DE3879832T2

DE3879832T2 - Oszillatorschaltung mit Amplitudenregler.

Info

Publication number: DE3879832T2
Application number: DE88201860T
Authority: DE
Inventors: Ernst Feller
Original assignee: Philips Gloeilampenfabrieken NV
Current assignee: Koninklijke Philips NV
Priority date: 1987-09-08
Filing date: 1988-08-31
Publication date: 1993-09-30
Anticipated expiration: 2008-09-01
Also published as: EP0307988B1; JP3004019B2; JPS6472603A; NL8702122A; EP0307988A1; US4901037A; KR970004438B1; DE3879832D1; KR890005967A

Description

Die Effindung betrifft eine Oszillatorschaltung mit
- einem Verstärker, der mittels einer Regelspannung an einem Regelanschluß regelbar ist und eine zwischen einem Verstärkereingang und einem Verstärkerausgang angeordnete Rückkopplungsschaltung enthält,
- einem Amplitudenregler, der einen Amplitudendetektor zur Regelung der Schwingungsamplitude in Abhängigkeit von einer detektierten Amplitude sowie auch eine erste und zweite Stromquelle zum Liefern von Strömen mit einander entgegengesetzter Polarität an dem Regelanschluß enthält, wobei von der ersten und der zweiten Stromquelle mindestens eine durch den Amplitudendetektor regelbar ist.
Eine derartige Oszillatorschaltung ist aus der europäischen Patentschrift EP 50.583, Figur 2, bekannt. Wie an sich bekannt ist, stellt ein Spannungregelungssystem mit zwei am Regelanschluß Ströme entgegengesetzter Polarität liefernden Stromquellen wegen der hohen Impedanz einer Stromquelle ein empfindliches Regelsystem dar. Geringe Stromänderungen werden dann in große Spannungsänderungen umgewandelt.
In der bekannten Oszillatorschaltung wird eine Regelspannung erzeugt, die sowohl von negativen als auch positiven Schwankungen der Oszillationsspannung abhängig ist. Für eine stabile Regelung ist es dann notwendig, den Mittelwert der Regelspannung zu stabilisieren, was zusätzliche Maßnahmen in Form zusätzlicher Komponenten erfordert. Zusätzliche Komponenten bedeuten jedoch zusätzliche Rauschquellen und zusätzliche Substratfläche in einer integrierten Schaltung.
In der bekannten integrierten Oszillatorschaltung enthält eine der Stromquellen einen Strompfad eines ersten, mit der hohen Speisespannung verbundenen PMOS-Transistors, und die zweite Stromquelle enthält einen Pfad eines NMOS-Transistors, der über einen Widerstand mit einer niedrigen Speisespannung verbunden ist. Die Steuerelektrode des ersten PMOS-Transistors ist über einen Strompfad eines weiteren MOS-Transistors mit einem Knotenpunkt zwischen zwei in Reihe geschalteten Strompfaden eines zweiten und eines dritten PMOS-Transistors, die beide als Diode geschaltet sind, verbunden. Die Reihenschaltung der Dioden ist einerseits mit der hohen Speisespannung und andererseits, über eine Bezugsstromquelle, mit der niedrigen Speisespannung verbunden. Die Steuerelektrode des weiteren MOS-Transistors ist mit dem Knotenpunkt zwischen der Diodenreihenschaltung und der Bezugsstromquelle verbunden. Die Oszillatorspannung ist über eine Kapazität mit der Steuerelektrode des ersten PMOS-Transistors gekoppelt. Parallel zu den in Reihe geschalteten Strompfaden des ersten PMOS-Transistors und des NMOS-Transistors ist ein Strompfad eines vierten PMOS-Transistors angeordnet, dessen Steuerelektrode zwischen die Strompfade des ersten PMOS-Transistors und des NMOS-Transistors geschaltet ist. Die über die Kapazität durchgekoppelte Oszillationsspannung erzeugt Spannungsschwankungen an der Steuerelektrode des ersten PMOS-Transistors. Je nach der Polarität der Schwankungen fließt ein Strom durch den weiteren Transistor in eine der Richtungen, wobei der Strom nahezu unabhängig von der Größe der Spannung