Стабилизатор напряжения питания часовой интегральной схемы

(51)4 С 0 ИЯ ЕЛЬСТВ АВТОРСКОМУ С изводственнрибор"Красник ании 3/00, 1979, 62033,ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССРПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТНРЫТИЙ(54) СТАБИЛИЗАТОР НАПРЯЖЕНИЯ ПИТАНИЯЧАСОВОЙ ИНТЕГРАЛЬНОЙ СХЕМЫ(57) Изобретение относится к элек ронным приборам времени, Цель из ретения в . снижение потребляемой м ности, Устройство содержит отрица тельную 1 и общую 2 шины первично источника питания, опорнын р-канальный транзистор 3, р-канальный транзистор 4, резисторы 5, 10 и 14, квар-. цевый генератор 6, делитель 7 частоты, шину 8, п-канальный транзистор 9, транзистор-регулятор 11 тока нагрузки, генератор 12 емкостного тока, опорный и-канальный транзистор 13 и . шину 15 питания. Введение новых элементов и образование новых связей между элементами устройства позволяет уменьшить уровень потерь энергии, т,к. уменьшение напряжения питания кварцевого генератора 6 до величиныменьшей, чем сумма пороговых напряжений р-канального и 4 и и-каналь- а ного 9 транзисторов, исключает сквозной ток инвертирующего усилителя за счет перезаряда входной и выходной мощностей генератора 12 емкостного С тока. 4 ил.1345165 Изобретение относится к электронным приборам времени и может быть использовано для создания автономных наручных часов в виде интегральной схемы на комплиментарных (взаимно- дополняющих) металл-окисел-полупроводниковых логических элементах (на КМОП логических элементах)Целью изобретения является снижение потребляемой мощности в часовой КМОП интегральной схеме.На фиг. 1 приведена электрическая структурная схема стабилизатора; на фиг. 2 - электрическая функциональная схема генератора емкостного тока; на фиг. 3 - электрическая Функциональная схема кварцевого генератора; на фиг. 4 - электрическая функциональная схема делителя частоты. Стабилизатор содержит (см.фиг,1)общую и отрицательную шины первичного источника питания 1 и 2, опорныйр-канальный транзистор 3, нагрузочный р-канальный транзистор 4, первыйрезистор 5, кварцевый генератор 6,делитель 7 частоты,выходную шину 8,пканальныйтранзистор форсажа 9, второйрезистор 10, транзистор-регулятор 11тока нагрузки, генератор 12 емкостного тока, опорный и-канальный транзистор 13, третий резистор 14 и шину15 стабилизированного питания.Генератор .12 емкостного тока (фиг.2) содержит сглаживающий конденсатор16, первый и второй коммутационныетранзисторы 17 и 18, первый и второй коммутируемые конденсаторы 19 и20 и третий и четвертый коммутационные транзисторы 21 и 22,Кварцевый генератор 6 (фиг. 3) содержит р-канальный транзистор 23, пканальный транзистор 24, резистор25 обратной связи, кварцевый резонатор 26, входной конденсатор 27 и выходной конденсатор 28,Делитель 7 частоты (фиг. 4) содержит инвертор 29, последовательнуюцепь нагруженных друг на друга триггеров 30-46, конденсатор 47, резистор 48, триггер 49, транзистор 50,нагрузочный резистор 51, транзистор52 и резистор 53, выход 54.Общая шина первичного источника1 питания соединена с истоком и подложкой опорного р-канального транзистора 3, с общими входами питаниякварцевого генератора 6 и делителя17 частоты, вход которого подключен к первому выходу кварцевого генератора6, соединенного своим входом питания к шине 5 стабилизированного питания.Выходная шина 8 подключена к первому выходу делителя 7 частоты, входпервичного питания которого соединенс отрицательной шиной 2 первичного 10питания и подложкой транзистора-регулятора 11 тока нагрузки, подключенного своим затвором к стоку опорного и-канального транзистора 13, у коиторого исток соединен со стоком транзистора-регулятора 11 тока нагрузки.Первый выход кварцевого генератора 6 соединен со вторым входом генератора 12 емкостного питания, первыйвыход которого подключен к затвору 20нагрузочного р-канального транзистора 4, затвору опорного р-канальноготранзистора 3 и через первый резистор 5 - к стоку, опорного р-канального транзистора 3 и к затвору опорного п-канального тразистора 13, соединенного своим истоком со вторым выходом генератора 12 емкостного токаи через третий резистор 14 со своейподложкой и с шиной 15 стабилизированного питания. Шина 15 стабилизированного питания подключена к входустабилизированного питания делителя7 частоты, второй выход которого соединен с затвором и-канального транзистора 9 форсажа, сток которогосоединен с истоком и-канальноготранзистора 13, подключенного своимстоком к стоку нагрузочного р-канального транзистора 4, у которого подложка и сток соединены с общей шинойпервичного источника питания. Отрица.