DE3005590A1

DE3005590A1 - Oszillator-schaltung

Info

Publication number: DE3005590A1
Application number: DE19803005590
Authority: DE
Inventors: Ryoji Iwakura; Shigeru Morokawa
Original assignee: Citizen Watch Co Ltd
Current assignee: Citizen Watch Co Ltd
Priority date: 1979-02-16
Filing date: 1980-02-15
Publication date: 1980-08-28
Also published as: GB2043383B; US4346350A; GB2043383A; JPS6259924B2; DE3005590C2; JPS55109003A

Description

BESCHREIBUNG

Die Erfindung betrifft Oszillator-Schaltungen, sie bezieht sich insbesondere auf eine Quarz-Oszillator-Schaltung, die über einen großen Spannungsbereich mit verringerter Leistungsaufnahme zuverlässig arbeitet.

Bisher ist es üblich, Oszillator-Schaltungen, insbesondere Quarz-Oszillator-Schaltungen mit einem Wechselrichter zu versehen, der zwei komplementäre Feldeffekttransistoren (C-FET₃) enthält. Zwischen dem Eingang und dem Ausgang des Wechselrichters liegt ein Widerstand hoher Impedanz, um den Wechselrichter in einen Verstärkungszustand vorzuspannen. Zwischen dem Eingang und dem Ausgang des Wechselrichters einerseits, und der Speisequelle andererseits sind Kondensatoren eingesetzt, die einen Resonanzkreis vom J?"*- Typ bilden. Die Verwendung einer derartigen Wechselrichter-Oszillator-Schaltung besitzt den Nachteil, daß die Oszillation nur gestartet werden kann, wenn eine Spannung anliegt, welche größer ist als die Summe der Absolutwerte der Schwel!spannung, beider komplementärer

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Feldeffekttransistoren, welche den Wechselrichter bilden, und wenn der Stromverbrauch proportional zu dem Quadrat einer Spannung, die größer ist als die Schwellspannung, rasch ansteigt.

Aufgabe der Erfindung ist es daher, eine Oszillator-Schaltung anzugeben, welche die Nachteile bekannter Oszillator-Schaltungen vermeidet.

Diese Aufgabe wird durch eine Oszillator-Schaltung für eine Uhr dadurch gelöst, daß ein Paar komplementäre Transistoren verwendet wird, wobei ein Transistor fest vorgespannt ist, und der anderer Transistor selbstvorspannend ist, wobei die Gate-Elektroden der Transistoren durch einen Kondensator wechselstromgekoppelt sind, und die Drain-Elektroden der Transistoren miteinander verbunden sind, um eine Gegentakt-tJechselstromverstärkung zu erzeugen. Der fest auf Gleichspannung vorgespannte Transistor erhält einen kleinen konstanten mittleren Strom und eine kleine Startspannung des Oszillators, und der selbstvorspannende Transistor bietet einen sicheren Verstärkungsbetrieb, die Wechselspannungskupplung der Gate-Elektroden erbringt einen hohen Verstärkungsfaktor und einen hohen Wirkungsgrad bei der Erregung eines Quarzkristallresonators eines Oszillators. Die erfindungsgemäße Schaltung ist einfach aufgebaut und läßt sich leicht in Form einer monolithischen integrierten Schaltung für eine Uhr aufbauen.

Insbesondere enthält die Oszillator-Schaltung nach der Erfindung im einzelnen einen ersten Referenztransistor, der eine einfache Quelle für eine konstante Referenzspannung darstellt, einen zweiten Transistor, welcher von einer -Referenzspannungsquelle hoher Impedanz mit Gleichspannung vorgespannt ist, und einen dritten Tran-

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sistor, dessen Leitungstyp von dem Leitungstyp des zweiten Transistors verschieden ist, wobei die Drain-Elektrodon dos zweiton und dritten Transistors miteinander verbunden sind, wobei Gate- und Drain-Elektrode des dritten Feldeffekttransistors über ein Widerstandsnetzwerk hoher Impedanz miteinander verbunden sind.

Die erfindungsgemäße Oszillator-Schaltung besteht aus einem ersten, einem zweiten und einem dritten Transistor, die z.B. als Feldeffekttransistoren ausgebildet sind und in· Art einer Gleichstromschaltung im wesentlichen mit konstantem Strom, unabhängig von der Spannung der Versorgungsquelle oder vom Schwellwert (threshold;value) der Feldeffekttransistoren arbeiten.

