Кварцевый генератор Советский патент 1992 года по МПК H03B5/36 

со

с

Изобретение относится к электронной технике и может быть использовано в электронных часах и других устройствах, работающих от автономных источников тока в условиях минимального потребления энергии. Целью изобретения является повышение стабильности и повышение -U надежности. Кварцевый генератор содержит первый N-канальный и первый Р-ка- нальный транзисторы 1, 2, первый и второй конденсаторы 3, 4, кварцевый резонатор 5, третий и четвертый конденсаторы 6, 7, второй N-канальный и второй Р-канальный транзисторы 8, 9, третий и четвертый Р-ка- нальные транзисторы 10, 11,третий,четвертый и пятый N-канальные транзисторы 12, 13, 14, пятый Р-канальный транзистор 15, шестой N-канальный и шестой Р-канальный транзисторы 16, 17. В кварцевом генераторе повышение стабильности и надежности достигается за счет снижения влияния разброса технологических параметров элементов путем использования глубокой отрицательной обратной связи 2 ил

ч

ON N СО

VI

Ю

Изобретение относится к электронной технике и может быть использовано в электронных часах и других устройствах, работающих от автономных источников тока в условиях минимального потребления энергии.

Цель изобретения - повышение надежности работы за счет снижения влияния разброса технологических параметров на стабильность характеристик генератора.

На фиг. 1 приведена принципиальная электрическая схема генератора; на фиг, 2 - графики изменения напряжений в установившемся режиме автоколебаний, полученные в результате расчета генератора с помощью системы аналогового моделирования SPiCE.

Кварцевый генератор содержит первый N-канальный транзистор 1, исток которого подключен к шине питания, первый Р-ка- нальный транзистор 2, исток которого подключен к общей шине, первый и второй конденсаторы 3, 4. первые выводы которых подключены к затворам соответственно первого N-канального транзистора и первого Р-канального транзистора, кварцевый резонатор 5, третий конденсатор 6 который включен между первым выводом кварцевого резонатора и общей шиной, четвертый конденсатор 7, который включен между вторым выводом кварцевого резонатора и общей шиной, второй N-канальный транзистор 8, исток которого подключен к шине питания, второй Р-канальный транзистор 9, исток которого подключен к общей шине, а сток подключен к стоку второго N-канального транзистора, третий 10 и четвертый 11 Р-канальные транзисторы, затворы которых подключены к шине питания, третий 12 и четвертый N-ка- нальные транзисторы 13 затворы которых подключены к общей шине, при этом истоки четвертого Р-канального транзистора и четвертого N-канального транзистора подключены к второму выводу кварцевого резонатора, пятый 14 и шестой N-каналь- ные транзисторы 15, пятый 5Р и шестой 6Р Р-канальные транзисторы 16, 17.

Кварцевый генератор работает следующим образом.

В первый момент после включения источника питания конденсатор 7 разряжен, т.е. потенциал истока Р-канального транзистора 11 равен нулю. Подключение затвора этого транзистора к шине питания (-Un) обеспечивает его открытое состояние. При этом, нулевой потенциал через транзистор 11 подается на затворы N-канальных транзисторов 1 и 8, чем обеспечивается их проводящее состояние. Через транзистор 1

происходит быстрый заряд конденсатора 6. Через транзистор 8 потенциал источника подается к истоку N-канального транзистора 12. Подключение затвора этого транзистора к общей шине обеспечивает его открытое состояние и через транзисторы 8, 12, 11 происходит заряд конденсатора 7. По мере заряда конденсатора 7 возрастает разность потенциалов затвор-исток N-каналь0 ного транзистора 13 и при достижении порогового значения последний открывается и на затворы Р-канальных транзисторов 1,9 подается потенциал конденсатора 7, Так как транзисторы 1, 2, 8 и 9 представляют

5 собой согласованные пары, то после окончания переходных процессов напряжения на конденсаторах 6, 7 стоках транзисторов 8, 9 (выход генератора) и затворах транзисторов 1,2,8,9 будет равным Un/2. При этом

0 конденсаторы 3, 4 разряжены. Таким образом, создаются условия для возбуждения генератора. Колебания, возникающие за счет флуктуационных явлений, передаются с конденсатора 7 через короткоканальные

