Частотнозадающий орган электронного прибора времени Советский патент 1991 года по МПК G04G3/00 

Изобретение относится к приборостроению и предназначено для исполь- . зования при реализации автономных наручных часов на интегральной микро- .схеме (ИМС).

Целью изобретения является повышение КПД и надежности в работе.

На фиг. 1 представлена функциональная схема описываемого частотно- задающего органа электронного прибора времени) на фиг,2 приведена зависимость времени запуска используемого кварцевого генератора от крутизны коэффициента усиления.

Устройство содержит источник напряжения постоянного тока с шиной 1 нулевого потенциала и потенциальной питающей шиной 2, опорный р-канзль- ный транзистор 3, вспомогательный р-канальный транзистор k, резисторы 3-8, n-канальный транзистор 9 форсажа, делитель 10 частоты, регулирующий n-канальный транзистор 11, генератор 12 емкостного тока (мост с четырьмя коммутационными транзисторами, сглаживающим и двумя коммутируемыми конденсаторами), опорный n-канальный транзистор 13S вывод И для подключения потенциального вывод нагрузки, промежуточную потенциальную шину IS Шина 16 управления крутизной коэффициента усиления, шина 17 управления обратной связью и шина 18 управления режимом относятся к кварцевому генератору 19, в состав которого входят также усилительный р-канальный транзистор 20, усилительный n-канальный транзистор 21, кварцевый резистор 22, конденсаторы 23, 2, р- и n-канальный транзисторы 25 и 26 обратной связи. Истоки и подложки опорного и вспомогательного р-канальных транзисторов 3 и соединены с шиной 1 нулевого потенциала. У опорного и регулирующего п-каналь- ных транзисторов 13 и 11 соответственно сток и затвор подключены к стоку вспомательного р-канального транзистора , а соответственно исток и сток соединены друг с другом. Сток п-канального транзистора Э форсажа подключен к стоку регулирующего n-канального транзистора 11. Первый выходной вывод генератора 12 емкостного тока соединен с затвором опорного р-канального транзистора 3 и через резистор 5 - с его стоком, а потенциальный вывод подключен к потенциальной питающей шине 2, соединенной с подложками п-капального транзистора 9 форсажа,регулирующего п-каналыного транзистора 11 и через резистор 6 - с истоком последнего.

Резистор 7 включен между истоком n-канального опорного транзистора 13 и его подложкой, соединенной с промежуточной потенциальной шиной

10

15

20

25

70053 14

15. Питающие выводы делителя Ю частоты соединены с питающей и промежуточной потенциальными шинами 2 и 15, входной сигнальный вывод - с первым входным выводом генератора 12 емкостного тока, один из выходных выводов - с выводом И для подключения потенциального вывода нагрузки, а другой выходной вывод - с затвором n-канального транзистора 9 форсажа о В кварцевом генераторе 19 исток и подложка усилительного р-канального транзистора 20 подключены к шине 1 нулевого потенциала, сток - к входному сигнальному выводу делителя 10 частоты, а затвор - к второму входному выводу генератора 12 емкостного тока. Исгок усилительного п-канального транзистора 21 соединен с промежуточной потенциальной шиной 15, а сток и затвор соответственно со стоком и затворам р-канального усилительного транзистора 20.

Кварцевый резонатор 22 включен между объединенными затворами и стоками усилительных р-канального и n-канального транзисторов 20 и 21. соединенными соответственно через конденсаторы 23 и 2k с промежуточной потенциальной шиной 15. Резис- стор 8 включен между потенциальной питающей шиной 2 и истоком п-каналь- .,;- ного транзистора 9 форсажа. Подложки р- и n-канального транзисторов 25 и 26 обратной связи соединены соответственно с шиной 1 нулевого потенциала и промежуточной потенциальной шиной 15, их истоки подключены к второму входному выводу генератора 12 емкостного тока, а стоки - к входному сигнальному выводу делителя 10 частоты. Шина 18 управления режимом соединена со стоком опорного р-канального транзистора 3 и затворами опорного ti-канального транзистора 13 и п-каналь- ного транзистора 26 обратной связи, шина 17 управления обратной связью - с затворами опорного и вспомогательного р-канальных транзисторов 3 и и р-канального транзистора 25 обратной связи, шина 16 управления крутизной коэффициента усиления - с подложкой усилительного п-каналь- ного транзистора 21 и истоком п-ка- нального опорного транзистора 13. Второй выходной вывод генератора 12

30

40

45

50

55

емкостного тока подключен к промежуточной потенциальной шине 13.

