DE2534271A1 - Frequenz-wandle - Google Patents

Description

Frequenzwandler

(Prioritäten: 31. Juli 1974, Japan, Nr. 87 007 31. Juli 1974, Japan, Nr. 87 015)

Die Erfindung bezieht sich auf elektrische Wandler, wie Frequenz-Spannungs- oder Frequenz-Strom-Wandler und deren Anwendung.

Aus IEEE, 1969, Seiten 100 und 101, THAM 8.5,unter dem Titel "Phase Locking as a New Approach for Tuned Integrated Circuits", Bericht über die International Solid-State Circuit Conference, ist eine Frequenzbestimmungsschaltung mit einer Schleife zur Festlegung der Phase (PLL) bekannt. Weiter werden bei als integrierte Schaltung aufgebauten Impulssignalgeneratoren besondere Kompensationseinrichtungen benötigt, um die Frequenz zu stabilisieren. Die bekannte PLL-Schaltung ist jedoch teuer, da ihr Schaltungsaufbau sehr kompliziert ist und sie viele Schaltungselemente erfordert.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Wandler mit einfachem Schaltungsaufbau zu schaffen, der die Frequenz von

609808/0364

zu messenden oder weiterzuverarbeitenden Signalen in Spannungs- oder Stromsignale umwandelt. Weiter soll ein Impulsgenerator geschaffen werden, dessen Frequenz stabilisiert ist.

Die Erfindung wird anhand der Zeichnung näher beschrieben. Es zeigen:

Fig. 1 das Schaltbild eines erfindungsgemäßen elektrischen Wandlers;

Fig. 2a

und 2b die Draufsicht bzw. einen Querschnitt eines in der Schaltung der Fig. 1 verwendeten Schaltelements;

Fig. 3

und 4 Schaltbilder von Impulsgeneratoren mit erfindungsgemäßen Wandlern} und

Fig. 5 ein Schaltbild eines Impulsgenerators ohne einen erfindungsgemäßen Wandler.

Fig. 1 zeigt einen erfindungsgemäßen Frequenz-Spannungs-Wandler, bei dem ein Eingangssignal mit der Frequenz f dem Gate eines besonderen Schaltelements Qc über eine Begrenzerschaltung 1 zugeführt wird. Die Drain (oder Source) des Schaltelements Qc ist über einen Widerstand R an eine Klemme VDD einer Spannungsquelle angeschlossen. Das Ausgangssignal wird vom Verbindungspunkt des Widerstands R mit der Drain (oder Source) des Schaltelements abgegriffen, und zwar über eine Filterschaltung 2, durch die die im Signal enthaltene Oberwellenkomponente unterdrückt wird. Das Oberwellen- oder Welligkeitsfilter enthält einen Widerstand Ro und einen Kondensator Co. Das Schaltelement Qc ist ein sogenanntes Ladungspumpenelement und enthält ein (z.B. n-leitendes) Halbleitersubstrat 3, einen (z.B. p-leitenden) Halbleiterbereich 4 des entgegengesetzten Leitfähigkeitstyps, der als Drain- oder Sourcebereich wirkt, einen dünnen Isolierfilm 5 (z.B. Siliciumoxid), der die Hauptfläche des Substrats einschließlich teilweise einen Oberflächenteil des Halbleiterbereichs 4.abdeckt, einen Drain- oder Sourceanschluß 7, der an den Halbleiterbereich 4 angeschlossen

609808/0364

ist, und einen auf dem dünnen Isolierfilm 5 ausgebildeten Gate-Anschluß 8, wobei der dünne Isolierfilm 5 die darunterliegende Substratoberfläche abdeckt. Das vorstehend beschriebene Ladungspumpenelement hat im wesentlichen den gleichen Aufbau wie die bekannten MOS-Feldeffekttransistoren, braucht jedoch nicht den Source- und den Drainbereich aufzuweisen.

Das Ladungspumpenelement Qc arbeitet folgendermaßen: Wird dem Gate-Anschluß eine vorherbestimmte Spannung zugeführt, die wenigstens gleich der Schwellenspannung ist, so wird auf der Substratoberfläche unter dem Gate-Anschluß eine Inversionsschicht induziert, und es werden aus der Drain Träger in dieselbe injiziert. Wird die zugeführte Gate-Spannung abgeschaltet, so gelangen die injizierten Träger in die Drain zurück. Eine sehr kleine Menge der injizierten Träger wird jedoch rekombiniert, so daß ein kleiner elektrischer Strom zwischen Drain und Substrat fließt. Da sich der Mittelwert dieses zwischen Drain und Substrat fließenden Stroms entsprechend der Anzahl der Einspeisungen der Gate-Spannung ändert, ist der elektrische Strom je Zeiteinheit proportional der Frequenz f des dem Gate-Anschluß zugeführten Eingangssignals.