5 транзисторы 14, 16 и конденсаторы 3, 4 на затворы транзисторов 1,2, 8, 9. Для обеспечения надежного запуска генератора транзисторы 1, 2 выбираются достаточно мощными (). После запуска генерато0 ра через N-канальный транзистор 15 происходит постепенный заряд конденсатора 3, транзистор 15 будет находиться в проводящем состоянии при потенциале его источника (выход генератора) отрицательнее

5 потенциала затвора на величину порогового напряжения, т.е. в процессе колебаний потенциал верхней по схеме обкладки конденсатора 3 относительно потенциала шинь питания достигает значения порогового на0 пряжения N-канального транзистора npi/ условии полного размаха колебаний на выходе генератора. Аналогично, через Р-канальный транзистор 17 происходит постепенный заряд конденсатора 4. Тран

5 зистор 17 будет находиться в проводящее состоянии при потенциале его источнике (выход генератора) положительнее потен ци ала затвора на величину порогового напря жения, т.е. в процессе колебаний потенциа;

0 нижней по схеме обкладки конденсатора достигнет значения порогового напряженш Р-канального транзистора.

Таким образом, независимо от разбро са технологических параметров, в устано

5 вившемся режиме автоколебаний, рабочж точки транзисторов 1,8,2, 9 устанавливают ся на их пороговые значения, чем исключа ется протекание сквозных токов в процесс переключения транзисторов. Транзисторь 1, 2 выбираются достаточно мощными, поэ

тому для экономичной работы генератора амплитуда отпирающей полуволны колебаний на затворах этих транзисторов должна быть уменьшена. С этой целью в схеме предусмотрены цепи отрицательной обратной связи раздельного управления формой сигнала на затворах транзисторов 1, 8 и 2, 9. Цепь управления формой сигнала на затворах транзисторов 1, 8 состоит из транзисторов 11, 12, 14 и конденсатора 3. Принцип действия отрицательной обратной связи (управления формой сигнала на затворах транзисторов 1, 8 заключается в одновременной подаче сигнала с выхода генератора через транзистор 12 и сигнала положительной обратной связи с четырехполюсника обратной связи (конденсатора 7) через транзистор 11 и последовательно включенные транзистор 14 и конденсатор 3 на затворы транзисторов 1, 8. При этом форма сигнала на затворах транзисторов 1, 8 будет определяться соотношение сопротивлений транзистор 12 - цепь, транзистор 14 - конденсатор 3. Транзисторы 11,12 выбираются длинноканальными, а транзистор 14 - ко- роткоканальным.

Рассмотрим работу схемы отрицательной обратной связи с момента времени изменения напряжения на выходе генератора от -Un/2 до -Un (кривая 1. фиг. 2). При этом напряжение на конденсаторе7 (кривая 2, фиг. 2)уменьшается по модулю. Напряжение затвор-исток транзистора 3 увеличивается, его сопротивление уменьшается и достигает минимального значения при потенциале истока равным -Un. Напряжение затвор-исток транзистора 14 уменьшается, его сопротивление растет и достигает максимального значения (транзистор закрыт) при напряжении затвор-исток менее порогового напряжения N-канального транзистора. Напряжение затвор-исток транзистора 11 увеличивается, его сопротивление уменьшается и достигает минимального значения при минимальном по модулю напряжении на конденсаторе 7. Так как транзистор 11 длинноканальный, а транзистор 14 короткоканальный, то общее сопротивление параллельно включенных транзистора 11 - цепь, транзистор 14 - конденсатор 3, будет возрастать. В этом случае действие отрицательной обратной связи усиливается. Путем соответствующего выбора соотношений геометрии транзисторов 11, 12 обеспечивается увеличение по модулю напряжения на затворах транзисторов 1., 8 в отличие от сигнала на конденсаторе 7 где напряжение по модулю снижается.

При изменении напряжения на выходе генератора от -Un до -Un/2 напряжение на

конденсаторе 7 увеличивается по модулю. При этом сопротивление транзисторов 12, 11 увеличивается, сопротивление транзистора 14 уменьшается (при напряжении затвор-исток более его порогового значения он открывается). Общее сопротивление параллельно включенных транзистора 11 - цепь, транзистор 14 конденсатор 3, снижается за счет короткоканального транзистора

потенциала шины питания соответствует их пороговому напряжению, то описанный ранее процесс должен обеспечить два импульса, отпирающих транзисторы 1, 8 при возрастании по модулю выходного напряжения генератора от -Un/2 до -Un и снижении до -Un/2. Оба импульса действуют в течение открытого состояния короткоканального транзистора 14. Однако в кварцевых КМОП генераторах напряжение на

