DE69906097T2

DE69906097T2 - Oszillatoranordnung für einen Niederfrequenz-Quarz und mit verbessertem Temperatur-Verhalten

Info

Publication number: DE69906097T2
Application number: DE69906097T
Authority: DE
Inventors: Silvio Dalla Piazza; Pinchas Novac
Original assignee: EM Microelectronic Marin SA; Ebauchesfabrik ETA AG; Eta SA Fabriques dEbauches
Current assignee: ETA SA Manufacture Horlogere Suisse; EM Microelectronic Marin SA; Ebauchesfabrik ETA AG
Priority date: 1999-12-21
Filing date: 1999-12-21
Publication date: 2004-02-19
Anticipated expiration: 2019-12-22
Also published as: DE69906097D1; EP1111770A1; ATE235124T1; EP1111770B1

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft im allgemeinen eine Niederfrequenz-Quarzoszillatorvorrichtung.
In der vorliegenden Beschreibung bezeichnet der Begriff "Quarzoszillatorvorrichtung" eine Oszillatorvorrichtung, die einen Quarzresonator aufweist, der mit Oszillatormitteln oder einer elektronischen Schaltung für die Aufrechterhaltung der Oszillationen des Resonators verbunden ist.
Der Fachmann kennt verschiedene Arten von Quarzoszillatorvorrichtungen. Insbesondere kennt der Fachmann Oszillatorvorrichtungen, die einen Quarzresonator verwenden, der in einer Biegungsschwingungsart schwingen kann. Derartige Resonatoren weisen üblicherweise ein thermisches Verhalten vom parabolischen Typ auf und sind verhältnismäßig empfindlich in bezug auf Temperaturänderungen.
Um diesen Nachteil zu überwinden, ist dem Fachmann bekannt, daß die Empfindlichkeit derartiger Oszillatoren auf Temperaturänderungen kompensiert oder wenigstens verringert werden kann durch zusätzliche Mittel oder eine thermische Kompensationsschaltung. Abgesehen davon, daß diese zusätzlichen Mittel die Kosten derartiger Oszillatoren erhöhen, stellt man fest, daß der Verbrauch derartiger Vorrichtungen ebenfalls erheblich zunimmt. Außerdem arbeiten die zusätzlichen thermischen Kompensationsmittel typischerweise durch Anpassung der Lastkapazität oder Lastkapazitäten des Resonators oder durch das Einleiten oder Verhindern von Oszillationsimpulsen. Dies führt dazu, daß die Reinheit des Frequenzspektrums des Oszillationssignals stark verschlechtert wird. Man stellt tatsächlich das Auftreten einer großen Zahl spektraler Linien mit ausreichend erheblicher Breite fest, und zudem ändert sich die Position dieser Linien mit der Temperatur.
Diese Oszillatorvorrichtungen können in dem Fall nicht verwendet werden, wo es erforderlich ist, ein Oszillationssignal bereitzustellen, das nicht nur eine temperaturstabile Frequenz aufweist, sondern auch über ein Frequenzspektrum verfügt, das eine verringerte Anzahl spektraler Linien aufweist. Ein Signal mit diesen Eigenschaften ist beispielsweise in der Telekommunikation erforderlich, um einen Synchronisationsvorgang zu ermöglichen.
Der Fachmann kennt gleichfalls Oszillatoren, die einen Quarzresonsator aufweisen, der einen AT genannten Schnitt hat und ein Temperaturverhalten vom kubischen Typ aufweist und bei dem die Frequenz als Funktion der Temperatur sehr stabil ist. Jedoch ist diese Frequenz von Natur aus sehr hoch, größenordnungsmäßig bei einigen MHz. Folglich ist es erforderlich, diesen Oszillator mit einer Frequenzteilerschaltung zu versehen, um eine derartige Oszillatorvorrichtung zum Liefern eines Niederfrequenz-Oszillationssignals zu verwenden, was die Vorrichtung verkompliziert und verteuert. Zudem ist die elektrische Energie, die von der Frequenzteilerschaltung verbraucht wird, verhältnismäßig erheblich infolge der hohen Signalfrequenz, die am Eingang empfangen wird, was sich als ein großer Nachteil herausstellt, wenn diese Energie von einer autonomen Versorgungsquelle mit geringen Abmessungen, wie einer Zelle einer Armbanduhr, geliefert werden muß.
Ein allgemeines Ziel der vorliegenden Erfindung besteht darin, eine Quarzoszillatorvorrichtung zu schaffen, die die vorgenannten Nachteile überwindet, d.h. eine Oszillatorvorrichtung, die ein Oszillatorsignal erzeugt, das ein gutes thermisches Verhalten und eine gute spektrale Reinheit aufweist, und die vorzugsweise wenig verbraucht.
Hierzu betrifft die vorliegende Erfindung eine Quarzoszillatorvorrichtung, deren Merkmale im Anspruch 1 formuliert sind.