an der letzteren Steuerelektrode ist, oder ein Strom fließt in die entgegengesetzte Richtung, wobei der Strom exponentiell von der Steuerspannung des weiteren Transistors abhängt. Die exponentielle Abhängigkeit, die auf der Tatsache beruht, daß der weitere Transistor unterhalb seiner Schwelle arbeitet, impliziert eine exponentielle Temperaturabhängigkeit. Der durch ein (asymmetrisches) Gleichgewicht zwischen dem nahezu konstanten Strom und dem exponentiell abhängigen Strom erhaltene Mittelwert der Steuerspannung des ersten PMOS-Transistors ist vor allem gegenüber Parameterschwankungen, beispielsweise der Temperatur, die den zuletzt genannten Strom beeinflussen, empfindlich. Der Widerstand, über den der NMOS-Transistor mit der niedrigen Speisespannung verbunden ist, ist eine unerwünschte Komponente, die eine erhebliche Substratfläche erfordert. Wenn ein nahezu temperaturunabhängiges Verhalten gefordert wird, kann der Widerstand als Metallschichtwiderstand aufgebaut sein, für den zusätzliche Anschlußstifte am IC erforderlich sind.
Daher ist es eine der Aufgaben der Erfindung, eine Oszillatorschaltung zu verschaffen, die keine Widerstände umfaßt und weniger Regelkomponenten enthält, die außerdem alle das gleiche Temperaturverhalten haben, wobei die Oszillatorschaltung auch weniger exponentiell temperaturabhängig ist, was zu einer stabileren Regelung führt. Auch soll die Erfindung unter anderem eine Oszillatorschaltung der erwähnten Art verschaffen, die einen einfacheren Aufbau hat und weniger Komponenten umfaßt.
Zur Lösung dieser Aufgabe ist eine erfindungsgemäße Oszillatorschaltung dadurch gekennzeichnet, daß der Amplitudendetektor eine Reihenschaltung aus Strompfaden eines ersten und eines zweiten Transistors eines ersten bzw. eines zweiten Leitungstyp enthält, wobei eine Steuerelektrode des ersten Transistors mit der Rückkopplungsschaltung verbunden ist, so daß die Amplitude während höchstens einer Hälfte einer Schwingungsperiode detektiert wird, wobei eine Steuerelektrode des zweiten Transistors mit einem ersten Knotenpunkt zwischen dem ersten und dem zweiten Transistor verbunden ist, und wobei der erste Knotenpunkt zur Regelung eines von mindestens einer der ersten und der zweiten Stromquelle gelieferten Stroms gekoppelt ist. Demzufolge wird die Amplitude aufgrund der Schwankungen einer einzigen vorgegebenen Polarität geregelt, und es genügen weniger Komponenten, weil die Größe der Amplitude nicht länger mit einem (schwebenden) Mittelwert, sondern eher mit beispielsweise einer der Speisespannungen oder einer Schwellenspannung eines Transistors verglichen zu werden braucht.
Eine Ausführungsform der erfindungsgemäßen Oszillatorschaltung ist dadurch gekennzeichnet, daß die erste und die zweite Stromquelle einen dritten Transistor bzw. einen vierten Transistor des ersten bzw. zweiten Leitungstyps umfassen, deren Strompfade in Reihe geschaltet sind, wobei eine Steuerelektrode des vierten Transistors mit dem ersten Knotenpunkt verbunden ist, der dritte Transistor einen Bezugsstrom führt, und ein dritter, zwischen den Strompfaden des dritten und vierten Transistors liegender Knotenpunkt mit dem Regelanschluß verbunden ist. Auf diese Weise regelt der mit der Rückkopplungsschaltung verbundene Amplitudendetektor die Spannung an der Steuerelektrode des zweiten Transistors über den von dem zweiten und dem vierten Transistor gebildeten Stromspiegel.
