Кварцевый генератор

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ПАТЕНТНЫЙ КОМИТЕТ РЕСПУБЛИКИ БЕЛАРУСЬ(71) Заявитель Акционерное общество Минский часовой завод(73) Патентообладатель Акционерное общество Минский часовой завод(57) Кварцевый генератор, содержащий первый и второй -канальные транзисторы, истоки которых подключены к шине питания, а затворы - к стоку первого -канального транзистора, первый Р-канальный транзистор, сток которого подключен к стоку первого -канального транзистора, первый резистор, который включен между общей шиной питания и истоком первого Р-канального транзистора, второй Р-канальный транзистор, затвор которого объединен с его стоком и затвором первого Р-канального транзистора и подключен к стоку второго -канального транзистора, третий канальный транзистор, исток которого подключен к шине питания, а затвор - к затвору первого -канального транзистора, третий Р-канальный транзистор, исток которого подключен к общей шине, а затвор - к затвору первого Рканального транзистора, первый конденсатор, который включен между шиной питания и стоком третьего Р-канального транзистора, второй конденсатор, который включен между общей шиной и стоком третьего -канального транзистора,второй резистор и кварцевый резонатор, первые выводы которых объединены и являются входом генератора, третий конденсатор, который включен между входом генератора и стоком третьего Р-канального транзистора, четвертый конденсатор, который включен между входом генератора и стоком третьего -канального транзистора, четвертый канальный транзистор и четвертый Р-канальный транзистор, стоки которых объединены со вторыми выводами второго резистора и кварцевого резонатора и являются выходом генератора, пятый конденсатор, который включен между выходом генератора и общей шиной, пятый -канальный транзистор и пятый Р-канальный транзистор, истоки которых подключены соответственно к шине питания и общей шине, а стоки - к истокам четвертого -канального транзистора и четвертого Р-канального транзистора, шестой -канальный транзистор и шестой Р-канальный транзистор, истоки которых подключены к выходу генератора, затворы - соответственно к затворам четвертого -канального транзистора и Рканального транзистора, а стоки - к стокам третьего Р-канального транзистора и третьего -канального транзистора, отличающийся тем, что затворы четвертого -канального транзистора и четвертого Р-канального транзистора подключены соответственно к стокам шестого -канального транзистора и шестого Р-канального транзистора, а затворы пятого 1608 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 энергии. Известен кварцевый генератор на дополняющих МОП-транзисторах с низкой потребляемой мощностью,содержащий вход и выход, между которыми подсоединен резонатор два вывода питания, подсоединенных соответственно к положительному и отрицательному полюсам источника питания постоянного тока первый МОП-транзистор Р-типа и второй МОП-транзистор -типа. Истоки первого и второго транзисторов соединены с первым и вторым выводами питания соответственно. Стоки транзисторов соединены друг с другом и с выходом генератора. Между выходом и одним из выводов питания подсоединен выходной конденсатор. Для подачи напряжения смещения на первый и второй транзисторы используются отдельные устройства. Устройство смещения содержит третий МОП-транзистор Р-типа, затвор и сток которого соединены с затвором первого транзистора, а исток - со стоком первого транзистора. Между затвором первого транзистора и вторым выводом питания подсоединен емкостной делитель, средняя точка которого соединена с затвором первого транзистора. Устройство смещения содержит четвертый МОП-транзистор -типа, затвор и сток которого соединены с затвором второго транзистора, а исток - со стоком второго транзистора. Между затвором второго транзистора и первым выводом питания подсоединен второй источник тока. Между входом и вторым выводом питания подсоединен второй емкостной делитель, средняя точка которого соединена с затвором второго транзистора. За счет раздельного смещения рабочих точек первого и второго транзисторов запуск генератора возможен при напряжении питания несколько выше наибольшего из значений порогового напряжения - или Р-канального транзистора. За счет этого, а также отсутствия резисторов, схема является технологичной при производстве. При этом ток потребления генератора, как указано в описании, может быть снижен до 20 мА при напряжении питания 1,2 В 1. Недостатком данного генератора является ненадежность его запуска по следующей причине. После подключения источника питания напряжение затвор-исток (з-и) первого МОП-транзистора Р-типа и второго МОП-транзистора -типа с помощью цепей смещения быстро достигает значения, существенно превышающего их пороговые напряжения (пор) и определяется выражением з-ис-ипор , где с-и - напряжение сток-исток первого и второго МОП-транзисторов. Причем, напряжение сток-исток первого и второго МОП-транзисторов равно половине напряжения питания. В этом случае, динамическое сопротивление последних мало, что не обеспечивает