Работает устройство следующим образом.

При подведении питающего напряжения к шинам 1,2с соответствующего выхода делителя 10 частоты на затво транзистора 9 форсажа поступает от- лирающий уровень напряжения, и вся часовая ИМС подключается к источник через резистор 8, который ограничивает ток ИМС в режиме форсажа и уменьшает напряжение, передаваемое через транзистор 9. Уровень напряжения питания, требующийся кварцевому генератору 19 для его надежного запуска в режиме форсажа ограничен не только снизу, но и све ху. С ростом напряжения питания растет крутизна коэффициента усиления и тем самым изменяется условие баланса амплитуды и фазы колебаний генератора 19. Очевидно, что степен компромисса между допустимыми, низким и высоким уровнями напряжения питания генератора 19 в момент его запуска в режиме форсажа определяется величиной резистора 8.Через формируемый делителем 10 частоты промежуток времени, достаточный для выхода генератора 19 в стационарный режим колебаний, отпирающий импульс напряжения на затворе транзистора 9 заканчивается и генератор 19 переходит в рабочий режим с минимальным потреблением тока от источника питания всех блоков ИМС.

На генератор 12 емкостного тока с входа и выхода кварцевого генератора 19 поступают парафазные импульсы напряжения амплитудой, равной уровню питания на шине 15. Поскольку второй выходной вывод генератора 12 емкостного тока подключен непосредственно к шине 15 запирающий нулевой сигнал на входе или выходе генератора 19 обеспечивает нулевой уровень напряжения между затвором и истоком коммутационных транзисторов генератора 12-емкостного тока и исключает возможность протекания паразитного сквозного тока через последовательно включенные транзисторы, управляемые пара- фазным сигналом. Кроме того, ток генератора 12 протекает через резис тор 7 токовой обратной связи, что стабилизирует систему в целом м до0

5

0

5

0

5

0

5

0

5

полнительно снижает потребление тока, поскольку сдвигает в благоприятную сторону границу баланса между устойчивостью системы и потребляемой мощностью.

В рабочем режиме на затворах опорных р- и n-канального транзисторов 3 и 13 устанавливаются напряжения, близкие к значениям пороговых напряжений р- и n-канальных транзисторов устройства Эти уровни напряжения поступают на шины 17 и 18 и соответственно на затворы р-каналь- ногас и n-канального транзисторов 25 и 26 обратной связи кварцевого генератора 19. В работающем кварцевом генераторе 19 транзисторы 25 и 26 обратной связи основное время запер-1 ты и отпираются поочередно только в те моменты; когда напряжение на выходе кварцевого генератора 19 становится равным либо нулевому потенциалу шины 1, либо потенциалу шины 15. Иными словами транзисторы 25 и 26 обратной связи управляются напряжением на их истоках. Они заперты до тех пор, пока инвертирующий усилитель (на транзисторах 20 и 21) находится в линейной области. Естественно, в это время шунтирование входного сигнала транзисторами 25 и 26 обратной связи не происходит. Транзисторы 25 и 26 отпираются как раз тогда, когда усили- ; тель выходит из линейной области и работает в режиме ключа. Открытые в. эти моменты времени транзисторы 25 и 26 способствуют максимально быстрому выходу усилителя из ключевого режима, что делает форму выходного сигнала близкой к синусоидальной. Синусоидальная или близкая к синусоидальной форма импульса по сравнению, например, с прямоугольной обуславливает меньшее токовое потребление кварцевого генератора 19 от источника питания.

