aufgabe wird nach der Erfindung dadurch gelöst, daß die beiden Gateelektroden galvanisch voneinander getrennt sind und eine Schaltungsanordnung vorhanden ist, die der Gateelektrode des einen Transistors eine von der Schwingungsamplitude des Source-Drain-Stromes des anderen Transistors, derart abhängige Vorspannung zuführt, daß bei zunehmender Schwingungsamplitude der Source-Drain-Strom des einen Transistors reduziert wird.

Bei einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung handelt es sich um einen Pierce-Oszillator, der zwei Paare komplementärer E¹ETs und einen Kristallresonator mit zwei Anschlüssen aufweist. Die Gateelektroden der Transistoren des erbten Paares sind jeweils über einen eigenen Kon~-

densator mit einem Anschluß· des Kristallresonators verbunden, während ihre Drainelektroden miteinander und mit dem anderen Anschluß des Kristallresonators verbunden sind. Der Stromfluß durch den Kristalloszillator wird durch eine neuartige Oszillator-Vorspannungsschlei fe reduziert," die zwischen die Gateelektroden des ersten Transistorpaares geschaltet ist. Eine Verstärkung wird durch Verbindung der Gateelektroden des ersten Transistorpaares mit den Gateelektroden des zweiten Tränsistorpaares erzielt, das ebenfalls miteinander verbundene . Drainelektroden aufweist, die den Ausgang des Oszillators bilden.

Die Oszillator-Vorspannungsschleife reduziert den Source-Drain-Strom durch das erste "Transistorpaar durch Redu- " zieren der Gatespannung des p-Kanal-FET in Abhängigkeit von dem Source-Drain-Strom. Die Oszillator-Vorspannungsschleife erfaßt den das erste Transistorpaar durchfließenden Source-Drain-Strom mittels eines. Tiefpaß-Filters, das einen"Stromregler steuert. Wenn der Kristalloszillator zuerst eingeschaltet wird, wächst die Schwingungsamplitude an, was eine Abnahme des Ausgängssignals des Tiefpaß-Euters zum Stromregler zur Folge hat. Als Reaktion darauf führt der Stromregler der Gateelelctrode des ersten p-Kanal-FET eine positivere Spannung zu, was eine Abnahme.des Source-Drain-Stromes auf einen sehr gelungen Gleichgewichtsstrom zur Folge hat. Der Stromregler enthält Einrichtungen, die verhindern, daß im Stromregler enthaltene Elemente den Oszillator belasten, was sonst zur Folge haben könnte, daß das An fachen "von Schwing η gen beim Einschalten des Oszillator;.! verhindert; wird.

Die Erfindung gewährleistet, daß der Oszillator beim : Einschalten zuverlässig zu schwingen beginnt, indem nie zuläßt, daß die Schwingungen des Source-Drain-Stromeü des ersten Transistorpaares bis zu einer gewissen großen Amplitude nach dem Einschalten anwachsen, reduziert aber auch den Strombedarf des Krisballoszillators, weil nach dem Anfachen der Schwingungen der Stromregler zur Wirkung kommt und den das erste Transistorpaar durchfließenden Source-Drain-Strom auf ein Minimum reduziert.

Ein kräftiges Ausgangssignal wird am Ausgang des Oszillators durch Anwendung des zweiten Transistorpaares erzielt, dessen Gateelektroden mit den Gateelektroden des ersten Transistorpaares verbunden ist. Die Transistoren des zweiten Paares haben ein größeres Breiten-Längen-Verhältnis als die Transistoren des ersten Paares, so' daß die Schwingungsamplitude des Source-Drain-Stromes . durch das aweite FET-Paar größer ist. Der Strombedarf' des Oszillators nach der Erfindung ist bedeutend geringer als diejenige der bekannten Oszillatoren und beträgt nur ' 1-5 nA nominell gegenüber I70 nA nominell nach dem Stand der Technik, was teilweise auf die Wirkungsweise des oben beschriebenen Stromreglers zu führen ist. Da weiterhin beide Transistoren des ersten Paares synchron mi I dem Kristallresonator schwingen, ist die Oszillatorverstärkung., proportional zur Summe der die beiden Transistoren durchfließenden Ströme, wodurch der Strom, der für eine bestimmte Oszillatorverstärkung benötigt wird, um einen Faktor von mehr als 1,6 gegenüber dem oben behandelten, verbesserton Verstärker nach dem Stand der Technik reduziert wird. Demgemäß ist ein kleinerer Source-Jjrai.n-Strorn durcn das erste FET-Paar ausreichend, um bei dein

erfindungsgemälien Kristalloszillator die Schwingungen 21 unterhalten,· wodurch der Strombedarf dieses Ossillatox^s reduziert wird.

Die Erfindung wird im folgenden anhand des in der Zeich nung dargestellten Ausführungsbeispieles näher beschrie ben und erläutert. Es zeigen-

Fig. 1 das vereinfachte schaltbild eines

Kristalloszillators nach dem Stand der Technik,

E¹Ig. 2 das Schaltbild eines verbesserten

Kristalloszillators nach dem Stand der' Technik mit einer üszillator-Vor spannungsschleife und einer zusätzlichen Verstärkerstufe mit einer Ver stärker- Vorspannungsschleife ,

Fig. 3 das vereinfachte Schaltbild eines

Kristalloszillator nach "der Erfindung,

Fig. 4 das detaillierte Schaltbild eines

Kristalloszillators nach der Erfindung,

Fig. 5 a bis 5 e Ze it diagramm© von Strömen und

Spannungen, die an verschiedenen Stellen des Kristalloszillators nach Fig. 4 auftreten.

Wie aus.Fig'. 1 ersichtlich, umfaßt ein bekannter, ein- . fächer Pierce-Kristallosaillator einen Kristallresonator. 1 mit zwei Anschlüssen, insbesondere einen Schwingquarz, einen p-Kanal-MOSI¹ET Q^, einen η-Kanal-MOSPEiD Q₂ ^und ein resistives Element 3. Die Gateelektroden der MOSFETs Q._t Q₂ ^sind miteinander und mit einem Anschluß la des Kristallresonators 1 verbunden, während ihre Dräinelektro den miteinander und mit dem Anschluß 1b des Kristallresonators 1 verbunden sind. Die Sourceelektrode des n-Kanal-MOSFET Q₂ ist an eine Spannungsquelle Y_QQ angeschlossen, während die Sourceelektrode des p-Kanal MOSFET Q^ an eine Spannungsquelle V-^jj angeschlossen ist. Das resistive Element 3 ist mit den beiden Anschlüssen 1a, 1b des Kristall resonators verbunden. An die Drain- und Gateelektroden des η-Kanal MOSI¹ET Q₂ sind Abstimmkondensatoren 5i 7 angeschlossen. Der Ausgang 8 wird von den miteinander ver~. bundenen Drainelektroden der beiden MOSFETs Q^, Q₂ ge-', bildet. Die Spannung und der Strom am Ausgang 8 schwingt synchron zu den Schwingungen des Kristallresonators 1, wie auch die Gatespannung und die Source-Drain-Spannung jedes der beiden MOSFETs Q₁, Q₂..

Der Wachteil des Kristalloszillators nach Fig. 1 besteht darin, daß der Source-Drain-Strom der MOSFETs Q., Q₀ unter typischen Arbeitsbedingungen in der Größenordnung von 1 oder 2 roA liegt. Die typischen Arbeitsbedingungen erfordern, daß die 'Spannungsquelle V_o„ in der Größenordnung von -1 bis -3 V ist, während die Spannungsquelle ^DD ^von ^^asse gebildet wird. · ·

Der Stromfluß durch den Kristalloszillator nach Fig. 1 ist klein, weil die MOSFETs Q^, Q₂ vorzugsweise im ungesättigten Bereich betrieben werden, um zu gewährleisten,

daß jeder von ihnen abwechselnd und synchron zu den Schwingungen des Kristallresonators 1 gesperrt wird. Im gesättigten Betrieb ist die Drain—Source-Spannung V^g ■über jedem MOSFET Q^, Qo größer als der Unterschied zwischen dessen Gate-Source~Spannung Vj.,-, und dessen Schwellenspannung V^,also V-QQ > Vqq - Vfji. Wenn der Source-Drain-Strom durch den MOSFET Q^. völlig eingeschaltet ist, ist der Spuree-Drain-Strom durch den MOSFET Q~ ausgeschaltet und umgekehrt.

