DE69703525T2

DE69703525T2 - Oszillatorschaltung und Elektronischer Schaltkreis, und Halbleiteranordnung, Uhrwerk, und elektronisches Gerät mit diesem Modul

Info

Publication number: DE69703525T2
Application number: DE69703525T
Authority: DE
Inventors: Tadao Kadowaki; Yoshiki Makiuchi; Shinji Nakamiya; Hiroshi Yabe
Original assignee: Seiko Epson Corp
Current assignee: Seiko Epson Corp
Priority date: 1996-12-04
Filing date: 1997-12-03
Publication date: 2001-05-17
Anticipated expiration: 2017-12-04
Also published as: US5929715A; CN1189010A; EP0846989A1; JP3536561B2; CN1083636C; DE69703525D1; JPH10160867A; HK1015087A1; EP0846989B1

Description

Bereich der Erfindung

Diese Erfindung betrifft eine Oszillationsschaltung und eine elektronische Schaltung sowie eine Halbleitervorrichtung, eine Uhr und eine elektronische Vorrichtung, die mit derselben ausgestattet sind.

Beschreibung des technischen Hintergrunds

Viele der heutigen Armbanduhren und anderer tragbarer elektronischer Vorrichtungen verwenden eine Wegwerfbatterie als Hauptstromquelle und weisen des weiteren eine wiederaufladbare Sekundärbatterie zum Betreiben ihrer elektronischen Schaltungen auf. Die elektronischen Schaltungen in derartigen Vorrichtungen bilden oft ein Referenztaktsignal aus der Oszillationsfrequenz fs einer Oszitlationsschaltung (US-A-3, 868.597).
Die Hauptschaltungskomponenten dieser Oszillationsschaltung sind gewöhnlich auf einer Halbleiterplatine gebildet, und ein Kristalloszillator, der an einer von dieser Halbleiterplatine getrennten Stelle vorgesehen ist, ist über einen Eingabe/Ausgabe-Anschluß an sie angeschlossen. Daher ist eine elektrostatische Schutzschaltung auf einer Eingabe/Ausgabe-Anschlußseite dieser Hauptschaltungskomponenten vorgesehen, um jene Hauptschaltungskomponenten vor jeglicher Stoßspannung zu schützen, die möglicherweise von außen durch die Eingabe/Ausgabe-Anschlüsse eindringen kann.
Dies verursacht insofern ein Problem, als, falls die Last der elektronischen Schaltungen ansteigen sollte, was zu Fluktuationen in der Spannung VSS der Hauptstromquelle führt, diese Fluktuationen zu Fluktuationen der Parasitärkapazität der elektrostatischen Schutzschaltung führen und als Folge die Oszillationsfrequenz der Oszillationsschaltung ebenfalls fluktuiert.
Daher umfaßt die elektrostatische Schutzschaltung eine Diode, die zwischen eine Signalleitung und die Masseseite geschaltet ist, und eine Diode, die zwischen die Signalleitung und die Seite der Hauptstromquelle VSS geschaltet ist, und sie ist ausgelegt, die interne Verschaltung durch selektives Ableiten jedweder Stoßspannung, die in diese Signalleitung eindringt, abhängig von der Polarität der Stoßspannung entweder zur Masseseite oder zur Speisespannungsseite zu schützen.
Unglücklicherweise wird die Parasitärkapazität an den pn-Übergängen der Dioden dieser elektrostatischen Schutzschaltung gebildet. Die Stärke dieser Parasitärkapazität variiert mit Fluktuationen der Speisespannung VSS, die durch Faktoren wie beispielsweise Fluktuationen der Last verursacht werden.
Wenn jedoch die Parasitärkapazität auf diese Weise variiert, variiert auch die Oszillationskonstante der Oszillationsschaltung, was deren Oszillationsfrequenz ändert. Als Folge variiert die Referenztaktsignalfrequenz, was das Problem verursacht, daß der Betrieb der verschiedenen Komponenten der elektronischen Schaltungen beeinträchtigt wird.
Dies verursacht ein besonderes Problem bei einer elektronischen Schaltung, die das Oszillationsausgangssignal der Oszillationsschaltung als Referenztaktsignal für eine Uhr verwendet, wie beispielsweise eine elektronische Schaltung für eine Armbanduhr, da, wenn die Oszillationsfrequenz variiert, die Zuverlässigkeit des Betriebs der Uhr selbst verloren geht.

