CC BY
35Рис.1. Режим установления амплитуды колебаний и стационарный режим работы генератора
Наиболее популярной среди КГ является схема Пирса [2, 3], приведенная на рис.2,а, где величина Я1 обеспечивает линейный режим работы инвертора и согласование импедансов КР и усилителя, Я2 снижает петлевое усиление, улучшая стабильность и форму выходного сигнала, а кристалл кварца вместе с нагрузочными емкостями С\, С2 образует цепь ОС. Эквивалентная схема КР (рис.2,6) является избирательной ЯЬС-цепью, где Ь и С определяются механическими свойствами кристалла, Я характеризует сопротивление КР при последовательном резонансе, Со>С, представляющая емкость соединительных проводников и электродов, представляет собой паразитную емкость всей цепи.
Для сближения частот последовательного
/пос = и параллельного /пар = /по
1
1+С
С
2%у1 ЬС
резонансов КР параллельно кристаллу подключают емкости С1, С2, образующие эквивалент-
/"< С1С2
ную нагрузочную емкость Сн =—1——, значе-
С1 + С2
ние которой должно соответствовать рекомендуемой в спецификации к КР. В этом случае С << С0, Сн и
/пар /по
1
1 + -
С
С0 + Сн
= /пос, те частоты /п.
и
/пар практически совпадают и влияние паразитных элементов на стабильность частоты КГ, работающего в схеме Пирса на параллельном резонансе, становится пренебрежимо малым. Поскольку С1, С2 образуют емкостный делитель, при наличии которого коэффициент передачи С
цепи ОС Р = —то величины С1, С2 чаще всего
С2
выбирают одинаковыми.
Для эффективной работы КГ необходимо согласование их импедансов, так как КР является цепью ОС усилителя. С учетом резистора ОС Я1 входное сопротивление усилителя Явх = —, а с учетом Сн импеданс
К
КР на параллельном резонансе равен:
Я т2(с0 + сн)2' (2)
т.е. для согласования Явх и Яп необходим учет параметров эквивалентной схемы КР. Например, для типичных значений Сн = 30 пФ, С0 = 5 пФ, Я = 50 Ом, /г = 10 МГц (резонансная частота КГ), Яп = 4 кОм, откуда согласно (2) Я1 = КЯвх = КЯп ~ 0,4 МОм при
К ~100. На практике для облегчения запуска КГ следует использовать Я1 > Я^ (порядка 1-10 МОм).
Наличие Я2 обусловлено требованиями к устойчивости и форме выходного сигнала. Однако это сопротивление не только снижает усиление, ограничивая потребляемую мощность, но и вносит дополнительный фазовый сдвиг, изменяя резонансную частоту КГ. Минимальное значение Я2 указано в спецификации КР. Опыт показывает, что оптимальная величина Я2 = 2сх, т.е. для типичных значений С1 = 30 пФ, /Г = 10 МГц получаем Я2 = 0,5 кОм. При использовании усилителей с большим коэффициентом усиления (Я2 и 2сх образуют делитель напряжения) значение Я2 может быть выбрано больше 2с х, что улучшает стабильность частоты и форму выходного сигнала КГ [4].
Выбор КМОП-инвертора для КГ обусловлен следующими наиболее критичными факторами:
- величина К не обязательно должна быть слишком большой, поэтому для встроенных КГ чаще используют инверторы с одним каскадом усиления и автоматической регулировкой усиления (АРУ);
- в КГ инвертор работает в линейном режиме, поэтому величина его усиления и полоса рабочих частот сильно зависят от Епит - напряжения питания микросхемы;
- для изменения формы генерируемого сигнала и стабилизации работы КГ при пониженных Епит необходимо наличие дополнительного буферного каскада.
Разработана принципиальная схема инвертирующего усилителя для КГ (рис.3,а) с буферным каскадом, отвечающим за формирование импульсов прямоугольной формы (рис.3,б). В схеме рис.3,а и-канальный транзистор М1, ^-канальный транзистор М2 и резистор Я1 образуют инвертирующий каскад с высоким коэффициентом усиления, в котором Я1 задает рабочую точку в ^с-режиме, а М2 служит активной нагрузкой М1, определяя наклон его нагрузочной прямой в зависимости от напряжения на затворе. Для обеспечения Кф1 в начальный момент времени в схеме предусмотрена ускоряющая ЯС-цепь в виде транзистора М3 и резистора Я3. Для выполнения баланса амплитуд в стационарном режиме работы КГ в схеме инвертора предусмотрена система АРУ, выполненная на и-канальных М5, М6, ^-канальных М3, М4, М7, М8 и резисторе Я3. Транзистор М4 служит управляемым генератором тока, величина которого растет с увеличением амплитуды колебаний КГ. Это, в свою очередь, увеличивает напряжение смещения на затворе М1, в результате чего усиление каскада падает до Кр = 1.