Ein verbesserter Iierce-Kristalloszillator nach dem Stand der Technik ist in Fig. 2 schematisch dargestellt. Bei dieser verbesserten Schaltungsanordnung ist. die Gateelektrode des p-Kanal-FET Q. nicht mit dem Anschluß 1a des Kristallre'sonators verbunden, sondern stattdessen mit dem Ausgang 9a. einer Oszillator-Vorspannungsschleife 9, deren Eingang 9b mit der Gateelektrode des n-Kanal-FET Qp verbunden ist. Die Oszillator-Vorspannungsschleife 9 spricht auf Änderungen der.Gatespannung des FET Q2 an, um die Gatespannung des FET Q^ in solcher Weise einzustellen, daß der Stromfluß durch den schwingenden n-Kanal~FET Q2 •reduziert wird.. Auf diese Weise wird erreicht, daß der gesamte. Strombedarf der FETs O., Q₂ in der Schaltungsanordnung nach Fig. 2 bedeutend geringer ist als in der Schaltungsanordnung nach Fig. 1, weil die Gatespannung des n-Kanal~FET Qp mit einer geringeren Amplitude (unterhalb des Schwellenwertes) in der Schaltungsanordnung nach Big. 2 als die Gatespannung in der Schaltungsanordnung nach Fig. 1 schwingt. Daher ist die Schwingung des Sonrce-Drain-Stromes am lusgang 8 kleiner, so daß eine Verstärkung erforder Lieh ist. Zu diesem Zweck ist die Gatespannung des schwingenden FET Qo über Kondensatoren 11 und 13 mit den Gateelektroden der p- und n-Kanal-FETs

Λ *

Q Q verbunden. Eine Verstärker-Vorspannungsschleife 15 ■ überlagert der schwingenden G ate spannung., welche über die Kondensatoren 11, 13 übertragen wird, eine Vorspannung, so daß die Wechselspannungskomponente an den Gateelektroden der PETs Q-, Q^ um die Schwellenspannungen der i'E'Us Q,, Q„ schwingt. Als Ergebnis ist der Source-Drain-Strom, der durch die Ausgangs-PETs Q^, Q^ fließt, abwechselnd im einen der beiden Transistoren gesättigt, während der andere Transistor gesperrt ist, und zwar synchron zu den Schwingungen des Kristallresonators 1, so daß die Schwingungen des Stromes am Ausgang 16, der von den miteinander verbundene Drainelektroden der E¹ETs Q,, Q^ gebildet wird, eine ausreichende Amplitude hat.

Der Nachteil der Schaltungsanordnung nach Pig. 2 besteht darin, daß der p-Kanal~PET Q^, nicht synchron mit dem Kristallresonator 1 schwingt, sondern lediglich eine Stromquelle für den PET Q₂ bildet. Als Ergebnis muß der Source-Drain-Strom, der den schwingenden n-Kanal-PET Q.p durchfließt, wenigstens 1,6 mal so groß sein wie in der Schaltungsanordnung nach Pig. 1, um eine gegebene Verstärkung der Oszillatorschleife zu erreichen. Weiterhin hat die Verstärker-Vorspannungsschleife 15 einen beträchtlichen Strombedarf. Ein Pierce-Kristalloszillator, wie er in Fig. 2 dargestellt ist, ist in der US-PS M 013 979 beschrieben.

Der in Pig. 5 schematisch dargestellte Pierce-Kristall-. oszillator nach der Erfindung führt zu einer bemerkenswertenReduzierung des Stromverbrauchs p;egenüber den vorstehend behandelten, bekannten Oszillatoren. Der erfindungsgemäße Kristalloszillator enthält p- und α-Kanal-Oszillator-PETs P^, U sowie p- und η-Kanal Ausganga-

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FETs P₀'und H₀. Dabei sind die Gateelektroden der p-Ka-

8 ο
nal-FETs und die Gateelektroden der n-Kanal-FETs jeweils miteinander verbunden. Die Drainelektroden der Schwingungs-FETs IT, P^. sind miteinander und mit dem Anschluß 1a des Kristallresonators verbunden, während ihre Gateelektroden jeweils über einen Kondensator C- bzw. C^ mit dem Anschluß 1b des Kristallresonators verbunden sind. Eine Oszillator-Vorspannungsschleife 17 ist zwischen die Gateelektroden der jeweils in Serie geschalteten FETs geschaltet. Im Gegensatz zu dem in Fig. 2 dargestellten Oszillator nach dem Stand der Technik arbeitet der erfindungsgeniäße Oszillator nach Fig. 5 in solcher Weise, daß beide FETs W,, und Ργ synchron zum Kristallresonator 1 schwingen, so daß der Source-Drain-Strom etwa um das 1,6-fache geringer sein kann als beim Oszillator nach Fig. 2 für eine vorgegebene Verstärkung der Oszillatorschleife.

Die Oszillator-Vorspannungsschleife 17 stellt die Gatespannung des. p-Kanal-FET P,. so· ein, daß die Gate spannungen der schwingenden FETs Kg und Pg nahe den Schwellenspannungen der FETs N^ bzw. P/j schwingen. Infolge__dessen werden die Ausgangs-FETs Ng, Pg abwechselnd vollständig ein-und dann vollständig ausgeschaltet, weil ihre Gate-" spannungen unmittelbar von_ den Gateelektroden der Oazillator-FETs N_x. bzw. P., übertragen werden. Infolge_dessen wird eine Verstärker-Vorspannungsschleife 15, wie sie bei der bekannten Schaltungsanordnung nach Fig. 2 vorhanden ist, bei dem in Fig. 3 dargestellten Kristalloszillator nach der Erfindung nicht benötigt. Infolgedessen wird der durch die Verstärker-Vorspannungsschleife 15 bedingte Stromverbrauch durch die Erfindung vermieden.·

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Wie nachstehend mehr im einzelnen beschrieben wird, gewährleistet die neue Oszillator-Vorspannungsschleife eine zuverlässige Anfachung von Schwingungen, wenn die Schaltungsanordnung nach Fig. 5 eingeschaltet wird, indem sie ein freies Anwachsen der Schwingungsamplitude des Source-Drain-Stromes in den FETs N^, P^ bis zu einem " vorgegebenen Wert gestattet, bei dessen Erreichen die Oszillator-Vorspannungsschleife 17 wirksam wird und dann die Leitfähigkeit der Source-Drain-Strecke des PET P^ reduziert, um dadurch den Stromverbrauch der gesamten Schaltungsanordnung zu vermindern.

Die Erfindung ist im einzelnen in dem schematischen Schaltbild nach Pig. 4 dargestellti Die neue Schaltungsanordnung enthält drei Paare komplementärer MOSFETs, nämlich das Paar der Oszillator-FETs N^, P^., das Paar der Ausgangs-FETs Ng, Pg und ein Paar Stromregel-MOSFETs N₂ P₂, die sich in der Oszillator-Vorspannungsschleife 17 befinden. Bei der hier beschriebenen Schaltungsanordnung sind die FETs, deren Bezeichnungen den ersten Buchstaben "P" aufweisen, MOSFETs mit p-Kanal, während mit dem ersten Buchstaben "W" bezeichnete FETs MOSFETs mit η-Kanal.'sind. Beide Transistortypen sind auf einem Substrat vom n-Typ gebildet, wobei n-Kanal-MOSFETs in Bereichen vom p-Typ gebildet sind, die in dem Substrat vom η-Typ in bekannter Weise erzeugt worden sind.