Zusammenfassung der Erfindung

Eine erste Aufgabe dieser Erfindung liegt darin, eine Oszillationsschaltung und eine elektronische Schaltung zu schaffen, die bei einer stabilen Frequenz oszillieren können, ohne von Fluktuationen der Spannung der Hauptstromquelle beeinträchtigt zu werden, und des weiteren eine Halbleitervorrichtung, eine Uhr und eine elektronische Schaltung zu schaffen, die damit ausgestattet sind.
Eine zweite Aufgabe dieser Erfindung liegt darin, eine Oszillationsschaltung und eine elektronische Schaltung zu schaffen, bei denen die Parasitärkapazität einer elektrostatischen Schutzschaltung, die für die Oszillationsschaltung vorgesehen ist, den gesamten oder einen Teil eines Phasenkompensationskondensators bildet, der Teil der Oszillationsschaltung ist, wobei der Aufbau der gesamten Schaltung einfach ist und die hoch integriert werden kann, und des weiteren eine Halbleitervorrichtung, eine Uhr und eine elektronische Schaltung zu schaffen, die damit ausgestattet sind.
Ein Aspekt dieser Erfindung betrifft eine Oszillationsschaltung, die an einer Konstantspannung Vreg betrieben wird, deren Absolutwert kleiner als der Absolutwert einer Speisespannung VSS einer Hauptstromquelle ist, wobei die Oszillationsschaltung umfaßt:
eine erste elektrostatische Schutzschaltung, die zwischen einen Signalweg der Oszillationsschaltung und die Seite der Konstantspannung Vreg der Oszillationsschaltung geschaltet ist, damit sie bewirkt, daß jegliche elektrostatische Spannung einer ersten Polarität, die in den Signalweg eindringt, über ein erstes Halbleitergleichrichterelement selektiv zur Seite der Konstantspannung Vreg abgeleitet wird; und
eine zweite elektrostatische Schutzschaltung, die zwischen den Signalweg der Oszillationsschaltung und eine Referenzpotentialseite der Oszillationsschaltung geschaltet ist, damit sie bewirkt, daß jegliche elektrostatische Spannung einer zweiten Polarität, die in den Signalweg eindringt, über ein zweites Halbleitergleichrichterelement selektiv zur Referenzpotentialseite abgeleitet wird.
Bei einer elektronischen Schaltung niedriger Leistung wird eine Konstantspannung Vreg aus der Speisespannung VSS der Hauptstromquelle gebildet, wobei der Absolutwert der Konstantspannung Vreg niedriger als derjenige der Speisespannung VSS ist. Diese Konstantspannung Vreg wird dann an die Schaltungskomponenten angelegt.
Die Oszillationsschaltung dieser Erfindung macht von einer Konfiguration Gebrauch, bei der eine elektrostatische Schutzschaltung nicht an die Speisespannung VSS der Hauptstromquelle, sondern an die Konstantspannung Vreg angeschlossen ist, die aus dieser Speisespannung VSS gebildet wird. Da keine Fluktuationen bei der Konstantspannung Vreg vorhanden sind, an die die elektrostatische Schutzschaltung angeschlossen ist, ermöglicht es diese Konfiguration selbst dann, wenn Fluktuationen bei der Speisespannung VSS vorhanden sind, Fluktuationen der Parasitärkapazität des Halbleitergleichrichterelements zu unterdrücken, das die elektrostatische Schutzschaltung bildet.
Dieser Aspekt der Erfindung ermöglicht es, eine Oszillationsschaltung zu erhalten, bei der selbst dann keine Fluktuationen der Oszillationsfrequenz vorhanden sind, wenn Fluktuationen der Speisespannung VSS der Hauptstromquelle vorhanden sind.
Die Komponenten, die als erstes und als zweites Halbleitergleichrichterelement bei der elektrostatischen Schutzschaltung verwendet werden, könnten je nach Erfordernis Dioden oder Bipolartransistoren sein.
Die erste elektrostatische Schutzschaltung kann umfassen: ein drittes Halbleitergleichrichterelement, das zwischen den Signalweg der Oszillationsschaltung und die Speisespannung VSS geschaltet ist, damit sie bewirkt, daß jegliche elektrostatische Spannung der ersten Polarität, die in den Signalweg eindringt, selektiv zur Seite der Speisespannung VSS abgeleitet wird.
Die Kapazität innerhalb einer Stromversorgungsschaltung, welche die Konstantspannung Vreg mit einem niedrigeren Absolutwert erzeugt, ist kleiner als diejenige der Hauptstromquelle, welche die Speisespannung VSS liefert. Daher ist, wenn eine elektrostatische Schutzschaltung nur an die Seite der Konstantspannung Vreg angeschlossen ist und eine extrem große Stoßspannung in die Schaltung eindringt, jene Kapazität bei weitem zu klein im Vergleich zu jener Spannung, und es besteht die Gefahr, daß die Schaltung nicht in der Lage ist, mit der Überspannung fertig zu werden. Im Gegensatz dazu kann diese Erfindung eine Konfiguration verwenden, bei der ein drittes Halbleitergleichrichterelement an die Seite der Speisespannung VSS von der Hauptstromquelle angeschlossen ist, die eine größere Kapazität als die Konstantspannungsschaltung aufweist. Dies ermöglicht es, daß große Ströme zur Hauptstromquellenseite fließen, selbst wenn eine große Stoßspannung eindringen sollte, was es ermöglicht, eine Oszillationsschaltung zu erhalten, die eine ausreichend große Widerstandsfähigkeit gegen eine Stoßspannung aufweist und die des weiteren ein stabiles Oszillationsausgangssignal liefert.