Die vorliegende Erfindung bietet sich somit an, an erster Stelle als Quarzresonator vom Torsionstyp verwendet zu werden, d.h. als ein Resonator, der dazu ausgestaltet ist, in einer Torsionsschwingungsart zu schwingen. Gemäß der vorliegenden Erfindung ist dieser Resonator insbesondere ein Resonator vom in dem Artikel von Roger Bourquin et Philippe Truchot mit dem Titel "Barreaux de quartz vibrant en mode de torsion", Application aux capteurs, 6ème Congrès Européen de Chronometrie (CEC), Bienne, 17.-18. Oktober 1996, der hier durch Inbezugnahme aufgenommen wird, beschriebenen Typ.
Die beigefügte 1 zeigt ein nicht einschränkendes Beispiel eines derartigen Resonators vom Torsionstyp, der allgemein durch die Bezugsziffer 1 bezeichnet ist. Dieser Resonator 1 weist die Form einer Stimmgabel auf, die durch chemisches oder mechanisches Schneiden in einer Platte des Quarzes gemäß einem Schnittwinkel erhalten wird, der so bestimmt ist, daß die Schenkel des Resonators in der kristallographischen Ebene YZ des Quartzkristalls in einem bestimmten Winkel θ orientiert sind, wie es klar aus der 1 hervorgeht.
Dieser Resonatortyp weist den Vorteil eines besseren thermischen Verhaltens im Vergleich zu konventionellen biegungsschwingenden Resonatoren auf. Insbesondere wird das thermische Verhalten dieses torsionsschwingenden Resonators durch den Schnittwinkel θ und durch das Verhältnis der Dicke zur Breite (t/w) des Schenkels bestimmt. Beispielsweise ermöglicht ein Stimmgabelresonator, der in Torsion schwingt und gemäß der Lehre des vorstehenden Artikels hergestellt ist, eine größenordnungsmäßig um den Faktor 3 bessere thermische Stabilität im Vergleich zu einem konventionellen Stimmgabelresonator, der in Biegung schwingt.
Es wird angemerkt, daß man ebenfalls einen anderen Resonatortyp kennt, der zum Schwingen in einer Torsionsart ausgestaltet ist. Dieser andere torsionsschwingende Resonator ist unter der Bezeichnung Quarzresonator mit Schnitt TT bekannt. Ein derartiger Resonator ist beispielsweise in dem Artikel von Hirofumi Kawashima und Mitsuhiro Nakazato mit dem Titel "TT-Cut Torsional Quartz Crystal Resonator", 45^th Annual Symposium on Frequency Control (ASFC), IEEE, 1991, beschrieben.
Im Unterschied zum torsionsschwingenden Resonator des vorgenannten Artikels, der im Rahmen der vorliegenden Erfindung verwendet wird, ist dieser Resonator durch zwei Schnittwinkel gekennzeichnet und erfordert eine komplexere Elektrodenstruktur. Der im vorgenannten Artikel von Bourquin und Truchot beschriebene torsionschwingende Resonator stellt daher eine vorteilhaftere Lösung in bezug auf die Einfachheit der Herstellung und die Kosten dar.
Nichts desto trotz wird angemerkt, daß ein Nachteil des in dem ersten vorstehend genannten Artikel beschriebenen torsionsschwingenden Resonators darin besteht, daß er außer der gewünschten Torsionsgrundschwingungsart ungewünschte Biegungsschwingungsarten aufweist. Wie es sich schließlich im Detail ergibt, weist dieser Resonatortyp insbesondere eine Biegungsgrundschwingungsart mit einer Frequenz auf, die erheblich niedriger ist als die Frequenz der gewünschten Torsionsgrundschwingungsart. Daher schwingt, wenn ein derartiger Resonator mit einer konventionellen elektronischen Schaltung für die Aufrechterhaltung verbunden wird, die Einheit praktisch in dieser Biegungsgrundschwingungsart und nicht in der gewünschten Torsionsgrundschwingungsart.
Die vorliegende Erfindung bietet sich daher an, gleichfalls auf diesen Nachteil einzugehen, der dem vorgenannten torsionsschwingenden Resonator eigen ist, d.h. eine elektronische Schaltung für die Aufrechterhaltung der Oszillationen des Resonators zu schaffen, die es sicherstellt, daß der Resonator effektiv in der gewünschten Torsionsgrundschwingungsart schwingt.
Gemäß einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung des Resonators wird die Geometrie des Resonators so gewählt, daß die gewünschte Torsonsgrundschwingungsart im wesentlichen in der Nähe von 393,216 kHz liegt, was 12 mal die Frequenz 32,768 kHz ist, was die typische Frequenz für einen Quarzoszillator darstellt, der für Uhranwendungen bestimmt ist.