A Oszillatorschleife

Wie aus Fig. 4· ersichtlich, enthält die Oszillatorschleife einen Kristallresonator 1, vorzugsweise mit einem Quarz, mit einem zugeordneten Abstiinmkondensator C,|, das Oszillatorpaar komplementärer MOSFETs N., P,.

und die Gate-Koppelkondensatoren C_P, C^. Die Drainelektroden der Oszillator-FETs E_x,, P^ sind miteinander ■und mit dem Anschluß 1a des Kristalloszxllators 1 verbunden, an dem auch der Abstimmkondensator C_x, angeschlossen ist. Das andere Ende des Abstimmkondensators C_x, ist an die Bezugsspannung V-^ angeschlossen. Die. Gateelektroden der beiden EEiDs N^, P^ sind über jeweils einen Kondensator G₀ bzw. Ο., mit dem anderen Anschluß 1b des Quarzresonators verbunden, der ebenfalls über einen äußeren,· variablen Ab3timinkondensator C' ,, mit der Bezugsspannung V-- verbunden ist. Die Sourceelektroden des Paares Oszillator-FETs IL, P.* sind mit der Bezugs spannung· Vg.., bzw. V_DD verbunden. Wenn der Kristallresonator 1 schwingt, schwingt die Spannung am Anschluß 1b synchron zum elektrischen Feld im Kristallresonator 1 und wird über die Kondensatoren C^, C^ an die Gateelektroden der Oszillator-FETs N_x,, P_x, angelegt. Wenn die Spannung am Anschluß 1b des Kristallresonators hoch ist, nimmt der Source-Drain- ' Strom im Oszillator-FET N_x. ein .Maximum an, während der Source-Drain-Strom im Oszillator-KSK P^ ein Minimum iat. Hat dagegen die Schwingspannung am Anschluß 1b des Kristallresonators ein Minimum, ist· der Source-Drain-Strom im Oszillator-FET P_x, auf einem Maximum, während der Source-Drain-Strom durch den Oszillator-FET W_x, auf ■einem Minimum ist. Demgemäß liefern die Drairielektroden der Oszillator-FETs iL, P_x, eine komplementäre Rückkopplung am Anschluß 1a des Kristallresonators, welche die Schwingungen des Kristalles aufrecht erhält. Die Abstimmkondensatoren C_x, und C_x. gewährleisten, daß bei der'gewünschten Schwingfrequenz, die bei einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung 32768 Hz beträgt, "die Phasenänderung in der Oszillatorschleife 350° beträgt, um eine positive Bückkopplung zu bewirken. Der

Kristallresonator Ί hat eine innere Induktivität, die in Verbindung mit dem Kondensator C₁ eine Phasenverschiebung, der Spannung von etwa 90° bewirkt, Die Phasenverschiebung zwischen der Gatespannung und der Drain-Spannung des FET N₁ beträgt etwa 180°, weil der FET N₁ bezüglicher seiner Gate- und Drainspannungen wie ein Inverter wirkt. Die restliche Phasenverschiebung von etwa. 90° wird von dem variablen Abstimmkondensator C₁ geliefert. .

Ein großes Ausgangssignal wird erzielt, indem die Gateelektroden der Oszdllator-FETs Ν,,,ΡΙ mit den Gateelektröden der Ausgahgs-FETs Ng, Pg verbunden werden, deren Sourceelektroden an die Bezugs spannungen Vg„ bzw. V^ angeschlossen sind und deren Drainelektroden miteinander verbunden sind und den Ausgang 18 des Oszillators bilden. Eine Verstärkung des Oszillatorsignals, das am Ausgang · 18 erscheint, erfolgt ohne eine Erhöhung des Stromver- " brauches durch das Paar Oszillator -FETs N₁, P₁, indem die Source-Drain-Kanäle der Ausgangs-FETs N_ß, Po mit einem größeren Breiten-Längen-Verhältnis als in den Oszillator-FETs N₁, P₁ ausgebildet werden. ·

In der dargestellten, bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird der Oszillator gegen andere, nicht dargestellte Elemente der Uhrenschaltung durch einen invertierenden Verstärker 20 abgepuffert, dessen Eingang mit dem Oszillator-Ausgang 18 -verbunden ist und dessen Ausgang 22.den gepufferten Oszillator-Ausgang bildet. ·

Die Wirkungsweise der Oszillatorschleife ist in den in · den Fig. \>a bis 5e dargestellten Diagrammen veranschaulicht. Bezogen auf das' Diagramm nach Fig. 5a wird zur

Zeit T₀ eine negative Spannung in der Größe von 1 bis J V als Bezugsspannung Vgg angelegt, während die Bezugsspannung V_lTn auf Substratmasse gehalten wird. Es nehmen dann die Source-Drain-Ströme I_DS (N^) und I_gD (P^), welche die Oszillator-FETs N,,, P- durchfließen, einen Anfangs-Gleichstromwert I₇^, (^n) an. Es ist zu beachten, daß die Source-Drain-Ströme zur Zeit T_Q keine Schwankungen aufweisen, weil der Kristallresonator 1 noch nicht begonnen hat, merkliche Schwingungen auszuführen. Wie aus den Fig. 5b und 5c ersichtlich, nehmen gleichzeitig die Gatespannungen, die den Oszillator-FETs KL, P,- zugefi.hrt werden, nahe den entsprechenden Schwellenspannungen liegende Werte an. Fig. 5a zeigt, wie sich anschließend im Source-Drain-Strom der Oszillator-FETs N^, P,, langsam in dem Maß Schwingungen ausbilden, wie der Kristallresonator 1 zu schwingen anfängt. 'Zu einer späteren Zeit T. ist das Gleichstrommittel des Sourcer-Drain-Stromes, der in Fig. 5a dargestellt ist,' auf einen niedrigeren Wert I^ (T^) abgefallen, und zwar als Ergebnis der zunehmenden Schwingungen des Source-Drain-Ströme s. Es sei erwähnt, daß Fig. 5a lediglich eine vereinfachte Darstellung des zeitlichen Signalverlaufes ist, und daß insbesondere die Schwingungen tatsächlich eine sehr viel höhere Frequenz haben als die in· Fig. 5a dargestellten Signale.

Wie oben dargelegt, sind die Gatespannung und der Drain-Source-Strom des FET N^ um 180° außer Phase. Demgemäß ist aus Fig. 5c ersichtlich, daß die Wechselkomponente der Gatespannung Yq (N^), die in Fip·. 5c dargestellt ist, um etwa 180° außer Phase gegenüber der Wechselkomponente des Source-Drain-Stromes Ι_ς,_Β (£L) ist, der in Fig. 5ä dargestellt ist. Weiterhin ist die Wechselkomponente der Gatespannung V_Q (P^), die dem FlOT P^ zugeführt wird, in

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Phase mit der Gate spannung V_fi (N,,), die in Pig. 5c dar-. Restellt ist, weil die Gateelektroden der 5¹ETs N₁, P₁ ■ über die Kondensatoren Cg, C, gekoppelt sind. Die Maxdma der Source-Drain-StrÖme lg_D (K₁) und Ig_D (P₁) sind um etwa 180° außer Phase, und zwar infolge der komplementären Wirkungsweise der beiden FETs N₁ und P₁.- Wenn also die Gatespannungen Yq (P₁) und V_& (N₁) ein positives Maximum . haben, wie beispielsweise zur Zeit Tg, hat der Source-Drain-Strom Ιο_Ώ (P₁) ein Minimum und der Source-Drain-Strom Io-n (N₁) ein Maximum. Umgekehrt, zur Zeit T~, wenn die Gatespannungen ein Minimum haben, haben die Source- ■ Drain-Ströme Ig_D (P₁) und Ig,, (W₁) ein Maximum bzw. ein Minimum. ' ·

Ein wesentliches Merkmal des in Pig. 5a dargestellten SignalVerlaufs besteht darin, daß der mittlere Gleichspannungspegel von I.JV1 abnimmt, wenn die Amplitude der in Fig. 5a· dargestellten Schwingungen zunimmt. Demgemäß hat der mittlere Gleichstrom Iq,_c zur Zeit T₀ ein Maximum, während zur Zeit T., nachdem die Schwingungen merklich eingesetzt haben, der mittlere Gleichstrom I^q·infolge der Schwingungen des Source-Drain-Stromes abgenommen hat. Die Abnahme des mittleren Gleichstromes I^ bei Anwachsen der Schwingungen im Source-Drain-Strom, die in Fig. 5a veranschaulicht ist, spielt eine bedeutende Wolle bei der Wirkungsweise der Oszillator-Vorspannungsschleife

B-Osgillator-Vorspannungsschleife 17

Die Oszillator-Vorspannungsschleife Ύ] enthält einen Widerstands-FET N₅, ein Tiofpaß-l'iltor 1?a, einen utrom regler 17b und eine Vorspannungsquelle 17c.