Die Parasitärkapazität des dritten Halbleitergleichrichterelements kann so eingestellt sein, daß sie niedriger ist als die Parasitärkapazität des ersten Halbleitergleichrichterelements.
Es ist besonders bevorzugt, daß die Parasitärkapazität des dritten Halbleitergleichrichterelements so viel kleiner als die Parasitärkapazität des ersten Halbleitergleichrichterelements gewählt wird, daß sie vernachlässigt werden kann.
Dies ermöglicht es, ein Oszillationsausgangssignal mit einer noch stabileren Oszillationsfrequenz zu erzielen, die im wesentlichen von irgendwelchen Änderungen der Parasitärkapazität des dritten Halbleitergleichrichterelements unbeeinträchtigt ist, falls sie als Ergebnis von Fluktuationen der Speisespannung VSS der Hauptstromquelle variieren sollte.
Die Parasitärkapazität des ersten und des zweiten Halbleitergleichrichterelements kann als gesamte oder ein Teil der Kapazität eines Phasenkompensationskondensators verwendet werden.
Diese Konfiguration ermöglicht es, den gesamten oder einen Teil des Phasenkompensationskondensators wegzulassen, was den Integrationsgrad der gesamten Schaltung erhöht.
Im Stand der Technik wird ein Halbleitergleichrichterelement mit einer kleinen Parasitärkapazität und kleiner Größe dazu verwendet, jeweils eine elektrostatische Schutzschaltung zu konfigurieren, um die Kapazität der gesamten Oszillationsschaltung zu reduzieren, den Stromverbrauch der Oszillationsschaltung zu beschränken und die Fläche der resultierenden Halbleitervorrichtung zu reduzieren. Es kommt daher oft vor, daß die Widerstandsfähigkeit gegen eine Stoßspannung der gesamten Schaltung, die diese Halbleitergleichrichterelemente enthält, nicht ausreicht im Gegensatz hierzu macht es diese Erfindung möglich, eine elektrostatische Schutzschaltung zu konfigurieren, die aktiven Gebrauch von einem Halbleitergleichrichterelement macht, das eine große Parasitärkapazität aufweist. Als Folge kann die Widerstandsfähigkeit des Halbleitergleichrichterelements selbst gegen eine Stoßspannung erhöht werden, wodurch es bei weitem besser als elektrostatische Schutzschaltung fungieren kann.
Es ist bevorzugt, daß die Oszillationsschaltung dieser Erfindung zur Bildung einer elektronischen Schaltung verwendet wird.
Dies ermöglicht es, eine elektronische Schaltung zu erhalten, die unter Verwendung eines stabilen Frequenzausgangssignals aus der Oszillationsschaltung gut arbeitet.
Es ist weiter bevorzugt, daß die Oszillationsschaltung oder elektronische Schaltung dieser Erfindung zur Bildung einer Halbleitervorrichtung verwendet wird.
In anderen Worten ist, wenn eine Oszillationsschaltung unter Verwendung eines Kristalloszillators oder eine elektronische Schaltung unter Verwendung einer derartigen Oszillationsschaltung bei einer Halbleitervorrichtung verwendet wird, die Konfiguration oft so, daß die Hauptschaltungskomponenten der auf einer Schaltungsplatine gebildeten Oszillationsschaltung mittels Verdrahtung an einen Kristalloszillator angeschlossen sind, der in einem anderen Bereich der gleichen Schaltungsplatine vorgesehen ist. In einem derartigen Fall besteht die Gefahr, daß eine elektrostatische Spannung wie beispielsweise eine Stoßspannung in die Hauptschaltungskomponenten als Störung von den Anschlußteilen zwischen dem Kristalloszillator und den Hauptschaltungskomponenten eindringen könnte, was das Innere der Schaltung beschädigt.
Auch in diesem Fall ermöglicht es diese Erfindung, eine Halbleitervorrichtung zu implementieren, bei der irgendwelche elektrostatische Spannungen wie beispielsweise eine in die Schaltung eindringende Stoßspannung durch Verwendung dieser elektrostatischen Schutzschaltung ausgeschlossen werden können, und die es des weiteren ermöglicht, daß die Schaltungskomponenten, die ein stabilisiertes Oszillationsausgangssignal verwenden, zufriedenstellend arbeiten.
Die Oszillationsschaltung oder elektronische Schaltung dieser Erfindung kann auch zur Bildung einer Uhr verwendet werden.
Diese Erfindung ermöglicht es, eine Uhr zu schaffen, welche die Zeit exakt halten kann, ohne von irgendwelchen Fluktuationen in der Spannung von der Hauptstromquelle, die auftreten können, beeinträchtigt zu werden.
Die Oszillationsschaltung oder elektronische Schaltung dieser Erfindung kann auch zur Bildung einer elektronischen Vorrichtung verwendet werden.
Dies ermöglicht es, eine elektronische Vorrichtung zu implementieren, die ein exaktes Oszillationsausgangssignal erzeugt, wodurch die Schaltungskomponenten arbeiten können, ohne von irgendwelchen Fluktuationen der Spannung von der Hauptstromquelle, die auftreten können, beeinträchtigt zu werden.
Eine Uhr oder eine andere elektronische Vorrichtung, die durch Verwendung der Oszillationsschaltung oder elektronischen Schaltung dieser Erfindung gebildet wird, ist besonders geeignet zur Verwendung als tragbare Uhr oder elektronische Vorrichtung, bei der eine Wegwerfbatterie oder eine wiederaufladbare Sekundärbatterie als Hauptstromquelle verwendet wird.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen::