Diese Gegenstände, Eigenschaften und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden zusammen mit anderen beim Lesen der nachfolgenden detaillierten Beschreibung klarer, die sich auf die beigefügten, nicht beschränkenden, beispielhaften Zeichnungen bezieht, in denen:
– die bereits erwähnte 1 ein Beispiel eines torsionsschwingenden Quarzresonators darstellt, der im Rahmen der vorliegenden Erfindung verwendet wird und die Form einer Stimmgabel aufweist, deren Schenkel in der kristallographischen YZ-Ebene angeordnet sind;
– die 2 für eine bestimmte Ausführungsform des Resonators aus der 1 die Entwicklung der Frequenz von drei Hauptschwingungsarten als Funktion der Länge des Resonatorschenkels zeigt, wobei die drei Schwingungsarten die Torsionsgrundschwingungsart, die Biegungsgrundschwingungsart und der erste Biegungsoberton sind;
– die 3a schematisch eine invertierende Oszillatorvorrichtung zeigt, die im Rahmen der vorliegenden Erfindung verwendet wird;
– die 3b eine Ausführungsform des Oszillators aus 3a mit eine CMOS-Inverter zeigt;
– die 4 einen zu einem Quarzresonsator äquivalenten elektrischen Schaltkreis zeigt; und
– die 5 ein Diagramm ist, das die Randbedingungen der Schwingung g_m,min und g_m,max für jede der drei betrachteten Grundschwingungsarten des im Rahmen der vorliegenden Erfindung verwendeten Resonators als Funktion des Werts des Rückkopplungswiderstands R_F der elektronischen Aufrechterhaltungsschaltung ist.
Zuerst wird kurz der torsionsschwingende Quarzresonator betrachtet, der in der erfindungsgemäßen Oszillatorvorrichtung als Resonator verwendet wird. Mehr Informationen können in dem vorgenannten Artikel von Roger Bourquin und Philippe Truchot gefunden werden.
Bezugnehmend auf 1 wird der torsionsschwingende Quarzresonator vorteilhafterweise in Form einer Stimmgabel hergestellt, die durch mechanisches oder chemisches Schneiden in eine Quarzplatte in einem bestimmten Schnittwinkel erhalten wird. Es wird angemerkt, daß diese bestimmte Herstellung keineswegs beschränkend ist und daß andere Resonatorgeometrien ebenfalls in Betracht gezogen werden können. Der Resonator kann alternativ in Form eines einzelnen Stabs oder in Form von zwei Stäben ausgeführt sein, die symmetrisch und entgegengesetzt zu einer zentralen Einspannung montiert sein können.
Der Stimmgabelresonator aus 1 ist allgemein durch die Bezugsziffer 1 bezeichnet und weist zwei Schenkel 1a und 1b mit rechteckigem Querschnitt (Dicke t, Breite w) und Länge (L) auf, die in der kristallographischen YZ- Ebene angeordnet sind. In 1 ist auch ein Bezugsystem (x1; x2; x3) illustriert, das dem Resonator 1 so zugeordnet ist, daß die Länge L entlang der x2-Achse und die Dicke t entlang der x3-Achse definiert sind. Insbesondere ist das dem Resonator 1 zugeordnete Bezugssystem (x1; x2; x3) relativ zu den kristallographischen X-, Y- und Z-Achsen derart ausgerichtet, daß die x1-Achse mit der kristallographischen X-Achse zusammenfällt und die x2- und x3-Achsen jeweils einen bestimmten Winkel θ in bezug auf entsprechenden kristallographischen Y- und Z-Achsen bilden.
Der im Rahmen der vorliegenden Erfindung verwendete Resonator 1 weist somit einen einzigen Schnittwinkel auf, der durch eine Drehung um einen bestimmten Winkel θ um die kristallographische X-Achse des Quarzkristalls gebildet ist.
Man entnimmt dem Artikel von Bourquin und Truchot, daß das thermische Verhalten des Resonators durch den Winkel der Orientierung des Resonators (Winkel θ) und durch das Verhältnis zwischen Dicke (t) und Breite (w), oder dem Schnittverhältnis des Schenkels des Resonators bestimmt wird. Insbesondere sind sowohl der Lagewinkel θ als auch das Schnittverhältnis derart gewählt, daß der thermische Koeffizient erster Ordnung oder der lineare Koeffizient im wesentlichen Null sind. In der Praxis kann dieses Ergebnis beispielsweise mit einem Lagewinkel θ von +32° und einem Schnittverhältnis der Größenordnung von 0,6 erhalten werden.
Die Anmelderin hat so feststellen können, daß durch Herstellen eines Stimmgabelresonators gemäß der Lehre von Bourquin und Truchot das thermische Verhalten dieses Resonsators größenordnungsmäßig um einen Faktor 3 im Vergleich zu einem biegungsschwingenden Stimmgabelresonator verbessert wird.