Gemäß Fig. 1 wird daher durch Zufuhr einer Spannung aus der Spannungsquelle VDD zur Drain des Ladungspumpenelements Qc über einen Widerstand R das. Potential VD an der Drain des Elements Qc durch den Spannungsabfall geändert, der infolge des im Substrat und im Widerstand R fließenden elektrischen Stroms I entsteht. Der fließende Strom wird groß, und die Drainspannung VD des Elements Qc wird gering, wenn die Frequenz f erhöht wird. Umgekehrt wird infolge des Elements Qc der Strom im Substrat verringert und die Drainspannung des Elements Qc erhöht. Auf diese Weise wird die Frequenz f in eine Spannung V umgewandelt.

Vorzugsweise wird die so erhaltene Ausgangsspannung VD

mittels des Welligkeitsfliters 2 geglättet, da der elektrische Strom I intermittierend fließt und daher die Ausgangsspannung VD wellig ist.

Weiter wird zweckmäßigerweise die Begrenzerschaltung 1 vorgesehen, um die dem Gate-Anschluß zuzuführende Eingangsspannung innerhalb eines vorherbestimmten Bereichs zu halten, da sonst die Ausgangsspannung VD durch die injizierten Träger geändert würde, die durch, die Größe des Eingangssignals erzeugt werden.

Der erfindungsgemäße Wandler hat einen einfachen Schaltungsaufbau. Er enthält ein Ladungspumpenelement und einen Widerstand. Er kann als integrierte Halbleiterschaltung aufgebaut werden, so daß sich ein billiges miniaturisiertes Schaltungssystem ergibt.

Die Erfindung ist nicht auf das vorstehend beschriebene Ausführungsbeispiel beschränkt, das unter Anwendung abgewandelter alternativer Einrichtungen abgewandelt werden kann. Beispielsweise kann das Ladungspumpenelement sowohl p- als auch η-leitend sein. Weiter kann der Wandler so aufgebaut werden, daß direkt der durch das Ladungspumpenelement fließende elektrische Strom ausgenutzt wird.

Die erfindungsgemäße Wandlerschaltung wird in breitem Maße zur Umwandlung der Frequenz eines wechselnden elektrischen Signals in eine andere elektrische Größe verwendet.

Im folgenden wird anhand eines Vergleichs mit einem gemäß Fig. 5 aufgebauten, nicht stabilisierten Impulsgenerator ein erfindungsgemäßer stabilisierter Impulsgenerator mit der vorstehend beschriebenen Wandlerschaltung erläutert. Erfindungsgemäße stabilisierte Impulsgeneratoren sind in Fig. 3 und 4 gezeigt.

Fig. 5 zeigt einen Impulsgenerator ohne den erfindungsgemässen Wandler. Der Impulsgenerator enthält drei Inverterstufen mit MOS-Feldeffekttransistoren Q1, 04 - Q2, Q5 und Q3,

609808/0364

q6, die miteinander in Kaskade geschaltet sind. Es hat sich gezeigt, daß der in Fig. 5 gezeigte Impulsgenerator folgende Nachteile hat:

1. Die Frequenz ist infolge Abweichungen oder Änderungen der Kondensatoren C1 bis C3, der Widerstände der Belastungs-MOS-Feldeffekttransistoren Q1 bis 03 und der Schwellenspannungen der treibenden MOS-Feldeffekttransistoren 04 bis q6 äußerst unstabil;

2. besonders die Abweichung oder Änderung der Frequenz der erzeugten Signale wird infolge der relativ starken . Abhängigkeit der MOS-Feldeffekttransistoren von der Umgebungstemperatur und infolge Abweichungen bei der Herstellung vergrößert.

Es wird daher erfindungsgemäß vorgeschlagen, den oben beschriebenen Wandler als Kompensationseinrichtung zur Stabilisierung der Frequenz der Impulse eines Impulsgenerators zu verwenden, wie in den Fig. 3 und 4 gezeigt.

Bei der Schaltung der Fig. 3 sind drei Stufen von Inverter schaltungen Q1, Q4 - Q2, Q5 und Q3, Qö in Kaskade miteinander geschaltet. Die Ausgangsklemme des letzten Inverters Q3, Qö ist an die Eingangsklemme des ersten Inverters Q1, Q4 angeschlossen. Der Verbindungspunkt zwischen den beiden Inverterstufen ist an den Gate-Anschluß eines Ladungspumpenelements Gc angeschlossen, das aus einem MOS-Feldeffekttransistor ohne Source (oder Drain) besteht. Die Drain (oder Source) des Elements Qc ist über einen Widerstand R1 an die Klemme VDD einer Spannungsquelle angeschlossen. Das am Verbindungspunkt zvrlsch&n dem Widerstand R1 und dem Element Qc abgegriffene Spannungssignal Vs wird den Gate-Anschlüssen der Belastungs-MOS-Feldeffekttransistoren Q1 bis Q3 über eine Welligkeits-Filterschaltung zugeführt, die einen Widerstand Ro und einen Kondensator Co enthält.