Die erfindungsgemäße Oszillator-Schaltung soll einen zweiten und einen dritten Feldeffekttransistor enthalten, die wechselspannungsmäßig aneinander gekoppelt sind und eine Wechselrichter-Verstärkungsschaltung bilden, bei einem konstanten Gleichstrompegel arbeiten und einen optimalen Betriebsbereich unabhängig von einer Änderung der elektrischen Versorgungsspannung und der Schwellwerte, sowie einen konstanten Stromverbrauch besitzen.

Die erfindungsgemäße Schaltung soll ferner einen dritten Feldeffekttransistor mit einem Gegenkopplungskreis für einen Ausgangs-Potential-Pegel enthalten, der somit .automatisch auf einen hohen Wert eines Wechselstrom-Verstärkungsfaktors in einer Art vorgespannt wird, die von einem fest vorgespannten Konstantstrom-Wechselrichter verschieden ist, wobei dieser dritte Feldeffekttransistor einen großen Spannungsverstärkungsfaktor besitzt und leicht oszillierte

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Die erfindungsgemäße Schaltung enthält einen ersten Feldeffekttransistor, der bei einer über der Schwellwertspannung des ersten Feldeffekttransistors liegenden Spannung den Stromfluß von sich aus startet und bewirkt, daß durch den zweiten und dritten Feldeffekttransistor Strom hindurchfließt, wodurch die Oszillation bei einer Spannung einsetzt, die kleiner i.-t als die Summe der Schwellwertspannungen der P- und N-leitenden Feldeffekttransistoren, d.h. bei einer Spannung, die größer ist als die Schwellwertspannung mindestens eines Feldeffekttransistors auf der Seite hoher Schwellwerte.

Die erfindungsgemäße Oszillator-Schaltung soll nur eine geringfügige Stromzunahme besitzen, wenn eine Oszillationen auslösende Spannung angelegt wird, und die erfindungsgemäße Schaltung soll eine wesentlich verbesserte Abhängigkeit der Oszillationsfrequenz von der Spannung besitzen.

Gemäß der Erfindung wird eine Oszillatorschaltung angegeben, die enthält: eine Referenzspannungsquelle, ein erstes Widerstandselement mit hoher Impedanz, welches mit dem Ausgang der Referenzspannungsquelle verbunden ist, einen ersten Transistor, der über das erste Widerstandselement mit der Referenzspannungsquelle verbunden ist, einen zweiten Feldeffekttransistor, dessen Drain-Elektrode mit dem ersten Feldeffekttransistor verbunden ist und einen Leitfähigkeitstyp besitzt, der von denjenigen des ersten Feldeffekttransistors verschieden ist, ein zweites Widerstandselement, welches einen Gegenkopplungskreis zwischen dem Steuergate und der Drain-Elektrode des

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zweiten Feldeffekttransistors bildet, einen ersten Kondensator, der die Steuergates des ersten und zweiten Feldeffekttransistors verbindet und eine Verstärkerschaltung bildet, um einen Strom abwechselnd umzupolen, eine Quarz-Resonator-Schaltung zwischen dem Steuergate der Verstärkerschaltung und deren Drain, und eine Versorgungsquelle zwischen den Quellen des ersten und zweiten Feldeffekttransistors.

Im folgenden werden Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 ein Schaltbild einer bekannten

Oszillator-Schaltung, bei der C-Feldeffekttransistoren verwendet werden;

Fig. 2 eine Ausführungsform der erfindungsgemäßen Oszillator-Schaltung;

Fig. 3A eine weitere Ausführungsform einer Referenzspannungsschaltung für eine erfindungsgemäße Oszillator-Schaltung;

Fig. 3B einen schematischen Querschnitt

einer erfindungsgemäßen Schaltung, bei der die benötigten Kondensatoren nach Fig. 2 in eine monolithische Schaltung einintegriert sind; und

Fig. 4 ein Diagramm, welches die Spannungs/ Stromcharakteristik einer erfindungsgemäßen Oszillator-Schaltung und einer bekannten Oszillator-Schaltung zeigt.