тельная шина первичного источникапитания соединена через второй резистор 10 с истоком транзистора-регулятора 11 тока нагрузки, с истоком 45 и подложкой и-канального транзистора9 форсажа и со входом питания генератора 12 емкостного тока, первыйвход которого подключен к второму выходу кварцевого генератора 6.50Вход питания генератора 12 емкостного тока соединен с первыми обкладками обоих коммутируемых конденсаторов 19 и 20, Второй вход генератора12 емкостного тока подключен к затворам второго и третьего коммутационных транзисторов 18 и 21, а объединенные подложка и исток третьего ичетвертого коммутационных транзисто1345165 1 =СЕ й,где Б и Б, - пороговые напряженияор- и и-канальноготранзисторов 3 и 13;1 - ток генератора 12 емкостного тока;1 - общий ток потребленияв шине 15;- коэфФициент влиянияподложки транзистора13.В стационарном режиме работы К МОП часов, когда напряжение на шине 15 близко к уровню стабилизации Е,ров 21 и 22 соединены друг с другоми подключены к второму выходу генератора 12 емкостного тока,Стабилизатор работает следующим5образом.Подключение к стабилизатору первичного источника питания Е, вызывает "единичный" (отрицательный) перепад йапряжения, который через разряженный конденсатор 47 (см, фиг,4)поступает на входы В. обнуления триг.геров 30, 31-45, 46 и на вход Я триггера 49. На втором выходе делителя7 частоты (см. Фиг. 1) появляетсяпри этом нулевой уровень напряженияобщей шины 1, формируемый инверторомна транзисторе 50 и резисторе 51.Транзистор 9 при этом отпирается, наего стоке устанавливается напряжениеЕ . Возникли условия для ускоренногои надежного запуска генератора 6. После запуска генератора 6 на вход делителя 7 частоты поступают импульсынапряжения. Однако, триггеры 30, 31- 2545,46 остаются заблокированными дотех пор, пока напряжение на их вхо-.дах К превышает по абсолютной величине порог обнуления этих триггеров.После того как конденсатор 47 зарядится через резистор 48 до порога обнуления триггеров, блокировка ТТ-,триггеров снимается и начинаетсясчет импульсов, поступающих с первого выхода кварцевого генератора 6.Нулевой сигнал форсажа на втором выходе делителя 7 продолжается вплотьдо перебрасывания последнего триггера 46 и появления импульса на первомвыходе делителя 7 частоты, которыйуправляет шаговым двигателем. Послеэтого триггер 49 возвращается в исходное нулевое состояние, на второмвыходе делителя частоты появляетсяединичный уровень напряжения, равный45напряжению первичного источника питания Е а на шине 15 устанавливается сниженное напряжение Е , от которого запитываются все триггеры делителя 7 частоты. Работа делителя 7частоты при сниженном напряжении пи 50тания Е до величины, меньшей суммыдвух пороговых напряжений р- и иканальных транзисторов, предотвращает возникновение сквозных токов ввентилях ТТ-триггеров и уменьшаетмощность, затрачиваемую на перезаряд паразитных емкостей этих триггеров. Уменьшение напряжения питания (здесь и ниже речь идет об абсолютной величине напряжений) кварцевого генератора 6, находящегося в режиме стационарных колебаний, до величины меньшей, чем сумма пороговых напряжений р- и и-канальных транзисторов исключает сквозной ток К МОП-инвертирующего усилителя и уменЬшает уровень потерь энергии эа счет перезаря да входной и выходной емкостей генератора. Уменьшение напряжения питания делителя 7 частоты исключает сквозные токи в момент переключенияК МОП-вентилей и уменьшает ток перезаряда емкостей в узлах делителя 7частоты. При этом ток, потребляемыйделителем 7 где С - приведенная ко входу делителя нагрузочная емкость,Г - частота колебаний кварцевого генератора,Наличие отрицательной обратной связи с первого и второговыходов генератора 6 позволяет использовать для повьппения устойчивости системы взаимозависимость между амплитудой напряжения на выходах генератора 6 и величиной стабилизируемого напряжения ЕВ качестве параметрических опорных элементов стабилизации напряжения в К МОП часах используются входные цепи разноканальных транзисторов 3 и 13, связанные между собой резистором 5.