Es ist wichtig anzumerken, daß der Resonator außer der gewünschten Torsionsgrundschwingungsart, die nachfolgend auch durch den Begriff "Torsionsgrundart" bezeichnet wird, unerwünschte Biegungsschwingungsarten aufweist. Insbesondere weist dieser Resonator eine erste unerwünschte Art, d.h. eine erste Biegungsgrundschwingungsart, auf, die nachfolgend auch durch den Begriff "Biegungsgrundart" bezeichnet wird und sich bei einer Frequenz befindet, die erheblich niedriger ist als die Frequenz der gewünschten Torsionsgrundart. Dieser Resonator weist außerdem eine andere unerwünschte Schwingungsart auf, die ebenfalls berücksichtigt wird, d.h. eine weitere Biegungsschwingungsart, die nachfolgend durch den Begriff "erster Biegungsoberton" bezeichnet wird und sich bei einer Frequenz befindet, die relativ nahe bei der Frequenz der gewünschten Torsionsgrundart liegt.
Vorzugsweise sind die Abmessungen des Resonators, d.h. die Abmessungen t, w und L der Schenkel des Resonators, derart gewählt, daß die gewünschte Torsionsgrundart sich zwischen der Biegungsgrundart und dem ersten oben genannten Biegungsoberton befindet. Wie sich im Nachfolgenden detaillierter herausstellen wird, ist dies zu bevorzugen, um einen adäquaten Betrieb der Oszillatorvorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung sicherzustellen.
Beispielhaft zeigt die 2 die Entwicklung der Frequenz jeder der vorgenannten Schwingungsarten als Funktion der Länge L des Schenkels für eine spezielle Ausführung des Stimmgabelresonators, bei der die Abmessungen der Schenkel insbesondere w = 220 μm und t = 136 μm sind. In dieser Figur illustriert die mit "a" markierte Kurve die Entwicklung der Frequenz der Biegungsgrundart, die mit "b" markierte Kurve die Entwicklung der Frequenz der Torsionsgrundart und die "c" markierte Kurve die Entwicklung der Frequenz des ersten Biegungsobertons.
In einem nicht einschränkenden, aber besonders vorteilhaften Beispiel ist die Geometrie des Stimmgabelresonators aus 1 auch so gewählt, daß die gewünschte Torsionsgrundart sich im wesentlichen in der Nähe von 393,216 kHz befindet, das ist 12 mal die Frequenz von 32,768 kHz, was die typische Freuenz eines Quarzresonators darstellt, der für Uhranwendungen bestimmt ist. In der Illustration der 2 wird dieses Ergebnis beispielsweise für eine Schenkellänge um 1,68 mm erhalten.
Es wird angemerkt, daß die vorstehend angegebenen Abmessungen offensichtlich lediglich beispielhaft angegeben und nicht beschränkend sind. Andere Abmessungen können gewählt werden, um die durch die gewünschte Anwendung vorgegebenen Bedingungen zu erfüllen.
Gemäß einer bestimmten Ausführungsform, die hier beispielhaft verwendet wird, weist der Stimmgabelresonsator einer gewünschten Torsionsgrundart auf, die sich im wesentlichen bei 393,216 kHz befindet. Gemäß der Illustration der 2 umfaßt der Resonator auch eine unerwünschte Biegungsgrundart, deren Frequenz sich im wesentlichen um 74 kHz herum befindet, sowie einen ersten Biegungsoberton, der ebenfalls unerwünscht ist und dessen Frequenz sich im wesentlichen um 435 kHz herum befindet.
Gemäß der derzeitigen Praxis sind die Schaltungen zum Aufrechterhalten der Oszillationen des Resonators üblicherweise so ausgelegt, daß die Oszillatorvorrichtung gemäß der ersten Resonatorschwingungsart schwingt, d.h. üblicherweise der Schwingungsart mit der niedrigsten Frequenz. Dies ist üblicherweise der Fall bei Oszillatorvorrichtungen, die biegeschwingende Resonatoren verwenden. In dem bestimmten fall, der uns hier betrifft, weist der Resonator eine erste Schwingungsart auf, d.h. eine Biegungsgrundschwingungsart, die eine unerwünschte Art ist. Die Verwendung einer üblichen Aufrechterhaltungsschaltung und eines torsionsschwingenden Resonators, der im Rahmen der vorliegenden Erfindung verwendet wird, führt üblicherweise dazu, daß die Oszillatorvorrichtung nicht in der gewünschten Art schwingt, d.h. der Torsionsgrundart, deren Frequenz im wesentlichen bei 393,216 kHz liegt, sondern in der ersten Vibrationsart des Resonators schwingt, d.h. der unerwünschten Biegungsgrundart, deren Frequenz sich um 74 kHz herum befindet. Die Analyse dieses Problems erfolgt in der folgenden Beschreibung.