Fig. 1 zeigt eine bekannte Quarz-Oszillator-Schaltung. In Fig. 1 ist ein P-Kanal-Feldeffekttransistor, im folgenden FET bezeichnet, 1O1, mit einem N-Kanal FET 102 verbunden, der einen anderen Leitfähigskeitstyp besitzt. Die beiden FETs 101 und 102 stellen einen Wechselrichter dar. Zwischen den Gate- und Drain-

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Elektroden dieser FETs 101 und 102 liegt ein Vorspannwiderstand 103 parallel. Die Ausgangsseite des Vorspannwiderstands 103 ist mit einem Ausgangswiderstand 104 verbunden. Zwischen dem Vorspannwiderstand 103 und dem Ausgangswiderstand 104 liegt ein Quarz-Schwinger 107. Der Eingang und der Ausgang des Quarz-Schwingers 107 sind mit einem Eingangskondensator 106 und einem Ausgangskondensator 105 verbunden und bilden eine ft*— Resonanzschaltung. In Fig. 1 bezeichnet das Bezugszeichen 108 eine elektrische Versorgungsbatterie.

Die elektrische Versorgungsspannung, welche die Summe der Absolutwerte der Schwellspannungen der FETs 101 und 102 überschreitet, bewirkt, daß der Strom durch die Drain-Elektroden der FETs 101 und 102 proportional zum Quadrat des Spannungszuwachses fließt. Wenn folglich die Batteriespannung groß genug ist, um die Schaltung zum Oszillieren zu bringen, tritt ein beträchtlicher großer und unnützer Strom auf, welcher durch die FETs 101 und 102 fließt und an der Resonator-Schaltung vorbeifließt.

Fig. 2 zeigt eine Ausführungsform der erfindungsgemäßen Oszillatorschaltung, die einen Quarzschwinger 220 enthält. Der Eingang und der Ausgang des Quarzschwingers 220 ist an Resonator-Kondensatoren 209, 210 angeschlossen und bildet einen Resonanzkreis mit dem Quarzschwinger 220 zusammen. Das Bezugszeichen 200 bezeichnet eine elektrische Speisebatterie mit einem Plus-Pol, der mit einem P-Kanal-FET 201 verbunden ist, und einem Minus-Pol, der an Spannungsteiler-Widerstände 226, 227 hoher Impedanz verbunden ist, die aus Polysiiizium oder aus eiiidiffunierten Inseln bestehen. Die Gate-Elektrode des P-Kanal-FETs 201 liegt an einem Knoten-

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punkt b zwischen den Widerständen 226, 227 hoher Impedanz. Der FET 201 und die Widerstände 226, 227 stellen eine konstante Referenzspannungsquelle dar. Der Knoten zwischen dem FET 201 und dem Widerstand 226 ist mit einem nicht linearen P-Kanal-MOS-Widerstand 205 verbunden, von dem ein Gate an Masse liegt. Der P-Kanal-MOS-Widerstan 205 liegt über einen Widerstand 207 hoher Impedanz,/Polysilizium am Gate des P-Kanal-FETs 203.

Zwischen dem Quarz-Oszillator 220 auf der einen Seite und dem Knoten zwischen dem Widerstand 207 hoher Impedanz und dem Gate des FET 203 auf der anderen Seite liegt ein Kondensator 212, der das Gate des FETs 203 wechselstrommäßig mit dem Gate des FETs 202 verbindet. Zwischen Quarzschwinger und Drain-Elektrode des N-Kanal-FETs 202 einerseits und dem Schwingkondensator 209 andererseits ist über einen N-Kanal-MOS-Widerstand 206 ein Widerstand 208 hoher Impedanz aus Polysilizium vorgesehen. Zwischen dem N-Kanal-FET 202 und dem Minuspol der elektrischen Versorgungsbatterie 200 liegt ein Spannungsabfall-Transistor 225. In Fig. 2 bezeichnen die Bezugszeichen 223 und 224 Feldeffekttransistoren, welche Wellenformungs-Wechselrichter darstellen.

In der beschriebenen Oszillator-Schaltung wird die Spannung zwischen Drain- und Source-Elektrode des FETs 201 im wesentlichen auf ihrem Schwellwert gehalten, um die Gate-Elektrode des FETs 203 über einen Widerstand hoher Impedanz vorzuspannen, der aus einer Serienschaltung aus dem Hochimpedanzwiderstand 2O5 und dem Hochimpedanzwiderstand 207 aus Polysilizium besteht. Die Steilheit des 1?-Kanal-FETs 201 ist um den 1/10-fachen Wert kleiner als diejenige des P-Kanal-FETs 203.

