DE3224481C2 - - Google Patents
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Description
Die Erfindung betrifft einen Referenz-Impulsgenerator entsprechend
dem Oberbegriff des Patentanspruchs.
In Quarzuhren wird ein Impulsgenerator als Referenz-Signalquelle
benötigt, dessen Quarzoszillator und der daran angeschlossene
Frequenzteiler einen möglichst geringen Energiebedarf besitzen.
Um den Energieverbrauch des Oszillators zu verringern, wurden
zunächst verschiedene Schaltungssysteme des Oszillators geprüft.
Die bisherigen Prüfungen erfolgten jedoch im Hinblick auf die
Schaltungssysteme und die Entwicklungskonstanten zur Verringerung
der hindurchtretenden Stromstärke, die im wesentlichen unabhängig
von der Oszillation ist. Zweitens erfolgte bisher im Hinblick auf
den Frequenzteiler eine Mikroelektronik-Anpassung mit Hilfe von
MOS-Strukturen und eine Prüfung von Schaltungssystemen, die beispielsweise
eine dynamische Unterteilung ermöglichen. Die genannten
bekannten Systeme wurden unter Annahme geprüft, daß die
Spannung der verwendeten Batterie in dem Referenz-Impulsgenerator
als solche benutzt wird, was insbesondere bei Quarzuhren bisher
der Fall war. Um den Energieverbrauch zu verringern, kann die Antriebsspannung
entsprechend der folgenden Beziehung verringert
werden:
I = fCV, (1)
wobei I der Energieverbrauch, f die Betriebsfrequenz, C die Lastkapazität und V die Antriebsspannung ist.
wobei I der Energieverbrauch, f die Betriebsfrequenz, C die Lastkapazität und V die Antriebsspannung ist.
Üblicherweise wird eine Spannung V′, die kleiner als die Antriebsspannung
V ist, für den Oszillatorteil und den Frequenzteilerteil
des Referenz-Impulsgenerators benutzt, um die Antriebsspannung
V zu verringern.
Fig. 1 zeigt eine bekannte Schaltung mit einer Spannungsquelle
1, einem Referenz-Spannungsgenerator 2, der mit Anschlüssen 6
und 7 der Spannungsquelle 1 verbunden ist, einem Quarzoszillator
3, der mit einem Anschluß 9 des Referenz-Spannungsgenerators
2 und einem Anschluß 6 der Spannungsquelle 1 verbunden ist,
enem Frequenzteiler 4, sowie einem Diskriminator 5, der zum
Nachweis des Beginns der Schwingungen des Oszillators in Abhängigkeit
von einem Ausgangssignal an dem Ausgang 11 des Frequenzteilers
4 dient.
Fig. 2 zeigt ein Schaltbild des Quarzoszillators 3 in Fig. 1,
bei dem die folgende Beziehung zwischen der Spannung V start zum
Starten der Schwingung und der Spannung V stop eingehalten wird,
die zur Beibehaltung der Schwingung erforderlich ist:
V start ≧ V stop . (2)
Deshalb wird bei dem bekannten Verfahren zur Verringerung des
Energieverbrauchs durch die Spannungssteuerung eine Spannung
VD 2 erzeugt, die höher als die Spannung V start ist, sowie eine
Spannung VD 1 zwischen V start und V stop , um den Referenz-Impulsgenerator
mit einer optimalen Spannung während einer langen Betriebszeit
anzutreiben. Die Spannung VD 2 wird zugeführt, um die
Schwingung des Oszillators einzuleiten, wonach die Spannung VD 1
zugeführt wird, wenn der Oszillator in den normalen Schwingungszustand
gelangt, um damit den Referenz-Impulsgenerator weiter
anzutreiben. Um die Spannung von VD 1 zu VD 2 und umgekehrt zu
ändern, wird der Diskriminator 5 benötigt, durch den festgestellt
wird, ob der Oszillator normal schwingt oder nicht. Da
der Oszillator unterschiedliche Zustände zwischen dem normalen
Schwingungszustand und dem nicht schwingenden Zustand aufweist,
und da die Zwischenstufen des Betriebszustands nicht ohne weiteres
von Betriebsbedingungen unterschieden werden können, die
durch ein äußeres Geräusch verursacht werden, ist ein genauer
Antrieb des Diskriminators 5 äußerst schwierig. Wenn der Diskriminator
feststellt, daß das Ausgangssignal des Frequenzteilers
4, das durch Geräusch verursacht wird, normal ist, steuert
das Ausgangssignal des Diskriminators 5 den Referenz-Spannungsgenerator
2 und ändert die Spannung VD 2, die für eine Schwingung
nötig ist, auf die Spannung VD 1, durch die die Schwingung nicht
eingeleitet werden kann, die aber zur Beibehaltung der Schwingung
ausreicht. Als Folge davon wird die Spannung verringert,
obwohl der Oszillator nicht normal schwingt, weshalb es nicht
möglich ist, die Schwingung einzuleiten. Deshalb ist eine präzise
Unterscheidung durch den Diskriminator eine absolute Bedingung,
falls die geschlossene Schleife gesteuert wird. Ein
derartiges Verfahren ist jedoch sehr gefährlich, wenn es auf
den Referenz-Impulsgenerator angewandt wird, weil die Wahrscheinlichkeit
einer falschen Interpretation durch den Diskriminator
hoch ist.
