Кварцевый генератор Советский патент 1993 года по МПК H03B5/36 

ел

с

Изобретение относится к электронной технике и может быть использовано в электронных часах. Сущность изобретения: кварцевый генератор содержит М-каналь- ные транзисторы 1, 2, Р-канальный транзистор 3, токозадающий резистор 4, Р-канальные транзисторы 5, 6, 7, резистор смещения 8, кварцевый резонатор 9, конденсатор колебательного контура 10, Р-канальный транзистор 11, М-канальные транзисторы 12,13,15, Р-канальные транзисторы 14, 16, конденсаторы 17. 18, 19, 20. Повышение коэффициента полезного действия генератора достигается за счет уменьшения потребления благодаря согласованию пар N и Р-канальных транзисторов, 3 ил. 1/п

со

О

о ю

Сл)

о

Сл

(риг.1

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

Цель изобретения - повышение коэффициента полезного действия генератора в установившемся режиме автоколебаний.

Новизной предлагаемого технического решения является то, что введены четвертый N-канальный транзистор, исток которого подключен к шине питания, а затвор которого подключен к стоку первого N-ка- нального транзистора, пятый N-канальный транзистор и пятый Р-канальный транзистор, исток которого подключен к общей шине, шестой N-канальный транзистор, шестой Р-канальный транзистор, второй конденсатор, который включен между затвором пятого N-канального транзистора и затвором третьего N-канального транзистора, четвертый конденсатор, который включен между затвором третьего N-канального транзистора и затвором пятого Р-канально- г о транзистора, пятый конденсатор, который включен между затвором пятого Р-канального транзистора и общей шиной, при этом исток пятого N-канального транзистора подключен к шине питания, сток пято- го N-канального транзистора соединен с истоком третьего N-канального транзистора, сток четвертого N-канального транзистора соединен- со стоком шестого Р-канального транзистора и с затвором пя- тбго Р-канального транзистора, исток шестого Р-канального транзистора соединен со стоком третьего Р-канального транзистора, исток которого соединен со стоком пятого Р-канального транзистора, затвор шестого Р-канального транзистора подключен к затвору третьего Р-канального транзистора, затвор пятого N-канального транзистрра соединен со стоком шестого N-канального транзистора, затвор которого подключен к затвору третьего N-канального транзистора и к затвору третьего Р-канального транзистора, исток шестого N-канального транзистора соединен с истоком шестого Р-канального транзистора, подложки всех Р-канальных транзисторов подключены к общей шине, подложки всех N-канальных транзисторов подключены к шине питания, а сток четвертого Р-канального транзистора соединен с затвором пятого N-канального транзистора,

На фиг, 1 приведена принципиальная электрическая схема предлагаемого генератора; на фиг. 2 представлены графики изменения напряжений в установившемся

режиме автоколебаний; на фиг. 3 представлены графики изменения тока потребления в установившемся режиме автоколебаний. Кварцевый генератор содержит первый 1 и второй 2 N-канальные транзисторы, истоки которых подключены к шине питания, затворы объединены и подключены к стоку первого N -канального транзистора, первый Р-канальный транзистор 3, сток которого подключен к стоку первого N-канального транзистора, а исток через токозадающий резистор 4 подключен к общей шине, второй Р-канальный транзистор 5, затвор которого объединен с его стоком и затвором первого Р-канального транзистора и подключен к стоку второго N-канального транзистора, а исток подключен к общей шине, третьи N- и Р-канальные транзисторы 6, 7, стоки которых объединены и являются выходом генератора, при этом между выходом генератора и затвором третьего Р-канального транзистора (вход генератора) включены резистор смещения 8 и кварцевый резонатор 9, между выходом генератора и общей шиной включен первый конденсатор колебательного контура 10, четвертый Р-канальный транзистор 11, исток которого подключен к общей шине, затвор - к стоку второго Р-канального транзистора, четвертый N-канальный транзистор 12, исток которого подключен к шине питания, затвор - к стоку первого N-канального транзистора, пятые N- и Р-канальные транзисторы 13,14, включенные соответственно между шиной питания и истоком третьего N-канального транзистора и общей шиной и истоком третьего Р-канального транзистора, при этом затвор пятого N-канальноготранзисто- ра подключен к стоку четвертого Р-канального транзистора, а затвор пятого Р-канального транзистора - к стоку четвертого N-канального транзистора, шестые N- и Р-канальные транзисторы 15, 16,затворы которых объединены и подключены к входу генератора, истоки объединены и подключены к выходу генератора, а стоки - соответственно к затвору пятого N-канального и пятого Р-канального транзисторов, второй конденсатор 17, включенный между шиной питания и затвором пятого N-канального транзистора, третий конденсатор 18, включенный между затвором пятого N-канального транзистора и затвором третьего N-канального транзистора, который подключается ко входу генератора, четвертый конденсатор 19, подключенный между входом генератора и затвором пятого Р-канального транзистора, пятый кондексатор 20, включённый между затвором пятого Р-канального транзистора и общей шиной, причем подложки всех Р- и N-канальных транзисторов подключены соответственно к общей шине и шине питания.