Bezugnehmend auf 3a ist schematisch eine Oszillatorvorrichtung 10 dargestellt, die einen invertierenden Verstärker 2 mit einem Transkonduktanzwert g_m, einen in den Rückkopplungspfad des Inverters geschalteten Resonator 1, eine erste, an den Eingang A des Inverters 2 geschaltete Lastkapazität C₁ und eine zweite, an den Ausgang B des Inverters 2 geschaltete Lastkapazität C₂ aufweist. Die Oszillatorvorrichtung 10 umfaßt ferner einen Rückkopplungs- oder Feedbackwiderstand R_F, der zwischen den Eingang A und den Ausgang B geschaltet ist. Üblicherweise wird der Wert dieses Rückkopplungswiderstandes R_F sehr hoch gewählt, und sein Einfluß auf den Betrieb der Oszillatorvorrichtung ist im allgemeinen vernachlässigbar.
Zur Verbesserung kann die Oszillatorvorrichtung aus 3a auch einen zusätzlichen Widerstand R₀ aufweisen, der zwischen den Ausgang B des Inverters 2 und die Lastkapazität C₂ geschaltet ist. Dieser Widerstand dient dazu, eine Verbesserung der Stabilität der Oszillatorvorrichtung sicherzustellen.
Eine mögliche Ausführungsform der Oszillatorvorrichtung der 3a ist in 3b dargestellt. In dieser Ausführungsform ist der invertierende Verstärker 2 beispielsweise ein CMOS-Inverter mit einem ersten p-Transistor 2a und einem zweiten n-Transistor 2b, deren Drains miteinander zwischen ein Massepotential V_SS und ein Versorgungspotential V_DD geschaltet sind und deren Gate-Anschlüsse miteinander verbunden sind. In einem derartigen Fall ist die Transkonduktanz g_m des invertierenden Verstärkers 2 gleich der Summe der Transkonduktanzen der p- und n-Transistoren 2a und 2b.
Eine ausführliche Darstellung des Betriebs einer Vorrichtung entsprechend der Oszillatorvorrichtung der 3b kann beispielsweise in dem Artikel von Andreas Rusznyak, "Start-Up Time of CMOS Oscillators", IEEE Transactions on Circuits and Systems, Band Cas-34, Nr. 3, März 1987, gefunden werden.
Es ist in der Literatur gut bekannt, daß der Resonator 1 durch seinen äquivalenten elektrischen Schaltkreis dargestellt werden kann, wie es in 4 illustriert ist. In dieser Darstellung weist der Resonator 1 einen Zweig mit einer großen Induktivität L_x, einer kleinen Kapazität C_x und einem Reihenwiderstand R_x auf und ist parallelgeschaltet zu einem Zweig mit einer statisch genannten Kapazität C_x0. Es wird angemerkt, daß die äquivalente Schaltung der 4 in der Nähe einer vom Resonator gegebenen Vibrationsart gültig ist, und daß jede vom Resonator gegebene Vibrationsart einem spezifischen L_x, C_x, R_x Zweig entspricht.
Es wird angemerkt, daß die Induktivätit L_x und die Kapazität C_x repräsentativ für das dynamische Verhalten der betrachteten Vibrationsart des Resonators sind und daß der Reihenwiderstand R_x die Verluste dieses Resonators darstellt. Es wird ferner angemerkt, daß der Wert der statischen Kapazität C_x0 üblicherweise erheblich größer ist als der Wert der Kapazität C_x im Zweig. Man kann also definieren, daß die (Winkel-) Frequenz der Oszillationen der Vorrichtung im wesentlichen gleich ist zu:
Die Bedingungen, die erforderlich sind, damit die Oszillation der Oszillatorvorrichtung effektiv gemäß einer gegebenen Vibrationsart stattfinden kann, können wie folgt definiert werden.
Gemäß einer ersten dieser Bedingungen muß die Transkonduktanz g_m der Oszillatorvorrichtung größer sein als die kritische Transkonduktanz oder die minimale Transkonduktanz g_m,min, die durch die folgende Gleichung (2) definiert wird:

wobei w die (Winkel-) Frequenz der Resonanz für die betrachtete Vibrationsart und C₀ die parallel mit dem Resonator 1 vorhandene Kapazität ist und insbesondere die statische Kapazität C_x0 dieses Resonators umfaßt. Zur Bemessung der Lastkapazitäten C₁ und C₂ empfiehlt es sich, gegebenenfalls auch den Einfluß der parasitären Kapazitäten zu berücksichtigen, die am Eingang und am Ausgang des invertierenden Verstärkers parallel zu diesen Kapazitäten vorhanden sind. Beispielsweise wird der Wert der Kapazität C₀ in dem bestimmten Fall mit 1 pF geschätzt, und die Werte der Kapazitäten C₁ und C₂ sind mit 12 pF bzw. 28 pF bemessen.