Bei einem anderen bekannten Impulsgenerator dieser Art
(GB 20 64 832 A) wird die Batteriespannung durch einen
Umschaltkreis unterteilt, und bei normalen Betriebsbedingungen
wird die Hälfte der Spannung der Batterie der
Oszillatorschaltung zugeführt. Beim Auftreten außergewöhnlicher
Bedingungen, beispielsweise wenn eine extrem niedrige
Umgebungstemperatur auftritt, wird die volle Spannung der
Batterie der Oszillatorschaltung zugeführt. Dabei dient
der Transistor als Schalttransistor und nicht als strombegrenzendes
Element, und die Gate-Elektrode dieses Transistors
ist nicht mit einem Referenzspannungsgenerator verbunden.
Bei einer anderen bekannten Quarzoszillatorschaltung dieser
Art, bei der ein geringer Stromverbrauch erzielt werden soll,
ist ein strombegrenzendes Element an den Quarzoszillator angeschlossen,
durch das lediglich der in dem Quarzoszillator
fließende Strom, aber nicht der in der Frequenzteilerschaltung
fließende Strom begrenzt werden kann (DE-AS 28 53 421).
In einer nicht vorveröffentlichten älteren Patentanmeldung
(DE-OS 31 26 978) wurde ferner bereits vorgeschlagen, einen
Transistor vorzusehen, der sowohl an den Quarzoszillator
als auch an die Frequenzteilerschaltung angeschlossen ist,
und dessen Gate-Elektrode an eine Spannungsnachweisschaltung
angeschlossen ist. Der Widerstand dieses Transistors wird
durch ein von der Spannungsnachweisschaltung abgegebenes
Steuersignal geändert. Dadurch wird lediglich der Strom zum
Zweck der Konstanthaltung der Betriebsspannung für Frequenzteilerschaltung
und Quarzoszillator geregelt, aber nicht
eine selbsttätige Einstellung von zwei unterschiedlichen
Spannungen ermöglicht. Die zu diesem Zweck beschriebene
Schaltung weist eine Struktur mit einer geschlossenen
Schleife auf.
Es ist Aufgabe der Erfindung, einen Referenz-Impulsgenerator
der eingangs genannten Art derart zu verbessern, daß ein
geringer Stromverbrauch ohne Verwendung eines Diskriminators
für eine Spannungssteuerung erzielbar ist. Diese Aufgabe
wird erfindungsgemäß durch den Gegenstand des Patentanspruchs
gelöst.
Anhand der Zeichnung soll die Erfindung beispielsweise näher
erläutert werden. Es zeigt
Fig. 1 ein Blockschaltbild eines bekannten Spannungssteuerungssystems
für einen Referenz-Impulsgenerator;
Fig. 2 ein Schaltbild des Quarzoszillators in Fig. 1;
Fig. 3 ein Blockschaltbild eines Referenz-Impulsgenerators gemäß
der Erfindung;
Fig. 4 eine grafische Darstellung der Abhängigkeit der Ausgangsspannung
von der Eingangsspannung des Quarzoszillators
bei dem Impulsgenerator in Fig. 2; und
Fig. 5 eine grafische Darstellung der Abhängigkeit des Drainstroms
ID eines strombegrenzenden Elements bei dem Ausführungsbeispiel
in Fig. 3 von der Source-Drainspannung
VDS.