Уровень стабилизируемого напряжения на шине 15 определяется зависимостьюЪ Е = Бо + оп с 1 и +Р ю5 134транзисторы 3 и 13 работают в области слабой инверсии проводимости канальной части поверхности полупроводника. При этом потенциал поверхностиполупроводника находится в пределаходного-двух потенциалов Ферми, а токстока этих транзисторов порядка10 нА. Именно это обстоятельство позволяет использовать входные цепитранзисторов 3 и 13 в качестве датчиков пороговых напряжений,Транзистор 3 включен в диодном режиме:, ток стока этого транзистора целиком определяется током генератора12 емкостного тока. Размеры каналатранзистора 3 выбираются такими, чтобы при изменении тока генератора 12емкостного тока в пределах от 0 до20 нА затворное напряжение транзистора 3 изменялось незначительно и находилось вблизи порогового напряжения р-канального транзистора. В этомслучае транзистор 3 работает в пологой области, и его ток стока не зависит от напряжения на его стоке. Размер канала транзистора 4 следует выбирать таким же, как и транзистора3. В этом случае режимы работы этихтранзисторов будут одинаковыми, таккак их входные цепи включены параллельно. Таким образом, независимо отразных напряжений на стоках транзисторов 3 и 4 токи стока этих транзисторов одинаковы, Выходные цепитранзисторов 4 и 13 включены последо"вательно, поэтому в стационарном режиме работы токи стока этих транзисторов одинаковы и равны току генератора емкостного тока 12, Размеры канала транзистора 13 выбираются потем же критериям, что и транзистора3, поэтому входная цепь транзистора13 тоже может выступать датчиком порогового напряжения, но уже и-канального транзистора,Ток 1 генератора 12 емкостноготока создает на, резисторе 5 падениенапряжения 1,. К , которое уменьшаетвеличину напряжения стабилизациина шине 15.1Напряжение Е определяется такжеи током 1 потребления нагрузки, вкачестве которой выступают кварцевыйгенератор 6 и делитель 7 частоты.ПаДение напряжения 1 К, смещает под"ложку и-канального транзистора 13в плюсовую область относительно истока и тем самым уменьшает пороговое 51658напряжение и-канального транзистора13, на величину 1 К, гдекоэффициент влияния подложки. Привозрастании тока 1 напряжение Е5уменьшается, что должно вызвать замедление возрастания тока нагрузкиТ. Таким образом, резистор К,4 стабилизирует ток 1 нагрузки шины 15.Кроме функций формирования опорногонапряжения и стабилизации тока 1 нагрузки на шине 15 транзистор 13 выполняет еще функцию активного элемента усилителя, Функцию нагрузочногогенератора тока в этом усилителе выполняет транзистор 4, Усилитель натранзисторах 13 и 4 является неинвертирующим так как активный транзистор13 управляется по истоку напряжениемна втором выходе генератора 12 емкостного тока. Выходное напряжениеусилителя подается на затвор транзистора 11, который управляет токомнагрузки шины 15, величина напряже 25 ния может изменяться в пределах от0 до Е , Величина сопротивления резистора 10 должна быть выбрана такой,чтобы выполнялось условие Е - Е с1 К, (1+ ) + П при любых пороговыхнапряжениях транзисторов 3 и 13.В этом случае транзистор 11всегда может быть заперт напряжением на стоке транзистора 13, а следовательно, снимается ограничение наиспользование схемы К МОП часов при35низких пороговых напряжениях транзисторов.,В режиме форсажа последовательнаяцепочка из транзистора 11 и резистора 10, закорачивается выходной цепьюоткрытого транзистора 9, В стационар. ном режиме работы устройства транзистор 9 заперт напряжением Е на егозатворе. Основная функция генератора 12емкостью тока состоит в формировании тока 1 , который является функцией параметра кварцевого генератора 6, характеризующего запас устойчивости о колебаний в стационарном режиме, ифункцией запаса устойчивости делителя 7 частоты. В качестве такого параметра выступает здесь эффективное отпирающее напряжение п-канального ,.5 транзистора П , Под эффективным отпирающим напряжением понимаем здесь разность между двойной амплитудой колебаний. и пороговым напряжением пканального транзистора. Заряд и раз1345165 ряд конденсаторов 19 и 20 производится относительно уровня Е , поэтому этот уровень принимаем за нулевую точку отсчета напряжений в генера 5 торе 12 емкостного тока. В этом случае можно сказать, что конденсатор 20 в первом такте заряжается через выходную цепь открытого транзистора 18 до разности напряжений 10 11 а 11 о 11 эгде Б - двойная амплитуда напряжения на первом выходе кварцевого генератора 6, а во втором такте разряжается до нуля через выходную цепь транзистора 22.Во втором такте работы генератора 12 емкостного тока заряжается уже конденсатор 19 через выходную цепь открытого транзистора 17 до разности напряжений Б, - Ц, = Ц, гдеТг ф 0 - максимальное напряжение на втором выходе кварцевого генератора 6. Конденсатор 19 разряжается до нуля в первом такте через выходную цепь открытого транзистора 21, Конденсатор 16 сглаживает броски тока на выходе генератора 12 емкостью тока.