Der Widerstands-FET EU ist mit seiner Source-Drain-ßtrecke zwischen Drain und Gate des Oszillator-FET N_x] geschaltet. Die Vorspannungsquelle 17c steuert die Gatespannung des Wider st and-FET N^. Der Source-Drain-Widerstand des FET N^ ist so bemessen, daß der Oszillator-FET N_x,, wie-oben behandelt, im Sättigungsbetrieb arbeitet. Der Vorteil eines Betreibens des FET N^ in der Si-ttigung besteht darin, daß die Größe des Source-Drain-otromes, der für · eine· gegebene Größe der Verstärkung eier Oszillator- . schleife benötigt wird, auf ein Mininum reduziert wird. Der PET P_x, wird ebenfalls in der Sättigung gehalten, um den pjleichen Vorteil zu haben," wie en nachstehend noch erläutert werden wird.

Wie oben in Verbindung mit 1''Ie;. 5a beschrieben, nimmt die mittlere Gleichstromkomponente I^ des Source-Drain-Stromes durch den FET N_x, ab, wenn die Schwingungsamplibude des Kristallresonators 1 zunimmt. Infolgedessen nimmt die mittlere Gleichspannung V^ (i\L), die über den Widerstands-FET N^ der Gateelektrode des Oszillator-FET H^l zugeführt wird, proportional zur mittleren Gleich-= Stromkomponente I_D(-, nach Fig. 5a ab. Als Ergebnis nimmt ' die Leitfähigkeit der Source-Drain-Screcke des FET K_x, mit der in Fig. 5c dargestellten Gat-:spannung V„ (im,,) ab. Demgemäß wird der Stromverbrauch duroh die Oszillator- ■ FETs K^i und P^ reduziert, während sich die Schwingungen im Kristallresonator 1 langsam aufba-ien.

Das Tiefpaß-Filter 1?a empfängt eine Eingangsspannung V_n (h^) von dem Widerstands-FET K, und erzeugt eine Aus-" gangsspannung V^ (N_o)jd:ie dem Einganc; des ofcroiruv-Kler·:.; 17b zugeführt wird. Das Tiefpaß-b'ilter 17a eliminiert die Wechselkomponente seiner Eingangsspannung V_n Cu₁),

wie in Fig. 5c dargestellt, in solcher Weise, daß die Ausgangsspannung V_G (N₀) den Minima der Wechselkomponenfco der Eingangs spannung V_& (N₁) folgt, wie es in Fig. ^lj>c durch eine gestrichelte Linie dargestellt ist.

Die Feststellung der Minima der Wechselkomponente der Eingangsspannung Vq (N₁) erfolgt durch einen Gleichrichter-FET N^, der zwischen den Widerstands-FET W-, und einen Kondensator C^ geschaltot ist, der seinerseits an die Bezugsspannung V^ angesc.ilossen ist. Der Kondensator C₇ wird über den Gleichrichte.¹?-FET NL . in negativer Richtung aufgeladen, so daß der Gleichrichter-FET M^_A und ■ der Kondensator C₁-, als Minimum-Detektor arbeiten, der einen weiteren Kondensator Cq über einen weiteren Widerstands-FET N^g auflädt. Ein Filterkondensator C^ wird vom Kondensator Cq über einen Schalt-FET N^ aufgeladen, dessen Gateelektrode von einem Taktsignal φ gesteuert wird, das f-ine von einem Impulsgenerator 17aa erz.eup;te I^ulsfrequei ζ F besitzt. Tatsächlich wird der Filterkon-· densator C^ über einen hohen Widerstand· geladen, der 1/FCq proportional ist, so daß die Ausgangsspannung V .(N relativ gilt geglättet ist. Ein Torteil des Tiefpaß- · Filters 1?a besteht darin, daß der hohe Widerstand, über den der Filterkondensator C^ geladen wird,' nicht die An- . Wendung eines Widerstandselementes verlangt, der in tier Schaltungsanordnung sehr viel Plata beanspruchen würde-.

Die Kombination der Minimum-Feststellung mittels des 1<Έ'Ρ K^_A und den Kondensators C„ und die Abnähme des Gleichspannungs-riittelwertes in der Eingangs spannung V (ti,,) bewirkt in Verbindung mit der Zunahme der Schwingung der Source-Drain-Ströme I_ßD (JS₁) und I^ (P₁) eine schnelle

Abnahme der Ausgangsspannung V (W₉) des Tiefpaß-Filters 17a bei einer Zunahme der Amplitude der Schwingung des Source-Drain-Stromes in dem FET-Paar I¹L, P^. Diese Erscheinung ist in Fig. 5c veranschaulicht, welche zeigt, daß die als gestrichelte Linie dargestellte Ausgangsspannung V (JUp) nicht nur der Abnahme der mittleren Gleichspannung der Eingangsspannung V" (Ii₁) folgt, sondem auch unter die Minima der Wechselkompbnente der Eingangsspannung V (N₁) abfällt. Die Ausgangsspannung

g '
V (IT₂) wird dem Eingang des Stromreglers 17b zugeführt.

Der Stromregler 17b erhöht die Gatespannung des Oszilla-· tor-FET P_x., um dessen Stromverbrauch zu reduzieren, wenn die Amplitude der Schwingungen seines Source-Drain-Stromes Ιστ> CP-ί) zunimmt. Der Stromregler 17b enthält ein Paar

öl) I

komplementärer n- und p-Kanal-FETs Np," Pp, ^von denen der FET Np an seiner Gateelektrode die Ausgangsspannung V (N~ des Tiefpaß-Filters 17a empfängt. Die Drainelektrode des FET N₂ ist mit der Gateelektröde des Oszillator-FE'f P,, sowie mit der Drainelektrode .und der Gateelektrode des FET P₂ verbunden. Die Sourceelektrode des FET P2 ist mit der Bezugsspannung V-^ verbunden. Die Sourceelektrode des FET Np.ist mit der· Sourceelektrode eines strombe-.grenzenden FET N^ und der Bezugsspannung V_og verbunden. Die Gateelektrode und die Sourceelektrode des stromregeln-' den FET Np sind mit der Gateelektrode bzw. Sourceelektrode eines stromuberwachenden FET N₁- verbunden, dessen Drainelektrode mit dem Eingang der Vorspannungsquelle 17c verbunden ist. Die Vorspannungsquelle 17c steuert die Gate spannungen der FETs N₅, N^ N^._ß und N^₁ und steuert die Drainspannung des strombegrenzenden FET N,.,-, wie es später noch beschrieben wird.

