Источник питания часовой интегральной схемы Советский патент 1992 года по МПК H02M7/537 

Изобретение относится к электронным приборам времени и может быть использовано для создания наручных часов на К-МОП транзисторах с пониженным потреблением энергии от батареи.

Известен стабилизатор напряжения питания электронных часов, состоящий из датчиков опорных напряжений на р- и n-канальных транзисторах, дифференциального усилителя, с помощью которого сравнивается напряжение стабилизатора с опорным и регулирующего транзистора, подключенного к выходу данного стабилизатора.

Недостатком данного стабилизатора напряжения является отсутствие функциональной обратной связи между выходным напряжением стабилизатора и электрическими параметрами напряжения генератора

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому изобретению является стабилизатор напряжения питания часовой интегральной схемы, содержащий кварцевый генератор, динамический генератор емкостного тока, опорные р- и п-ка- нальные транзисторы, делитель частоты резисторы, соединенные соответствующим образом.

Недостатком этого стабилизатора является то. что одним из критериев устойчивой работы генератора выбран ток потребле Ч

N5

Ю

ния, который не является однозначной функцией амплитуды его колебаний.

Кроме этого, недостатком следует считать узкий динамический диапазон выходного напряжения стабилизатора, в результате чего не обеспечивается достаточно глубокая функциональная обратная связь с электрическими параметрами кварцевого генератора.

Наличие специальной цепи форсаж также является недостатком, т.к эта цепь обеспечивает уверенный запуск генератора путем подачи на него полного напряжения только по включении питания или начальной установки.

Следствием этого является нестабильный самопуск генератора при случайном срыве его колебаний, а также ограниченные области его устойчивой работы при изменении параметров электрической нагрузки.

Организация функциональной обратной связи между выходным напряжением стабилизатора и током потребления генератора предполагает наличие высокоомных резисторов с малыми технологическими разбросами. Причем величины этих резисторов должны коррелироваться с порогами транзисторов, входящих в схему генератора. Это накладывает дополнительные ограничения на технологические процессы изготовления схемы.

Целью изобретения является расширение области устойчивой работы, обеспечение самопуска и упрощение технологии изготовления.

Поставленная цель достигается тем. что в источник питания часовой интегральной схемы, содержащей выводы для подключения первичного источника питания, выводы для подключения нагрузки по постоянному току, к которым подключен вход кварцевого генератора, соединенного выходом с выводами для подключения нагрузки по переменному току, первый п-канальный транзистор, затвор которого подключен к первому выводу первого резистора, второй и третий n-канальные транзисторы, в последнем из которых подложкой соединена с истоком, второй и третий резисторы, введены два конденсатора и диод, причем первые выводы первого конденсатора и диода соединены с затвором третьего п-канального транзистора, второй вывод диода - со стоком второго n-канального транзистора и первым выводом третьего резистора, второй вывод первого резистора - с затвором второго n-канального транзистора и первым выводом второго конденсатора, первый вывод второго резистора - со стоком и затвором первого n-канального транзистора.

истоки и подложки первого и второго п-ка- нальных транзисторов и исток третьего п- канального транзистора - с первым выводом для подключения первичного источника питания, сток третьего п-канального транзистора - с первым выводом для подключения нагрузки по постоянному току, вторые выводы первого конденсатора, второго и третьего резисторов - с вторыми

0 выводами для подключения первичного источника питания и нагрузки по постоянному току, а второй вывод второго конденсатора - с соответствующим выводом для подключения нагрузки по переменному току.

5Кроме этого, источник питания часовой

интегральной схемы отличается тем, что совокупность второго и третьего резисторов выполнена в виде трех р-канальных транзисторов и генератора стабильного тока, при0 чем затворы первого, второго и третьего р-канальных транзисторов соединены со стоком третьего р-канального транзистора и через генератор стабильного тока - с первым выводом первичного источника пита5 ния. исток и подложка третьего, а такде подложка первого и второго р-канальных транзисторов соединены со вторым выводом для подключения первичного источника питания, а стоки и истоки первого и второго

0 р-канальных транзисторов использованы в качестве соответственно первых и вторых выводов второго и третьего резисторов.

Предлагаемое устройство отличается от известного новой совокупностью призна5 ков, состоящей из двух конденсаторов и диода, соединенных соответствующим образом.

