DE3224481C2

DE3224481C2 -

Info

Publication number: DE3224481C2
Application number: DE3224481A
Authority: DE
Inventors: Yoshiaki Tokio/Tokyo Jp Matsuura
Original assignee: Seiko Instruments Inc
Current assignee: Seiko Instruments Inc
Priority date: 1981-07-03
Filing date: 1982-06-30
Publication date: 1987-10-22
Also published as: FR2509065B1; GB2102991A; GB2102991B; CH657497GA3; FR2509065A1; DE3224481A1; US4618837A; JPS586606A

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.

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.

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)

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

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.