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tint

Die Wirkungsweise des Stromreglers 17b ist die folgende. Wenn die der Gateelektrode des stromregelnden FET N₀ züge führte Soannung V (N₀) beim Einsetzen der Schwingungen des Kristallresonators 1 abnimmt, wie es Fig. 5c zeigt, nimmt die Leitfähigkeit der Source-Drain-Strecke des stromregelnden FET .N₂ zu, wodurch die Drainsparmung des stromregelnden FET P₂ erhöht wird, die der Gateelektrode des Oszdllator-FET P₁ zugeführt wird. Eine entsprechende Abnahme des Source-Drain-Stromes I₀^. (N₂) durch den stromregelnden FET N₀ ist in Fig. 5e dargestellt. Als Ergebnis· reduziert der Stromregler 17b den Source-Drain-Strom im FET P₁, wenn die Schwingungsämplitude des Source-Drain-Stromes I₀-Q (P^) des FET P₁ zunimmt. Demgemäß zeigen Fig. 5a "und 5b, daß der. Stromregler 17b eine Zunahme · des Source-Drain-Stromes l„j. (P₁) erlaubt, bis zur Zeit T_D eine maximale Sehwingamplitude erreicht ist, wonach die Zunahme, der Gatespannung V (P₁) eine entsprechende Abnahme der Schwingungsamplitude und des Vorspannungspegels des Source-Drain-Stromes I^ (P₁) bewirkt. Der Vorteil dieses Verhaltens besteht darin, daß der Stromregler 17b ein freies Anwachsen der Schwingungsamplitude· des elektrischen Feldes im Kristallresonator 1 gestattet, wenn die Schaltungsanordnung nach Pig. ^Lv an Spannung gelegt wird, um. ein zuverlässiges Anschwingen zu gewähr— ' · leisten«, danach wird jedoch der Stromverbrauch auf ein ■ Minimum reduziert, indem der Stromfluß durch die Jourco-Drain-Str-icke des FET· P₁ reduziert wird. Die Abnahme des Source-Drain-Stromes J,,,. (P.) durch den- FET l\ wird mittels dis Widerstands-FET N-, an der Gateelektrode den

Oszillato!---Ij¹E¹J¹ N^ erfaßt, so daß. eine entsprechende Abnahme im .ioarce-Drain-Strom I_g (^₁) 'durch den FET ή_Λ stattfindet, wie es j η Fig«, 5a veranschaulicht wird.

Zur Zeit Tp, typischerweise etwa 10s nach T^ erreicht das System einen Gleichgewichtszustand, in welchem die · in den Fig. 5b und 5c dargestellten Gatevorspannungen V ■ (P,.) und V (iL|) und die in Pig. Ba dargestellten Source-Drain-Ströme I_n(P,,) und I~ (N^) auf konstanten Werten gehalten werden, während auch die Amplituden ihrer Wechselkomponenten konstant sind.

Demgemäß ist nach einer Zeit T„ der Stromverbrauch der Schaltungsanordnung nach Fig. 4- auf einen Gleichgewichtswert reduziert, der bei der bevorzugten Ausführungsform in der Größenordnung von nur ^O nA lxegt, was eine bedeutende Verbesserung gegenüber dem Stand der Technik bedeutet.

Der strombegrenzende FET W^,, unterstützt ebenfalls die Zuverlässigkeit beim Anschwingen des Kristallresonators nach dem ersten Anlegen der Bezugs spannungen Vq^ und '^VDD* ^{Xur Zeit T}0' ^zu ^^ev ^das Si²¹³⁰^⁸-¹*⁶¹¹ erfolgt und noch ■keine Schwingungen stattfinden, ist der Source-Drain-Strom Ig₁) (N₂) durch die beiden FETs N^ und P₂ auf einem hohen Anfangswert, wie es Fig. 5e zeigt. Wenn vor Ein- ' setzen der Schwingungen der Strom I^ -(N₂) übermäßig wird, könnte der FET. P₀ zu einer bedeutenden Belastung der Oszillatorschleife werden, mit .dem Ergebnis, daß die Rückkopplung zwischen den Anschlüssen 1a und 1b des Kristallresonators nicht notwendigerweise in Phase ist und'daher Schwingungen niemals zustande kommen. Um einen solchen Betriebszustand zu vermeiden, erzeugt der strombegrenzende FET N^^ einen erneblichen Spannungsabfall an seiner Source-Drain-Strecke, wenn der Source-Drain-Strom ¹SD ^^K2^ ^l'^ibermäßig wird. Der Spannungsabfall an dom .

s trombe grenzenden FET N^ erhöht die Source spannung des FET N₂, so daß dessen Source-Gate-Spanirung reduziert wird, was die Leitfähigkeit des FET N₂ und infolgedessen den Strornfluß durch den FET-P₂ vermindert. Auf diese Weise wird der Source-Drain-Strorn durch den FET P₂ wirksam begrenzt, und es wird verhindert, laß die OszillatorscMei- · fe zur Zeit IV, nennenswert belastet wird. Auf diese Weise wird ein zuverlässiges Anfachen des Oszillators gewährleistet. Durch Begrenzen des Stromes durch den FET P₂ wird der FET P₂" vorteilhaft in Sättigung gehalten, was ebenfalls das Anfachen der Schwingungen begünstigt.

Die Vorsparmungsquelle 17c enthä Lt fünf p-Kanal FETs P-,, Pc, P^ ' Pn und P^p, deren Gateelektroden miteinander verbunden und deren Sourceelektroden an.die ßezugsspannung V,,ß angeschlossen sind. Ein Kondensator Cg ist· zwischen ihre Gate- und Sourceelektroden geschaltet. Die Drainelektrode des FET P-, ist mit dessen Gateelektrode und der Drainelektrode des stromüberwachenden ί'ΈΤ N₁^ verbunden. Der FET P^ ist über eine Serienschaltung von n-Kanal-J.^pE'iyNg und N„ mit der Drainelektrode des strombegrenzenden FET BL,, verbunden.

Die p~llanal FETs P^ und P₁^ arbeiten als Stromspiegel, der auf den'Source-Drain-Ötrom des stromüberwachenden FET \\_v anspricht, um einen entsprechenden Source-Drain-Strom durch die iierienscbaltung dor FETs W_r,, N- der Drainelektröde des strombegrenzenden FET-IJ.,. zuzuführen.' Der stromüberwachende FET N_c bildet den oource-Drain-Strom durch den iitromregelnden FE¹J¹ l\_? ab, um einen entsprechenden Strom oer Drainelektrode des strombegrenzenden FKT N^ zuzuführen. Wie zuvor bei der Beschreibung des Strom-

reglers 17b erwähnt, hat der Spannungsabfall an dem strom begrenzenden FET N^ die Funktion, den Source-Drain-Strom des FET Pp ^zu begrenzen, um zu verhindern, daß der FET Pp die Oszillatorschleife übermäßig belastet, wenn die Schaltungsanordnung zuerst an Spannung gelegt wird. Ein wesentliches Merkmal dieser Ausführungsform besteht darin, daß die Source-Drain-Spannung am FET N^ erhöht wird, weil die Sourceelektroden der U¹ETs N₂, N₁- und N^ alle mit der Drainelektrode des strombegrenzenden PET üi,„ verbunden sind und daher der Source-Drain-Strom des S¹ET IL·y. um den Faktor 2,5 größer ist. als der Source-Drain-.Strom des FET N₂. Als Ergebnis· kann der Spannungsabfall am FET £L·^ sehr beträchtlich sein, -während sein Widerstand und infolgedessen das Längen-Breiten-Verhältnis seines Source-Drain-Kanals für einen gegebenen Spannungsabfall um den Faktor 2,5 vermindert werden kann, wodurch der Platz bedeutend reduziert werden kann, der von dem FET N_-1 ^ eingenommen wird.

Die Gatee.lektroden der FETs IU und IU sind mit ihren jeweiligen Drainelektroden verbunden, und es ist die Drainelektrode des FET L·' mit den Gateelektroden der FETs IU, N^ und N^g verbunden. Hierdurch werden die G-atespannungen der FETs ET,, N^ und N^ veranlaßt, dem Source-Drain-Ütrom des FET N,- zu folgen, wodurch der Source-Drain-Strom durch die FETs P₂, W₀ abgebildet wird. Wenn daher die Gatespannung V_n, (N₀) des FET N₀ abnimmt, wie es in Fig. 5° dargestellt ist, während die Schwingungsamplitude in der Oszillatorschleife zunimmt,. nimmt die Gatespannung V (N^), welche von der Drainelektrode des FET W₇ den Gateelektroden der PETs N₅, M^, N_Zffi zugeführt wird, in der in Fig. 5d dargestellten Weise ab.. Diese Eigenschaft trägt zur Reduktion des Stromes I₁₁-(JL,,)

von der Zeit T_D bis zur Zeit Tg bei, wie es Fig. 5a zeigt.

