陶瓷諧振電路的基本原理和結(jié)構(gòu)

    陶瓷諧振的特性

    陶瓷諧振器類似于石英晶體，是一個(gè)壓電器件，可以把電能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能，也可以把機(jī)械能轉(zhuǎn)換為電能。當(dāng)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(shí)，電能和機(jī)械能的轉(zhuǎn)換會(huì)發(fā)生在諧振器的諧振頻率上。陶瓷諧振器具有對(duì)激勵(lì)信號(hào)頻率十分敏感的突出特點(diǎn)。

    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(jī)械振動(dòng)等效電感。

    振蕩電路

    本設(shè)計(jì)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(gòu)成反相放大器，提供振蕩電路所需要的180度相移；osci和osco兩端接陶瓷諧振器，和c0、c1一起構(gòu)成選頻網(wǎng)絡(luò)，同時(shí)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(bǔ)償電阻，其大小由m0和m1的尺寸決定，在頻率比較低的應(yīng)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(gè)電路就可以產(chǎn)生相應(yīng)的振蕩頻率。m2和m3構(gòu)成輸出緩沖電路，可以增大振蕩器的振蕩幅度和負(fù)載能力，同時(shí)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(jí)，所以在cmos集成電路設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)

    為了節(jié)省資源，提高產(chǎn)品的競爭力，在振蕩電路的設(shè)計(jì)中，所用結(jié)構(gòu)要盡量簡單，要把電容集成到芯片內(nèi)部。因?yàn)殡娙菰谛酒姓嫉拿娣e相對(duì)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(gè)標(biāo)識(shí)按鍵的使能信號(hào)ctrl。一旦有按鍵，ctrl信號(hào)為1，則m7關(guān)斷，m1和m6等效為一個(gè)n管，與m0共同構(gòu)成振蕩反相器；當(dāng)無按鍵時(shí)，ctrl為0，m7導(dǎo)通，把輸出緩沖的輸入電平鉗位到高電平，數(shù)字時(shí)鐘輸出為低，系統(tǒng)停振，這樣做的目的是為了在無按鍵時(shí)降低功耗，同時(shí)可以使遙控芯片內(nèi)的時(shí)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(shí)的對(duì)偏效應(yīng)，而且降低功耗。由于半導(dǎo)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(duì)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(gòu)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(biāo)準(zhǔn)庫參數(shù)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(gè)電路的大小，它們?nèi)≈迪嗟�，最小值�?8pf。

    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(yàn)了3種尺寸，測試結(jié)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(shù)據(jù)可知，雖然第3種起振電壓較高，但是在振蕩時(shí)，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(nèi)部限流電阻，大大節(jié)省了芯片面積，提高了性能。所以本設(shè)計(jì)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(jìn)行spectre仿真，波形圖如圖5所示。仿真