необходимых фазовых соотношений для запуска генератора. Вероятность проявления данного эффекта повышается при повышенных значениях питающего напряжения и малого значения выходной емкости. Известен кварцевый генератор, состоящий из схемы двойного токового зеркала, содержащий первый и второй -канальные транзисторы, истоки которых подключены к шине питания, затворы объединены и подключены к стоку первого -канального транзистора, а исток через токозадающий резистор подключен к общей шине, второй Р-канальный транзистор, затвор которого объединен с его стоком и затвором первого Рканального транзистора и подключен к стоку второго -канального транзистора, а исток подключен к общей шине, схемы КМОП ИУ, содержащей третьи - и Р-канальные транзисторы, стоки которых объединены и являются выходом генератора, при этом между выходом генератора и затвором третьего Р-канального транзистора (вход генератора) включены резистор смещения и кварцевый резонатор, между выходом и общей шиной включен первый конденсатор колебательного контура, четвертого - канального транзистора, исток которого подключен к общей шине, затвор к стоку второго Р-канального транзистора, а сток через первый резистор подключен к затвору третьего -канального транзистора, который через проходной конденсатор подключен ко входу генератора, второго конденсатора колебательного контура, включенного между входом генератора и общей шиной, накопительного конденсатора, включенного между стоком четвертого Рканального транзистора и общей шиной, четвертого -канального транзистора, затвор которого объединен с его стоком и подключен к стоку четвертого Р-канального транзистора, а исток соединен с истоком третьего-канального транзистора, второго и третьего резисторов, включенных соответственно между истоком третьего -канального транзистора и шиной питания и истоком третьего Р-канального транзистора и общей шиной 2. Недостатком данного генератора является сравнительно большой ток потребления вследствие протекания постоянной составляющей тока КМОП ИУ генератора. Накопительный конденсатор зарядится в процессе работы генератора до напряжения источника питания минус пороговое напряжение -канального транзистора. Для обеспечения запуска генератора коэффициент усиления по току К, соединенных по схеме двойного токового зеркала третьих и четвертых - и Р-канальных транзисторов, должен быть достаточно большим, что приведет к постоянной составляющей тока КМОП ИУ в установившемся режиме автоколебаний. Наиболее близким по технической сущности является кварцевый генератор на дополняющих МОПструктурах с низкой потребляемой мощностью, содержащий первый и второй -канальные транзисторы, истоки которых подключены к шине питания, а затворы подключены к стоку первого -канального транзистора, первый Р-канальный транзистор, сток которого подключен к стоку первого -канального транзистора, 2 1608 1 второй Р-канальный транзистор, затвор которого объединен с его стоком и затвором первого Р-канального транзистора и подключен к стоку второго -канального транзистора, третий -канальный транзистор и третий Р-канальный 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 -канального транзистора и общей шиной, первый резистор и кварцевый резонатор, первые выводы которых подключены к стоку третьего -канального транзистора и стоку третьего Р-канального транзистора, который является выходом кварцевого генератора, при этом исток первого Р-канального транзистора через второй резистор подключен к общей шине, вторые выводы кварцевого резонатора и первого резистора соединены с затвором третьего Р-канального транзистора, четвертый -канальный транзистор, исток которого подключен к шине питания, а затвор которого подключен к стоку первого -канального транзистора,пятый -канальный транзистор и пятый Р-канальный транзистор, исток которого подключен к общей шине,шестой -канальный транзистор, шестой Р-канальный транзистор, второй конденсатор, который включен между шиной питания и затвором пятого -канального транзистора, третий конденсатор, который включен между затвором пятого -канального транзистора и затвором третьего -канального транзистора, четвертый конденсатор, который включен между затвором третьего -канального транзистора и затвором пятого Рканального транзистора, пятый конденсатор, который включен между затвором пятого Р-канального транзистора и общей шиной, при этом исток пятого -канального транзистора подключен к шине питания, сток пятого -канального транзистора соединен с истоком третьего -канального транзистора, сток четвертого канального транзистора соединен со стоком шестого Р-канального транзистора и с затвором пятого Рканального транзистора, исток шестого Р-канального транзистора соединен со стоком третьего Р-канального транзистора, исток которого соединен со стоком пятого Р-канального транзистора, затвор шестого Рканального транзистора подключен к затвору третьего Р-канального транзистора, затвор пятого -канального транзистора соединен со стоком шестого -канального транзистора, затвор которого подключен к затвору третьего -канального транзистора