紅外遙控電路中455kHz陶瓷諧振電路的設計

發(fā)布時(shí)間:2010-9-1 09:03    發(fā)布者:techshare
關(guān)鍵詞: 455kHz , 紅外 , 陶瓷 , 諧振電路 , 遙控電路
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(lèi)似于石英晶體,是一個(gè)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(chǎng)的頻率和諧振器的諧振頻率發(fā)生共振時(shí),電能和機械能的轉換會(huì )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(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為機械振動(dòng)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(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(gè)電路就可以產(chǎn)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(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,所以在CMOS集成電路設計中,常用傳輸門(mén)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

為了節省資源,提高產(chǎn)品的競爭力,在振蕩電路的設計中,所用結構要盡量簡(jiǎn)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(gè)標識按鍵的使能信號CTRL。一旦有按鍵,CTRL信號為1,則M7關(guān)斷,M1和M6等效為一個(gè)N管,與M0共同構成振蕩反相器;當無(wú)按鍵時(shí),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(shí)鐘輸出為低,系統停振,這樣做的目的是為了在無(wú)按鍵時(shí)降低功耗,同時(shí)可以使遙控芯片內的時(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(cháng)寬比的傳輸門(mén)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)的對偏效應,而且降低功耗。由于半導體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(chēng),P管的寬長(cháng)比一般大約為N管的2倍,所以在此傳輸門(mén)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(chēng)為M1-6)。輸出緩沖M2和M3采用制造廠(chǎng)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(zhù)整個(gè)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(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(zhù),而且不需增加外部電容和內部限流電阻,大大節省了芯片面積,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(jìn)行Spectre仿真,波形圖如圖5所示。仿真時(shí)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(jīng)過(guò)輸出反相器的最終數字時(shí)鐘。從仿真波形來(lái)看,開(kāi)始的時(shí)候電路起振很快,振蕩很快趨于穩定,CLK輸出為455kHz的時(shí)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(shí)電路能量最大,小于或者低于此頻率時(shí),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(yǔ)

雖然陶瓷諧振電路結構簡(jiǎn)單,但是在集成時(shí),尤其是將外接電容都集成在芯片內部時(shí)(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(gè)參數,才可以在最小的面積下實(shí)現最穩定的電路。本設計就是從這些角度出發(fā),以實(shí)際流片測試作為主要手段,計算機為輔助,對每個(gè)參數進(jìn)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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