Таким образом, отсутствие шунтирования входа инвертирующего усилителя в линейной области его работы и приближение формы выходного сигнала к синусоидальной за счет шунтирования входа тогда, когда усилитель переходит в ключевой режим, позволяют использовать в кварцевом генераторе 19 усилитель с меньшей крутизной а следовательно, дополнительно уменьшить потребляемую

мощность устройства. Расчет параметров подобного кварцевого генератора показывает, что его ток потребления состоит из линейного тока потребления, сквозного тока усили™ теля и тока нелинейных искажений. Линейный ток потребления зависит JOT напряжения питания, качества кварцевого резонатора и крутизны усилителя. Сквозной ток обусловлен одновременным прохождением тока че рез р- и n-канальный транзисторы. Ток нелинейных искажений вызывает- 1ся несинусоидаяьной формой выходно- |го сигнала усилителя из-за работы усилительного каскада в режиме: отсечки с Ток нелинейных искажений и сквозной ток являются бесполезной тратой энергии и не способствуют поддержанию колебаний в системе, поскольку резонатор служит фильтром и отфильтровывает не- юсновные гармоники. Чем выше крутиз на усилителя, тем более прямоуголь- ной оказывается форма выходного сигнала, тем больше вклад высоких (гармоник и выше ток нелинейных искажений.

В стационарном режиме колебаний кварцевого генератора 19 на шину 16 и, следовательно, на подложку усили тельного n-канального транзистора |21 поступает управляющий сигнал, равный падению напряжения на резисторе 8 токовой обратной связи. Этот сигнал смещает подложку транзистора 21 относительно его истока и тем самым меняет крутизну характеристик усилителя. Результаты расчетов, а также экспериментальных измерений приведенного варианта кварцевого генератора (емкостной трехтонки)- 19 показывают, что существует диапазон крутизны усилителя,-в котором возможен запуск и стационарные колебания .кварцевого генератора 19.

График характерной зависимости времени запуска кварцевого генератора от крутизны коэффициента усиления (см.фиг.2) показывает, что дл надежного и быстрого запуска кварцевого генератора 19 крутизна должна быть в пределах

5цЈ S - Sz

Крутизна коэффициента усиления зависит от напряжения питания и веO

5

0

5

0

5

0

5

0

5

личин порогов усилительных р- и п-ка- нального транзисторов 20 и 21. При высоком напряжении питания и низких пороговых напряжениях крутизна увеличивается в момент форсажа, когда на кварцевый генератор 19 подается напряжение с шин 1, 2 и может превысить допустимую величину, т.е. помешать запуску кварцевого генератора 19.

Под влиянием каких-либо дестабилизирующих факторов, например температуры, может произойти уменьшение амплитуды колебаний кварцевого генератора 19, что сразу же вызовет уменьшение тока потребления устройства и падения напряжения на резисторе 8„ Это приводит в свою очередь к отпиранию управляющего п-канально- го транзистора 21 за счет уменьшения напряжения смещения подложки и, как следствие, к компенсирующему увеличению амплитуды колебаний кварцевого генератора 19.

