Стабилизатор напряжения питания часовой интегральной схемы Советский патент 1987 года по МПК G04C3/00 

Изобретение относится к электронным приборам времени и может быть использовано для создания автономных наручных часов в виде интегральной схемы на комплиментарных (взаимно- дополняющих) металл-окисел-полупроводниковых логических элементах (на КМОП логических элементах).

Целью изобретения является снижение потребляемой мощности в часовой КМОП интегральной схеме.

На фиг. 1 приведена электрическая структурная схема стабилизатора; на

фиг. 2 - электрическая функциональная g зистора-регулятора 11 тока нагрузки.

схема генератора емкостного тока; на фиг. 3 - электрическая функциональная схема кварцевого генератора; на фиг. 4 - электрическая функциональная схема делителя частоты.

20

Первый выход кварцевого генератора 6 соединен со вторым входом генератора 12 емкостного питания, первьй выход которого подключен к затвору нагрузочного р-канального транзистора 4, затвору опорного р-канального транзистора 3 и через первый резистор 5 - к стоку опорного р-канального транзистора 3 и к затвору опорного п-канального тразистора 13, соединенного своим истоком со вторым выходом генератора 12 емкостного тока и через третий резистор 14 со своей подложкой и с шиной 15 стабилизированного питания. Шина 15 стабилизированного питания подключена к входу стабилизированного питания делителя 7 частоты, второй выход которого соединен с затвором п-канального транзистора 9 форсажа, сток которого соединен с истоком п-канального транзистора 13, подключенного своим стоком к стоку нагрузочного р-канального транзистора 4, у которого подложка и сток соединены с общей шиной первичного источника питания. Отрицательная шина первичного источника питания соединена через второй резистор 10 с истоком транзистора-регулятора 11 тока нагрузки, с истоком и подложкой п-канального транзистора 9 форсажа и со входом питания генератора 12 емкостного тока, первый вход которого подключен к второму выходу кварцевого генератора 6,

Стабилизатор содержит (см. фиг.1) общую и отрицательную шины первичного источника питания 1 и 2, опорный р-канальный транзистор 3, нагрузочный р-канальный транзистор 4, первый резистор 5, кварцевый генератор 6, делитель 7 частоты,выходную шину 8,п- канальньй транзистор форсажа 9, второй резистор 10, транзистор-регулятор 11 тока нагрузки, генератор 12 емкостного тока, опорньй п-канальньй транзистор 13, третий резистор 14 и шину 15 стабилизированного питания.

Генератор 12 емкостного тока (фиг. 2) содержит сглаживающий конденсатор 16, первый и второй коммутационные транзисторы 17 и 18, первый и второй коммутируемые конденсаторы 19 и 20 и третий и четвертый коммутационные транзисторы 21 и 22,

Кварцевьш генератор 6 (фиг. 3) содержит р-канальный транзистор 23, п- канальный транзистор 24, резистор 25 обратной связи, кварцевый резонатор 26, входной конденсатор 27 и выходной конденсатор 28.

Делитель 7 частоты (фиг. 4) содержит инвертор 29, последовательную цепь нагруженных друг на друга триггеров 30-46, конденсатор 47, резистор 48, триггер 49, транзистор 50, нагрузочный резистор 51, транзистор 52 и резистор 53, выход 54.

Общая шина первичного источника 1 питания соединена с истоком и подложкой опорного р-канального транзистора 3, с общими входами питания кварцевого генератора 6 и делителя |7 частоты, вход которого подключен к

первому выходу кварцевого генератора 6, соединенного своим входом питания к шине.15 стабилизированного питания.

Выходная шина 8 подключена к первому выходу делителя 7 частоты, вход первичного питания которого соединен с отрицательной шиной 2 первичного питания и подложкой транзистора-регулятора 11 тока нагрузки, подключенного своим затвором к стоку опорного п-канального транзистора 13, у которого исток соединен со стоком транg зистора-регулятора 11 тока нагрузки.