Fig. 1 ist ein Blockschaltbild eines Beispiels einer elektronischen Schaltung für eine Armbanduhr, bei der diese Erfindung angewendet wird;
Fig. 2 ist ein Blockschaltbild eines Uhrenschaltungsteils der elektronischen Schaltung von Fig. 1;
Fig. 3 ist ein Schaltbild zur Erläuterung eines speziellen Konfigurationsbeispiels der Kristalloszillationsschaltung dieser Ausführungsform;
Fig. 4 ist ein Graph, der den Zustand von Fluktuationen in zwei unterschiedlichen Stromversorgungsspannungen darstellt, die von der Schaltung dieser Ausführungsform verwendet werden;
Fig. 5A ist ein Äquivalentschaltbild der Kristalloszillationsschaltung von Fig. 3, Fig. 5B ist ein Erläuterungsdiagramm des Kristalloszillators, Fig. 5C ist ein Äquivalentschaltbild des Kristalloszillators, und Fig. 5D ist ein Äquivalentschaltbild von Fig. 5A, das unter Berücksichtigung der Äquivalentschaltung des Kristalloszillators gebildet wurde;
Fig. 6 ist ein Schaltbild zur Erläuterung einer anderen elektrostatischen Schutzschaltung;
Fig. 7 ist ein Schaltbild zur Erläuterung einer elektrostatischen Schutzschaltung gemäß dem Stand der Technik;
Fig. 8 ist ein Äquivalenzschaltbild der elektrostatischen Schutzschaltung von Fig. 6;
Fig. 9 ist ein Schaltbild zur Erläuterung einer elektrostatischen Schutzschaltung, die eine andere Art von Halbleiterelement enthält; und
Fig. 10 ist eine Ansicht zur Erläuterung der Anordnung eines Kristalloszillators und eines CMOS-IC, der die Hauptkomponente einer Oszillationsschaltung ist, wenn sie auf einem Substrat vorgesehen sind.

Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen

Bevorzugte Ausführungsformen dieser Erfindung sind nachstehend ausführlich beschrieben, wobei die Anwendung dieser Erfindung auf eine Armbanduhr mit Analoganzeige als Beispiel für ihre Verwendung herangezogen wird.