формула изобретения

Частотно-задающий орган электронного прибора времени, содержащий источник напряжения постоянного тока с потенциальной питающей шиной и шиной нулевого потенциала, опорный и вспомогательный р-канальные транзисторы, истоки и подложки которых соединены с шиной нулевого потенциала, опорный и регулирующий n-канальные транзисторы., у которых соответственно сток и затвор подключены к стоку вспомогательного р-канального транзистора, а соответственно исток и сток соединены друг с другом, n-канальный транзистор форсажа, сток которого подключен к стоку регулирующего п-каналь- ного транзистора, -генератор емкостного тока, первый выхолной вывод которого соединен с затвором опорного р-канального транзистора и через первый резистор - с его стоком, а потенциальный вывод подключен к потенциальной питающей шине, соединенной с подложками п-канального транзистора форсажа, регулирующего n-канального транзистора и через второй резистор - с истоком последнего, третий резистор, включенный между истоком n-канального опорного транзистора и его подложкой, соединеннои с промежуточной потенциальной шиной, делитель частоты, питающие выводы которого соединены с питающей и промежуточной потенциальными шинами, входной сигнальный вывод - с первым входным выводом генератора емкостного тока, один из выходных выводов - с выводом для .подключения i потенциального вывода нагрузки, а другой выходной вывод - с затвором n-канального транзистора форсажа, кварцевый генератор, включающий в себя усилительный р-ка- нальный транзистор, исток и подложка которого подключены к шине нулевого потенциала, сток - к входному сигнальному выводу делителя частоты, а затвор - к второму входному выводу генератора емкостного тока, усилительный п-канальный транзистор, исток которого соединен с промежуточной потенциальной шиной, а сток и затвор - соответственно со стоком и затвором р- канального усилительного транзистора, кварцевый резонатор, включенный между объединенными затворами и стоками усилительных р-канально- го и n-канального транзисторов, соединенными соответственно через первый и второй конденсаторы с промежуточной потенциальной шиной, отличающийся тем,что, с целью повышения КПД и надежности

0

5

0

5

0

в работе, в него введен четвертый . резисторsa кварцевый генератор снабжен р- и n-канальным транзисторами обратной связи, шинами управления обратной связью, режимом и крутизной коэффициента усиления, причем четвертый резистор включен между потенциальной питающей шиной и истоком n-канального транзистора форсажа, подлложки р- и п-камально- го транзисторов обратной связи соединены соответственно с шиной нулевого потенциала и промежуточной потенциальной шиной, их истоки под ключены к второму входному выводу генератора емкостного тока, а стоки - к входному сигнальному выводу делителя частоты, шина управления режимом соединена со стоком опорного р-ка- нального транзистора и затворами опорного n-канального транзистора и n-канального транзистора обратной связи, шина управления обратной связью - с затворами опорного и вспомогательного р-канальных транзисторов и р-канального транзистора обратной связи, шина управления крутизной коэффициента усиления - с подложкой усилительного п-каналь- ного транзистора и истоком п-каналь ного опорного транзистора, а второй выходной вывод генератора емкостного тока подключен к промежуточной потенциальной шине.

Изобретение относится к приборостроению, в частности к электронным приборам времени. Цель - повышение КПД и надежности в работе. Устройство содержит источник напряжения постоянного тока с шиной 1 нулевого потенциала и потенциальной питающей шиной 2, опорный р-канальный транзистор 3 вспомогательный р-канальный транзистор 4, резисторы 5-8, п-ка|нальный транзистор 9 форсажа, делитель 10 частоты, регулирующий п-ка- нальный транзистор 11, генератор 12 емкостного тока, опорный п-каналь- ный транзистор 13, вывод 14 для подключения потенциального вывода нагрузки, промежуточную потенциальную шину 15. Шина 16 управления крутизной коэффициента усиления, шина 17 управления обратной связью и шина 18 управления режимом относятся к кварцевому генератору 19, в состав которого входят также усилительный р-канальный транзистор 20, усилительный n-канальный транзистор 21, кварцевый резонатор 22, конденсаторы 23, 24, р- и n-канальный транзисторы 25 и 26 обратной связи. Генератор 12 емкостного тока, инвертирующий усилитель на транзисторах 20, 21 и транзисторы 25, 26 охвачены общей токовой обратной связью. Отсутствие шунтирования входа инвертирующего усилителя в линейной области его работы и приближение формы выходного сигнала к синусоидальной за ючет шунтирования входа при приближении усилителя к ключевому режиму позволяют использовать в кварцевом генераторе 19 усилитель с меньшей крутизной, а следоватетельно, дополнительно уменьшить потребляемую мощность устройства. Надежный запуск генератора 19 предопределяется выбором оптимального рабочего участка временной зависимости крутизны коэффициента усиления. 2 ил (Я ел ОЭ Јь

,8

запуска

О

$ш. 2.

I

|

S2

2 (мкА/В)