0

5

0

5

0

5

0

55

Первый выход кварцевого генератора 6 соединен со вторым входом генератора 12 емкостного питания, первьй выход которого подключен к затвору нагрузочного р-канального транзистора 4, затвору опорного р-канального транзистора 3 и через первый резистор 5 - к стоку опорного р-канального транзистора 3 и к затвору опорного п-канального тразистора 13, соединенного своим истоком со вторым выходом генератора 12 емкостного тока и через третий резистор 14 со своей подложкой и с шиной 15 стабилизированного питания. Шина 15 стабилизированного питания подключена к входу стабилизированного питания делителя 7 частоты, второй выход которого соединен с затвором п-канального транзистора 9 форсажа, сток которого соединен с истоком п-канального транзистора 13, подключенного своим стоком к стоку нагрузочного р-канального транзистора 4, у которого подложка и сток соединены с общей шиной первичного источника питания. Отрицательная шина первичного источника питания соединена через второй резистор 10 с истоком транзистора-регулятора 11 тока нагрузки, с истоком и подложкой п-канального транзистора 9 форсажа и со входом питания генератора 12 емкостного тока, первый вход которого подключен к второму выходу кварцевого генератора 6,

Вход питания генератора 12 емкостного тока соединен с первыми обкладками обоих коммутируемых конденсаторов 19 и 20. Второй вход генератора 12 емкостного тока подключен к затворам второго и третьего коммутационных транзисторов 18 и 21, а объединенные подложка и исток третьего и четвертого коммутационных транзисторов 21 и 22 соединены друг с другом и подключены к второму выходу генератора 1 2 емкостного тока.

Стабилизатор работает следующим образом.

Подключение к стабилизатору первичного источника питания Е, вызывает единичный (отрицательный) перепад напряжения, которьй через разряженный конденсатор 47 (см. фиг.4) поступает на входы R обнуления триг- .геров 30, 31-45, 46 и на вход S триггера 49. На втором выходе делителя 7 частоты (см. фиг. 1) появляется при этом нулевой уровень напряжения общей шины 1, формируемый инвертором на транзисторе 50 и резисторе 51. Транзистор 9 при этом отпирается, на его стоке устанавливается напряжение Е . Возникли условия для ускоренного и надежного запуска генератора 6. Поле запуска генератора 6 на вход делителя 7 частоты поступают импульсы напряжения. Однако, триггеры 30, 31- 45,46 остаются заблокированными до тех пор пока напряжение на их вхо- дах R превышает по абсолютной величине порог обнуления этих триггеров. После того как конденсатор 47 зарядится через резистор 48 до порога обнуления триггеров, блокировка ТТт триггеров снимается и начинается счет импульсов, поступающих с первого выхода кварцевого генератора 6. Нулевой сигнал форсажа на втором выходе делителя 7 продолжается вплоть до перебрасывания последнего триггера 46 и появления импульса на первом выходе делителя 7 частоты, который управляет шаговым двигателем. После этого триггер 49 возвращается в исходное нулевое состояние, на втором выходе делителя частоты появляется единичный уровень напряжения, равный напряжению первичного источника питания Е|, а на шине 15 устанавливается сниженное напряжение Е , от которого запитываются все триггеры делителя 7 частоты. Работа делит.еля 7 частоты при сниженном напряжении питания Е до величины, меньшей суммы двух пороговых напряжений р- и п- канальных транзисторов, предотвращает возникновение сквозных токов в вентилях ТТ-триггеров и уменьшает мощность, затрачиваемую на перезаряд паразитных емкостей этих триггеров.

5

Уменьшение напряжения питания ; (здесь и ниже речь идет об абсолютной величине напряжений) кварцевого генератора 6, находящегося в режиме стационарных колебаний, до величины меньшей, Чем сумма пороговых напряжений р- и п-канальных транзисторов исключает сквозной ток К МОП-инверти- рующего усилителя и уменьшает уровень потерь энергии за счет перезаря- да входной и выходной емкостей генератора. Уменьшение напряжения пита- ,ния делителя 7 частоты исключает сквозные токи в момент переключения К МОП-вентилей и уменьшает ток перезаряда емкостей в узлах делителя 7 частоты. При этом ток, потребляемый делителем 7

20

.f,

5

0

5

0

где Cj, - приведенная ко входу делителя нагрузочная емкость} f - частота колебаний кварцевого генератора.