Die Gateelektrode des PET N_x, ist über die Source-Draiii-Strecke des I¹ET P₇ mit der Bezugsspannung V_DI) verbunden. .Diesos" Merkmal unterstützt das Anwachsen der Schwingungamplitude der Source-Drain-Ströme· nach, dem Einschalten zur Zeit Tq, wie es Fig.. 5a zeigt. Im einzelnen wird zur Zeit T₀, also vor dem Einsetzen der Schwingungen, die G ate elektrode des FET N₁ von dem FET P₁-, nahe ihrer Schwellenspannung gehalten, so daß der FET N_x, anfänglich. selbst bei Fehlen von Schwingungen leitend ist. Als Ergebnis steht der FET N₁ zur Verfügung, um eine Rückkopplung zwischen den Anschlüssen 1a, 1b des Kristallresonätors herzustellen, die ein zuverlässiges Anfachen von Schwingungen gewährleistet, wenn die Anordnung einge- ■ schaltet wirdi Ohne dieses Merkmal bestünde die Gefahr, daß der FET N_x. niemals das Fließen eines ausreichenden Source-Drain-Stromes zulassen würde, um eine ungedämpfte Schwingung des Kristallresonators 1 zu ermöglichen.

Die Gatespannung des strombegx-enzenden FET N..,. wird von den FETs P_xJ₂' ^12 ^{und 11}I^ S^el-^ie:£eT'^b'^I)±e Gateelektrodo des FET Nj₁ ist durch die Source-Drain-Strecke des FET P_xJP mit der Bezugs spannung V^ verbunden, während die Drainelektrode des FET P^₀ durch die Soux'ce-Drain-Strecken der in Serie geschalteten FETs N_x,ρ und H_x,^ mit der Bezugs spannung Vg₀ verbunden ist. Die Gateelektroden der FETs N₁₂ und N^ sind mit deren Drainelektroden ver-.bundon. Der FET P^^ arbeitet als Stromquelle Tür dio B¹ETs W_xJ₀ and W^^, die ihrerseits als Bezugsspannun^ijquelle iuc die Gateelektrode des FET W₁₁ dienen. Bei der bevofzugton Ausführunf-sform betrügt die Gatecpannum·: V(N

des FET UL_-1 etwa das Doppelte der Schwellenspannung.

Der Anschluß 1b des Krxstallresonators 1 ist über die Source-Drain-Strecke des FET I-'ß mit aev Bezugsspannung V -verbunden, um dem Knoten zwischen den beiden Kondensatoren Cp und C₇, eine Bezugsspannung zuzuführen. Der Vorteil dieser Anordnung besteht darin, daß die Kondensatoren Cp und G-z zwei Elektroden aufweisen, die eine gemeinsame Diffusionszone vom p-Typ in dem Substrat vom η-Typ überdecken, in dem die Schaltungsanordnung nach Fig. 4- erzeugt worden ist. Die Diffusionszone ist mit dem Anschluß 1b des Kristallresonators verbunden. Demgemäß liefert der PET Pg eine Bezugsspannung, auf der das Potential der gemeinsamen Diffusionszone der Kondensatoren C-, C^ gehalten wird.

Alle Kondensatoren, ausgenommen Cq (und selbstvex^vsbändlich dex· äußere Kondensator¹ C"^,) sind MOS-Kondensatoren bekannter Art, die jeweils aus einer Metallelektrode bestehen, die eine p-Diffusionszone im η-Substrat überdeckt. Der Kondensator C„ besteht aus einer Elektrode, die eine n-Diffusionszone überdeckt, die in. einem p-Bereich erzeugt worden ist, der den FET JSi„ enthält. Die Kondensatoren Cp, C-, sind als individuelle metallische Elektroden über einer gemeinsamen Diffusionszone gebildet, die mit dem Anschluß Ib des Kristallresonators verbunden ist, wie bereits oben angegeben. In dem Schaltbild nach Fig. 4- entspricht die gekrümmte Elektrode jedes Kondensators der Diffusionszone, während die geradlinige Elektrode der die Diffusionasone- überdeckenden metallischen Elektrode entspricht.

Die FETs mit p-Kanal sind alle im η-Substrat gebildet, während die FETs mit η-Kanal in zwei verschiedenen p-Bereichen gebildet sind, die in dem η-Substrat erzeugt worden sind. Der erste Bereich umfaßt die FETs N^, N^_A N_/)ß ⁿ/lg* ^N7 **^{ηά N}12' ^von ^^{11011 der FET N}7 ^eine ^m^ ^d.^em P~^B©- reich verbundene Sourcezone besitzt. Die übrigen, einen η-Kanal aufweisenden FETs M₂, N₁-, Ng, N₁₁ und N₁₄ befinden sich in dem zweiten p-Bereich, ■ der an die Bezugsspannung V-jyr, angeschlossen ist. Die Bezugs spannung V^ ist auch an das Substrat selbst angelegt und bildet die Masse der Schaltungsanordnung nach Fig. 4. Der FET N_f- erzeugt an seiner Source-Drain-Strecke einen Spannungsab-' fall, der die Vorspannung definiert, welche der Sourcezone und dem-p-Bereich des ΪΈΤ N„ zugeführt wird.

Bei einer bevorzugten Ausführungsform hat der Kondensa- · tor Cg eine Kapazität von etwa 0,15^ ρϊ¹ zwischen seiner Elektrode und der Diffusionszone, die über den Kondensator G₁- an die Bezugsspannung V-^ angeschlossen ist.· Eine zusätzliche Kapazität von 0,3 pF ergibt sich aus· ^ der Kapazität zwischen Diffusionszone und'p-Bereich^'die

über die Kapazität zwischen p-Bereich und Substrat an die Bezugsspannung V_DD angekoppelt wird.

Die Kapazitätswerte für alle diese Kondensatoren sowie die Breiten-Längen-Verhältnisse der Source-Drain-KanÖle aller FETs werden später noch angegeben. Wenn die Schaltungsanordnung mit diesen bevorzugten Werten aufgebaut wird, sind die Schwingungsamplituden der verschiedenen Spannungen und Ströme, die in den Diagrammen nach den Fig. 5b, 5«, 5d und 5e veranschaulicht sind, die folgenden. Die in Fig. 5c veranschaulichte Gatespannung V .(P hat einen Anfangswert, der geringfügig kleiner ist

als" die Differenz zwischen-der Bezugsspannung V_gr, und der Schwellenspannung des PET P^-, Dieser Anfangswert wird ausgedrückt als V_ßS - V^ (P₁) - 0,25 V. Der mittlere Gleichspannungspegel von V (P^) nimmt um etwa I50 mV zu, · bis zur Zeit T-g ein Gleichgewicht erreicht ist. In diesem Gleichgewichtszustand ist die Schwingungsamplitude auf einen zwischen den Spitzen gemessenen Wert von 160 mV reduziert. Wie aus Fig. 5c ersichtlich, beginnen die Gatespannung V (Ef₁) des FET N- und die Gatespannung V (N^) des FET Np, von denen die letzte gestrichelt dargestellt ist, beide mit einem Anfangswert, der annähernd gleich der Schwellenspannung des FET N^ ist. Danach nimmt der . mittlere. Gleichspannungspegel der Gatespannung V (N^) um etwa I50 mV ab, bis zur Zeit T„ ein Gleichgewicht erreicht ist, bei dem die Schwingungsamplitude von ihrem Maximalwert zur Zeit T^. auf eine zwischen- den Spitzen gemessene Amplitude von 160 mV reduziert ist. Der mittlere Gleichspannungspegel der Gatespannung V (üp) sinkt bis zur Zeit T„ auf etwa 25O mV ab.

Wie Fig. 5d. zeigt, beginnt die Gatespannung V (K^), die den FETs E₇,, N^. und N_Z[_g zugeführt wird, bei einem Anfangswert, der etwa dem Doppelten der ochwellenspannung des FET Ε,, zur Zeit T_Q entspricht, und nimmt um etwa 350 mV ab, bis zur Zeit T-g ein Gleichgewicht erreicht ist.