1. Gesamtaufbau

Ein Beispiel der bei dieser Art von Armbanduhr verwendeten elektronischen Schaltungen ist in Fig. 1 gezeigt.
Diese Armbanduhr enthält einen Generatormechanismus, der in der Figur nicht gezeigt ist. Wenn der Benutzer das Handgelenk bewegt, an dem die Armbanduhr getragen wird, dreht sich ein Oszillationsgewicht des Generatormechanismus, die hierdurch erzeugte kinetische Energie bewirkt, daß sich der Rotor des Generators mit hoher Drehzahl dreht, und eine Wechselspannung wird aus einer Generatorspule 10 ausgegeben, die auf der Statorseite des Generators vorgesehen ist.
Diese Wechselspannung wird von einer Diode 12 gleichgerichtet, und die gleichgerichtete Spannung lädt eine Sekundärbatterie 14. Diese Sekundärbatterie 14 bildet zusammen mit einer Verstärkungsschaltung 16 und einem Hilfskondensator 18 eine Hauptstromquelle 20.
Bei dieser Ausführungsform der Erfindung wird, wenn die Spannung der Sekundärbatterie 14 abfällt und nicht in der Lage ist, die Anforderung für die Treiberspannung der Uhr zu erfüllen, die Spannung der Sekundärbatterie 14 von der Verstärkungsschaltung 16 zu einer Spannung modifiziert, welche die Uhr antreiben kann, um den Hilfskondensator 18 zu laden. Die Spannung dieses Hilfskondensators 18 wird dann als Speisespannung VSS zum Betreiben einer Uhrenschaltung 30 verwendet.
Diese Uhrenschaltung 30 ist als Halbleitervorrichtung implementiert. Sie verwendet einen Kristalloszillator 42, der über Anschlüsse an die Halbleitervorrichtung angeschlossen ist, um ein Oszillationsausgangssignal mit einer vorab eingestellten Oszillationsfrequenz zu erzeugen, die in diesem Fall eine Frequenz von 32768 Hz ist. Sie gibt jede Sekunde einen Treiberimpuls mit wechselnder Polarität aus, indem sie dieses Oszillationsausgangssignal unterteilt. Dieser Treiberimpuls wird in eine Treiberspule 22 eines Schrittmotors (nicht gezeigt in der Figur) eingegeben, der an die Uhrenschaltung 30 angeschlossen ist. Dieser Schrittmotor versetzt den Rotor jedesmal dann, wenn ein Treiberimpuls durch ihn geschickt wird, in Umdrehung, um Stunden-, Minuten-, und Sekundenzeiger der Uhr (nicht gezeigt in der Figur) anzutreiben und damit die Zeit auf einer Analoganzeige anzuzeigen.
In diesem Fall umfaßt die Uhrenschaltung 30 dieser Ausführungsform einen Speisespannungsschaltungsteil 120, der mit einer Speisespannung VSS betrieben wird, die von der Hauptstromquelle geliefert wird, eine Konstantspannungserzeugungsschaltung 32, die eine vorbestimmte Konstantspannung Vreg erzeugt, deren Absolutwert niedriger als derjenige der Speisespannung VSS ist, und einen Konstantspannungsbetriebsschaltungsteil 100, der mit dieser Konstantspannung Vreg betrieben wird.

2. Uhrenschaltung

Ein ausführliches Funktionsblockschaltbild der Uhrenschaltung 30 ist in Fig. 2 gezeigt.
Der Konstantspannungsbetriebsschaltungsteil 100 umfaßt eine Kristalloszillationsschaltung 40 (die teilweise den extern angeschlossenen Kristalloszillator 42 umfaßt), ein Wellenformergatter 44 und eine Hochfrequenzteilerschaltung 46.
Der Speisespannungsschaltungsteil 120 umfaßt einen Pegelschieber 50, eine Zwischen/Nieder- Frequenzteilerschaltung 52 und andere Schaltungen 54. Es ist zu beachten, daß der Speisespannungsschaltungsteil 120 und die Konstantspannungserzeugungsschaltung 32 der Uhrenschaltung dieser Ausführungsform zusammen einen Speisespannungsbetriebsschaltungsteül 110 bilden, der mit der Speisespannung VSS betrieben wird, die von der Hauptstromquelle 20 gelliefert wird.
Die Kristalloszillationsschaltung 40 verwendet den Kristalloszillator 42, um eine Sinuswelle bei einer Referenzfrequenz fs von 32768 Hz an das Wellenformergatter 44 auszugehen.
Nachdem dieses Wellenformergatter 44 dieses Sinuswellenausgangssignal zu einer Rechteckwellenform umgeformt hat, gibt es sie an die Hochfrequenzteüerschaltung 46 aus.
Die Hochfrequenzteilerschaltung 46 teilt die Referenzfrequenz 32768 Hz, um 2048 Hz zu gewinnen, und gibt dann die so geteilte Frequenz über den Pegelschieber 50 an die Zwischen/Nieder-Frequenzteilerschaltung 52 aus.
Diese Zwischen/Nieder-Frequenzteilerschaltung 52 teilt das Signal, das bereits zum Gewinnen von 2048 Hz geteilt wurde, weiter auf 1 Hz und gibt es an die anderen Schalturugen 54 aus. Diese anderen Schaltungen 54 enthalten eine Treiberschaltung zum Betreiben der Spule 22 in Synchronisation mit dem auf 1 Hz geteilten Frequenzsignal, wodurch der Uhrenantriebsschrittmotor in Synchronisation mit dem auf 1 Hz geteilten Frequenzsignal betrieben wird.
Zusätzlich zu dem Speisespannungsbetriebsschaltungsteil 110, der mit der von der Hauptstromquelle 20 gelieferten Spannung VSS betrieben wird, ist die Uhrenschaltung 30 dieser Ausführungsform mit dem Konstantspannungsbetriebsschaltungsteil 100 versehen, der mit der festen Spannung Vreg betrieben wird, die einen Absolutwert aufweist, der niedriger als derjenige der Speisespannung VSS ist. Der Grund hierfür wird unten diskutiert.
Um in anderen Worten sicherzustellen, daß die Uhrenschaltung 30 über lange Zeitspannenhinweg stabil arbeiten kann, ist es erforderlich, deren Stromverbrauch zu reduzieren.
Unter normalen Bedingungen steigt der Stromverbrauch P einer Schaltung direkt proportional zur Frequenz f eines Signals und der Kapazität C der Schaltung selbst und auch zum Quadrat der an sie gelieferten Speisespannung V wie folgt an:
P fcV² (1)
Unter Bezug auf diese Uhrenschaltung 30 ist ersichtlich, daß ein Weg der Reduzierung des Stromverbrauchs P der gesamten Schaltung darin besteht, die Speisespannung V, die an die verschiedenen Teile der Schaltung geliefert wird, auf eine Spannung mit relativ kleinem Absolutwert einzustellen, wie beispielsweise Vreg. Wenn dies jedoch in einfacher Weise erfolgt, muß die Konstantspannungserzeugungsschaltung 32 zu einer Schaltung mit großer Kapazität gemacht werden, so daß dies unter dem Gesichtspunkt, die gesamte Schaltung höher integriert und kleiner zu machen, nicht ratsam ist.
Andererseits kann die Uhrenschaltung 30 in zwei Hauptteile unterteilt werden: Die Kristalloszillationsschaltung 40, das Wellenformergatter 44 und die Hochfrequenzteilerschaltung 46, die hohe Signalfrequenzen verwenden, und die anderen Schaltungen. Aus Formel 1 ist klar, daß die Frequenz eines Signals proportional zum Stromverbrauch der entsprechenden Schaltung ist.
In diesem Fall nimmt die Konstantspannungserzeugungsschaltung 32 dieser Ausführungsform die von der Hauptstromquelle 20 gelieferte Speisespannung VSS auf, erzeugt die Konstantspannung Vreg mit einem niedrigeren Absolutwert und liefert sie an den Konstantspannungsbetriebsschaltungsteil 100, der mit hochfrequenten Signalen arbeitet, in anderen Worten die Kristalloszillationsschaltung 40, das Wellenformergatter 44 und die Hochfrequenzteilerschaltung 46. Durch Absenken des Absolutwerts der an diese Schaltungen 40, 44 und 46 gelieferten Treiberspannung, die mit hochfrequenten Signalen arbeiten, wird die Last der Konstantspannungserzeugungsschaltung 32 nicht zu sehr erhöht, aber der Stromverbrauch der gesamten Uhrenschaltung 30 kann in effektiver Weise reduziert werden.
Die Beschreibung kommt nun zum Grund des Vorsehens des Pegelschiebers 50 zwischen der Hochfrequenzteilerschaltung 46 und der Zwischen/Nieder-Frequenzteilerschaltung 52 bei dieser Ausführungsform.
Der Spitzenwert des Ausgangssignals aus der Hochfrequenzteilerschaltung 46 ist auf dem Pegel der Konstantspannung Vreg, so daß es niedriger ist als der Spitzenwert der Spannung VSS aus der Hauptstromquelle. Dies bedeutet, daß, wenn ein Ausgangssignal mit dem Pegel der Konstantspannung Vreg aus der Hochfrequenzteilerschaltung 46 ohne jegliche Modifikation in die Zwischen/Nieder-Frequenzteilerschaltung 52 eingegeben wird, die mit der Speisespannung Vss betrieben wird, dieser Eingabewert die Spannung des Logikpegels einer ersten Stufe der Zwischen/Nieder-Frequenzteilerschaltung 52 nicht übersteigt, so daß die Zwischen/Nieder- Frequenzteilerschaltung 52 nicht normal arbeitet. Aus diesem Grund wird der Pegelschieber 50 dazu verwendet, den Spitzenwert des Ausgangssignals aus der Hochfrequenzteilerschaltung 46, vom Konstantspannungspegel auf den Speisespannungspegel hochzuziehen um sicherzustellen, daß die Zwischen/Nieder-Frequenzteilerschaltung 52 in normaler Weise arbeitet.