и к затвору третьего Р- канального транзистора , исток шестого -канального транзистора соединен с истоком шестого Р-канального транзистора, подложки всех -канальных транзисторов подключены к шине питания, а сток четвертого Р-канального транзистора соединен с затвором пятого канального транзистора 3. Недостатком данного генератора является возникновение режима неустойчивых колебаний за счет влияния схемы, обеспечивающей запуск генератора на цепи адаптации. В случае несимметричной работы адаптирующих транзисторов генератора, например, шестой -канальный транзистор мощнее шестого Р-канального транзистора, происходит более сильное (быстрое) смещение рабочей точки одного из транзисторов усилителя по отношению ко второму (пятого -канального транзистора по отношению к пятому Р-канальному транзистору). В результате происходит смещение уровня колебаний напряжений на входе и выходе генератора от рабочей точки ближе к положительному потенциалу источника питания. Подключение затворов, адаптирующих шестой - и Р-канальный транзисторы по входу генератора, в такой ситуации обеспечит еще более открытое состояние шестого -канального транзистора по отношению к шестому Р-канальному транзистору. Такая положительная обратная связь (чем глубже смещается рабочая точка пятого -канального транзистора в подпороговую область ВАХ, тем сильнее работает адаптирующий шестой -канальный транзистор,смещающий рабочую точку пятого -канального транзистора) приводит к перерегулировке и, как следствие,к режиму неустойчивых (релаксационных) колебаний генератора. Описанная ситуация наиболее вероятна при существенном перекосе пороговых напряжений - и Р-канальных КМОП транзисторов, возможном вследствие разброса параметров технологического процесса. В основу изобретения положена задача создания кварцевого генератора, в котором, за счет независимой работы цепей запуска и цепей адаптации, исключается режим неустойчивых колебаний и обеспечивается надежный запуск при экономичном режиме работы схемы. Существо изобретения заключается в том, что в кварцевом генераторе, содержащем первый и второй канальные транзисторы, истоки которых подключены к шине питания, а затворы - к стоку первого канального транзистора, первый Р-канальный транзистор, сток которого подключен к стоку первого канального транзистора, первый резистор, включенный между общей шиной питания и истоком первого Рканального транзистора, второй Р-канальный транзистор, затвор которого объединен с его стоком и затвором первого Р-канального транзистора и подключен к стоку второго -канального транзистора, третий канальный транзистор, исток которого подключен к шине питания, затвор - к затвору первого -канального транзистора, третий Р-канальный транзистор, исток которого подключен к общей шине, а затвор - к затвору первого Р-канального транзистора, первый конденсатор, включенный между шиной питания и стоком третьего Р-канального транзистора, второй конденсатор, включенный между общей шиной и стоком третьего -канального транзистора, второй резистор и кварцевый резонатор, первые выводы которых объединены и являются входом генератора, третий конденсатор, включенный между входом генератора и стоком третьего Р-канального транзистора, четвертый конденсатор, включенный между входом генератора и стоком третьего -канального транзистора, четвертый -канальный транзистор и четвертый Р-канальный транзистор, стоки которых объединены со вторыми выводами второго резистора и кварцевого резонатора и явля 3 1608 1 ются выходом генератора, пятый конденсатор, который включен между выходом генератора и общей шиной, пятый -канальный транзистор и пятый Р-канальный транзистор, истоки которых подключены собственно к шине питания и общей шине, а стоки - к истокам четвертого -канального транзистора и четвертого Р-канального транзистора, шестой -канальный транзистор и шестой Р-канальный транзистор, истоки которых подключены к выходу генератора, затворы - соответственно к затворам четвертого -канального транзистора и Р-канального транзистора, а стоки - к стокам третьего Р-канального транзистора и третьего канального транзистора, затворы четвертого -канального транзистора и четвертого Р-канального транзистора подключены соответственно к стокам шестого -канального транзистора и шестого Р-канального транзистора, а затворы пятого -канального транзистора и пятого Р-канального транзистора подключены к входу генератора. На чертеже представлена схема кварцевого генератора. Кварцевый генератор содержит первый 1 и второй 2-канальные транзисторы, истоки которых подключены к шине питания, а затворы которых подключены к стоку первого -канального транзистора 1, первый Р-канальный транзистор 3, сток которого подключен к стоку первого-канального транзистора, первый резистор 4, включенный между общей шиной питания и истоком первого Рканального транзистора 3, второй Р-канальный транзистор 5, затвор которого объединен с его стоком и затвором первого Р-канального транзистора и подключен к стоку второго -канального транзистора, третий -канальный транзистор 6, исток которого подключен к