Eine weitere Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Oszillatorschaltung ist dadurch gekennzeichnet, daß der Verstärker eine Reihenschaltung der Strompfade eines fünften und eines sechsten Transistors des ersten bzw. des zweiten Leitungstyps enthält, und in der die Rückkopplungsschaltung zwischen eine Steuerelektrode des fünften Transistors einerseits und einen zweiten Knotenpunkt zwischen den Strompfaden des fünften und sechsten Transistors andererseits geschaltet ist, und eine Steuerelektrode des sechsten Transistors den genannten Regelanschluß bildet. Der Amplitudenregler ist also mit dem Spannungsversorgungsanschluß des Verstärkers gekoppelt.
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und werden im folgenden näher beschrieben. Es zeigen:
Figur 1 eine erste Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Oszillatorschaltung, und
Figur 2 eine zweite Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Oszillatorschaltung.
Figur 1 zeigt eine erste Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Oszillatorschaltung. Der Verstärker umfaßt die Reihenschaltung aus Transistoren N&sub1; und P&sub1; zwischen Spannungsversorgungsanschlüssen VDD und VSS. Zwischen dem Knotenpunkt K&sub1; dieser Transistoren und der Steuerelektrode des Transistors N&sub1; ist das Rückkopplungsnetzwerk beispielsweise in Form einer Halbleiter-Verzögerungsschaltung DL geschaltet. Die Länge und die Prozeßvariablen, wie Flächenwiderstand und Flächenkapazität, der Verzögerungsleitung DL bestimmen die Oszillatorfrequenz. Ein Eingang des durch die Reihenschaltung aus Transistoren N&sub2; und P&sub2; gebildeten Amplitudendetektors ist mit dem Knotenpunkt K&sub1; verbunden. Der Ausgang des Amplitudendetektors, der Knotenpunkt K&sub2;, ist mit der Steuerelektrode eines Transistors P&sub3; verbunden, der mit einem Transistor N&sub3; in Reihe geschaltet ist. Die Steuerelektrode des letzteren Transistors empfängt eine Bezugsspannung, die zu einem Durchlaßstrom gehört, der gleich oder proportional Iref ist. Der Transistor P&sub3; und der Transistor N&sub3; bilden die Stromquellen. Ihr Knotenpunkt K&sub3; ist mit der Steuerelektrode des Transistors P&sub1; verbunden. Die Pufferkapazitäten C&sub2; und C&sub3; sind mit den Knotenpunkten K&sub2; bzw. K&sub3; verbunden. Wegen ihres integrierenden Effektes verringern diese Kapazitäten die Regelempfindlichkeit geringfügig.
Die Arbeitsweise ist die folgende. Zu Beginn sind die Transistoren N&sub2;, P&sub2; und P&sub3; gesperrt. Der Bezugsstrom zwingt dann den Transistor N&sub3;, die Regelspannung am Knotenpunkt K&sub3; zu verringern, so daß der Transistor P&sub1; bis zu einem hohen Ausmaß leitend wird. Schwingung beginnt, sobald der von P&sub1; durchgelassene Strom groß genug ist, damit die Schwingbedingung erfüllt ist. Der Transistor N&sub2; wandelt dann die positiven Oszillationsschwankungen in einen Strom um, der auf der Kapazität C&sub2; integriert wird. Die Spannung an C&sub2; nimmt dann ab, mit der Folge, daß der Transistor P&sub3; leitend wird. Das Potential am Knotenpunkt K&sub3; steigt dann an, so daß der Stromdurchgang durch den Transistor P&sub1; auf einen kleineren Wert eingestellt wird.
Figur 2 zeigt eine zweite Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Osziliatorschaltung. Der Oszillator besteht aus beispielsweise dem Verstärker N&sub1;/P&sub1;, der über die Verzögerungsleitung DL rückgekoppelt wird. Der mit dessen Ausgang verbunden Amplitudendetektor N&sub2;/P&sub2; regelt die Stromquelle P&sub3;, die mit der Bezugsstromquelle N&sub3; in Reihe geschaltet ist. Der Verstärker N&sub1;/P&sub1; wird über den Transistor P&sub4; gespeist, dessen Steuerelektrode mit dem Knotenpunkt K&sub3; zwischen den Stromquellen P&sub3; und N&sub3; verbunden ist. Wie für den Fachkundigen offensichtlich, ist der Transistor P&sub4; auch vorgesehen, um schnelles Starten zu erreichen.