Кварцевый генератор работает следующим образом.

С помощью токозадающего резистора 4 схемой двойного токового зеркала обеспечивается ток через транзисторы 1 и 3 в несколько наноампер. При этом напряжение затвор-исток N-канального транзистора 1 будет обеспечивать его работу в подпороговой области ВАХ. Через транзисторы 2, 5 (вторую ветвь схемы двойного токового зеркала) также будет протекать ток в несколько наноампер и напряжение затвор-исток Р- канального транзистора 5 будет обеспечивать его работу в подпороговой области ВАХ.

После включения источника питания через транзисторы 11, 12 потенциалы затворов транзисторов 13 и 14 станут равными соответственно нулю и напряжению питания, чем обеспечивается открытое состояние последних. Причем подключение затворов транзисторов 11 и 12 соответственно к затворам транзисторов 5 и 1 обеспечит работу транзисторов 11 и 12 в подпороговой области ВАХ. т.е. их сопротивление достаточно велико и не будет шунтирования колебательного контура по входу генератора. Через открытые транзисторы 13 и 14 напряжение питания подается к транзисторам б и 7. Происходит заряд конденсатора 10. Через резистор смещения 8 потенциал с выхода генератора подается на его вход, т.е. на затворы транзисторов 6

и т. ...у V-. ; ; ::-;:;;;. . .;..:,

Таким образом, после окончания переходных процессов на входе и выходе генератора устанавливается напряжение, равное половине напряжения источника питания (транзисторы 6, 7 и 13, 14 составляют согласованные пары), а на затворах транзисторов 13 и 14 - соответственно ноль и напряжение питания, чем создаются условия для запуска генератора. Для обеспечения надежного запуска генератора транзисторы 6, 7 и 13, 14 выбираются достаточно мощными ( для N-канальных транзисторов и для Р-канальных транзисторов).

Необходимо отметить, что транзисторы 15 и 16 будут находиться в закрытом состоянии, чем исключается шунтирование ими колебательного контура.

При запуска генератора амплитуда колебаний напряжений на входе и выходе будет возрастать. Так как сигналы на входе и выходе генератора противофазны, то при достижении между ними мгновенного значения разности напряжений,равного пороговому напряжению N-канального транзистора ,транзистор 15 открывается и происходит в это время разряд конденсато5 ра 17 через транзисторы 15, 6 и 13. Аналогично при достижении между сигналами на входе и выходе генератора мгновенного значения разности напряжений равного пороговому напряжению Р-канального тран0 зистора,транзистор 16 открывается и происходит в это время разряд конденсатора 20 через транзисторы 16, 7 и 14. Таким образом, в процессе колебаний будет-происходить постепенный разряд конденсато5 ров 17 и 20 и следовательно, рабочая точка транзистора 13 будет смещаться от нулевого значения к минусу источника питания, а рабочая точка транзистора 14 будет смещаться от минуса источника питания к нулю.