шине питания, затвор - к затвору первого -канального транзистора,третий Р-канальный транзистор 7, исток которого подключен к общей шине, затвор - к затвору первого Рканального транзистора, первый конденсатор 8, включенный между шиной питания и стоком третьего Рканального транзистора, второй конденсатор 9, включенный между общей шиной и стоком третьего -канального транзистора, второй резистор 10 и кварцевый резонатор 11, первые выводы которых объединены и являются входом генератора, третий конденсатор 12, включенный между входом генератора и стоком третьего Р-канального транзистора, четвертый конденсатор 13, включенный между входом генератора и стоком третьего -канального транзистора, четвертый - и четвертый Р-канальные транзисторы 14, 15, стоки которых объединены со вторыми выводами второго резистора и кварцевого резонатора и являются выходом генератора, пятый конденсатор 16,включенный между выходом генератора и общей шиной, пятый - и пятый Р-канальные транзисторы 17, 18, истоки которых подключены к шине питания и общей шине, а стоки - соответственно к истоку четвертого - и четвертого Р-канальных транзисторов, шестые - и Р-канальные транзисторы 19, 20, истоки которых подключены к выходу генератора, затворы - к затворам четвертых - и Р-канальных транзисторов, а стоки - к стоку третьего Рканального и стоку третьего -канального транзисторов соответственно, затворы четвертых - и Р-канальных транзисторов подключены к стокам шестых - и Р-канальных транзисторов, а затворы пятых - и Р-канальных транзисторов подключены к входу генератора. Соединение транзисторов 1, 2, 3, 5 и резистора 4 представляет собой схему двойного токового зеркала. Резистор 4 выбирается достаточно высокоомным, чем обеспечивается работа транзисторов 1,2, 3, 5 в подпороговой области их ВАХ с токами в несколько наноампер. При этом транзисторы 6 и 7 также будут работать в подпороговой области их ВАХ и через них будет протекать ток в несколько наноампер. Кварцевый генератор работает следующим образом. После включения источника питания через транзисторы 6 и 7 на затворы транзисторов 15 и 14 подается соответственно отрицательный и положительный потенциал источника питания, что обеспечит открытое состояние последних. После окончания переходных процессов через цепь, содержащую транзисторы 7, 19, 14,17 от положительного полюса источника питания к отрицательному будет протекать ток в несколько наноампер, определяемый транзистором 7. При этом затвор-исток транзистора 19 будет обеспечивать его работу в подпороговой области ВАХ. Аналогично, через цепь, состоящую из транзисторов 6, 20, 15, 18 будет протекать несколько наноампер, определяемых транзистором 6, и транзистор 20 будет работать в подпороговой области ВАХ. Напряжение затвор-исток транзистора 14 равно сумме его напряжения сток-исток и напряжения стокисток транзистора 19. Т.к. транзистор 19 работает в подпороговой области ВАХ, то его напряжение сток- исток приблизительно равно пороговому. Тогда, напряжение затвор-исток транзистора 14 равно сумме порогового напряжения -канального транзистора и его напряжения сток-исток. Аналогично, напряжение затвористок транзистора 15 будет равно сумме порогового напряжения Р-канального транзистора (напряжение сток-исток транзистора 20) и его напряжения сток-исток. При этом, напряжение сток-исток транзисторов 14 и 15 равно разнице половины напряжения питания и падения напряжения на транзисторах 17 и 18 соответственно. Выбором размеров транзисторов 17 и 18 обеспечивается сравнительно небольшое падение напряжения на них, что обеспечивает большое напряжение затвор-исток транзисторов 14 и 15. Таким образом, после включения источника питания создаются условия для надежного запуска генератора,причем напряжение запуска генератора определяется только мощность транзисторов 17, 18. После возникновения колебаний напряжений в колебательном контуре транзистор 20 будет периодически открываться (напряжение на выходе генератора изменяется к положительному полюсу источника питания, а на входе - к отрицательному), чем обеспечивается смещение рабочей точки транзистора 15 к 1608 1 положительному полюсу источника питания. В установившемся режиме автоколебаний средний ток транзистора 20 равен току транзистора 6 (несколько наноампер) . Аналогичным образом, с помощью транзистора 19 обеспечивается смещение рабочей точки транзистора 14 к отрицательному полюсу источника питания. При этом средний ток транзистора 19 равен току транзистора 7 (несколько наноампер). Таким образом, в установившемся режиме автоколебаний усилитель генератора будет работать в классе В за счет смещения рабочих точек транзисторов 14 и 15, чем обеспечивается его экономичный режим работы. Транзисторы 17 и 18 в режиме установившихся автоколебаний на работу цепей адаптации влияния не оказывают и являются низкоомными сопротивлениями в цепях истоков транзисторов 14 и 15. оставитель Н.Б.Суханова Редактор В.Н.Позняк Корректоры С.А.Тикач, А.М.Бычко Заказ 4321 Тираж 20 экз. Государственный патентный комитет Республики Беларусь. 220072, г. Минск, проспект Ф. Скорины, 66.