In Ergänzung zur vorgenannten Bedingung (2) muß eine zweite Bedingung für die Transkonduktanz g_m erfüllt sein, damit die Oszillation der Oszillatorvorrichtung stattfindet. Die Oszillation der Vorrichtung ist tatsächlich überhaupt nicht möglich, wenn die Transkonduktanz g_m des invertierenden Verstärkers kleiner ist als die größtmögliche Transkonduktanz g_m,max, die durch die nachfolgende Gleichung (3) definiert wird:
Es wird angemerkt, daß der Wert der größtmöglichen Konduktanz g_m,max als allgemeine Regel üblicherweise erheblich größer ist als die kritische Transkonduktanz g_m,min
Die Oszillationsbedingungen der Vorrichtung können wie folgt zusammengefaßt werden:
gm,min < gm < gm,max (4)
Wenn die vorstehend bezeichnete Bedingung (4) gleichzeitig für mehrere Schwingungsarten erfüllt ist, weiß man, daß die Oszillation der Vorrichtung praktisch nur in, der Schwingungsart stattfindet, die die geringste kritische Transkonduktanz g_m,min aufweist. In dem uns hier interessierenden Fall befindet sich die gewünschte Schwingungsart des Resonators, d.h. die Torsionsgrundschwingungsart bei einer Frequenz (393,216 kHz), die erheblich höher ist als die unerwünschte Biegungsgrundschwingungsart (bei 74 kHz). Die kritische Transkonduktanz g_m,min der unerwünschten Biegungsgrundart ist so üblicherweise kleiner als die kritische Transkonduktanz g_m,min der gewünschten Torsionsgrundart. Folglich findet die Oszillation der Vorrichtung üblicherweise nur in der unerwünschten Biegungsgrundart statt.
Um auf diese Problem zu reagieren, nutzt man entgegen der derzeitigen Praxis die Abhängigkeit der kritischen Transkonduktanz g_m,min und der maximalen Transkonduktanz g_m,max gegenüber dem Rückkopplungswiderstand R_F in den Gleichungen (2) und (3) aus, um zu vermeiden, daß die Vorrichtung nicht gemäß der unerwünschten Biegungsgrundschwingungsart oszilliert.
Es kann festgestellt werden, daß die kritische Transkonduktanz g_m,min erheblich kleiner wird, wenn der Wert des Rückkopplungswiderstands R_F steigt, um schnell einen im wesentlichen konstanten Wert zu erreichen, der durch die Eigenschaften des Resonators und die Lastkapazitäten C₁ und C₂ gegeben ist. Insbesondere kann sich die Gleichung (2) der kritischen Transkonduktanz g_m,min für Werte des Rückkopplungswiderstands R_F wie:
sich im wesentlichen auf die vereinfachte nachfolgende Gleichung (6) verringern:
Es kann somit festgestellt werden, daß der Wert der kritischen Transkonduktanz g_m,min für jede betrachtete Schwingungsart im wesentlichen vom Faktor ω²R_x abhängt. Es sind somit im wesentlichen die Eigenschaften des Resonators, d.h. die Frequenz der betrachteten Art, sowie der Wert des Reihenwiderstands, die den Wert der kritischen Transkonduktanz g_m,min bestimmen.
Ebenso kann man feststellen, daß die größtmögliche Transkonduktanz g_m,max im wesentlichen abfällt, wenn der Wert des Rückkopplungswiderstands R_F kleiner wird, um einen zum Rückkopplungswiderstand R_F im wesentlichen proportionalen Wert zu erhalten. Insbesondere kann sich die Gleichung (3) für die größtmögliche Transkonduktanz g_m,max für Werte des Rückkopplungswiderstands R_F, wie:
im wesentlichen auf die nachfolgende vereinfachte Gleichung (8) reduzieren:
gm,max ≅ C1C2ω2RF (8)
Man kann feststellen, daß der Wert der größtmöglichen Transkonduktanz g_m,max in diesem Fall für jede betrachtete Schwingungsart im wesentlichen vom Faktor ω²R_F abhängt. Es sind also im wesentlichen die Frequenz der betrachteten Art und der Rückkopplungswiderstand R_F, die den Wert der größtmöglichen Transduktanz g_m,max bestimmen. Es wird also festgestellt, daß die größtmögliche Transkonduktanz g_m,max umso kleiner ist, je kleiner die Frequenz des betrachteten Vibrationsmodus ist.
Es wird beispielhaft auf die bestimmte Ausführungsform des Resonators zurückgegriffen, die vorstehend erwähnt worden ist und im Rahmen der vorliegenden Erfindung verwendet wird, d.h. den Resonator, der eine Biegungsgrundart um 74 kHz herum, eine Torsionsgrundart bei im wesentlichen 393,216 kHz und eine ersten Biegungsoberton bei etwa 435 kHz aufweist. Gemäß dieser speziellen Ausführungsform des Resonators werden die Reihenwiderstände R_x im Mittel für jede dieser Arten um 56 kΩ, 8 kΩ und 23 kΩ geschätzt.