Fig. 5e zeigt, daß der Source-Draiiwitrom des FET Np zur Zeit Tq- einen Anfangswert von'200 n'A hat-und entsprechend dem in Fig. 5c dargestellten Verlauf der Gatespannung V (Ng) exponentiell bis auf einen Gleichgewichtswert von 2 nA zur Zeit IV₁ abfällt. Der zeitliche Verlauf der Gatespannui.g V (P,,) ist nicht dargestellt, weil er mit

dem zeitlichen Verlauf der Gatespannung V (P^₁) identisch · ist, der in Fig. 5b dargestellt ist. Ebenso ist der zeitliche Verlauf des Source-Drain-Stromes des PET P₂ nicht gesondert dargestellt, weil er zu dem in Fig. 5a dargestellten Source-Drain-Strom I_SD (P^) proportional ist.

Der Oszillator nach Fig. 4- wird vorzugsweise in einem η-Substrat aus Silicium in 100-Orientierung hergestellt, ■

-IC 7L

das eine Phosphor-Dotierung von 2 χ 10 Atome/cnr aufweist. Die p-Bereiche sind mit Bor dotiert, und- zwar in der Größenordnung von 1 χ 10 Atome/cm . Die n* - Bereiche, die "beispielsweise die Source- und Drainzonen für η-Kanäle bilden,- sind mit Phosphor in einer Menge

•p/S Jf ,

von 1 χ 10 Atome/cnr dotiert. Die p-Bereiche, die beispielsweise die Source- und Drainzonen für p-Kanale bil-

20

den, sind mit Bor in der Größenordnung von 1 χ 10 Atome/cnr dotiert. Die dünnen Oxidschichten, welche die FET-Gates vom Substrat trennen, bestellen aus dünnen Schichten aus Siliciumdioxid mit einer Dicke zwischen 85 und 9S mn. Die Schwellenspannungen für alle FETs mit p-Kanal können in bekannter Weise mittels Ionenimplantation auf Werte im Bereich von 600 mV mit einer Toleranz von 200 mV eingestellt werden. In gleicher Weise·können die Schwellenspannungen aller FETs mit η-Kanal auf 650 mV mit einer Toleranz von 200 mV eingestellt werden. Die Schwellenspannung ist als diejenige Gatespannung definiert, die im gesättigten Betrieb einer Dichte des Source-Drain-Stromes von 40 nA pro Quadrat entspricht.

Es können auch andere Ausführungsformen der Erfindunp; nützlich «ein."Beispielsweise können die Polaritäten' aller Bauelemente umgekehrt werden, ao daß das Substrat von p-ßilicium p;ob;iidut wird und die darin crzGu^LcMi Ue-

reiche η-leitend sind. Dementsprechend sind auch die Polaritäten aller in Fig. 4- dargestellten MOSFETs umge-r kehrt, so daß beispielsweise der FET N₁ ein MOSFET mit p-Kanal und der FET P₁ ein MOSFET mit η-Kanal ist. Dementsprechend müssen auch die Polaritäten der Bezugsspannungen Vgg und Vjyp entsprechend umgekehrt sein. Stattdessen kann auch die Oszillator-Vorspannungsschleife 17 in der Weise abgewandelt werden, daß der Stromregler 17b die Gatespannung des FET N_x, und nicht, wie im bevorzugten Ausführungsbeispiel die Gatespannung des FET P,, steuert, und der Widerstands-Transistor N-, mit der Gateelektrode des MOSFET P₁ anstatt mit der Gateelektrode des MüSFET N_x, verbunden ist. Bei dieser letztgenannten Alternative behielten die FETs P₁, N₁, P_Q und N_Q der Oszillatorschleife ihre Polarität,· während die Polaritäten der FETs in der Oszillator-Vorspannschleife 17 umgekehrt würden. Beispielsweise würde der Widerstands-FET N zu einem MOSFET mit p-Kanal, während der stromregelnde FET P zu einem MOSFET mit η-Kanal- würde, der sich in einem p-Bereich befindet.

Nachstehend folgt eine Liste von Parametern, welche eine bevorzugte Ausführungsform der Schaltungsanordnung nach Fig. 4· definieren. Es sind die bevorzugten Breiten-Längen-Verhältnisse der .Source-Drain-Kanäle der einzelnen . MOSFETs und die bevorzugten Kapazitätswerte aller Kondensatoren angegeben. ' "

Iiänge n-Bre it en- Verhäl tn i s

P1	Il	Il	Il	Il
K2	Il	Il	11
P2	Il	Il	Il
N 5	It	Il	Il
P5	Il	ti	π
N4-a	II	Il	Il
M 4b	Il	Il	ti
N4c	Il	Il	Il
N5	Il	11	It
P5	It	It	Il
	It	II	11
P6	11	Il	Il
N 7	Il	Il	Il
F?	It	Il	Il
M 8	It	Il	Il
P8	11	Il	It
K12	Il	Il	It
N14 ■	Il	II	Il
P12	Il	Kapazität	Il
G1	U
C2	Il
C5	It
04	li
G5	tt
06	Il
C7

einschl. der Kapazität zwischen der Diffusionsaone des Kondensators C„ und des Beleiches für den FLIT N_n 2/0,4' 5,6/0,4 0,6/0,5 0,2/1 0,2/0,7 0,5/1 0,2/0,7 0,2/0,7 0,5/0,5. 0,6/0,3 0,5/1 0,3/0,5 0,2/4,5 2,2/0,3 0,2/4-, 9 5,6/0,5 7,2/0,3 0,5/0,3 0,5/0,5 0,5/1 6 pF
6,06 pF 10,1 pF 15,1 pi'¹ 3,1 pi.'¹' 3,3 pi' 7 Pl^?

0,4-5 ± 0,05 pi'¹

Claims

3177 5*8 8

Patentansprüche

1«, Kristalloszillator, bestehend aus Kristallresonätor und einer rückgekoppelten Verstärkerschaltung mit einem Paar in Serie geschalteter, komplementärer Feldeffekt-Transistoren, decen miteinander verbundene Elektroden mit dem einen und deren Gatelektroden mit dem anderen Anschluß des Kriatallresonators gekoppelt sind, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Gateelektroden galvanisch voneinander getrennt sind- und eine Schaltungs anordnung (1?) vorhanden ist, die der Gateelektrode des einen Transistors (P^) eine von der Schwingungsamplitude des Source-Drain-Stromes ' des anderen Transistors (N/.) derart abhängige Vorspannung zuführt, daß bei zunehmender Schwingungsamplitude der Source-Drain^Strom des einen Transistors reduziei't wird.

2. Kristalloszillator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichne!/, daß die Schaltungsanordnung (17) nach An- ■ legen e.iner Spannung an die Verstärkerschaltung ein freies Anwachsen der Schwingungsamplitude zuläßt und erst dann, wenn die Schwingungsamplitude ein Maximum erreichI; hat, ein Reduzieren des Source~Drain»-Stroraes bis auf eine Gleichgewichtsamplitude mit sehr geringem Mittelwert bewirkt.

5. Kristalloszillator nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß ein zweites Paar in Serie geschalteter, komplementärer Transistoren (Nq, Pq) vorhanden ist und die Gateelektroden der Transistoren p-leichen Leitfähigkeitstyps der beiden Transistor-

paare (K^, N_Q bzw. P^, P_ß) jeweils miteinander verbunden sind und daß der Verbindungspunkt (18) zwischen den beiden in Serie geschalteten .'ransistoren (N_ß, Pp) des zweiten Transistorpaares den Ausgang des Oszillators bildet.

4. Kristalloszillator nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Schaltungsanordnung (17) ein Tiefpaß-Filter (17a) enthält, dessen Eingang mit dem einen Anschluß (1a) des Kristallresonators (1) und dessen. Ausgang mit einem Stromregler (1?t>) verbunden ist, der dem anderen Transistor (P.) des Transistorpaares (N^, P^) eine- geregelte GateSpannung zuführt und diese Gatespannung umgekehrt zu Spannungsänderungen· am Ausgang des Tiefpasses (17a.) verändert.