Наличие отрицательной обратной связи с первого и второго выходов генератора 6 позволяет использовать для повьш1ения устойчивости системы взаимозависимость между амплитудой напряжения на выходах генератора 6 и .величиной стабилизируемого напряжения Е. .

В качестве параметрических опорных элементов стабилизации напряжения в К МОП часах используются входные цепи разноканальных транзисторов 3 и 13, связанные между собой резистором 5.

Уровень стабилизируемого напряжения на шине 15 определяется зависимостью

45

Ei U,p+U,-I,-Rj-I-RjH2). (О

0

5

где и и Ugi, - пороговые напряжения р- и п-канального транзисторов 3 и 13; Ig - ток генератора 12 емкостного тока; I - общий ток потребления

в шине 15;

- коэффициент влияния подложки транзистора 13.

В стационарном режиме работы К МОП часов, когда напряжение на шине 15 близко к уровню стабилизации Е,

транзисторы 3 и 13 работают в области слабой инверсии проводимости ка нальной части поверхности полупроводника. При этом поте|нциал поверхности полупроводника находится в пределах одного-двух потенциалов Ферми, а ток стока этих транзисторов порядка 10 нА, Именно это обстоятельство позволяет использовать входные цепи транзисторов 3 и 13 в качестве датчиков пороговых напряжений.

Транзистор 3 включен в диодном режиме, ток стока этого транзистора целиком определяется током генератора 12 емкостного тока. Размеры канала транзистора 3 выбираются такими, чтобы при изменении тока генератора 12 ёмкостного тока в пределах от О до 20 нА затворное напряжение транзистора 3 изменялось незначительно и находилось вблизи порогового напряже- ния р-канального транзистора. В этом случае транзистор 3 работает в пологой области, и его ток стока не зависит от напряжения на его стоке. Размер канала транзистора 4 следует выбирать таким же, как и транзистора 3. В этом случае режимы работы этих ,транзисторов будут одинаковыми, так кик их входные цепи включены параллельно. Таким образом, независимо от разных напряжений на стоках транзисторов 3 и 4 токи стока этих транзисторов одинаковы. Выходные цепи транзисторов 4 и 13 включены последовательно, поэтому в стационарном режиме работы токи стока этих транзисторов одинаковы и равны току генератора емкостного тока 12. Размеры канала транзистора 13 выбираются по тем же критериям, что и транзистора 3, поэтому входная цепь транзистора 13 тоже может выступать датчиком порогового напряжения, но уже п-каналь ного транзистора.

Ток If генератора 12 емкостного тока создает на, резисторе 5 падение напряжения ij. Ry, которое уменьшает величину напряжения стабилизации на шине 15,

Напряжение Е определяется также и током I потребления нагрузки, в качестве которой выступают кварцевый генератор 6 и делитель 7 частоты. Падение напряжения IR, смещает подложку п-канального транзистора 13 в плюсовую область относительно истока и тем самым уменьшает пороговое

5

0

5

0

5

0

напряжение п-канального транзистора 13, на в{гличину I R, 17 , где - коэффициент влияния подложки. При возрастании тока I напряжение Ej уменьшается, что должнЪ вызвать замедление возрастания тока нагрузки I. Таким образом, резистор R,4 стабилизирует ток I нагрузки шины 15. Кроме функций формирования опорного напряжения и стабилизации тока I нагрузки на шине 15 транзистор 13 выполняет еще функцию активного элемента усилителя. Функцию нагрузочного генератора тока в этом усилителе выполняет транзистор 4. Усилитель на транзисторах 13 и 4 является неинвертирующим, так как активный транзистор 13 управляется по истоку напряжением на втором выходе генератора 12 емкостного тока. Выходное напряжение усилителя подается на затвор транзистора 11, который управляет током нагрузки шины 15, величина напряжения может изменяться в пределах от О до Е. Величина сопротивления резистора 10 должна быть выбрана такой, чтобы выполнялось условие Е - Е I R,g (1+ g) УОП при любых пороговых напряжениях транзисторов 3 и 13.

