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[導讀]  陶瓷諧振電路的基本原理和結構  陶瓷諧振的特性  陶瓷諧振器類似于石英晶體,是一個壓電器件,可以把電能轉換為機械能,也可以把機械能轉換為電能。當外加的交流電場的頻率和諧振器的諧振頻率發(fā)生共振時,電

  陶瓷諧振電路的基本原理和結構

  陶瓷諧振的特性

  陶瓷諧振器類似于石英晶體,是一個壓電器件,可以把電能轉換為機械能,也可以把機械能轉換為電能。當外加的交流電場的頻率和諧振器的諧振頻率發(fā)生共振時,電能和機械能的轉換會發(fā)生在諧振器的諧振頻率上。陶瓷諧振器具有對激勵信號頻率十分敏感的突出特點。

  在電路分析中,陶瓷諧振器的等效電路如圖1所示,其中Cs為靜電電容,R為振蕩損耗等效電阻,C為彈性等效電容,L為機械振動等效電感。

  


 

  振蕩電路

  本設計采用的陶瓷諧振電路的電路原理圖如圖2所示。其中M0和M1一起構成反相放大器,提供振蕩電路所需要的180度相移;OSCI和OS

  CO兩端接陶瓷諧振器,和C0、C1一起構成選頻網絡,同時再次提供180度相移;R0是反饋電阻,為放大器的輸入提供偏置;R1為相位補償電阻,其大小由M0和M1的尺寸決定,在頻率比較低的應用中,R1甚至可以為0。選用不同特征頻率的陶瓷諧振器后,這個電路就可以產生相應的振蕩頻率。M2和M3構成輸出緩沖電路,可以增大振蕩器的振蕩幅度和負載能力,同時把振蕩整理成方波形式輸出。由于反饋電阻R0一般較大,為106歐姆級,所以在CMOS集成電路設計中,常用傳輸門代替此電阻,減少芯片面積,降低功耗,如圖3所示。

  

 

  

 

  紅外遙控電路中陶瓷諧振電路的設計

  為了節(jié)省資源,提高產品的競爭力,在振蕩電路的設計中,所用結構要盡量簡單,要把電容集成到芯片內部。因為電容在芯片中占的面積相對較大,所以電容要盡量小,但又必須讓電路能振蕩。帶控制端的陶瓷諧振電路如圖4所示。

  

 

  一般,在紅外遙控發(fā)射電路中,振蕩部分有一個標識按鍵的使能信號CTRL。一旦有按鍵,CTRL信號為1,則M7關斷,M1和M6等效為一個N管,與M0共同構成振蕩反相器;當無按鍵時,CTRL為0,M7導通,把輸出緩沖的輸入電平鉗位到高電平,數字時鐘輸出為低,系統(tǒng)停振,這樣做的目的是為了在無按鍵時降低功耗,同時可以使遙控芯片內的時序不至于混亂。

  OSCI和OSCO外接455kHz陶瓷諧振器(紅外遙控電路的振蕩頻率一般都為455kHz)。電路中采用大長寬比的傳輸門做反饋電阻,這樣可以減少面積,提高性能,減少用n+層做電阻時的對偏效應,而且降低功耗。由于半導體中電子遷移率大約為空穴遷移率的2倍,為了做到N管和P管對稱,P管的寬長比一般大約為N管的2倍,所以在此傳輸門電阻中,N管的尺寸為0.5/300,P管為0.5/660。同理,反相放大器中M0、M1、M6尺寸均為2.5/1.5,M1和M6構成大致為2.5/3的N管(暫稱為M1-6)。輸出緩沖M2和M3采用制造廠家的標準庫參數尺寸,都為2.5/0.5。由于振蕩頻率不是很高,所以電阻R1可以去掉。C0和C1的大小決定著整個電路的大小,它們取值相等,最小值取18pF。

  電路中作為反相放大器的M0和M1-6的尺寸比較重要,流片中試驗了3種尺寸,測試結果如表1所示。表中Vppl和Vpph分別指振蕩波形的最小電壓值和最大電壓值,由數據可知,雖然第3種起振電壓較高,但是在振蕩時,波形的高低電壓差明顯大于前兩者,振蕩效果好,尤其是在3V工作電壓下更為顯著,而且不需增加外部電容和內部限流電阻,大大節(jié)省了芯片面積,提高了性能。所以本設計采用第3種方案。

  陶瓷諧振電路的暫態(tài)分析

  將陶瓷諧振器用圖1中的等效電路代替,Cs為2pF,R為100?,L為18mH,C為16pF,振蕩頻率為455kHz。把陶瓷諧振器的等效電路并接在圖4中的OSCI和OSCO上,CTRL端接高電平。采用南科公司的工藝庫,在Cadence中進行Spectre仿真,波形圖如圖5所示。仿真時電源電壓為3V。其中net014為振蕩反相器的輸入波形,net6(OSCO)為振蕩反相器的輸出波形,CLK為經過輸出反相器的最終數字時鐘。從仿真波形來看,開始的時候電路起振很快,振蕩很快趨于穩(wěn)定,CLK輸出為455kHz的時鐘信號。

  

 

  

 

  交流頻譜分析

  在Cadence的Analog Enviroment中做交流分析,結果如圖6所示。由圖可知,在455kHz左右時電路能量最大,小于或者低于此頻率時,能量迅速衰減,由此更確定了此電路可以在455kHz下振蕩的頻譜特性。

  結語

  雖然陶瓷諧振電路結構簡單,但是在集成時,尤其是將外接電容都集成在芯片內部時(本設計內部集成的電容共36pF,而一般公司做成的芯片都需要在OSCI和OSCO分別外接100pF電容),需要恰當選擇每個參數,才可以在最小的面積下實現(xiàn)最穩(wěn)定的電路。本設計就是從這些角度出發(fā),以實際流片測試作為主要手段,計算機為輔助,對每個參數進行了分析和確定,找到了在具體工藝下各參數值的最佳組合。

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