3. Kristalloszillationsschaltung

Ein spezielles Beispiel der Schaltungskonfiguration der Kristalfoszillationsschaltung 40 dieser Ausführungsform ist in Fig. 3 gezeigt.
Diese Kristalloszillationsschaltung 40 umfaßt im wesentlichen einen Inverter 60, einen Rückkopplungswiderstand 62, einen Drain-Widerstand 64 und Phasenkompensationskondensatoren 66 und 68. Sie gibt ein Oszillationsausgangssignal der Frequenz fs an eine Funktionsschaltung 80 aus. Diese Funktionsschaltung 80 umfaßt das Wellenformergatter 44, die Hochfrequenzteilerschaltung 46, den Pegelschieber 50, die Zwischen/Nieder-Frequenzteilerschaltung 52 und die anderen Schaltungen 54.
Mit Ausnahme des Kristalloszillators 42 könnte die Uhrenschaltung 30 von Fig. 2 im wesentlichen aus einer Halbleitervorrichtung wie beispielsweise einem CMOS-IC 300 gemäß Fig. 10 gebildet sein, wobei der Kristalloszillator 42 über eine Verdrahtung 310 an den CMOS-IC 300 angeschlossen ist, der die Hauptkomponenten der Oszillationsschaltung bildet.
In anderen Worten ist der Kristalloszillator 42 durch Eingabe/Ausgabe-Anschlüsse an die Hauptschaltungsteile der Kristalloszillationsschaltung 40 angeschlossen, die aus dem CMOS-IC 300 gebildet ist. Es besteht daher die Gefahr, daß die Eingabe einer Stoßspannung durch diese Eingabe/Ausgabe-Anschlüsse die interne Verschaltung beschädigen könnte.
Beispiele einer derartigen Stoßspannung, die in Betracht kämen, sind eine Stoßspannung, die von dem während des Zusammenbaus verwendeten Werkzeug eindringt, oder eine Stoßspannung, die von einer Bedienungsperson eindringt.
Aus diesem Grund sind elektrostatische Schutzschaltungen 200-1 und 200-2 in der Kristalloszillationsschaltung 40 vorgesehen.
Je eine dieser elektrostatischen Schutzschaltungen 200-1 und 200-2 ist in dem Signalweg vorgesehen, der an jeden Eingangsanschluß angeschlossen ist. Da diese elektrostatischen Schutzschaltungen 200-1 und 200-2 den gleichen Aufbau besitzen, greift die Beschreibung hier die elektrostatische Schutzschaltung 200-1 als Beispiel heraus.
Diese elektrostatische Schutzschaltung 200 umfaßt einen Widerstand 70, einen ersten elektrostatischen Schutzschaltungsteil 210, der bewirkt, daß jede elektrostatische Spannung negativer Polarität, die in den Signalweg der Oszillationsschaltung eindringt, durch ein erstes Halbleitergleichrichterelement 72 selektiv zur Seite der Konstantspannung Vreg hin nebengeschlossen wird, und einen zweiten elektrostatischen Schutzschaltungsteil 220, der bewirkt, daß jede elektrostatische Spannung positiver Polarität, die in den Signalweg der Oszillationsschaltung eindringt, über ein zweites Halbleitergleichrichterelement 74 selektiv zur Masseseite hin nebengeschlossen wird.
Der Widerstand 70 ist in Serie in den Signalweg geschaltet, um die Gleichrichterelemente 72 und 74 gegen Stoßspannungen zu schützen.
Das erste und das zweite Halbleitergleichrichterelement 72 bzw. 74 sind jeweils durch Verwendung einer Diode mit pn-Übergang konfiguriert. Die das erste Halbleitergleichrichterelement 72, konfigurierende Diode ist gegenpolig zum Ausgangsanschluß für die Konstantspannung (Vreg) der Konstantspannungserzeugungsschaltung 32 geschaltet, und die das zweite Halbleitergleichrichterelement 74 konfigurierende Diode ist gegenpolig zu deren Masseseite geschaltet.
Diese Konfiguration stellt sicher, daß jedwede Stoßspannung negativer Polarität, die von außen eindringt, zur Seite des Anschlusses der Konstantspannung Vreg abgeleitet wird, und jedwede Stoßspannung positiver Polarität zur Masseseite hin abgeleitet wird, wodurch verhindert wird, daß sie in die Halbleiterschaltungen eindringen.
Diese Ausführungsform ist dadurch gekennzeichnet, daß das erste Halbleiterglleichrichterelement 72 an den Vreg-seitigen Anschluß der Konstantspannungserzeugungsschaltung angeschlossen ist, wie zuvor beschrieben, wo die Spannung selbst dann nicht fluktuiert, wenn Fluktuationen in der Speisespannung VSS der Hauptstromquelle 20 auftreten. Dies stellt sicher, daß die Oszillationsfrequenz fS der Kristalloszillationsschaltung 40 immer konstant ist, ohne irgendwelche Variationen bei den Parasitärkapazitäten der Halbleitergleichrichterelemente 72 und 74 zu verursachen, selbst wenn die Speisespannung VSS der Hauptstromquelle 20 fluktuiert.
Dieser Prozeß wird nachstehend ausführlich beschrieben.
Die Beziehung zwischen der Konstantspannung Vreg und der Speisespannung VSS ist in Fig. 4 gezeigt. Die von der Hauptstromquelle gelieferte Speisespannung VSS (bei dieser Ausführungsform besitzt sie einen negativen Wert) weist immer einen Absolutwert auf, der größer als derjenige der Konstantspannung Vreg (der bei dieser Ausführungsform ebenfalls einen negativen Wert aufweist) ist, die aus der Konstantspannungserzeugungsschaltung 32 ausgegeben wird. Es treten jedoch bei der Speisespannung VSS aufgrund von Faktoren wie Fluktuationen bei der Last oder dem Ladezustand der Hauptstromquelle 20 oft Fluktuationen wie die in Figur. 4 gezeigten auf.
Im Gegensatz dazu bleibt die Konstantspannung Vreg, die aus der Konstantspannungserzeugungsschaltung 32 ausgegeben wird, immer konstant, vorausgesetzt daß die Spannung VSS der Hauptstromquelle nicht so stark fluktuiert, daß ihr Absolutwert kleiner als der Absolutwert von Vreg wird.
Es wurde ursprünglich als bevorzugt angesehen, das erste Halbleitergleichrichterelement 72 an die Seite der eine große Kapazität aufweisenden Hauptstromquelle 20 der Schaltung anzuschließen, um Hochspannungsstößen entgegenzuwirken. Wie zuvor beschrieben, wenn die Spannung VSS der Hauptstromquelle 20 fluktuiert, fluktuieren jedoch auch die Werte der Parasitärkapazitäten des ersten und des zweiten Halbleitergleichrichterelements 72 bzw. 74.
Die elektrostatische Parasitärkapazität C jedes der pn-Übergänge der Halbleitergleichrichterelemente 72 und 74 ist gewöhnlich gegeben durch:
C = A ND/VA + VB
wobei:
A: Konstante ND: Dotierstoffdichte
VA: angelegte Spannung VB: Potentialdifferenz über pn-Übergang
Es ist aus dieser Formel ersichtlich, daß, wenn die Speisespannung (VA = VSS in diesem Fall) fluktuiert, auch die Parasitärkapazität C variiert.
Wenn diese Parasitärkapazität C variiert, resultieren Fluktuationen bei der Oszillationsfrequenz fs der Kristalloszillationsschaltung 40. Dieses Phänomen wird nachstehend beschrieben.