Bei dem in Fig. 3 dargestellten Ausführungsbeispiel ist ein
Referenz-Spannungsgenerator 20 an eine Spannungsquelle 29 angeschlossen.
Der am Ausgang eines strombegrenzenden Elements
21 auftretende Strom wird durch ein Ausgangssignal auf einer
Verbindungsleitung 27 zwischen dem Spannungsgenerator 20 und
dem strombegrenzenden Element 21 begrenzt, das über eine Verbindungsleitung
28 mit der Spannungsquelle 29 verbunden ist.
Zwischen einem Quarzoszillator 22 und einem Frequenzteiler 23
ist eine Verbindungsleitung 24 vorgesehen, an die das strombegrenzende
Element 21 angeschlossen ist. Die anderen Anschlüsse
des Quarzoszillators 22 und des Frequenzteilers 23 sind über
eine Verbindungsleitung 26 mit dem anderen Pol der Spannungsquelle
29 verbunden. Das strombegrenzende Element kann beispielsweise
einen MOS-Feldeffekttransistor enthalten.
Im folgenden soll die Arbeitsweise der in Fig. 3 dargestellten
Schaltung unter der Annahme erläutert werden, daß der Quarzoszillator
einen zusätzlichen MOS-Inverter enthält, in dem ein
p-Kanal MOS Transistor 12 mit einem n-Kanal MOS Transistor 13
entsprechend dem Schaltbild in Fig. 2 in Reihenschaltung verbunden
ist. Die Spannung VD 2 ist die Summe der Schwellenwertspannung
VTP des p-Kanal MOS Transistors, der Schwellenwertspannung
VTN des n-Kanal MOS Transistors (Fig. 4) und der Spannung
VO, die sowohl den p-Kanal MOS Transistor 12 und den
n-Kanal MOS Transistor 13 schließt. Die Spannung VD 2 wird von
den Verbindungsleitungen 24 und 26 in Fig. 3 zugeführt, um eine
Schwingung einzuleiten.
Die Spannung VD 2 am Beginn der Schwingung ist gegeben durch:
VD 2 ≧ | VTP | + VTN + VO. (3)
Nach dem Beginn der Schwingung wird der Zustand entsprechend
Formel (3) zu dem Zustand entsprechend der Formel (4) geändert.
Wenn die Spannung zur Aufrechterhaltung der Schwingung VD 1 ist,
dann gilt:
VD 2 ≧ VD 1 ≧ | VTP | + VTN. (4)
Fig. 5 zeigt die Beziehung zwischen der Source-Drainspannung
VDS des MOSFET und den Drainstrom ID, falls das strombegrenzende
Element 21 in Fig. 3 einen MOSFET enthält. Fig. 5 zeigt die
Beziehung zwischen der Source-Drainspannung VDS und dem Drainstrom
ID, wenn die Spannung auf der Verbindungsleitung 27 am
Ausgang des Referenz-Spannungsgenerators 20 in Fig. 3 VG beträgt.
Ein Festwert-Strom ID 1 fließt, wenn die Spannung des
Ausgleichs zwischen der Spannung VD, die zwischen der Verbindungsleitung
26 und der Verbindungsleitung 24 angelegt wird,
und der Spannung VDD der Spannungsquelle, die an beide Verbindungsleitungen
26 und 28 in Fig. 3 angelegt wird, höher als die
Source-Drain-Sättigungsspannung VS des MOSFET ist, während der
Strom ID 2, welcher sich mit der Verringerung der Source-Drainspannung
VS verringert, fließt, falls die erstere Spannung geringer
als die letztere Spannung ist.
Wenn die VDD - VD ≧ VS,
dann ist IDS = ID 1 ein Festwert;
falls VDD - VD ≦ VS,
dann ist ID = ID 2 ein veränderlicher Wert.
dann ist IDS = ID 1 ein Festwert;
falls VDD - VD ≦ VS,
dann ist ID = ID 2 ein veränderlicher Wert.