выходе КМОП инвертирующего усилителя сдвинуто по фазе относительно напряжения на его входе на угол более 180. Этот факт подтверждается расчетами (на фиг. 2 очевидно смещение кривой 1 относительно

кривой 2 более, чем на 180). В результате этого, действие отрицательной обратной связи (изменение сопротивления транзистора 12) запаздывает по времени, что увеличивает длительность первого отпирающего импульса и исключает действие второго отпирающего импульса на затворах транзисторов 1,8 (кривая 3, фиг. 2). При этом величина отпирающего импульса будет оп-. ределяться амплитудой выходного напряжения генератора и амплитудой колебаний напряжения на конденсаторе. Если амплитуда выходного напряжения генератора возрастает, то действие отрицательной обратной связи усиливается, что приведет к

снижению амплитуды отпирающего напряжения. Если амплитуда напряжения на конденсаторе 7 будет снижаться, то время открытого состояния транзистора 14 увеличивается, что приведет к ослаблению

действия отрицательной обратной связи и увеличению амплитуды отпирающего напряжения.

Таким образом, в генераторе сущест- венно снижено влияние разброса технологических параметров на надежность работы устройства за счет зависимости формы сигнала, отпирающего транзисторы 1. 8 от амплитуды выходного напряжения и амплитуды напряжения положительной обратной связи четырехполюсника обратной связи.

Во второй полупериод колебаний транзистор 14 постоянно открыт, что практически исключает действие отрицательной обратной связи, т.е. сигнал, запирающий транзисторы 1, 8 подается на их затворы без изменений с конденсатора 7.

Аналогичным образом работает цель управления формой сигнала на затворах транзисторов 2, 9 (кривая 4, фиг. 2), состоящая из транзисторов 10. 13, 16 и конденсатора 4.

В генераторе обеспечивается повышение надежности работы за счет снижения влияния разброса технологических параметров на стабильность характеристик генератора. Регулируемая отрицательная обратная связь генератора обеспечивает надежный запуск и экономичный режим его работы.

Формула изобретения Кварцевый генератор, содержащий первый N-канальный транзистор, исток которого подключен к шине питания, первый Р-канальный транзистор, исток которого подключен к общей шине, первый и второй конденсаторы, первые выводы которых подключены к затворам соответственно первого N-канального транзистора и первого Р-канального транзистора, кварцевый резонатор, третий конденсатор, который включен между первым выводом кварцевого резонатора и общей шиной, четвертый конденсатор, который включен между вторым выводом кварцевого резонатора и общей шиной, второй N-канальный транзистор, исток которого подключен к шине питания, второй Р-канальный транзистор, исток которого подключен к общей шине, а сток которого подключен к стоку второго N-канального транзистора, третий и четвертый Р-канальные транзисторы, затворы которых подключены к шине питания, третий и четвертый N-канальные транзисторы, затворы которых подключены к общей шине, при этом истоки четвертого Р-канального транзистора и четвертого N-канального транзистора подключены к второму выводу кварцевого резонатора, отличающий- с я тем, что, с целью повышения стабильности и повышения надежности, введены пятый и шестой N-канальные транзисторы,

пятый и шестой Р-канальные транзисторы, при этом исток, сток и затвор пятого N-канального транзистора подключены соответственно к второму выводу кварцевого резонатора, к другому выводу первого конденсатора и к общей шине, исток, сток и затвор пятого Р-канального транзистора подключены соответственно к второму выводу кварцевого резонатора, второму выводу второго конденсатора и к шине

питания, исток, сток и затвор шестого N-канального транзистора соединены соответственно с истоком третьего N-канального транзистора, стоком третьего N-канального транзистора и с затвором второго N-канального транзистора, который соединен с стоком шестого N-канального транзистора, с затвором первого N-канального транзистора и со стоком четвертого Р-кэнального транзистора, исток шестого Р-канального

транзистора соединен-с истоками третьего Р-канального транзистора и третьего N-канального транзистора и со стоком второго Р-канального транзистора, затвор которого соединен с затвором и стоком шестого Р-канального транзистора, стоками третьего Р- канального транзистора и четвертого N-канального транзисторов, затвором первого Р-канального транзистора, сток первого Р-канального транзистора соединен с

первым выводом кварцевого резонатора и со стоком первого N-каналыного транзистора, подложки всех Р-канальных транзисторов и подложки N-канальных транзисторов подключены соответственно к общей шине

и шине питания.

О

фиг. 2