Bekämpfung von Fluktuationen in der Oszillationsfrequenz

Eine zur Kristalloszillationsschaltung 40 äquivalente Schaltung ist in Fig. 5A gezeigt. Der Kristalloszillator 42 selbst ist in Fig. 5B gezeigt, und eine äquivalente Schaltung von ihm ist in Fig. 5C gezeigt.
Wenn die in Fig. 5C gezeigte äquivalente Schaltung verwendet wird, kann die Kristalloszillationsschaltung 40 von Fig. 5A durch die in Fig. 5D gezeigte Schaltung repräsentiert werden.
Die Oszillationsfrequenz fs der LC-Oszillationsschaltung 40, die durch die äquivalente Schaltung von Fig. 5D repräsentiert ist, wird wie folgt ausgedrückt:
Aus dieser Formel ist klar, daß die Oszillationsfrequenz fs fluktuiert, wenn die interne Kapazität CG' der Oszillationsschaltung variiert. Formel 3 zeigt in anderen Worten, daß, da das erste und das zweite Halbleitergleichrichterelement 72 bzw. 74 Parasitärkapazitäten CVDD und CVSS enthalten, Änderungen jener Werte Fluktuationen bei der Oszillationsfrequenz fs verursachen.
Im Gegensatz dazu ist das erste Halbleitergleichrichterelement 72 dieser Ausführungsform an Vreq angeschlossen, was eine Spannung ist, die nicht fluktuiert. Es ist daher möglich, daß die Kristalloszillationsschaltung 40 immer ein Oszillationsausgangssignal konstanter Frequenz fs erzeugt, ohne von Fluktuationen der Speisespannung VSS beeinträchtigt zu werden.
Außerdem stellt diese Konfiguration sicher, daß die Parasitärkapazität des ersten und des zweiten Halbleitergleichrichterelements 72 bzw. 74 immer konstant ist. Dies bedeutet, daß diese Parasitärkapazitäten aktiv als Kapazitäten der Phasenkompensationskondensatoren 66 und 68 verwendet werden können. Die Kapazitäten der Phasenkompensationskondensatoren 66 und 68 von Fig. 3 können daher reduziert werden, oder die Kondensatoren 66 und 68 könnten unter gewissen Umständen sogar ganz weggelassen werden.
Dies ermöglicht es, die Anzahl an Komponenten der Kristalloszillationsschaltung 40 zu reduzieren und ihren Integrationsgrad zu erhöhen.
Diese Verwendung der Parasitärkapazität des ersten und des zweiten Halbleitergleichrichterelements 72 bzw. 74 als gesamte oder einen Teil der Kapazität der Phasenkompensationskondensatoren 66 und 68 gemäß dieser Ausführungsform bedeutet, daß die Parasitärkapazitäten der Halbleitergleichrichterelemente 72 und 74 selbst größer gemacht werden können.
Wenn in anderen Worten die Phasenkompensationskondensatoren 66 und 68 völlig getrennt von den Dioden 72 und 74 vorgesehen werden, ist die Kapazität der gesamten Schaltung 40 nicht kein, weshalb es erforderlich ist, Dioden 72 und 74 zu verwenden, die kleine Parasitärkapazitäten aufweisen, um den Stromverbrauch der gesamten Schaltung zu reduzieren. In einem derartigen Fall fällt auch die Widerstandsfähigkeit gegen eine Stoßspannung zusammen mit dieser Parasitärkapazität.
Im Gegensatz dazu verwendet diese Ausführungsform aktiv die Parasitärkapazitäten der Halbleitergleichrichterelemente 72 und 74 als Kapazitäten der Phasenkompensationskondensatoren, wodurch es ermöglicht, wird, hierfür Halbleiterelemente mit großen Parasitärkapazitäten zu verwenden. Als Folge kann die Widerstandsfähigkeit gegen eine Stoßspannung der Elemente 72 und 74 selbst vergrößert werden, weshalb das elektrostatische Schutzvermögen der gesamten Schaltung erhöht werden kann.

4. Andere Ausführungsform

Ein anderes Beispiel der Anwendung dieser Erfindung ist in Fig. 6 gezeigt. Die elektrostatische Schutzschaltung dieser Ausführungsform verwendet ein drittes Halbleitergleichrichterelement 78, das gegenpolig zur Hauptstromquelle VSS geschaltet ist. Da dies es ermöglicht, eine Ableitungsschaltung für Stoßspannungen auf der Seite der Hauptstromquelle 20 mit großer Kapazität zu schaffen, kann die Widerstandsfähigkeit gegen eine Stoßspannung der resultierenden elektrostatischen Schutzschaltung 200 weiter erhöht werden.
Es ist festzuhalten, daß das dritte Halbleitergleichrichterelement 78 in diesem 1 = all durch Fluktuationen der Speisespannung VSS beeinträchtigt wird und daher auch die Parasitärkapazität fluktuiert. Daher ist es bevorzugt sicherzustellen, daß die Stärke von Fluktuationen der Parasitärkapazität des dritten Halbleitergleichrichterelements 78 auf lediglich einige Prozent der Stärke der Fluktuationen der kombinierten Parasitärkapazität des ersten und des dritten Halbleitergleichrichterelements 72 bzw. 78 beschränkt wird, indem die Parasitärkapazität des ersten Halbleitergleichrichterelements 72 auf das etwa 10- bis 100fache der Parasitärkapazität des dritten Halbleitergleichrichterelements 78 eingestellt wird. Dies ermöglicht es sicherzustellen, daß die elektrostatische Kapazität der gesamten Schaltung immer stabil bleibt, um ein stabileres Oszillationsausgangssignal zu liefern.