Таким образом, среднее значение тока формируемого генератором 12 емкостного тока определяется выражением 15 20 25 30 вому выходу кварцевого генератора,соединенного своим выходом питанияс шиной стабилизированного питания,а выходная шина подключена к первомувыходу делителя частоты, вход первичного питания которого соединен с отрицательной шиной первичного питания и подложкой транзистора-регулятора тока нагрузки, подключенного своим затвором к стоку а стоком к истоку опорного и-канального транзисторарегулятора тока нагрузки, о т л и -ч а ю щ и й с я тем, что, с цельюуменьшения потребления мощности, в 45него введены нагрузочный р-канальныйтранзистор, генератор емкостного тока, и-канальный транзистор форсажа итри резистора, причем отрицательнаяшина первичного источника питания50соединена через второй резистор с источником транзистора-регулятора токанагрузки, с истоком и подложкой иканального транзистора форсажа и свходом питания генератора емкостного тока, первый вход которого подключен к второму выходу кварцевого генератора, шина стабилизированного питания подключена ко входу стабилизированного питания делителя частоты,Т, = (С Ц,+С, и )К, (2) где С, и С емкости соответствующихконденсаторов, генератора 12 емкостного тока,Из выражений (1) и (2) следует,что резистор К совместно с генератором 12 емкостного тока стабилизирует эффективные отпирающие напряжения на выходах кварцевого генератора 6, Например, при возрастании эффективных отпирающих напряжений навыходах генератора 12 емкостного тока напряжение Е на шине 15 уменьшается, что должно привести к уменьшению эффективных отпирающих напряжений.Крутизна инвертирующего усилителякварцевого генератора 6 (см. фиг. 3)выбирается такой, чтобы при всехвнешних дестабилизирующих факторахнапряжение питания, при котором наступает срыв колебаний генератора 6,было меньшим, чем напряжение Е нашине 15 питания. Работа генератора 6 в области напряжений питания, меньшихсуммы двух пороговых напряжений разноканальных транзисторов, исключаетвозможность появления сквозных токовв транзисторах 23 и 24 инвертора исводит к минимуму перепады напряжений, на которые перезаряжаются входной 27 и выходной 28 конденсаторы генератора 6, Все это ведет к уменьшению энергии, потребляемой схемой отисточника питания. формула из обретения 1, Стабилизатор напряжения питания часовой интегральной схемы, содержащий отрицательную и общую шины первичного источника питания, опорный р-канальный транзистор, опорный и-канальный транзистор, кварцевый генератор, шину стабилизированного питания, делитель частоты, выходную шину и транзистор-регулятор тока нагрузки, причем общая шина первичного источника питания соединена с истокоми подложкой опорного р-канальноготранзистора и общими входами питаниякварцевого генератора и делителя частоты, вход которого подключен к пер1 О 5165 9 134 второй выход которого соединен с затвором и-канального транзистора форсажа, сток которого соединен с истоком опорного п-канального транзистора, подключенного своим стоком к стоку нагрузочного и-канального транзистора, у которого подложка и исток соединены с общей шиной первичного источника питания, а первый выход кварцевого генератора соединен с вторым входом генератора емкостного тока, первый выход которого подключен к затвору нагрузочного р-канального транзистора, затвору опорного .р-канального и через первый резистор к стоку опорного р-канального транзистора и к затвору опорного и-канального транзистора,связанного своимистоком с вторым выходом генератора емкостного тока и через третий резистор со своей подложкой и с шиной стабилизированного питания. 2. Стабилизатор по и. 1, о т л и - ч а ю щ и й с я тем, что генератор емкостного тока содержит сглаживающий и два коммутируемых конденсатора и четыре коммутационных транзистора,причем вход питания генератора ем-,костного тока соединен с первыми об 5кладками обоих коммутируемых конденсаторов и сглаживающего конденсатора, подключенного второй обкладкой кпервому выходу генератора емкостного тока и к стокам первого и второгокоммутационных транзисторов, объединенные подложки и исток каждого иэкоторых соединены со стоками, соответственно, третьего и четвертогокоммутационных транзисторов и совторыми обкладками, соответственно,первого и второго коммутируемых конденсаторов, первый вход генератора "емкостного тока соединен с затворами первого и четвертого коммутационных транзисторов, второй вход генератора емкостного тока подключен к затворам второго и третьего коммутационных транзисторов, а объединенные подложка и исток третьего и четверто 2 го коммутационных транзисторов соединены друг с другом и подключенык второму выходу генератора емкостного тока,1345165 Ч 0о комитета СССи открытийРаущская наб 918/46 Тираж 3 НИИПИ Государственнопо делам изобретении 13035, Москва, Ж,исное ака 4 жгород, ул. Проектна роизводственно-полиграфическое предприяти Составитель С.Шакиндактор А.Долинич Техред Л.Сердюкова Коррек