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Wenn ein Strom von 30 nA den P-Kanal-FET 201 und die Widerstände 226, 227 durchfließt, fließt ein Strom von 300 nA durch den P-Kanal-FET 203 und erzeugt einen Strom von 300 nA durch den N-Kanal-FET 202. Dieser Strompegel wird durch Änderung der elektrischen Versorgungsspannung nicht wesentlich verändert. Der N-Kanal-FET 202 und der P-Kanal-FET 203 sind miteinander wechselstrommäßig durch den Kondensator 212 miteinander verkoppelt und stellen zusammen einen Gegentakt-Wechselrichter-Verstärker dar, mit einem hohen verstärkungsfaktor für Wechselstrom-Signalkomponenten und mit einem kleinen Bypass-Strom, wodurch der Quarz-Oszillator erregt wird. Beträgt z.B. die Schwellwertspannung der P-Kanal-FETs 201, 203 und des N-Kanal-FETs 202 0,5 Volt, dann beginnt die Oszillator-Schaltung bei einer elektrischen Versorgungsspannung von nahezu oder mehr als 5 Volt zu oszillieren.

Fig. 3A zeigt eine weitere Ausführungsform einer Referenzspannung-Transistorschaltung gemäß Fig. 2. In Fig. 3A ist eine elektrische Versorgungsbatterie 300 vorgesehen. Die Referenzspannungs-Transistorschaltung enthält P-Kanal-FETs 301, 303, N-Kanal-FETs 302, 304, einen diffundierten Widerstand 305 und ein Hochimpedanzwiderstand 308, und diese Schaltung erzeugt an ihrem Ausgang 306 eine Spannung, die im wesentlichen gleich der Schwellwertspannung des P-Kanal-FETs 303 ist. Es wird nun der Betrieb der Schaltung gemäß Fig. 3A beschrieben.

Wenn in Fig. 3A der P-Kanal-FET 301 Strom zieht oder der Widerstand 308 einen kleinen Strom führt, wird sowohl das Drain-Potential als auch das Gate-Potential

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des N-Kanal-FETs 302 angehoben. Wenn das Gate-Potential des N-Kanal-FETs 302 die Schwellwertspannung V überschreitet, wird dieser FET leitend, und als Folgen hiervon wird die Potentiäldifferenz zwischen dem Drain-Potential und dem Source-Potential auf einen Wert im Bereich der Schwellwertspannung V begrenzt. An die N-Kanal-FETs 302 und 304 wird dieselbe Gate-Spannung angelegt, so daß ein Stromfolgebetrieb wirksam wird, welcher das Drain-Potential des P-Kanal-FETs 303, und damit die Potentialdifferenz zwischen dem Source-Potential und dem Drain-Potential auf einen Wert im Bereich der Schwellwertspannung V begrenzt. Diese Schwellwertspannung V wird dem P-Kanal-FET 301

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zugeführt, der dann einen Konstantstrombetrieb annimmt, bei dem der Drainstrom durch die Source-Drain-Spannung nicht beeinflußt ist, wodurch ein konstanter Strom fließt. Als Ergebnis nimmt die Potentialdifferenz zwischen dem Drain-Potential und dem Source-Potential des N-Kanal-FETs 302 und des P-Kanal-FETs 303 im eingeschwungenen Zustand einen konstanten Wert an, der unabhängig vom Wert der elektrischen Versorgungsspannung ist. Dieser Zustand hängt von der Annahme ab, daß der P-Kanal-FET 301 leitend ist. Wenn z.B. zwischen Drain-Source des P-Kanal-FETs 303 eine Last liegt, die am Pluspol angeschlossen ist, ist der P-Kanal-FET nichtleitend, und die N-Kanal-FETs 302, 304 und der P-Kanal-FET 3o3 werden ausgeschaltet. Um diese Betriebsweise zu verhindern, muß die Kanalweite des P-Kanal-FETs 301 größer sein als diejenige der anderen FETs, um den leitenden Vorschwellwert-Bereich bis zu einer kleinen Gate-Spannung nutzbar zu machen, oder es muß ein Hochimpedanzwiderstand 308 angeschlossen werden. Dies bedeutet, daß durch den P-Kanal-FET 301 ein extrem

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kleiner Strom hindurchfließen muß.