В этом случае транзистор 11 всегда может быть заперт напряжением на стоке транзистора 13, а следовательно, снимается ограничение на использование схемы К МОП часов при низких пороговых напряжениях транзисторов.

В режиме форсажа последовательная цепочка из транзистора 11 и резистора 10, закорачивается выходной цепью открытого транзистора 9. В стационарном режиме работы устройства транзистор 9 заперт напряжением Е, на его затворе.

45 Основная функция генератора 12 емкостью тока состоит в формировании тока (. , который является функцией параметра кварцевого генератора 6, характеризующего запас устойчивости

gQ колебаний в стационарном режиме, и функцией запаса устойчивости делителя 7 частоты. В качестве такого параметра выступает здесь эффективное отпирающее напряжение п-канального

gg транзистора и,„, . Под э.ффективным отпирающим напряжением понимаем здесь разность между двойной амплитудой колебаний: и пороговьм напряжением п- канального транзистора. Заряд и разряд конденсаторов 19 и 20 производится относительно уровня Е , поэтому этот уровень принимаем за нулевую точку отсчета напряжений в генераторе 12 емкостного тока. В этом случае можно сказать, что конденсатор 20 в первом такте заряжается через выходную цепь открытого транзистора 18 до разности напряжений

и

г

- и.„ и

f (

где и, - двойная амплитуда напряжения на первом выходе кварцевого гене ратора 6, а во втором такте разряжается до нуля через выходную цепь транзистора 22.

Во втором такте работы генератора 12 емкостного тока заряжается уже конденсатор 19 через выходную цепь открытого транзистора 17 до разности напряжений U - Vgn U,cp , где U,;2 - максимальное напряжение на втором выходе кварцевого генератора 6. Конденсатор 19 разряжается до нуля в первом такте через выходную цепь открытого транзистора 21. Конденсатор 16 сглаживает броски тока на выходе генератора 12 емкостью тока.

Таким образом, среднее значение тока формируемого генератором 12 емкостного тока определяется выражением

1с (С,о- э, +С,,. иэ).

где С,о и емкости соответствующих конденсаторов, генератора 12 емкостного тока.

Из вьфажений (1) и (2) следует, что резистор Ry совместно с генератором 12 емкостного тока стабилизирует эффективные отпирающие напряжения на выходах кварцевого генератора 6, Например, при возрастании эф- фективных отпирающих напряжений на выходах генератора 12 емкостного тока напряжение Е на шине 15 уменьшается, что должно привести к уменьшению эффективных отпирающих напряже-

НИИ.

Крутизна инвертирующего усилителя кварцевого генератора 6 (см. фиг. 3) выбирается такой, чтобы при всех внешних дестабилизирующих факторах напряжение питания, при котором наступает срыв колебаний генератора 6, бьшо меньшим, чем напряжение Е на шине 15 питания. Работа генератора 6

в области напряжений питания, меньших суммы двух пороговых напряжений раэ- ноканальных транзисторов, исключает возможность появления сквозных токов в транзисторах 23 и 24 инвертора и сводит к минимуму перепады напряжений, на которые перезаряжаются входной 27 и выходной 28 конденсаторы ге- нератора 6. Все это ведет к уменьшению энергии, потребляемой схемой от источника питания.