Die 5 stellt ein Diagramm der Entwicklung der kritischen Transkonduktanz g_m,min und der größtmöglichen Transkonduktanz g_m,max als Funktion des Werts des Rückkopplungswiderstands R_F dar. Die Kurven a₁, b₁ und c₁ zeigen also die Entwicklung der kritischen Transkonduktanz g_m,min für jeden der vorgenannten Vibrationsarten, d.h. die Biegungsgrundart, die Torsionsgrundart und den ersten Biegungsoberton. Gleichfalls stellen die Kurven a₂, b₂ und c₂ die Entwicklung der größtmöglichen Transkonduktanz g_m,max für jeden der drei betrachteten Schwingungsarten dar.
Gemäß der vorliegenden Efindung sind die nachfolgenden Bedingungen zu erfüllen, um eine Oszillation der Vorrichtung in der gewünschten Torsionsgrundart sicherzustellen.
Um die Oszillation der Vorrichtung in der gewünschten Art, d.h. der Torsionsgrundart, sicherzustellen, muß die Transkonduktanz g_m der Vorrichtung zuerst die allgemeine Bedingung (4) erfüllen, die vorstehend angegeben worden ist, d.h. in dem bestimmten beispielhaft angegebenen Fall:
g393 kHz m,m i n < gm < g3 93kHz m ,m a x (9)
Zudem muß die Transkonduktanz g_m der Vorrichtung außerdem größer sein als die größtmögliche Transkonduktanz g_m,max der unerwünschten Biegungsgrundart, um zu verhindern, daß die Vorrichtung in der unerwünschten Biegungsgrundart oszilliert, d.h. in dem beispielhaft angegebenen Fall:
g74kHzm,max 74kHz < gm (10)
In dem vorliegenden Fall muß ebenfalls sichergestellt sein, daß die kritische Transkonduktanz g_m,min der gewünschten Torionsgrundart kleiner ist als die kritische Transkonduktanz g_m,min des ersten Biegungsobertons. Andernfalls oszilliert die Vorrichtung im ersten Biegungsoberton. In dem bestimmten beispielhaften Fall kann die Bedingung wie folgt angegeben werden:
g393kHz m,min 393kHz g435kHz m,min 435kHz (11)
In der 5 ist in der schraffierten Zone A die Gesamtheit der Werte der Transkonduktanz g_m angegeben, die die Bedingungen (9) und (10) erfüllt, die vorstehend angegeben worden sind. Die Bedingung (11) ist als solche durch eine adäquate Wahl der Eigenschaften des Resonators erfüllt. Insbesondere ist der Resonator, wie bereits erwähnt, vorzugsweise derart konzipiert, daß die Frequenz des gewünschten Torsionsgrundart sich unterhalb der Frequenz der unerwünschten ersten Biegungsobertons befindet. Der Herstellung des Resonators ist somit eine besondere Aufmerksamkeit zu schenken, und es ist sicherzustellen, daß die Werte des Reihenwiderstands R_x und der Vibrationsarten so sind, daß die vorstehende Gleichung (11) erfüllt ist.
Aus dem Vorstehenden ist klargeworden, daß eine kluge Wahl des Werts des Rückkopplungswiderstands R_F es erlaubt, die Bedingungen (9) und (10) zu erfüllen, während ein verhältnismäßig geringer Transkonduktanzwert g_m gesichert ist, was vom Standpunkt des Verbrauchs zu bevorzugen ist. In dem vorliegenden Fall, der in der 5 illustriert ist, wird beispielsweise ein Wert für den Rückkopplungswiderstand R_F in der Größenordnung zwischen 700 und 800 kΩ gewählt, was es ermöglicht, die größtmögliche Transkonduktanz relativ zur unerwünschten Biegungsgrundart um einige Zehnerpotenzen μA/V zu reduzieren. Für diesen gleichen Wert des Rückkopplungswiderstands R_F ist die größtmögliche Transkonduktanz relativ zur gewünschten Torsionsgrundart also größenordnungsmäßig bei einigen mA/V und stellt somit eine ausreichende Toleranz für die Transkonduktanz g_m der Vorrichtung sicher.
Gemäß der vorliegenden Erfindung wird somit eine Oszillatorvorrichtung geschaffen, die zum Oszillieren in der Torsionsgrundschwingungsart des Quarzresonators ausgestaltet ist. Daher ist das thermische Verhalten der erfindungsgemäßen Oszillatorvorrichtung im Vergleich zu einer konventionellen Oszillatorvorrichtung, die einen biegungsschwingenden Quarz verwendet, erheblich verbessert.
Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform kann die Oszillatorvorrichtung mit einer Teilerschaltung versehen sein, die an den Ausgang B der Aufrechthaltungsschaltung geschaltet ist. Insbesondere kann in dem hier beispielhaft gegebenen speziellen Fall der Oszillatorvorrichtung, d.h. einer zum Liefern eines Oszillationssignals mit 393,216 kHz ausgestalteten Oszillatorvorrichtung, das Signal vorteihafterweise an den Eingang einer Teilerschaltung durch 12 derart angelegt werden, daß ein Oszillationssignal abgeleitet wird, das eine Frequenz aufweist, die im wesentlichen gleich 32,768 kHz beträgt, wobei dieses Signal für Uhranwendungen besonders nützlich ist.