Введенные отличительные признаки позволяют обеспечить уверенный самопуск

0 кварцевого генератора при срыве его колебаний, в связи с этим исключить цепь форсаж, расширить диапазон его устойчивой работы в широком диапазоне изменения параметров электрической нагрузки и уп5 ростить технологию изготовления микросхемы.

На фиг, 1 приведена принципиальная схема устройства; на фиг. 2 - принципиальная схема устройства с р-канальными тран0 зисторами, включенными по схеме токового зеркала; на фиг. 3 - принципиальная схема кварцевого генератора.

Источник питания часовой интегральной схемы (фиг. 1) состоит из кварцевого

5 генератора 1 и его выхода 2 для подключения нагрузки по переменному току, первого конденсатора 3, выполняющего функции интегрирующей емкости, второго конденсатора 4, выполняющего функции разделительного конденсатора, первого п-канального транзистора 10, являющегося датчиком опорного напряжения, второго п-ка- нального транзистора 8, являющегося усилителем отрицательной обратной связи, третьего n-канального транзистора 5, выполняющего функции регулирующего транзистора; первого резистора 9 в качестве развязывающего резистора, второго резистора 11 в качестве токозадающего резистора, третьего резистора 7 в качестве нагрузочного резистора, диода б в качестве диода утечки, вывода 12 для подключения первичного источника питания, вывода 14 для подключения нагрузки по постоянному току общей шины 13 питания.

К выходу 2 кварцевого генератора 1 подключен разделительный конденсатор 4. второй вывод которого подключен к затвору усилительного n-канального транзистора 8 и второму выводу развязывающего резистора 9, первый вывод которого объединен с вторым выводом токозадающего резистора 11 и соединен с затвором и стоком датчика опорного напряжения n-канального транзистора 10, исток и подложка которого объединены с потоками и подложками усилительного n-канального транзистора 8 и регулирующего транзистора 5 и соединены с шиной первичного источника питания 12, первые выводы токозадающего резистора 11 и нагрузочного резистора 7 подключе- ны к общей шине 13, второй вывод нагрузочного резистора 7 объединен с катодом диода утечки 6 и соединен со стоком усилительного n-канального транзистора 7, а анод диода 5 объединен с первым выводом интегрирующего конденсатора 3 и сое- динен с затвором регулирующего транзистора 5, второй вывод конденсатора 3 подключен к общей шине, а сток регулирующего транзистора 5 подключен к шине подключения нагрузки 14. Источник питания (фиг. 2) с введенными генератором ста- бильного тока 18 (ГСТ) и опорным р-канальным транзистором 17 и с резисторами 7 и 11, выполненными в виде р-каналь- ных транзисторов 15 и 16. затворы которых объединены и подключены к выходу генератора 18, затвор и сток транзистора 17 объединены и также подключены к выходу ГСТ. а истоки этих транзисторов подключены к общей шине 13, сток транзистора 15 подключен к аноду диода утечки 6, а сток транзистора 16 к затвору п-канального транзистора 10.

Кварцевый генератор (фиг. 3) содержит р-канальный транзистор 19, п-канальный транзистор 20, резистор обратной связи 21. кварцевый резонатор 22. входной конденсатор 23 и выходной конденсатор 24.

Источник питания (фиг.1) работает следующим образом. При включении напряжения питания по шинам 13 и 12 на затвор р-канального транзистора 8 через развязывающий резистор 9 подается опорное напряжение, сформированное на п-канальном транзисторе 10 в диодном включении. Величина этого напряжения определяется геометрическим размером транзистора 10 и

величиной токозадающего резистора 11. Транзистор 8 является по отношению к транзистору 10 токовым зеркалом и его размеры выбираются таким образом, чтобы он находился в предпороговой области, т.е. с

малым током стока. Режим рабсть транзистора можно отнести к классу В, т.е. к режиму работы практически с отсечкой тока стока. Благодаря этому затвор регулирующего транзистора 5 через обратно включенный диод 6 и резистор 7 оказывается подключенным к общей шине 13, что обеспечивает его открывание. Отпирание транзистора 5 приводит к тому, что практически полное напряжение питания подается

на кварцевый генератор. Это приводит к его форсированному запуску. Сигнал с выхода 2 кварцевого генератора 1 через конденсатор 4 подается на затвор транзистора 8.

