КВАРЦЕВЫЙ ГЕНЕРАТОР Российский патент 1996 года по МПК H03B5/32 

Изобретение относится к электронной технике и может быть использовано в электронных часах.

Известен кварцевый генератор, содержащий кварцевый резонатор, два вывода питания, подсоединенных соответственно к положительному и отрицательному полюсам источника питания постоянного тока, первый МОП транзистор Р-типа и второй МОП транзистор n-типа [1] Истоки первого и второго транзисторов соединены с первым и вторым выводами питания соответственно. Стоки транзисторов соединены друг с другом и с выходом генератора. Между выходом и одним из выводов питания подсоединен выходной конденсатор. Для подачи напряжения смещения на первый и второй транзисторы используются отдельные устройства. Устройство смещения содержит третий МОП транзистор Р-типа, затвор и сток которого соединены с затвором первого транзистора, а исток со стоком первого транзистора. Между затвором первого транзистора и вторым выводом питания подсоединен первый источник тока. Между входом и первым выводом питания подсоединен емкостной делитель, средняя точка которого соединена с затвором первого транзистора. Устройство смещения содержит четвертый МОП транзистор n-типа, затвор и сток которого соединены с затвором второго транзистора, а исток со стоком второго транзистора. Между затвором второго транзистора и первым выводом питания подсоединен второй источник тока. Между входом и вторым выводом питания подсоединен второй емкостной делитель, средняя точка которого соединена с затвором второго транзистора. За счет раздельного смещения рабочих точек первого и второго транзисторов запуск генератора возможен при напряжении питания несколько выше наибольшего из значений порогового напряжения n- или Р-канального транзистора. За счет этого, а также за счет отсутствия резисторов схема является технологичной при производстве. При этом ток потребления генератора, как указано в описании, может быть снижен до 20 нА при напряжении питания 1,2 В.

Недостатком данного генератора является возможность его незапуска по следующей причине. После подключения источника питания напряжение затвор-исток U_з-и первого МОП транзистора Р-типа и второго МОП транзистора n-типа с помощью цепей смещения быстро достигает значения, существенно превышающего их пороговые напряжения U_пор и определяется выражением
U_з-и U_c-и + U_пор, где U_с-и напряжение сток-исток первого и второго МОП транзисторов. Причем напряжение сток-исток первого и второго МОП транзисторов равно половине напряжения питания. В этом случае динамические сопротивления последних малы, что не обеспечивает необходимых фазовых соотношений для запуска генератора. Вероятность проявления данного эффекта повышается при повышенных значениях питающего напряжения и малого значения выходной емкости.

Наиболее близким к изобретению является кварцевый генератор, который содержит шесть Р-канальных МОП транзисторов, шесть n-канальных МОП транзисторов, три конденсатора и кварцевый резонатор [2]
Однако данный кварцевый генератор также не обеспечивает требуемой надежности запуска.

Задача изобретения создание кварцевого генератора, обеспечивающего повышение надежности запуска, а также повышение экономичности.

На чертеже представлена принципиальная электрическая схема кварцевого генератора.

Кварцевый генератор содержит первый и второй Р-канальные транзисторы 1 и 2, первый и второй n-канальные транзисторы 3 и 4, третий n-канальный МОП транзистор 5, третий Р-канальный МОП транзистор 6, второй и третий конденсаторы 7 и 8, четвертый и пятый Р-канальные МОП транзисторы 9 и 10, кварцевый резонатор 11, четвертый и пятый n-канальные МОП транзисторы 12 и 13, шестой Р-канальный МОП транзистор 14, шестой n-канальный МОП транзистор 15, первый конденсатор 16.

Кварцевый генератор работает следующим образом.

Первый и второй Р-канальные МОП транзисторы 1 и 2 и первый и второй n -канальные МОП транзисторы 3 и 4 составляют схему двойного токового зеркала. Первый Р-канальный МОП транзистор 1 выбирается достаточно длинноканальным, чем обеспечивается работа других упомянутых транзисторов в подпороговой области вольт-амперной характеристики (ВАХ) с токами в несколько наноапмер. При этом третий Р-канальный и третий n-канальный МОП транзисторы 5 и 6 также будут работать в подпороговой области их ВАХ и через них будет протекать ток в несколько наноампер.

После включения источника питания через третий n-канальный МОП транзистор и третий Р-канальный МОП транзистор на затворы соответственно пятого Р-канального МОП транзистора и пятого n-канального МОП транзистора подается соответственно отрицательный и положительный потенциал источника питания, что обеспечит открытое состояние последних. После окончания переходных процессов через цепь, содержащую третий n-канальный МОП транзистор 5, четвертый Р-канальный МОП транзистор 9 и пятый Р-канальный МОП транзистор 10, от положительного полюса источника питания к отрицательному будет протекать ток в несколько наноампер, определяемый третьим n-канальным МОП транзистором 5. При этом напряжение затвор-исток четвертого Р-канального МОП транзистора 9 будет обеспечивать его работу в подпороговой области ВАХ. Аналогично, через цепь, состоящую из третьего Р-канального МОП транзистора 6, четвертого n-канального транзистора 12 и пятого n-канального МОП транзистора 13 будет протекать несколько наноампер, определяемых третьим Р-канальным МОП транзистором 6, и четвертый n-канальный МОП транзистор 12 будет работать в подпороговой области ВАХ. Напряжение затвор-исток пятого Р-канального МОП транзистора 10 равно сумме его напряжения сток-исток и напряжения сток-исток четвертого Р-канального МОП транзистора 9, который также работает в пороговой области ВАХ, а его напряжение сток-исток приблизительно равно пороговому. Тогда напряжения затвор-исток пятого Р-канального МОП транзистора 10 равно сумме порогового напряжения и его напряжения сток-исток.

