陶瓷谐振原理及在红外遥控电路中的设计应用

2010-09-18 15:55:03来源: 互联网

  陶瓷谐振电路的基本原理和结构

  陶瓷谐振的特性

  陶瓷谐振器类似于石英晶体,是一个压电器件,可以把电能转换为机械能,也可以把机械能转换为电能。当外加的交流电场的频率和谐振器的谐振频率发生共振时,电能和机械能的转换会发生在谐振器的谐振频率上。陶瓷谐振器具有对激励信号频率十分敏感的突出特点。

  在电路分析中,陶瓷谐振器的等效电路如图1所示,其中Cs为静电电容,R为振荡损耗等效电阻,C为弹性等效电容,L为机械振动等效电感。

  


  振荡电路

  本设计采用的陶瓷谐振电路的电路原理图如图2所示。其中M0和M1一起构成反相放大器,提供振荡电路所需要的180度相移;OSCI和OS

  CO两端接陶瓷谐振器,和C0、C1一起构成选频网络,同时再次提供180度相移;R0是反馈电阻,为放大器的输入提供偏置;R1为相位补偿电阻,其大小由M0和M1的尺寸决定,在频率比较低的应用中,R1甚至可以为0。选用不同特征频率的陶瓷谐振器后,这个电路就可以产生相应的振荡频率。M2和M3构成输出缓冲电路,可以增大振荡器的振荡幅度和负载能力,同时把振荡整理成方波形式输出。由于反馈电阻R0一般较大,为106欧姆级,所以在CMOS集成电路设计中,常用传输门代替此电阻,减少芯片面积,降低功耗,如图3所示。

 

  红外遥控电路中陶瓷谐振电路的设计

  为了节省资源,提高产品的竞争力,在振荡电路的设计中,所用结构要尽量简单,要把电容集成到芯片内部。因为电容在芯片中占的面积相对较大,所以电容要尽量小,但又必须让电路能振荡。带控制端的陶瓷谐振电路如图4所示。  

  一般,在红外遥控发射电路中,振荡部分有一个标识按键的使能信号CTRL。一旦有按键,CTRL信号为1,则M7关断,M1和M6等效为一个N管,与M0共同构成振荡反相器;当无按键时,CTRL为0,M7导通,把输出缓冲的输入电平钳位到高电平,数字时钟输出为低,系统停振,这样做的目的是为了在无按键时降低功耗,同时可以使遥控芯片内的时序不至于混乱。

  OSCI和OSCO外接455kHz陶瓷谐振器(红外遥控电路的振荡频率一般都为455kHz)。电路中采用大长宽比的传输门做反馈电阻,这样可以减少面积,提高性能,减少用n+层做电阻时的对偏效应,而且降低功耗。由于半导体中电子迁移率大约为空穴迁移率的2倍,为了做到N管和P管对称,P管的宽长比一般大约为N管的2倍,所以在此传输门电阻中,N管的尺寸为0.5/300,P管为0.5/660。同理,反相放大器中M0、M1、M6尺寸均为2.5/1.5,M1和M6构成大致为2.5/3的N管(暂称为M1-6)。输出缓冲M2和M3采用制造厂家的标准库参数尺寸,都为2.5/0.5。由于振荡频率不是很高,所以电阻R1可以去掉。C0和C1的大小决定着整个电路的大小,它们取值相等,最小值取18pF。

  电路中作为反相放大器的M0和M1-6的尺寸比较重要,流片中试验了3种尺寸,测试结果如表1所示。表中Vppl和Vpph分别指振荡波形的最小电压值和最大电压值,由数据可知,虽然第3种起振电压较高,但是在振荡时,波形的高低电压差明显大于前两者,振荡效果好,尤其是在3V工作电压下更为显著,而且不需增加外部电容和内部限流电阻,大大节省了芯片面积,提高了性能。所以本设计采用第3种方案。

  陶瓷谐振电路的暂态分析

  将陶瓷谐振器用图1中的等效电路代替,Cs为2pF,R为100?,L为18mH,C为16pF,振荡频率为455kHz。把陶瓷谐振器的等效电路并接在图4中的OSCI和OSCO上,CTRL端接高电平。采用南科公司的工艺库,在Cadence中进行Spectre仿真,波形图如图5所示。仿真时电源电压为3V。其中net014为振荡反相器的输入波形,net6(OSCO)为振荡反相器的输出波形,CLK为经过输出反相器的最终数字时钟。从仿真波形来看,开始的时候电路起振很快,振荡很快趋于稳定,CLK输出为455kHz的时钟信号。

  

  交流频谱分析

  在Cadence的Analog Enviroment中做交流分析,结果如图6所示。由图可知,在455kHz左右时电路能量最大,小于或者低于此频率时,能量迅速衰减,由此更确定了此电路可以在455kHz下振荡的频谱特性。

  结语

  虽然陶瓷谐振电路结构简单,但是在集成时,尤其是将外接电容都集成在芯片内部时(本设计内部集成的电容共36pF,而一般公司做成的芯片都需要在OSCI和OSCO分别外接100pF电容),需要恰当选择每个参数,才可以在最小的面积下实现最稳定的电路。本设计就是从这些角度出发,以实际流片测试作为主要手段,计算机为辅助,对每个参数进行了分析和确定,找到了在具体工艺下各参数值的最佳组合。

关键字:陶瓷谐振  红外遥控  激励信号

编辑:金海 引用地址:http://www.eeworld.com.cn/mndz/2010/0918/article_2543.html
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