Im allgemeinen wird der Resonator derart ausgeführt, daß die gewünschte Torsionsgrundschwingungsart sich bei einer Frequenz befindet, die gleich einem Vielfachen von 32,768 kHz ist.
In der Praxis stellt man die Oszillatorvorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung vorteilhafterweise auch in Form einer einzigen kompakten Komponente her, die beispielsweise ein keramisches, metallisches oder Kunststoffgehäuse aufweist, in dem der Quarzresonator sowie die elektronische Schaltung für die Aufrechterhaltung der Oszillationen angeordnet sind.
Es ist klar, daß verschiedene Änderungen und/oder Anpassungen der Oszillatorvorrichtung, die in der vorliegenden Beschreibung beschrieben worden ist, durchgeführt werden können, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen, der durch die beigefügten Ansprüche bestimmt ist.

Claims

Niederfrequenz-Oszillatorvorrichtung, die einen Quarzresonator und eine elektronische Schaltung für die Aufrechterhaltung der Oszillationen des Quarzresonators umfaßt, dadurch gekennzeichnet, daß: – der Quarzresonator einen einzigen Schnittwinkel aufweist, der durch eine Drehung um einen bestimmten Winkel (θ) um die kristallographische Achse X des Quarzes definiert ist, derart, daß der Resonator wenigstens eine Biegungsgrundschwingungsart mit einer ersten Frequenz und eine Torsionsgrundchwingungsart mit einer zweiten Frequenz, die höher als die erste Frequenz ist, aufweist; und – die elektronische Schaltung für die Aufrechterhaltung der Oszillationen des Resonators eine Schaltung (2) mit einem invertierenden Verstärker ist, deren Transkonduktanzwert (g_m) in der Weise bestimmt ist, daß die Vorrichtung nicht in der Biegungsgrundschwingungsart, sondern in der Torsionsgrundschwingungsart des Resonators oszillieren kann.
Oszillatorvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Resonator außerdem eine weitere Biegungsschwingungsart, die erster Biegungsoberton genannt wird und eine dritte Frequenz besitzt, die höher als die Frequenz der Torsionsgrundschwingungsart ist, besitzt.
Oszillatorvorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die elektronische Aufrechterhaltungsschaltung einen invertierenden Verstärker (2) umfaßt, der einen Eingang (A), an den eine erste Lastkapazität (C₁) angeschlossen ist, sowie einen Ausgang (B), an den eine zweite Lastkapazität (C₂) angeschlossen ist, umfaßt, wobei der Quarzresonator (1) in den Rückkopplungspfad des invertierenden Verstärkers (2) geschaltet ist, wobei diese elektronische Aufrechterhaltungsschaltung außerdem einen Rückkopplungswiderstand (RF) umfaßt, der zwischen den Eingang (A) und den Ausgang (B) des invertierenden Verstärkers (2) geschaltet ist.
Oszillatorvorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der invertierende Verstärker (2) ein CMOS-Inverter ist, der zwischen einem Versorgungspotential (V_DD) und einem Massepotential (V_SS) in einer Reihenschaltung einen ersten p-Transistor (4a) und einen zweiten n-Transistor (4b) umfaßt, deren Drains miteinander verbunden sind und den Ausgang (B) des Inverters bilden und deren Gates miteinander verbunden sind und den Eingang (A) des Inverters bilden.
Oszillatorvorrichtung nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Wert des Rückkopplungswiderstandes (RF) in der Weise bestimmt ist, daß die maximale Transkonduktanz (g_m,max) relativ zur Biegungsgrundschwingungsart des Resonators wesentlich reduziert ist.
Oszillatorvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Resonator die Form einer Stimmgabel hat und so beschaffen ist, daß die Frequenz der Torsionsgrundschwingungsart im wesentlichen gleich einem Vielfachen von 32,768 kHz ist.
Oszillatorvorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß sie außerdem eine Teilerschaltung umfaßt, die an den Ausgang der elektronischen Aufrechterhaltungsschaltung angeschlossen ist und ermöglicht, ein Oszillationssignal mit einer Frequenz von 32,768 kHz abzuzweigen.
Oszillatorvorrichtung nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Frequenz der Torsionsgrundschwingungsart im wesentlichen gleich 393,216 kHz ist.
Oszillatorvorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Frequenz der Torsionsgrundschwingungsart im wesentlichen gleich 393,216 kHz ist und daß die Teilerschaltung eine Teilerschaltung durch zwölf ist.
Oszillatorvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche; dadurch gekennzeichnet, daß der Resonator und die elektronische Aufrechterhaltungsschaltung im selben Gehäuse angeordnet sind.