Аналогично напряжение затвор-исток пятого n-канального МОП транзистора 13 будет равно сумме его порогового напряжения (напряжения сток-исток четвертого n-канального МОП транзистора 13) и его напряжения сток-исток. При этом напряжение сток-исток пятого Р-канального МОП транзистора 10 и пятого n-канального МОП транзистора 13 равно разнице половины напряжения питания и падения напряжения на шестом Р-канальном МОП транзисторе и шестом n-канальном МОП транзисторах соответственно, а выбором последних обеспечивается сравнительно небольшое напряжение сток-исток пятого Р-канального МОП транзистора 10 и пятого n-канального МОП транзистора 13, что обеспечивает высокое динамическое сопротивление последних и исключает возможность незапуска кварцевого генератора в диапазоне напряжений.

Таким образом, после включения источника питания создаются условия для надежного запуска кварцевого генератора, причем запуск возможен при напряжении питания, несколько превышающем наибольшее из значений порогового напряжения n- и Р-канальных МОП транзисторов.

При возникновении колебаний напряжений в кварцевом резонаторе 11 четвертый Р-канальный МОП транзистор 9 будет периодически открываться (напряжение на выходе кварцевого генератора изменяется к положительному полюсу источника питания, а на входе к отрицательному), чем обеспечивается смещение рабочей точки пятого Р-канального МОП транзистора 10 к положительному полюсу источника питания. В установившемся режиме автоколебаний средний ток четвертого Р-канального МОП транзистора равен току третьего n-канального МОП транзистора 5 (несколько наноампер).

Аналогичным образом с помощью четвертого n-канального МОП транзистора 12 обеспечивается смещение рабочей точки пятого n-канального МОП транзистора 13 к отрицательному полюсу источника питания. При этом средний ток четвертого n-канального МОП транзистора 12 равен току третьего Р-канального МОП транзистора 6 (несколько наноампер).

Таким образом, в установившемся режиме автоколебаний усилитель, образованный всеми транзисторами, будет работать в классе "В", чем обеспечивается его экономичный режим работы.

Использование: в электронной технике, а именно в электронных часах. Сущность изобретения: в кварцевом генераторе за счет вывода рабочих точек транзисторов усилителя на оптимальный и экономичный режим обеспечивается надежность запуска в диапазоне питающих напряжений. Кварцевый генератор содержит шесть p-канальных МОП транзисторов 1, 2, 6, 9, 10 и 14, шесть n-канальных МОП транзисторов 3, 4, 5, 12, 13 и 15, конденсаторы 7, 8 и 16 и кварцевый резонатор 11. 1 ил.

КВАРЦЕВЫЙ ГЕНЕРАТОР, содержащий первый, второй, третий, четвертый, пятый и шестой P-канальные МОП-транзисторы, первый, второй, третий, четвертый, пятый и шестой n-канальные МОП-транзисторы, кварцевый резонатор, первый, второй и третий конденсаторы, при этом исток первого n-канального МОП-транзистора подключен к отрицательной шине питания, исток второго n-канального МОП-транзистора соединен с истоком третьего n-канального МОП-транзистора, исток первого P-канального МОП-транзистора соединен с положительной шиной питания, исток третьего P-канального МОП-транзистора соединен с истоком второго P-канального МОП-транзистора, сток первого n-канального МОП-транзистора соединен со стоком первого P-канального МОП-транзистора, затвор первого n-канального МОП-транзистора соединен с затвором второго n-канального МОП-транзистора, сток второго P-канального МОП-транзистора соединен со стоком второго n-канального МОП-транзистора, затвор четвертого P-канального МОП-транзистора соединен с затвором пятого P-канального МОП-транзистора, сток шестого n-канального МОП-транзистора соединен со cтоком шестого P-канального МОП-транзистора и с первыми выводами первого конденсатора и кварцевого резонатора, второй вывод которого соединен с первым выводом второго конденсатора, вторые выводы первого и второго конденсаторов соединены с положительной шиной питания, подложки всех P-канальных МОП-транзисторов подключены к положительной шине питания, подложки всех n-канальных МОП-транзисторов подключены к отрицательной шине питания, отличающийся тем, что истоки второго и пятого P-канальных МОП-транзисторов и затвор шестого n-канального МОП транзистора подключены к положительной шине питания, затвор первого P-канального МОП-транзистора, исток второго n-канального МОП-транзистора, исток пятого n-канального МОП-транзистора и затвор шестого P-канального МОП-транзистора соединены с отрицательной шиной питания, затвор второго n-канального МОП-транзистора соединен со стоком первого n-канального МОП-транзистора и с затвором третьего n-канального МОП-транзистора, сток которого подключен к затвору четвертого P-канального МОП-транзистора и к первому выводу третьего конденсатора, второй вывод которого соединен с вторым выводом кварцевого резонатора, с затворами четвертого и пятого n-канальных МОП-транзисторов и со стоком третьего P-канального МОП-транзистора, исток четвертого n-канального МОП-транзистора соединен со стоком пятого n-канального МОП-транзистора и с истоком шестого n-канального МОП-транзистора, исток четвертого Р-канального МОП-транзистора соединен с истоком шестого P-канального МОП-транзистора и со стоком пятого P-канального МОП-транзистора, затвор второго P-канального МОП-транзистора соединен с затвором третьего P-канального МОП-транзистора и со стоком второго P-канального МОП-транзистора, сток четвертого P-канального МОП-транзистора подсоединен к затвору пятого P-канального МОП-транзистора, а сток четвертого n-канального МОП-транзистора подсоединен к затвору пятого n-канального МОП-транзистора.