Da der Frequenzteiler in Fig. 3 beim Beginn der Schwingung nicht
arbeitet, ist in diesem Fall der Stromverbrauch I′DIV
extrem klein. Deshalb kann der Oszillator nahezu den
maximalen Wert ID 1 des Stroms durch das strombegrenzende Element
nutzen. Wenn der Strom des Oszillators bei dem Beginn der
Schwingung I′OSC beträgt, ergibt sich die Beziehung ID 1 ≅ I′OSC.
Falls die zur Einleitung der Schwingung nötige Spannung größer
als der Ausgleich zwischen der Sourcespannung VDD in Fig. 5 und
der Source-Drain-Sättigungsspannung VS des strombegrenzenden
Elements ist, wird die Spannung VD zwischen der Verbindungsleitung
26 und der Verbindungsleitung 24 in Fig. 3 automatisch
höher und wird zu der Spannung VD 2, die zur Einleitung der
Schwingung erforderlich ist. Zu diesem Zeitpunkt wird der
Strom durch das strombegrenzende Element 21 mit einer Erhöhung
der Spannung VD kleiner.
Zur Einleitung der Schwingung muß in erster Linie die zugeführte
Spannung die Beziehung (3) erfüllen, wenn eine Schaltung
entsprechend Fig. 2 verwendet wird. 2. muß die zur Einleitung
der Schwingung erforderliche Stromstärke die Beziehung (4) erfüllen.
Die Spannung VD, die dem Quarzoszillator 22 und dem
Frequenzteiler 23 zugeführt wird, erhöht das Leistungsprodukt
entsprechend der Beziehung (6), welche die Beziehungen (3) und
(4) erfüllt und der Strom ID durch das strombegrenzende Element
wird verringert. Wenn das zur Einleitung der Schwingung erforderliche
Leistungsprodukt K ist, ändert sich die Vorspannung
automatisch, bis die Beziehung
VD · ID K (6)
erfüllt ist.
Wenn die Spannung zur Einleitung der Schwingung kleiner als
der Ausgleich zwischen der Sourcespannung VDD und der Source-
Drainspannung VS des strombegrenzenden Elements ist, wird der
Sättigungsstrom ID 1 des strombegrenzenden Elements in den die
Schwingung einleitenden Strom I′OSC und den Strom I′DIV über
den Spannungsteiler unterteilt, so daß sich die folgende Beziehung
ergibt:
ID 1 = I′OSC + I′DIV. (7)
Wie aus der Beziehung (7) ersichtlich ist, steigt nach dem Beginn
der normalen Schwingung der für die Teilung erforderliche
Strom I′DIV an und der Oszillatorstrom IOSC fällt ab, und jeder
der Ströme wird der Oszillatorstrom IOSC zur Beibehaltung der
Schwingung und des Stroms IDIV durch den Frequenzteiler bei der
normalen Schwingung. Da sich die Summe der Ströme nicht ändert,
ergeben sich folgende Beziehungen:
IDIV ≧ I′DIV (8)
IOSC ≦ I′OSC (9)
ID 1 = IOSC + IDIV = I′OSC + I′DIV. (10)
IOSC ≦ I′OSC (9)
ID 1 = IOSC + IDIV = I′OSC + I′DIV. (10)
Da der von dem strombegrenzenden Element 21 zugeführte Strom
auf den Frequenzteiler 23 und den Quarzoszillator 22 verteilt
wird, nutzt die beschriebene Arbeitsweise zwangsläufig die
Differenz der notwendigen Stromverhältnisse beim Beginn der
Schwingung und bei der stabilen Schwingung zwischen dem Frequenzteiler
und dem Quarzoszillator. Ferner können die dem
Quarzoszillator und dem Frequenzteiler zugeführten Spannungen
automatisch geändert werden, und der Quarzoszillator und der
Frequenzteiler können mit der optimalen Spannung angetrieben
werden, weil dies nicht ein Spannungssteuerungssystem ist,
so daß die Schaltung zur Feststellung, ob der Oszillator eine
Schwingung beginnt oder nicht, nicht erforderlich ist und die
Schaltung öffnet. Deshalb wird die stabile Arbeitsweise beibehalten,
sobald der stabile Betriebszustand erreicht ist.