5. Vergleich mit Stand der Technik

Ein Beispiel einer elektrostatischen Schutzschaltung gemäß dem Stand der Technik, bei der das Halbleitergleichrichterelement 72 an die Seite der Speisespannung VSS angesclhlossen ist, ist in Fig. 7 gezeigt. Bei dem Beispiel gemäß dem Stand der Technik nach Fig. 7 ist die Parasitärkapazität CVSS des ersten Halbleitergfeichrichterelements 72, das an die Hauptstromquelle angeschlossen ist, wobei die Speisespannung VSS Fluktuationen unterliegt, durch ein veränderbares Schaltungselement repräsentiert.
Die nachstehende Diskussion betrifft die Art und Weise, in der die Frequenzabweichung bei diesem Beispiel einer Kristalloszillationsschaltung unter Verwendung einer elektrostatischen Schutzschaltung gemäß dem Stand der Technik untersucht wurde.
Bei der Schaltung gemäß dem Stand der Technik von Fig. 7 waren tatsächlich gemessene Daten über CG und CD, welche die kombinierten Kapazitäten der internen Verschaltung des IC (Halbleitervorrichtung) sind, der die elektrostatische Schutzschaltung 200 umfaßt, von dem Gate- und dem Drain-Anschluß eines Transistors aus gesehen, der ein Gatter 60 der Kristalloszillationsschaltung 40 bildet, durch die nachstehenden Formeln gegeben. Es ist festzuhalten, daß, da der Widerstandswert Rf des Widerstands 62 in diesem Fall extrem groß ist, der Wert von CDO beim Wert von CG weggelassen ist und der Wert von CGO vom Wert von CD weggelassen ist.
CG = CGO + CVDD + CVSS + CGP = 10,8 (pF)
CD = CDO + CVDD + Cvss + CDP = 6,1 (PF) (4)
Wenn die Speisespannung Vss bei dieser Schaltung nach dem Stand der Technik zwischen 1,1 Volt und 2,4 Volt fluktuiert, ist die Stärke der Fluktuationen der Parasitärkapazität CVSS gegeben durch: ΔCVSS = 0,07 (pE).
Das Verhältnis der Stärke der Fluktuationen dieser Parasitärkapazität zur gesamten elektrostatischen Kapazität der Kristalloszillationsschaltung 14 wird als nächstes untersucht.
Zuerst wird das Verhältnis der Stärke der Fluktuationen der Parasitärkapazität der elektrostatischen Schutzschaltung 200-2 bezüglich CG, wie durch Formel 4 gegeben, wie folgt gewonnen:
Auf ähnliche Weise wird das Verhältnis der Stärke der Fluktuationen der Parasitärkapazitäten der elektrostatischen Schutzschaltung 200-1 bezüglich CD, wie durch Formel 4 gegeben, wie folgt gewonnen:
wobei CGP und CDP die jeweiligen Verdrahtungskapazitäten der Kristalloszillationsschaltung 40 sind.
Aus diesen Stärken der Fluktuationen der Parasitärkapazität kann die Frequenzabweichung der Oszillationsschaltung gewonnen werden als: (df/dv) = 3 (ppm). Eine Umwandlung dieser Größe in eine monatliche Abweichung ergibt ca. 8 Sekunden. Wenn beispielsweise die zulässige monatliche Abweichung für eine Uhr in der Größenordnung von 15 Sekunden liegt, ist dieser Wert von 8 Sekunden in 15 Sekunden aufgrund von Fluktuationen der Parasitärkapazität etwas, das nicht geduldet werden kann.
Im Gegensatz dazu stellt der Anschluß des ersten Halbleitergleichrichterelements 72 von Fig. 3 an die Konstantspannung Vreg, die nicht fluktuiert, sicher, daß alle derartigen Fluktuationen der Parasitärkapazität im wesentlichen ignoriert werden können, und daher kann die Abweichung der Oszillationsfrequenz der Kristalloszillationsschaltung 40 selbst auf ein solches Niveau verbessert werden, daß sie im Gegensatz zu derjenigen der Schaltung gemäß dem Stand der Technik ebenfalls ignoriert werden kann.
Ähnliche Untersuchungen können für die Kristalloszillationsschaltung 40 unter Verwendung der in Fig. 6 gezeigten elektrostatischen Schutzschaltung der zweiten Ausführungsform dieser Erfindung ausgeführt werden. Ein Äquivalenzschaltbild dieser elektrostatischen Schutzschaltung ist in Fig. 8 gezeigt. In diesem Fall ist das dritte Halbleitergleichrichterelement 78 ein Element, bei dem die Parasitärkapazität CVSS variiert.
Bei der in Fig. 8 gezeigten Schaltung ist die Parasitärkapazität des dritten Halbleitergleichrichterelements 78 so ausgelegt, daß sie ausreichend kleiner ist als diejenige des ersten Halbleitergleichrichterelements 72, so daß die Frequenzabweichung der gesamten Schaltung selbst dann, wenn die Parasitärkapazität CVSS fluktuiert, viel kleiner gemacht werden kann als diejenige des Beispiels der Verwendung der elektrostatischen Schutzschaltung in Fig. 7 gemäß dem Stand der Technik.
Es ist festzuhalten, daß, obwohl die Ausführungsformen dieser Erfindung oben so beschrieben wurden, daß sie beispielsweise Dioden als Halbleitergleichrichterelemente verwenden, eine Schutzschaltung gleich gut durch Verwendung verschiedener anderer Arten von Halbleitergleichrichterelementen, falls erforderlich, geschaffen werden kann. Beispielsweise könnte eine elektrostatische Schutzschaltung durch Verwendung von Bipolartransistoren als Halbleitergleichrichterelemente gebildet werden, wie in Fig. 9 gezeigt.
Außerdem kann, obwohl sich die Beschreibung dieser Ausführungsformen auf ein Beispiel der Anwendung auf eine tragbare Uhr (eine Armbanduhr) bezog, diese Erfindung auf verschiedene andere elektronische Vorrichtungen angewendet werden, wie beispielsweise tragbare Telefon und tragbare Computer-Terminals.

Claims

1. Oszillationsschaltung, die an einer Konstantspannung Vreg betrieben wird, deren Absolutwert kleiner als der Absolutwert einer Speisespannung VSS einer Hauptstromquelle ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Oszillationsschaltung umfaßt:

eine erste elektrostatische Schutzschaltung, die zwischen einen Signalweg der Oszillationsschaltung und die Seite der Konstantspannung Vreg geschaltet ist, damit sie bewirkt, daß jegliche elektrostatische Spannung einer ersten Polarität, die in den Signalweg eindringt, über ein erstes Halbleitergleichrichterelement selektiv zur Seite der Konstantspannung Vreg abgeleitet wird; und

eine zweite elektrostatische Schutzschaltung, die zwischen den Signalweg der Oszillationsschaltung und eine Referenzpotentialseite der Oszillationsschaltung geschaltet ist, damit sie je bewirkt, daß jegliche elektrostatische Spannung einer zweiten Polarität, die in den Signalweg eindringt, über ein zweites Halbleitergleichrichterelement selektiv zur Referenzpotentialseite abgeleitet wird.

2. Oszillationsschaltung nach Anspruch 1, bei der die erste elektrostatische Schutzschaltung umfaßt:

ein drittes Halbleitergleichrichterelement, das zwischen den Signalweg der Oszillationsschaltung der Oszillation die Speisespannung VSS geschaltet ist, damit sie bewirkt, daß jegliche elektrostatische Spannung der ersten Polarität, die in den Signalweg eindringt, selektiv zur Seite der Speisespannung VSS abgeleitet wird.

3. Oszillationsschaltung nach Anspruch 2, bei der die Parasitärkapazität des dritten Halbleitergleichrichterelements so eingestellt ist, daß sie niedriger als die Parasitärkapazität des ersten Halbleitergleichrichterelements ist.

4. Oszillationsschaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, bei der die Parasitärkapazität des ersten und die des zweiten Halbleitergleichrichterelements als gesamte oder ein Teil der Kapazität eines Phasenkompensationskondensators verwendet werden.

5. Elektronische Schaltung, welche die Oszillationsschaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 4 umfaßt.

6. Halbleitervorrichtung, welche die Schaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 5 umfaßt.

7. Uhr, welche die Schaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 5 umfaßt.

8. Elektronische Vorrichtung, welche die Schaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 5 umfaßt.