In der beschriebenen Kombination aus Referenzspannungsquelle und Wechselrichter-Verstärkungsschaltung, ist die Verwirklichung der Transistoren in einer monolithischen integrierten Schaltung auf ein und demselben Schaltungschip vorteilhaft, damit die Relation zwischen Schwellwertspannung und Steilheit der P- und N-Feldeffekttransistoren konstant ist. Zusätzlich ist es zur möglichst kostengünstigen Massenproduktion von Schaltungen für Uhren mit möglichst wenig Schaltelementen vorteilhaft, den Koppelkondensator 212 das Widerstandselement 338 (Fig. 3B) aus Polysilizium mit kleinen Streukapazitäten als Element mit hohem Widerstand, und das nicht~ lineare FET-Widerstandselement in die monolithische Schaltung einzuintegrieren, welche auf einem Schaltungschip ausgebildet ist. Wird die erfindungsgemäße Schaltung als monolithische Oszillator-Schaltung ausgebildet, so ist sie in derselben Weise verwirklicht wie herkömmliche Oszillator-Schaltungen, die erfindungsgemäße Schaltung besitzt jedoch den Vorteil, daß sie gegenüber bekannten integrierten Oszillator-Schaltungen mit einer stabilen Frequenz und stark verringertem Leistungsverbrauch arbeitet.

Fig. 3B zeigt eine Ausführungsform einer monolithisch integrierten Schaltung, welche den Koppelkondensator 212 und Schwingkondensatoren 209, 210 enthält. In Fig. 3B besteht z.B. das Halbleitersubstrat 332 aus Silizium, Si, oder aus Galliumarsenid GaAs. In der dargestellten Ausführungsform wird als Halbleitersubstrat 332 N-Silizium verwendet. Das Substrat 332 besitzt eine eingegrabene P-Zone 334 zur Erzeugung eines N-Kanal-FETs, einen hochdotierten Bereich 362 zur Bildung eines ohmschen Kontakts für die eingegrabene P-Zone 334, und -eine N-Zone 33-6 mit einer Verunr-einigungskonzentration,

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die größer ist als diejenige des Halbleitersubstrats 332, um einen Kontakt hierfür zu bilden. Zwischen dem Substrat 332 vom N-Typ und der P-Zone 334 bildet sich eine Verarmungszone 370 aus, die gestrichelt eingetragen ist.

In Fig. 3B ist eine Isolationsschicht 360 aus thermisch behandeltem Siliziumoxid oder aus chemisch abgeschiedenem Silziumoxid vorgesehen. Auf der Isolationsschicht 360 sind leitende Anschlußbereich 342, 344, 346, 348, 350 und 352 entweder aus Metall oder einem Halbleiter vorgesehen. In der beschriebenen Ausführungsform der Erfindung bestehen die Anschlußbereiche aus Aluminium. Die Isolationsschicht 360 ist mit weiteren Anschlußbereichen 340, 354 versehen, die teilweise mit den anderen Anschlußbereichen verbunden sind und aus PoIysilizium bestehen, welches mit einer hohen Verunreinigungskonzentration dotiert ist. Der Anschlußbereich 340 ist mit einem Anschlußbereich 338 versehen, welcher aus leitendem Polysilizium besteht und als Gate-Elektrode eines FETs dient.

Der Elektrodenbereich 344 aus Aluminium und der Elektrodenbereich 338 aus Polysilizium bilden einen Kondensator C.g zwischen sich. Der Elektrodenbereich 338 aus Polysilizium und der eingegrabene P-Bereich 334 bilden einen Kondensator C_g4 zwischen sich. Die eingegrabene P-Zone 334 und das Halbleitersubstrat 332 bilden zwischen sich einen Kondensator C₄₃- Zusätzlich bilden das Halbleitersubstrat 332 und der Anschlußbereich 350 aus Aluminium «inen Kondensator C₉ . Der Elektrodenbereich 350 axis Aluminium und der Elektrodcnbereich 354 aus Polysilizium stellen zwischen sich

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einen Kondensator C₀₄ dar. Der Elektrodenbereich 354 aus Polysilizium und die hochdotierte Zone 336 stellen einen Kondensator C-g dar. Von diesen Kondensatoren wird der Kondensator C.„ von der PN-Sperrschichtkapazität gebildet und besitzt daher einen großen Kapazitätswert pro Flächeneinheit. Der Kondensator C ₄~ tendiert folglich danach, einen Sperrschicht-Leckstrom zu bilden und die als Kondensator akkumulierte elektrische Ladung abzuleiten. Zusätzlich ändert die Verarmungszone 370 ihre Dicke und ändert ihre Kapazität, wenn sich die Gleichvorspannung über der eingrabenen P-Zone 334 und dem Halbleitersubstrat 332 ändert. D.h., der Kondensator C₄₂ besitzt eine spannungsabhängige Charakteristik.