Введение разделительного конденсатора 4 делает независимым режим работы транзисторов 8 и 5 от параметров транзисторов генератора. Отрицательная полуволна синусоидального сигнала не изменяет

состояние транзистора 8, а положительная приводит к его отпиранию и к появлению тока стока. Таким образом, транзистор 8 выполняет функции детектирующего диода и одновременно усилителя отрицательной

обратной связи. Отпирание транзистора 8 приводит к быстрому подзаряду интегрирующей емкости 3 через диод 6, включенный в прямом напряжении для тока подзаряда. Емкость 3 за несколько периодов генерируемой частоты заряжается до пикового значения амплитуды импульсов с выхода транзистора 8. что приводит к подзапира- нию транзистора 5 и повышению напряжения на шине 14. а следовательно, к

уменьшению амплитуды выходного сигнала генератора. Это в свою очередь, вызовет подзапирание транзистора 8, приоткрыва- ние транзистора 5 и увеличение напряжения на шине 14 выхода источника. При этом

в связи с тем, что разряд конденсатора 3 происходит через обратное сопротивление диода 6 и высокоомный резистор 7 открывание транзистора 5 и увеличение напряжения на шине 14 будет происходить медленно, порядка 2-3 с. Это предотврает появление низкочастотных паразитных колебаний, которые могли бы возникнуть за счет переходных процессов в кварцевом генераторе. Смещение на затворе транзистора 8 формируется, как было указано выше, на п-канальном транзисторе 10, обеспечивая стабилизацию режима усилителя обратной связи. Величина резистора 9 не является критичной, т.к. он служит только для передачи опорного напряжения на затвор тран- зистора 8 и не должен существенно нагружать выход генератора. Резисторы 7 и 11 могут быть выполнены в виде р-каналь- ных транзисторов 15 и 16, включенных по схеме токового зеркала. Пример реализа- ции приведен на фиг. 2. В этом случае необходимо создание генератора стабильного тока, задающего необходимую величину тока в требуемом участке цепи. В принципе схема кварцевого генератора 1 может быть любой и выполнена на любой элементной базе. Необходимым условием является лишь зависимость амплитуды выходного наряжения генератора от напряжения питания, Это расширяет область применения источника питания.

Оценим амплитуду выходного напряжения генератора в стационарном режиме

Для этого обозначим напряжение на шине 12 по отношению к шине 13 Ei2. Ток через транзистор 10, находящийся в пологой области вольтамперной характеристики, определяется путем решения следующей системы уравнений:

I (U310-V№)2

hoRn.

где Уз - напряжение на затворе транзистора 10 относительно истока;

/Зю - крутизна транзистора 10,

VN° - порог N-канального транзистора.

Решая эту систему уравнений получаем

Ч (Ei2-V№)-1 Rn2

Транзистор 8 включен по схеме токового зеркала, поэтому ток через него определяется как

, fk , .

где /За крутизна транзистора 8.

Напряжение на затворе транзистора 5 U35 Ei2- IsR

Для уверенного запуска генератора 1 при отсутствии колебаний на его выходе транзистор 5 должен находиться в крутой области вольтамперной характеристики и иметь сопротивление не более некоторой величины R0.

R5 Ro . (2)

#(Ei2-i8 -R7-v№) Неравенство (2) позволяет подобрать

соотношение величины Ry, Rn, , /fe и /fe. Зона регулирования выходного напряжения на шине 14 по амплитуде колебаний на выходе генератора 1 может быть примерно оценена из условия выведения транзистора 5 а пологую область вольтамперной характеристики:

Уз5 Е 12 -Is R7 VN°. (3) При достаточно большой постоянной времени цепочки, составленной из конденсатора 4 и резистора 9, наибольшее напряжение затворе транзистора 8 достигает величины:

Но Rn+ Vm, где Vm - амплитуда колебаний на выходе генератора 1. При этом

Is /За (Ei2 - Но Rn Vm - VN°). (4) Из выражений (1), (3) и (4) находим примерное значение в стационарном режиме

Vm

Ј12 - VN

35

и40

а.

м

ое5

45

1

) 50

55

V1 (Ei2-V№)-1

При типовых значениях величин Ј12 -- 1,5 В; 10 6А/В2; RynRn Ом можно вычислить амплитуду колебаний на выходе генератора в стационарном режиме Vm «0,24 В.

Описанный механизм взаимодействия определяется общей отрицательной обратной связью по выходному напряжению генератора, за счет которой осуществляется динамическая стабилизация выходного напряжения источника на уровне, необходимом для устойчивой работы генератора с минимальным током потребления.