.5. Kristalloszillator nach. Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Stromregler (17b) ein drittes Paar in Serie geschalteter, komplementärer Transistoren (Wo, Pp) enthält und die Gateelektrode des anderen Transistors (P^) des ersten Transistorpaares mit dem ' Verbindungspunkt zwischen den beiden Transistoren (N₂, P₂) und der Gateelektrode des 'Transistors (P₂)- . ' des gleichen, zweiten Leitfähigkeitstyps des dritten Transistorpaares verbunden ist, während der Ausgang des Tiefpaß-Filters (17a) mit der Gateelektrode des · Transistors (H₂) des ersten Leitfähigkeitstyps des dritten Transistorpaares verbunden ist.

t>. Kristalloszillator nach Anspxnich 4, dadurch p:okennzeichnet, daß das Tiefpaß-Filter (17a) einen Spitzenwertdetektor zum Feststellen von Spitzenwerten des

ft « A*«> β «ν *■'

seinem Eingang zügeführten Signals, einen zwischen seinem Aasgang und eine erste von zwei Bezugsspannungen (X·,.) geschalteten ffilterkondensator (C, ) und eine einen Weg hohen Widerstandes bildende Anordnung enthält, über die der Filterkondensator (C^) von der. Anordnung zum Feststellen von Spitzenwerten geladen wird.

7. Kristalloszillator nach Anspruch 6, dadurch .gekennzeichnet, daß der öpitzenwertdetektor zum Feststellen der Minima des dem Tiefpaß-Filter (17a) zugeführten · Signals eingerichtet ist und einen Transistor (N^) enthält, der mit se'iner Source-Drain-Strecke zwischen den Eingang des Tiefpaß-Filters (17a) und die Widerstandsanordnung geschaltet und an einem Ende über einen zweiten Kondensator (Cn) an die andere der beiden BezugsSpannungen (V_n-,-.) angeschlossen ist, und daß die Widerstandsanordnung einen Transistor (N/in) ^xm~ faßt, der mit seiner Source-Drain-Strecke zwischen den üpit^r.senwertdetektor und den Ij¹IIterkondensator geschaltet" ist" und an seiner Gateelektrode ein Taktsignal empfängt, so daß er einen äquivalenten Widerstandswert aufweist, der der Frequenz des Taktsignales umgekehrt proportional ist. . ·

8. Kristalloszillator nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß eine Anordnung zum steuern des·Source-■ Drain-St comes des Translators (t\,) vom zweiten Le.itföbigkeitstyp des dritten Transistorpaares (K₁;, V^₁) nach dein Einschalten vorhanden ist.

9. Kristalloszillator nach Anspruch -3, dadurch gekennzeichnet, daß die Anordnung zum h'teuern des Source-Drain-Stromes einen strombegrenzenden Transistor (N ^ der mit seiner Source-Drain-Strecke zwischen die von dem dritten Transistorpaar (Mp, l"o) gebildete Serien schaltung und die eine Bezugs spannung (V-mO geschaltetist, und eine Anordnung zum Zuführen einer Gatespannung zum strombegrenzenden Transistor umfaßt.

10..Kristalloszillator nach Anspruch 1, dadurch gekenn- - zeichnet, daß zu der Schaltungsanordnung (17) zum Zuführen einer Vorspannung zur Gateelektrode des einen Transistors (P_x,) des ersten Transistorpaares (N_x,, P_x.) eine den Stromverbrauch beim Einschalten be grenzende Einrichtung in Serie geschaltet ist.

11. Kristalloszillator nach Anspruch 1, dadurch gekenn- ■' zeichnet, daß die Schaltungsanordnung (17) zum Zu- .

■ führen einer Vorspannung zur Gateelektrode des einen Transistors (P/.) des ersten Trari sis torpaare 3 (N_x,, P^l) einen Widerstandstransistor (SU), d.er mit seiner Source-Drain-Strecke zwischen d.i e Drainelektrode und die Gateelektrode des anderen Transistors (N_x,) des ersten Transistorpaares geschaltet ist, und eine · Einrichtung umfaßt, die der Gateelektrode des Widerstandstransistors eine solche Vorspannung zuführt, daß bei -einer Erhöhung der Schwingungsamplitude des • Source-Drain-Stromes des anderen Transistors (N_x.) die Stärke dieses Source-Drain-.stromes redusiort,

■ wird.

11'. Kristalloszillator nach Anspruch-11, dadurch gekennzeichnet, daß die der Gateelektrode dea Widerstands-

3Ί27588

_ 5 —

transistors (W-z) eine Vorspannung zuführende Einrichtung ein Tiefpaß-Filter (17a), dessen Eingang . über.dem Widerstandstransistor (H,) mit dem einen '^; Anschluß (1a)' des Kristallresonators (1) verbunden ist, md eine an den Ausgang des Tiefpaß-Filters (17a) angescJlossene Anordnung zum Erzeugen einer zweiten geregelten Vorspannung für die Gateelektrode des. Widers- andstransistors (BU) umfaßt, welche Vorspannung sich in Abhängigkeit von Änderungen der Ausgangsspannung des Tiefpaß-I'ilters ändert.

13. Kristalloszillator nach Anspruch 12, dadurch gekenn- · zeichnet, daß die Anordnung zum Erzeugen der zweiten gerege Lten Vorspannung einen Stromregler (17b) mit einem .stromüberwachenden Transistor (N^) des ersten LeitfäJiigkeitstyps, dessen Gateelektrode an den Ausgang des Tiefpaß-Iilters (17a) angeschlossen ist, eine Vjrspannungsquelle (17c) mit einer Stromspiegelschaltung, deren Eingang wenigstens über die Source-Drain- Strecke des stromüberwachenden Transistors (N₁-) roi-t einer der Bezugsspannungen und deren Ausgang mit der Gateelektrode des Widerstands-PET (N,) · verbunden ist, eine Anordnung zur Erzeugung eines Spannuigsabfalls am Ausgang der Stromspiegelschaltung mi.t einem eine Spannungsquelle bildenden Transistor' (Nr₇), dessen Gateelektrode und dessen Sourco- oder Deainelektrode an den Ausgang der Stromspiegelschaltung angeschlossen ist, und eine Anordnung zum Vorspannen des Spannungsquellen-Transistors, die zwisch-3n die nicht mit der Gateelektrode verbundene Drain- bzw. Sourceelektrode und eine der Bezugs-, spannu igen geschaltet ist*

■, www

14-, Kristalloszillator nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine Anordnung zum Halten der Gatespannung des Transistors (IL) des ersten Leitfähigkeitstyps des ersten Transistorpaares (N^,, P^,) nahe von deren "Schwellenwert beim Anlegen der Bezugsspannungen. .

15- Kristalloszillator nach den Ansprüchen 1J und 14-, dadurch gekennzeichnet, daß die Anordnung zum Halten der Gatespannung einen Transistor (P₇) des zweiten Leitfähigkeitstyps umfaßt, dessen Source-Drain-Strecke zwischen eine der Bezugsspannungen (^vjj_D) und die Gateelektrode des Transistors (N^) des ersten Leitfähigkeitstyps geschaltet und dessen Gateelektrode an den Eingang der Stromspiegelschaltung angeschlossen ist.

16. Kristalloszillator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Öource-Drain-Strecke eines Widerstands-Transistors (N*) eines ersten Leitfähigkeitstyps mit dem einen Anschluß (1a) des Kristallreso- ■ nators (1) und der Gateelektrode des einen, .den gleichen, ersten Leitfähigkeitstyp aufweisenden Transistors (N^) des Transistorpaares verbunden und eine Anordnung zum Vorspannen der Gateelektrode des Widerstands-Transistors (N₇).vorhanden ist, derart, daß der eine Transistor (N,.) des Transistor-· paares in Sättigung gehalten wird.

17. Kristalloszillator nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, -daß die Anordnung zum Vorspannen die der Gateelektrode des Widerstands-Transistors (Iw) zugeführte Spannung in Abhängigkeit vom Source-Drain-

Strom des einen Transistors (£L) des Transistorpaares ändert,

18. Kristalloszillator nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Gateelektroden der Transistoren (N,-, P^) des ersten
Transistorpaares mit dem anderen Anschluß ("Tb) des Kristallresonators (1) jeweils über einen Kondensator (Cp, Ο-,) verbunden sind.