Claims

1. Oszillatorschaltung mit

- einem Verstärker (N1), der mittels einer Regelspannung an einem Regelanschluß (K3) regelbar ist und eine zwischen einem Verstärkereingang und einem Verstärkerausgang (K1) angeordnete Rückkopplungsschaltung (DL) enthält,

- einem Amplitudenregler (N2, P2, N3, P3), der einen Amplitudendetektor (N2, P2) zur Regelung der Schwingungsamplitude in Abhängigkeit von einer detektierten Amplitude sowie auch eine erste und zweite Stromquelle (N3, P3) zum Liefern von Strömen mit einander entgegengesetzter Polarität an dem Regelanschluß (K3) enthält, wobei von der ersten und der zweiten Stromquelle (N3, P3) mindestens eine durch den Amplitudendetektor (N2, P2) regelbar ist, dadurch gekennzeichnet, daß der Amplitudendetektor eine Reihenschaltung aus Strompfaden eines ersten und eines zweiten Transistors (N2, P2) eines ersten bzw. eines zweiten Leitungstyp enthält, wobei eine Steuerelektrode des ersten Transistors (N2) mit der Rückkopplungsschaltung (DL) verbunden ist, so daß die Amplitude während höchstens einer Hälfte einer Schwingungsperiode detektiert wird, wobei eine Steuerelektrode des zweiten Transistors (P2) mit einem ersten Knotenpunkt (K2) zwischen dem ersten und dem zweiten Transistor verbunden ist, und wobei der erste Knotenpunkt (K2) zur Regelung eines von mindestens einer der ersten und der zweiten Stromquelle gelieferten Stroms gekoppelt ist.

2. Oszillatorschaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuerelektrode des ersten Transistors (N2) mit dem Verstärkerausgang (K1) verbunden ist.

3. Oszillatorschaltung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die erste und die zweite Stromquelle einen dritten Transistor (N3) bzw. einen vierten Transistor (P3) des ersten bzw. zweiten Leitungstyps umfassen, deren Strompfade in Reihe geschaltet sind, wobei eine Steuerelektrode des vierten Transistors (P3) mit dem ersten Knotenpunkt (K2) verbunden ist, der dritte Transistor (N3) einen Bezugsstrom führt, und ein dritter, zwischen den Strompfaden des dritten (N3) und vierten (P3) Transistors liegender Knotenpunkt (K3) mit dem Regelanschluß verbunden ist.

4. Oszillatorschaltung nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Verstärker eine Reihenschaltung der Strompfade eines fünften und eines sechsten Transistors (N1; P1, Figur 1 oder P4, Figur 2) des ersten bzw. des zweiten Leitungstyps enthält, und in der die Rückkopplungsschaltung (DL) zwischen eine Steuerelektrode des fünften Transistors (N1) einerseits und einen zweiten Knotenpunkt (K1) zwischen den Strompfaden des fünften und sechsten Transistors andererseits geschaltet ist, und eine Steuerelektrode des sechsten Transistors den genannten Regelanschluß (K3) bildet.

5. Oszillatorschaltung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Verstärker einen siebten Transistor (P1, Figur 2) enthält, dessen Strompfad zwischen den fünften und den sechsten Transistor in Reihe geschaltet ist und dessen Steuerelektrode mit der Rückkopplungsschaltung verbunden ist.

6. Oszillatorschaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens eine der folgenden Pufferkapazitäten vorhanden ist:

- eine erste Pufferkapazität (C2) zwischen dem ersten Knotenpunkt (K2) und einem von zwei Spannungsversorgungsanschlüssen (Vdd, Vss);

- eine zweite Pufferkapazität zwischen dem dritten Knotenpunkt (K3) und einem von zwei Spannungsversorgungsanschlüssen (Vdd, Vss).