DE3127588A1 - "kristalloszillator" - Google Patents
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- Oscillators With Electromechanical Resonators (AREA)
- Inductance-Capacitance Distribution Constants And Capacitance-Resistance Oscillators (AREA)
Description
Anmelderin; Stuttgart, den 6.7.1981
Hughes Aircraft Company P 4077 S/Lö
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 YQQ 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 Vo„ 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-
■ ■ -/.
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.
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
Nx. 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.·
3Ί27588
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 CP, C^. Die Drainelektroden
der Oszillator-FETs Ex,, P^ sind miteinander
■und mit dem Anschluß 1a des Kristalloszxllators 1 verbunden,
an dem auch der Abstimmkondensator Cx, angeschlossen
ist. Das andere Ende des Abstimmkondensators Cx, 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.
VDD 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
Nx,, Px, angelegt. Wenn die Spannung am Anschluß 1b
des Kristallresonators hoch ist, nimmt der Source-Drain- ' Strom im Oszillator-FET Nx. 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 Px, auf einem Maximum, während
der Source-Drain-Strom durch den Oszillator-FET Wx, auf
■einem Minimum ist. Demgemäß liefern die Drairielektroden
der Oszillator-FETs iL, Px, eine komplementäre Rückkopplung
am Anschluß 1a des Kristallresonators, welche die Schwingungen des Kristalles aufrecht erhält. Die Abstimmkondensatoren
Cx, und Cx. 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 Nß, 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
VlTn auf Substratmasse gehalten wird. Es nehmen dann
die Source-Drain-Ströme IDS (N^) und IgD (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 TQ 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 Ις,Β (£L) ist, der in Fig. 5ä
dargestellt ist. Weiterhin ist die Wechselkomponente der Gatespannung VQ (P^), die dem FlOT P^ zugeführt wird, in
3Ί27588
Phase mit der Gate spannung Vfi (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 lgD (K1) und IgD (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
ΙοΏ (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 IgD (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
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 Nx] 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 Nx,, 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 Px, 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 Nx, 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 ID(-, nach Fig. 5a ab. Als Ergebnis nimmt '
die Leitfähigkeit der Source-Drain-Screcke des FET Kx,
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 Vn
(h^) von dem Widerstands-FET K, und erzeugt eine Aus-"
gangsspannung V^ (No)jd:ie dem Einganc; des ofcroiruv-Kler·:.;
17b zugeführt wird. Das Tiefpaß-b'ilter 17a eliminiert
die Wechselkomponente seiner Eingangsspannung Vn Cu1),
wie in Fig. 5c dargestellt, in solcher Weise, daß die
Ausgangsspannung VG (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 IßD (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.
V (IT2) wird dem Eingang des Stromreglers 17b zugeführt.
Der Stromregler 17b erhöht die Gatespannung des Oszilla-·
tor-FET Px., 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 Vog 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.
φ «-fr*
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
TD 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 Ig (^1) 'durch den FET ήΛ
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 In(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 T0' 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 Wr,, N- der Drainelektröde
des strombegrenzenden FET-IJ.,. zuzuführen.' Der
stromüberwachende FET Nc 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 Vn, (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^, NZffi zugeführt
wird, in der in Fig. 5d dargestellten Weise ab.. Diese Eigenschaft trägt zur Reduktion des Stromes I11-(JL,,)
von der Zeit TD bis zur Zeit Tg bei, wie es Fig. 5a
zeigt.
Die Gateelektrode des PET Nx, ist über die Source-Draiii-Strecke
des I1ET P7 mit der Bezugsspannung VDI) 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 Nx, 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 Nx. 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 PxJ2' ^12 und 11I^ Sel-ie:£eT'b'I)±e Gateelektrodo
des FET Nj1 ist durch die Source-Drain-Strecke des FET
PxJP mit der Bezugs spannung V^ verbunden, während die
Drainelektrode des FET P^0 durch die Soux'ce-Drain-Strecken
der in Serie geschalteten FETs Nx,ρ und Hx,^ 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 WxJ0 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 selbstvexvsbändlich
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 N12' von ^11011 der FET N7 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 Nf- 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 VDD 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 Vgr, und der
Schwellenspannung des PET P^-, Dieser Anfangswert wird
ausgedrückt als VßS - 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 NZ[_g zugeführt wird, bei einem Anfangswert,
der etwa dem Doppelten der ochwellenspannung
des FET Ε,, zur Zeit TQ 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 ISD (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 Nx, 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
Nx, verbunden ist. Bei dieser letztgenannten Alternative
behielten die FETs P1, N1, PQ und NQ 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 Nn
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?
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 (1)
- 3177 5*8 8Patentansprüche1«, 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^, NQ bzw. P^, Pß) jeweils miteinander verbunden sind und daß der Verbindungspunkt (18) zwischen den beiden in Serie geschalteten .'ransistoren (Nß, 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 desft « 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 (Vn-,-.) angeschlossen ist, und daß die Widerstandsanordnung einen Transistor (N/in) xm~ faßt, der mit seiner Source-Drain-Strecke zwischen den üpitr.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 (Px,) des ersten Transistorpaares (Nx,, Px.) 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 (Nx,, P^l) einen Widerstandstransistor (SU), d.er mit seiner Source-Drain-Strecke zwischen d.i e Drainelektrode und die Gateelektrode des anderen Transistors (Nx,) 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 (Nx.) 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*■, www14-, 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 (vjjD) 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.
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