Der Kondensator C_ß4 besteht aus einer dünnen Isolationsschicht, die z.B. aus einer thermisch aufoxidierten SiO₂~Schicht besteht, welche zwischen dem Elektrodenbereich 338 aus Polysilizium und der eingegrabenen P-Zone 334 liegt, und dieser Kondensator besitzt einen großen Kapazitätswert pro Flächeneinheit, der mit dem Wert des Kondensators C₄₃ vergleichbar ist und keinen Leckstrom zwischen den Elektroden 338 und 334 besitzt. Im Kondensator Cg₄ wird jedoch die Halbleiterbandstruktur an der Oberfläche der P-Zone 334 in Abhängigkeit von der angelegten Spannung verbogen, um eine Verarmungszone 372 zu erzeugen oder zu eliminieren. Zusätzlich wird eine dünne N-Kanalschicht auf der P-Zone 334 gebildet, die eine relativ kleine Verunreinigungskonzentration besitzt, so daß der Kondensator C₈₄ eine spannungsabhängige Charakteristik aufweist. Der Kondensator Cg₄ besitzt ferner aufgrund der geringen Leitfähigkeit der eingegrabenen P-Zone oder der dünnen

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Kanalelektrode der P-Zone 334 einen hohen Serienwiderstand. Wenn die eingegrabene P-Zone 334 durch Ionenimplantation zu einer P- Zone hoher Konzentration gemacht wird, wird die Verarmungszone 372 im wesentlichen nicht erzeugt, die elektrische Leitfähigkeit wird groß, die Spannungsabhängigkeitseigenschaften werden verbessert und der Serienwiderstand wird klein.

Der Kondensator C₄ g besitzt zwischen den Elektroden keinen Leckstrom und keine Spannungs abhängigkeit, er weist jedoch pro Flächeneinheit einen kleinen Kapazitätswert auf, der etwa um das Τ/10-fache kleiner ist als der Wert des Kondensators Cg₄.

Der Kondensator C₀₄ entspricht dem Kondensator Cg₄, er besitzt jedoch eine Kapazität pro Flächeneinheit, welche größer ist als diejenige des Kondensators C_{4 R} und kleiner ist als diejenige des Kondensators Cg₄.

Der Kondensator C₄₆ besitzt Eigenschaften, die dem Kondensator Cq₄ entsprechen, wenn dieser durch Ionenimplantation einer hohen Dotierungskonzentration erzeugt ist, dieser Kondensator besitzt jedoch einen kleinen Kapazitätswert pro Flächeneinheit.

Eine zwischen dem Elektrodenbereich 340 aus Polysilizium und dem Elektrodenbereich 376 aus Aluminium erzeugte Kapazität läßt sich als Kondensator C_Qg verwenden, welche dieselben Eigenschaften aufweist wie der Kondensator C₀₄

Um den Koppelkondensator 212 gemäß Fig. 2 auf einem integrierten Schaltungschip kleiner Abmessung unterzubringen, wird bevorzugt der Kondensator C₃₄ oder C₄₂

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verwendet. Sofern der Kondensator Cg₄ verwendet wird, wird die eingegrabene P-Zone 334 mit dem Gate des FETs verbunden, und der Elektrodenbereich 338 aus Poly-Silizium wird mit dem Gate des FETs 202 verbunden. In diesem Fall wird der Kondensator C _ alsParasitärkondensator erzeugt. D.h., der Kondensator C^ wird als ein Teil des Schwingkondensators 210 gemäß Fig. 2 angesehen. Wenn der Elektrodenbereich 338 aus Polysilizium mit dem Gate des P-Kanal-FETs 201 verbunden wird, und die P-Zone 334 mit dem GAte des N-Kanal-FETs 202 verbunden ist, ist die parasitäre Kapazität C₄~ über dem

Kondensator C₀. mit einem Teil des Schwingkondensators o4

210 verbunden. Der Schwingkondensator 210 muß hinreichend stabil sein, um die Resonanzfrequenz stabil zu halten, und er darf nur einen kleinen Serienwiderstand besitzen.