0 Причем степень смещения рабочих точек транзисторов 13 и 14 определяется разностью напряжений на входе и выходе генера- тора. В этом случае рабочие точки транзисторов 13 и 14 будут находиться глу5 боко в подпороговой области их ВАХ, чем обеспечивается работа КМОП ИУ в классе

С, исключающем протекание постоянной составляющей тока. При этом переменная составляющая входного сигнала подается

0 на затворы транзисторов 13, 14,накладыва- ясь на их рабочие точки через разделительные конденсаторы 18, 19 (фиг. 2).

Моделирование генератора с помощью системы аналогового моделирования

5 SPICE показало, что через КМОП ИУ в установившемся режиме автоколебаний не протекает постоянная составляющая тока (фиг. 3). За счет этого по отношению к прототипу повышается коэффициент полезного

0 действия генератора. Дополнительным положительным свойством заявляемого устройства является снижение влияния разброса параметров элементов схемы на величину потребляемого тока, т.к. положе5 ние рабочих точек транзисторов 13,14 определяется разностью входного и выходного напряжений, которая, в свою очередь, зависит от уровня смещения рабочих точек этих транзисторов.

0 Формула изобретения

Кварцевый генератор, содержащий первый и второй N-канальные транзисторы, истоки которых подключены к шине питания, а затворы которых подключены к стоку пер5 вогр N-канального транзистора, первый Р канальный транзистор, сток которого подключен к стоку первого N-канального транзистора, второй Р-канальный транзистор, затвор которого объединен с его стоком и затвором первого Р-канального

транзистора и подключен к стоку второго N-каналыного транзистора, третий М-ка- нальный транзистор и третий ; Р-каналь- ный транзистор, четвертый Р-канальный транзистор, исток которого подключен к общей шине, а затвор - к стоку второго Р-канального транзистора, первый конденсатор, который включен между стоком третьего N-канального транзистора и общей шиной, первый резистор и кварцевый резонатор, первые выводы которых подключены к стоку третьего N-канального транзистора и стоку третьего Р-канального транзистора, который является выходом кварцевого генератора, при эт ом исток первого Р-канального транзистора через второй резистор подключен к общей шине, исток второго Р- канального транзистора подключен к общей шине, вторые выводы кварцевого резонатора и первого резистора соединены с затвором третьего Р-канального транзистора, о т- личающийся тем, что, с целью повышения КПД, введены четвертый N-канальный транзистор, истр.к которого подключен к шине питания, а затвор которого подключен к стоку первого N-канального транзистора, пятый N-канальный транзистор и пятый Р-канальный транзистор, исток которого подключен к общей шине, шестой N-канальный транзистор, шестой Р- канальный транзистор, второй конденсатор, который включен между шиной питания и затвором пятого N-канального тран-зисто- ра, третий конденсатор, который включен между затвором пятого N-канального транU Се; .

зистора и затвором третьего N-канального транзистора, четвертый конденсатор, который включен между затвором третьего N-канального транзистора и затвором пятого

Р-канального транзистора, пятый конденсатор, который включен между затвором пятого Р-канального транзистора и общей шиной, при этом исток пятого N-канального транзистора подключен к шине питания,

сток пятого N-канального транзистора соединен с истоком третьего N-канального транзистора, сток четвертого N-канального транзистора соединен с стоком шестого Р- канального транзистора и с затвором пятого

Р-канального транзистора, исток шестого Р- канального транзистора соединен со стоком третьего Р-канального транзистора, исток которого соединен со стоком пятого Р-канального транзистора, затвор шестого

Р-канального транзистора подключен к затвору, третьего Р-канального транзистора, затвор пятого N-канального транзистора соединен со стоком шестого N-канального транзистора, затвор которого подключен к

затвору третьего N-канального транзистора и к затвору третьего Р-канального транзистора, исток шестого N-канального транзистора соединен с истоком-шестого Р-канального транзистора, подложки всех

Р-канальных транзисторов подключены к общей шине, подложки всех N-канальных транзисторов подключены к шине питания, а сток четвертого Р-канального транзистора соединен с затвором пятого N-канального

транзистора. .