Кварцевый генератор

 

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-канальный 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-канальные 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

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК (19) (11) (s1)s Н 03 В 5/36

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ

ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМ

ПРИ ГКНТ СССР

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ ей

К АВТОРСКОМУ СВИ4ЕТЕЛЬСТВУ (21) 4851801/09 (22) 16.07.90 (46) 15.09.92, Бюл, ¹ 34 (71) Производственное объединение "Минский часовой завод" (72) Н.H.Àíèñèìîâ, В.А.Обухович и С,П.Шацов (56) Авторское свидетельство СССР

¹ 1661965, кл. Н 03 В 5/36, 1989. (54) КВАРЦЕВЫЙ ГЕНЕРАТОР (57) 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 повышенле стабильности и повышение

- LI надежности. Кварцевый генератор содержит первый N-канальный и первый P-канальный транзисторы 1, 2, первый и второй конденсаторы 3, 4, кварцевый резонатор 5. третий и четвертый конденсаторы 6, 7, второй N-канальный и второй P-канальный транзисторы 8, 9, третий и четвертый P-канальные транзисторы 10, 11. третий, четвертый и пятый N-канальные транзисторы 12, 13, 14, пятый P-канальный транзистор 15, шестой N-канальный и шестой P-канальный транзисторы 16, 17, В кварцевом генераторе повышение стабильности и надежности достигается эа счет снижения влияния разброса технологических параметров элементов путем использования глубокой отрицательной обратной связи. 2 ил.

1762379

30

50

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

К-Kàíàëüный транзистор 1, исток которого подключен к шине питания, первый P-канальный 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 P-канального транзистора, кварцевый резонатор 5, третий конденсатор б 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

P-канальный транзистор 9, исток которого подключен к общей шине, а сток подключен к стоку второго N-канального транзистора, третий 10 и четвертый 11 P-канальные транзисторы, затворы которых подключены к шине питания, третий 12 и четвертый N-канальные транзисторы 13 затворы KoTopb!x подключены к общей шине, при этом истоки четвертого P-канального транзистора и четвертого N-канального транзистора подключены к второму выводу кварцевого резонатора, пятый 14 и шестой N-канальные транзисторы 15, пятый 5Р и шестой 6Р

P-канальные транзисторы 16, 17, Кварцевый генератор работает следующим образом.

В первый момент после включения источника питания конденсатор 7 разряжен, т,е. потенциал истока P-канального транзистора 11 равен нулю, Подключение затвора этого транзистора к шине питания (-Щ 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 пролсходит заряд конденсатора 7, По мере заряда конденсатора 7 возрастает разность потенциалов затвор-исток N-канального транзистора 13 и при достижении порогового значения последний открывается и на затворы P-канальных транзисторов

1, 9 подается потен циал конденсатора 7, Так как транзисторы 1, 2, 8 и 9 представляют 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 0П/2. При этом конденсаторы 3, 4 разряжены. Таким образом, создаются условия для возбуждения генератора. Колебания, возникающие за счет флуктуационных явлений, передаются с конденсатора 7 через короткоканальные 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 (W/L>3). После запуска генератора через N-канальный транзистор 15 происходит постепенный заряд конденсатора 3, транзистор 15 будет находиться в проводящем состоянии при потенциале его источника (выход генератора) отрицательнее потенциала затвора на величину пороговогс напряжения, т.е. в процессе колебаний потенциал верхней по схеме обкладки конден. сатора 3 относительно потенциала шинь питания достигает значения порогового на. пряжения N-канального транзистора npv условии полного размаха колебаний на вы. ходе генератора, Аналогично. через P-ка. нальный транзистор 17 происходи1 постепенный заряд конденсатора 4. Тран зистор 17 будет находиться в проводящеь состоянии при потенциале его источник; (выход генератора) положител ьнее потен ци ала затвора на величину порогового напря жения, т.е, в процессе колебаний потенциа; нижней по схеме обкладки конденсатора достигнет значения порогового напряжени

P-канального транзистора.

Таким образом, независимо от разбро са технологических параметров, в устано вившемся режиме автоколебаний, рабочи точки транзисторов 1, 8, 2, 9 устанавливают ся на их пороговые значения, чем исключа ется протекание сквозных токов в процесс< переключения транзисторов. Транзисторе

1, 2 выбираются достаточно мощными, поэ

1762379

55 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 — короткока нал ьн ы м.

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 конденсаторе 7(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 обеспсчивается 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

50 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

14. В этом случае действие отрицательной обратной связи ослабевает и приведет к снижению по модулю напряжения на затворах транзисторов 1, 8, Так как уровень рабочей точки транзисторов 1, 8 относительно 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 è 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 действ е 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 7. 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 существенно 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 об1752379 ратной 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 цепь 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

P-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 P-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 P-канального транзистора и четвертого N-канального транзи5 стора подключены к второму выводу кварцевого резонатора, о т л и ч а ю щ и йс я тем, что, с целью повышения стабильности и повышения надежности, введены пятый и шестой N-канальные транзисторы, 10 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 кон15 денсатора и к общей шине, исток, сток и затвор пятого P-канал ьного транзистора подключены соответственно к второму выводу кварцевого резонатора, второму выводу второго конденсатора и к шине

20 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-каналь25 ного транзистора, который соединен с стоком шестого N-канального транзистора, с затвором первого N-канального транзистора и со стоком четвертого P-канального транзистора, исток шестого P-канального

30 транзистора соединен с истоками третьего

P-канального транзистора и третьего N-канального транзистора и со стоком второго

Р-канального транзистора, затвор которого соединен с затвором и стоком шестого P-ка35 нального транзистора, стоками третьего Pканального транзистора и четвертого

N-канального транзисторов, затвором первого P-канального транзистора, сток первого Р-канального транзистора соединен с

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

45 и шине питания.

1762379

Составитель С.Шацов

Техред M.Ìîðãåíòàë

Редактор

Корректор Т.Палий

Производственно-издательский комбинат "Патент", г, Ужгород, ул,Гагарина, 101

Заказ 3264 Тираж Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

113035. Москва, Ж-35, Раушская наб., 4/5