Wenn es in der vorliegenden Ausfiihrungsform am wichtigsten ist, den Leckstrom zwischen den Elektroden und die Spannungsabhängigkeit zu verringern, können die Kondensatoren Cq, und C.r vervzendet werden. Wird der Kondensaotr C . als wechselstrommäßiger Koppelkondensator 212 eingesetzt, so wird der Kondensator C_{4 fi} als parasitäre Kapazität erzeugt. Der Kondensator C₄₄ läßt sich dem Schwingkondensator 210 hinzurechnen. Die Rolle des Kondensators C₀₄ kann gegenüber derjenigen des Kondensators C₄₆ vertauscht werden. D.h., der Kondensator C₄₆ kann als wechselstrommäßiger Koppelkondensator 212 eingesetzt werden, und der Kondensator C₀₄ kann als parasitäre Kapazität betrachtet werden.

Der Aufbau und die Anordnung der Kondensatoren gemäß Fig. 3B in der dort dargestellten integrierten Schaltung stellt eine besonders effektive Verwirklichung

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dieser Kondensatoren in einer monolithischen integrierten Schaltung dar. Die Verwendung derartiger verschiedener Kondensator-Verwirklichungen liefert den wesentlichen Vorteil, daß die parasitäre Kapazitäten, welche beim Verwirklichen von Kondensatoren in integrierten Schaltungen ständig miterzeugt werden, der Resonanz- oder Schwingkapazität zugeschlagen werden können.

Zusätzlich ist es vorteilhaft, ein Ionenimplantationsverfahren einzusetzen, um die Dotierung des Halbleitersubstrats zur Erzeugung der Kondensatorelektrode groß zu machen.

Der Kondensator C_₄ zwischen dem Elektrodenbereich 350 aus Aluminium und dem Elektrodenbereich 354 aus PoIysilizium mit einer großen Fläche wurde bisher nicht oft verwendet. Der Einsatz eines derartigen Kondensators C_n. stellt jedoch eine Abnahme des Leckstroms zwischen den Kondensatorelektroden dar und liefert den wesentlichen Vorteil, daß die Spannungsabhängigkeit beseitigt werden kann. Zusätzlich kann der Kondensator C_Q. wirksam als ein Kondensator mit kleinem Serienwiderstand und hoher Güte eingesetzt werden. Die Verwendung des Kondensators C₀₄ in einem Quarzschwingkreis mit einer hohen Güte Q stellt hervorragende Stabilität und geringen Leistungsverbrauch sicher.

Zusätzlich kann der Kondensator C_Q4 oder C₄₄ als Schwingkondensator 209,210 gemäß Fig. 2 verwendet werden, und alle Schaltelemente mit Ausnahme des Quarzes, so z.B. ein Widerstand, ein Kondensator, ein FET können in dieselbe monolithisch integrierte Schaltung eingefügt werden.

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Fig. 4 zeigt den Spannungs/Stromverlauf der erfindungsgemäßen Oszillator-Schaltung und einer bekannten Oszillator-Schaltung. In Fig. 4 stellt die voll ausgezogene Kurve 401 den Stromverbrauch der bekannten Oszillator-Schaltung dar, und die gestrichelte Kurve 402 zeigt den Stromverbrauch der erfindungsgemäßen Oszillator-Schaltung .

Wie schon erwähnt, wird durch die Erfindung eine Quarz-Oszillator-Schaltung angegeben, welche den Leistungsverbrauch reduziert, eine hohe Betriebsstabilität besitzt, einen breiten Betriebsspannungsbereich aufweist und die wirksam arbeitet. Zusätzlich kann die Quarz-Oszillator-Schaltung nach der Erfindung als Zeitreferenzsignal-Quelle für Uhren mit reduziertem Leistungsverbrauch eingesetzt werden.

Diese Erfindung ist nicht auf die Verwendung von Feldeffekttransistoren beschränkt, sie läßt sich vielmehr auch mit integrierten Schaltungen mit bipolaren Transistoren einsetzen. In einem derartigen Fall sind die Begriffe "Gate", "Drain" und "Source" der Feldeffekttransistoren zu ersetzen durch die Begriffe "Basis", "Kollektor" und"Emitter" bipolarer Transistoren.

Zusammengefaßt betrifft die Erfindung also eine Oszillator-Schaltung für eine Uhr, die ein komplementäres FET-Paar enthält, wobei ein FET fest vorgespannt ist und der andere FET selbstvorspannend arbeitet, und wobei die Gate-Elektroden des FET-Paars durch einen Kondensator wechselstrommäßig gekoppelt sind, und die Drain-Elektroden des FET-Paars zur Verwirklichung einer Wechselstrom-Verstärkung miteinander verbunden sind.