Если в силу каких-либо причин произой дет срыв колебаний генератора, то запирающий потенциал на затворе транзистора 8 увеличится и приведет в действие механизм, описанный выше, в результате чего на шине 14 появится полное напряжение питания

Таким образом, описанные свойства отличают данное устройство от известного тем что создан механизм запуска генератоpa без применения сложных цепей форсажа, увеличивающих оборудование. Кроме того, цепь форсаж обеспечивает надежный запуск генератора только в случае включения напряжения питания на шинах 12 и 13, так как только в этом случае на генератор подается полное напряжение питания Е, что существенно снижает надежность запуска генератора при случайном срыве колебаний. Таким образом, изобрете- ние позволяет увеличить область устойчивой работы генератора в широком диапазоне изменений его электрических нагрузок, обеспечить надежный самопуск генератора как при включении питания, так и при насильственном срыве его колебаний, обеспечить некритичность выходных параметров источника питания к разбросам резисторов, входящих в устройство, что упрощает технологические процессы при изготовлении схемы.

Формула изобретения 1. Источник питания часовой интегральной схемы, содержащий выводы для подключения первичного источника питания. выводы для подключения нагрузки по постоянному току, к которым подключен вход кварцевого генератора, соединенного выхот дом с выводами для подключения нагрузки по переменному току, первый п-канальный транзистор, затвор которого подключен к первому выводу первого резистора, второй и третий n-канальные транзисторы, в последнем из которых подложка соединена с истоком, второй и третий резисторы, о т л и- чающийся тем, что, с целью расширения области устойчивой работы, обеспечения устойчивого самозапуска и упрощения технологии изготовления, в него введены два конденсатора и диод, причем первые выво- ды первого конденсатора и диода соединены с затвором третьего n-канального транзистора, второй вывод диода - со стоком второго n-канального транзистора и первым выводом третьего резистора второй вывод первого резистора - с затвором второго п- канального транзистора и первым выводом второго конденсатора, первый вывод второго резистора - со стоком и затвором первого n-канального транзистора, истоки и подложки первого и второго n-канальных транзисторов и исток третьего п-канального транзистора - с первым выводом для подключения первичного источника питания, сток третьего n-канального транзистора - с первым выводом для подключения нагрузки по постоянному току, вторые выводы первого конденсатора, второго и третьего резисторов - с вторыми выводами для подключения первичного источника питания и нагрузки по постоянному току, а второй вывод второго конденсатора - с соответствующим выводом для подключения нагрузки по переменному току.

2. Источник питания по п.1 , о т л и ч а ю- щ и и с я тем, что совокупность второго и третьего резисторов выполнена в виде трех р-канальных транзисторов и генератора стабильного тока, причем затворы первого, второго и третьего р-канальных транзисторов соединены со стоком третьего р-каналь- ного транзистора и через генератор стабильного тока - с первым выводом для подключения первичного источника питания, исток и подложка третьего, а также подложки первого и второго р-канальных транзисторов соединены с вторым выводом для подключения первичного источника питания, а стоки и истоки первого и второго р-канальных транзисторов использованы в качестве соответственно первых и вторых выводов второго и третьего резисторов.

i

Ј

-о

Изобретение относится к электротехнике, в частности к источникам вторичного электропитания. Цель изобретения - расширение области устойчивой работы, обес- печенге устойчивого самозапуска и упрощение гехнологии изготовления. Источник содержит регулятор напряжения постоянного тока последовательного типа и подключенный к его выходу кварцевый генератор Одна часть нагрузки питается выходным напряжением регулятора, а другая - от генератора. Обратная связь осуществляется по переменному току. Введение в обратную связь разделительного конденсатора исключает зависимость режима работы транзисторов регулятора от параметров транзисторов генератора. При выбранной схеме регулятора и введении в нее, в частности, интегрирующего конденсатора предотвращается появление низкочастотных паразитных колебаний выходного напряжения постоянного тока при наличии переходных процессов в генераторе. Предусмотрена стабилизация режима усилителя обратной связи. Механизм запуска источника реализован без применения сложных цепей форсажа. Выходные технические характеристики источника питания некритичны к разбросам составных резисторов. 1 з.п.ф-лы, 3 ил. со с

i

«XSv

C

U -I-

M

L

(X

s 6

V

ъ

N k 3

-Ј

СТ

30

/#/г 3