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osco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