Obwohl das Ausführungsbeispiel in Verbindung mit einem Quarzoszillator
mit einem komplementären MOS-Invertersystem entsprechend
Fig. 2 beschrieben wurde, kann ein derartiges System
auch durch eine andere Schaltung ersetzt werden. Dieses System
beruht auf dem Prinzip, daß die zur Einleitung einer Schwingung
erforderliche Energie immer größer als diejenige Energie ist,
die zur Aufrechterhaltung der Schwingung benötigt wird. Deshalb
kann dieses Prinzip auch auf andere Systeme angewendet werden.
Durch das beschriebene Ausführungsbeispiel wird deshalb eine beträchtliche
Verringerung des Leistungsverbrauchs erzielt, was
bei den bekannten Systemen nicht der Fall ist, bei denen die
Spannung der Spannungsquelle selbst angelegt wird. Wie bereits
erwähnt wurde, ist bevorzugtes Anwendungsgebiet der Erfindung
ein Referenz-Impulsgenerator für eine Quarzuhr. Bei bekannten
Schaltungen entsprach der minimale Leistungsverbrauch einer
Stromstärke von 0,3 µA bei einem System mit einem Schwingquarz
für 32 KHz sowie einer 1,57-V-Silberoxidbatterie und einer 1,5-V-
Sourcespannung, während bei dem beschriebenen Ausführungsbeispiel
ein Energieverbrauch entsprechend 0,15 µA erzielt werden
konnte. Bei dem beschriebenen Ausführungsbeispiel ist der Ausgang
des Referenz-Impulsgenerators derselbe wie bei bekannten
Systemen, bei denen die Sourcespannung als solche angelegt
wird. Durch die Verringerung des Energieverbrauchs werden keine
Nachteile verursacht. Bei dem in Fig. 1 dargestellten Spannungssteuerungssystem
ist ferner die Schaltungsstruktur komplizierter
und bei bekannten Systemen kann ein fehlerhafter Nachweis
auftreten, wenn die Spannung ungeändert zugeführt wird, während
der Referenz-Impulsgenerator geprüft oder angetrieben wird,
selbst wenn sich derselbe Leistungsverbrauch ergibt. Durch den
Gegenstand der Erfindung kann eine wesentliche Verringerung
des Stromverbrauchs erzielt werden, ohne daß sich Nachteile im
Hinblick auf elektrische Eigenschaften, das Betriebsverhalten
oder auf die Ausschußrate bei der Herstellung ergeben. Insbesondere
kann durch die Anwendung des Anmeldungsgegenstands eine
höhere Lebensdauer der Spannungsquellen von Quarzuhren oder
dergleichen elektronischen Geräten erzielt werden.
Claims (1)
- Referenz-Impulsgenerator für Batteriebetrieb mit einem Quarzoszillator (22), an dessen Ausgang eine Frequenzteilerschaltung (23) angeschlossen ist, mit einer Steuereinrichtung (20) für eine gemeinsame Betriebsspannung für den Quarzoszillator (22) und die Frequenzteilerschaltung (23), wobei eine erste Versorgungsspannung zum Anschwingen des Quarzoszillators vorgesehen ist, und eine zweite niedrigere Betriebsspannung zum Aufrechterhalten des Schwingungszustandes dient, dadurch gekennzeichnet, daß ein strombegrenzendes Element (21), das mit einer von der Steuereinrichtung (20) erzeugten Referenzspannung gesteuert wird, zur selbsttätigen Einstellung der nötigen Betriebsspannung an Quarzoszillator (22) und Frequenzteilerschaltung (23) vorgesehen ist.
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Legal Events
Date | Code | Title | Description |
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8127 | New person/name/address of the applicant |
Owner name: SEIKO INSTRUMENTS AND ELECTRONICS LTD., TOKIO, JP |
|
8110 | Request for examination paragraph 44 | ||
D2 | Grant after examination | ||
8320 | Willingness to grant licences declared (paragraph 23) | ||
8364 | No opposition during term of opposition | ||
8339 | Ceased/non-payment of the annual fee |