Bei dieser Schaltung wird das vom f/V-Wandler erfaßte Span-

6Ö9B08/0364

nungssignal Vs, das der Abweichung oder Änderung der Ausgangsimpulssignale entspricht, den Belastungs-MOS-Feldeffekttransistoren zugeführt. Hierdurch wird die Leitfähigkeit oder Impedanz der Belastungs-MOS-Feldeffekttransistoren so gesteuert, daß die Frequenz des Ausgangs-Impulssignals automatisch stabilisiert wird. Ist nämlich die Frequenz des Ausgangs-Iiapulssignals hoch, so wird der elektrische Strom im Element Qc ebenfalls hoch, und die den Gate-Anschlüssen der Belastungs-MOS-Feldeffekttransistoren Q1 bis Q3 zugeführte Spannung Vs nimmt ab. Hierdurch wird die Impedanz der Belastungs-MOS-Feldeffekttransistoren Q1 bis Q3 groß und damit auch die Zeitkonstanten, die die Frequenz der erzeugten Impulse bestimmen. Dadurch nimmt die Frequenz der erzeugten Impulse ab. Wird umgekehrt die Frequenz des Ausgangs-Impulssignals verringert, so nimmt ebenfalls die Zeitkonstante ab, so daß die Frequenz des Ausgangs-Impulssignals zunimmt.

Bei diesem Ausführungsbaispiel können sämtliche MOS-FeIdeffekttransistoren Q1 bis Q6 und das Ladungspumpenelement Qc nach im wesentlichen dem gleichen Verfahren in einem monokristallinen Halbleiterkörper hergestellt werden.

Fig. 4 zeigt einen abgewandelten erfindungsgemäßen Impulsgenerator, bei dem ein zusätzlicher MOS-FeIdeffekttransistor QE parallel zum Ladungspumpenelement geschaltet ist, wobei der Gate-Anschluß des Feldeffekttransistors QE mit der Spannungs-Speiseklemme verbunden ist. Hierdurch wird die Stabilität der Frequenz der erzeugten Impulse bei einem Anstieg der Speisespannung infolge Erhöhung der Umgebungstemperatur weiter verbessert.

Die Funktion des zusätzlichen MOS-Feldeffekttransistors QE ist in der USA-Patentanmeldung Nr. 453 16S (Britische Patentanmeldung Nr. 2105/74) des gleichen Anmelders im einzelnen beschrieben. Wird die Speisespannung VDD durch Änderung der Umgebungstemperatur erhöht, so erhöht sich

609306/0364

auch das Gate-Potential des Feldeffekttransistors QE, so daß sich seine Impedanz verringert. Erhöht sich der durch den Widerstand R1 fließende elektrische Strom, so wird die Spannung Vs^!, die den Gate-Anschlussen der MOS-FeIdeffekttransistoren Q1 bis Q3 zugeführt wird, abgesenkt, so daß die Änderung der Impulsfrequenz kompensiert wird, die bei Änderung der Umgebungstemperatur oder der Speisespannung erzeugt wird.

Bei beiden Ausführungsbeispielen kann als Widerstand R1 ein äußerer Widerstand verwendet werden, oder der Widerstand kann in den gleichen Halbleiterkörper integriert werden wie die anderen Schaltungsbestandteile. Auch kann der Widerstand R1 durch einen Belastungs-MOS-Feldeffekttransistor gebildet werden. Zweckmäßigerweise wird jedoch als Widerstand R1 ein selbständiger äußerer Widerstand verwendet. Hierdurch wird eine geringere Temperaturabhängigkeit erzielt. Dabei kann auch die erzeugte Impulsfrequenz auf einen bestimmten Wert eingestellt werden, da die Frequenz des Ausgangsimpulses durch Einstellung des Werts des Widerstandes R1 reguliert werden kann.

Die Erfindung ist nicht auf einen Impulsgenerator mit drei Inverterstufen beschränkt; vielmehr können generell Impulsgeneratoren mit einer ungeraden Anzahl von Inverterstuf en verwendet werden. Weiter ist die Erfindung auch auf einen Oszillator anwendbar, bei dem die Frequenz der Ausgangssignale sowohl durch variable Impedanzeinrichtungen als auch durch Invertereinrichtungen bestimmt wird.

609ΒΠ8/036Λ

Claims (1)

1. -—

   NACHQEREfCHT]

   Patentanspruch

   Frequenzwandler, gekennzeichnet durch Einrichtungen zur Verbindung eines Ladungspumpenelements (Qc) mit einer Speise-Spannungsquelle (VDD) über eine Detektoreinrichtung (R) zur Erfassung eines vom Ladungspumpenelement abgeleiteten elektrischen Parameters, durch Einrichtungen (1) zur Zufuhr eines wechselnden Eingangssignals zum Gate-Anschluß des Ladungspumpenelements, und durch an den Verbindungspunkt zwischen dem Ladungspumpenelement und der Detektoreinrichtung angeschlossene Ausgangseinrichtungen (2).

   9ΒΠ8/0364

   Leerseite