- д jn 25п

м

35

4045gQ

gg

Формула изобретения

1. Стабилизатор напряжения питания часовой интегральной схемы, содержащий отрицательную и общую шины первичного источника питания, опорный р-канальный транзистор,опорный п-канальный транзистор, кварцевый генератор, шину стабилизированного питания, делитель частоты, выходную шину и транзистор-регулятор тока нагрузки, причем общая шина первичного источника питания соединена с истоком и подложкой опорного р-канального транзистора и общими входами питания . кварцевого генератора и делителя частоты, вход которого подключен к первому выходу кварцевого генератора, соединенного своим выходом питания с шиной стабилизированного питания, а выходная шина подключена к первому выходу делителя частоты, вход первичного питания которого соединен с отрицательной шиной первичного питания и подложкой транзистора-регулятора тока нагрузки, подключенного своим затвором к стоку,а стоком к истоку опорного п-канального транзистора регулятора тока нагрузки, отличающийся тем, что, с целью уменьшения потребления мощности, в него введены нагрузочный р-канальный транзистор, генератор емкостного тока, п-канальный транзистор форсажа и три резистора, причем отрицательная шина первичного источника питания соединена через второй резистор с источником транзистора-регулятора тока нагрузки, с истоком и подложкой п- канального транзистора форсажа и с входом питания генератора емкостного тока, первый вход которого подключен к второму выходу кварцевого генератора, шина стабилизированного питания подключена ко входу стабилизированного питания делителя частоты.

второй выход которого соединен с затвором п-канального транзистора форсажа, сток которого соединен с истоком опорного п-канального транзистора, подключенного своим Стоком к стоку нагрузочного п-канапьного транзистора у которого подложка и исток соединены с общей шиной первичного источника питания, а первый выход кварцевого генератора соединен с вторым входом генератора емкостного тока, первый выход которого подключен к затвору нагрузочного р-каналь- ного транзистора, затвору опорного .р-канального и через первый резистор к стоку опорного р-канального транзистора и к затвору опорного п-канального транзистора,связанного своим истоком с вторым выходом генератора емкостного тока и через третий резистор со своей подложкой и с шиной стабилизированного питания.

2. Стабилизатор по п. 1, о т л и - чающийся тем, что генератор емкостного тока содержит сглаживающий и два коммутируемых конденсатора

и четыре коммутационных транзистора, причем вход питания генератора емкостного тока соединен с первыми обкладками обоих коммутируемых конденсаторов и сглаживающего конденсатора, подключенного второй обкладкой, к первому выходу генератора емкостного тока и к стокам первого и второго коммутационных транзисторов, объединенные подложки и исток каждого из которых соединены со стоками, соответственно, третьего и четвертого коммутационных транзисторов и со

вторыми обкладками, соответственно, первого и второго коммутируемых конденсаторов, первый вход генератора емкостного тока соединен с затворами первого и четвертого коммутационных транзисторов, второй вход генератора емкостного тока подключен к затворам второго и третьего коммутационных транзисторов, а объединенные подложка и исток третьего и четвертог о коммутационных транзисторов соединены друг с другом и подключены к второму выходу генератора емкостного тока.

Изобретение относится к элект- ронньм приборам времени. Цель изобретения -. снижение потребляемой мощности. Устройство содержит отрицательную 1 и общую 2 шины первичного источника питания, опорный р-каналь- ный транзистор 3, р-канальный транзистор 4, резисторы 5, 10 и 14, кварцевый генератор 6, делитель 7 частоты, шину п-канальныи транзистор 9, транзистор-регулятор 11 тока нагрузки, генератор 12 емкостного тока, опорньш п-канапьный транзистор 13 и . шину 15 питания. Введение новых эле- . ментов и образование новых связей между элементами устройства позволяет уменьшить уровень потерь энергии, т.к. уменьшение напряжений питания кварцевого генератора 6 до величины меньшей, чем сумма пороговых напряжений р-канального и 4 и п-каналь- ного 9 транзисторов, исключа ет сквоз- . ной ток инвертирующего усилителя за счет перезаряда входной и выходной мощностей генератора 12 емкостного тотса. 4 ил. i (Л 1 01 О5 СП

фие.2

gjus.4