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Der fest vorgespannte FET ermöglicht einen kleinen konstanten mittleren Strom und eine kleine Startspannung des Oszillators, und der selbstvorspannende FET ermöglicht einen sicheren Verstärkungsbetrieb, und die wechselspannungsmäßige Kopplung der Gate-Elektroden ermöglicht einen hohen Verstärkungsfaktor und einen hohen Wirkungsgrad bei der Erregung eines Quarzkristallresonators der Oszillator-Schaltung. Der Aufbau dieser Erfindung ist einfach und läßt sich leicht als monolithische integrierte Schaltung für eine Uhr einsetzen

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Leerseite

Claims

CITIZEN WATCH CO., LTD.

2-1-1, Nishishinjuku, Shinjuku-ku, Tokyo, Japan

Oszillator-Schaltung

ANSPRÜCHE

Oszillator-Schaltung, gekennzeichnet durch e'ine Referenzspannungsquelle (201, 226, 227), ein erstes Widerstandselement (205, 207) mit hohem Widerstand, welches an den Ausgang der Referenzspannungsquelle (201, 226, 227) angeschlossen ist, einen ersten Transistor (203) der über das erste Widerstandselement (2O5, 207) der Referenzspannungsquelle verbunden ist, einen zweiten Transistor (202), dessen erste Elektrode mit dem ersten Transistor (203) verbunden ist und einen Leitungstyp besitzt,der von demjenigen des ersten Transistors (203) verschieden ist, ein zweites Widerstandselement (208, 206) mit hohem Widerstand zwischen einer zweiten Elektrode und der

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ersten Elektrode des zweiten Transistors (202), einen ersten Kondensator (212), der die zweite Elektrode des ersten Transistors (203) mit der zweiten Elektrode des zweiten Transistors (202) verbindet und dabei eine Wechselrichter-Verstärkungsschaltung bildet, einen Quarz-Schwingkreis (209, 210, 220) zwischen der zweiten Elektrode und der ersten Elektrode der Wechselrichter-Verstärkungsschaltung (203, 202), und eine elektrische Versorgungsquelle zwischen den dritten Elektroden des ersten und zweiten Transistors (203, 202).
2. Oszillator-Schaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens eines der Widerstandselemente (205, 207; 206, 208) mit hohem Widerstand aus einem Feldeffekttransistor besteht.
3. Oszillator-Schaltung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Referenzspannungsquelle (201, 226, 227) einen dritten Transistor (201) mit einer ersten und einer zweiten Elektrode enthält, deren Potentialdifferenz eine Ausgangsspannung abgibt, daß die erste Elektrode des dritten Transistors (201) über ein drittes Widerstandselement (226, 227) mit der elektrischen Versorgungsquelle verbunden ist, und daß der dritte Transistor (201) eine dritte Elektrode besitzt, die eine Mittenanzapfung des dritten Widerstandselements (226, 227) bildet.
4. Oszillator-Schaltung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das erste oder das zweite Widerstandselement (205, 2O7; 206, 208) aus einem Widerstand aus Polysilizium und einem Feldeffekt-

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transistor-Widerstand besteht, die in Serie miteinander liegen.■
5. Oszillator-Schaltung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Referenzspannungsquelle (201, 226, 227) das erste und das zweite Widerstandselement (205, 207; 206, 208) der erste Kondensator (212) und der Verstärkungstransistor in ein und dasselbe monolithisch integrierte Schaltungschip integriert sind.
6. Oszillator-Schaltung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß eine Elektrode des ersten Kondensators

(212) aus Metall besteht, und daß die andere Elektrode aus einem polykristallinen Silizium hoher Verunreinigungskonzentration besteht.
7. Oszillator-Schaltung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß eine der Elektroden des ersten Kondensators (212) aus polykristallinem Silizium mit einer hohen Verunreinigungsdichte besteht, und daß die andere Elektrode aus einem Halbleitersubstrat besteht, dessen Verunreinigungskonzentration durch Ionenimplantation einen hohen Wert besitzt.
8. Oszillator-Schaltung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der erste Kondensator (212), der in das Typ der integrierten Schaltung einintegriert ist, als zusammengesetzter Kondensator ausgebildet ist und drei leitende Elektroden und zwei Isolierschichten zwischen den drei leitenden Elektroden enthält, daß der zusammengesetzte Kondensator als eine Wechselstromkopplung zwischen den zweiten Elektroden des ersten und des zweiten Transistors (203, 202) und auch als Resonanzkondensator innerhalb des Resonanzkreises wirkt.

§30035/0774

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