Сигнал на выходе инвертора (ХОРЛБ) будет иметь форму, близкую к синусоидальной. Для получения прямоугольных импульсов предусмотрен дополнительный каскад (см. рис.3,б), состоящий из развязывающей емкости С1, усилителя с ОС (транзисторы М9, М10, резистор Я4) и выходного буфера (М11, М12), обеспечивающий, стабильную работу КГ при пониженных напряжениях питания (до 30% от основного значения).
Рис. 3. Принципиальная схема инвертирующего усилителя с АРУ (а) и выходного буферного каскада (б) для кварцевого генератора
Построение КГ усложняется требованием их толерантности к подключению внешних генераторов с амплитудой импульсов, значительно (вдвое, втрое) превышающих Епит (VDD) проектируемой схемы. В современных технологических процессах МОП-транзисторы имеют пробивные напряжения больше 2Епит, но в целях защиты при подаче на вход XIPAD внешних импульсов амплитудой 2xVDD подложка р-канальных транзисторов должна иметь более высокий потенциал, чем при работе от внутреннего Епит. С этой целью в исходную схему инвертора (см. рис.3,а) добавлены управляющие элементы (р-канальные М9, М20), КМОП-ключи (р-канальные М11, М12, и-канальные М10, М13) и схема сравнения (р-канальные М14-М19). Итоговый вариант толерантного КГ приведен на рис.4.
Рис.4. Принципиальная схема инвертора для КГ, толерантного к входному напряжению до
Дополнительные трудности при реализации кварцевых КМОП-генераторов возникают при наличии жестких требований ко времени установления стационарного режима ту и фазовым шумам, особенно при использовании КР с высокой добротностью. Проблему минимизации ту можно решить увеличением коэффициента передачи К, однако на высоких частотах это связано с появлением дополнительного фазового сдвига, компенсация которого (за счет увеличения Я2) приводит к снижению петлевого усиления Кр. Транзисторы в режиме насыщения обладают высоким уровнем шума, поэтому от токовых зеркал и используемой схемы АРУ пришлось отказаться, зафиксировав напряжение затвора транзистора М2 постоянно на нуле, а на выходе КГ поставить триггер Шмитта с гистерезисом ~200 мВ на истоковых повторителях М3, М4, отключающихся при выходе КГ в рабочий режим. Принципиальная схема инвертора для КГ, полученная с учетом изложенных требований, приведена на рис.5, где показаны схема формирования стационарных синусоидальных колебаний и переход к прямоугольным импульсам.
Рис.5. Принципиальная схема инвертора для КГ (а) с низким уровнем шума и минимальным временем установления и выходной буферный каскад для КГ (б)
Моделирование выходных параметров предложенных схем КГ проводилось в среде САПР Cadence симулятором Spectre Virtuoso при следующих требованиях ТЗ:
Диапазон рабочих частот............................................................................... 10-40 МГц
Интервал рабочих температур...............................................................от -40 до 125 °С
Скважность выходного сигнала...........................................................................50±10%
Ток потребления:
в рабочем режиме............................................................................не более 3,5 мА,
в ждущем режиме ..........................................................................не более 0,1 мкА
Время установления стационарных колебаний ту..................................... не хуже 2 мс
Проектная норма КМОП ................................................................................... 0,18 мкм
Нагрузочная емкость............................................................................................... 10 пФ
Сравнительный анализ значений выходных параметров приведен в таблице.
Сравнительный анализ значений выходных параметров КГ
Параметр Требуемое Q Моделируемое Экспериментальное
значение значение значение
Точность установки выходной частоты, ррт ±25 - ±25 ±25
Потребление в рабочем режиме, мА 3,5 - 2,5 2,5
Потребление в ждущем режиме, мА 0,1 - 0,01 0,01
ту, мс, при /р = 10 МГЦ, Я2 = 3 кОм 2,0 80103 50103 30103 2,18 1,21 0,6 1,55 0,87 0,45
ту, мс, при/р = 40 МГЦ, Я2 = 100 Ом 2,0 80103 50103 30103 1,7 0,95 0,26 0,975 0,54 0,19
Фазовый шум, дБ/Гц, при Д/ = 100 Гц Д/ = 10 кГц Д/ = 1 МГц -123 -145 -150 - -120 -143 -152 -120 -142 -153
Емкость нагрузки Сн, пФ От 5 до 10 - От 5 до 15 От 5 до 15
Таким образом, предложенная схема инвертирующего усилителя с АРУ удовлетворяет основным требованиям при выборе КМОП-инвертора для кварцевых генераторов.
Разработанная в КМОП базисе 0,18 мкм принципиальная схема инвертора для КГ, толерантного к входному напряжению до 2xVDD, позволяет подключать не только кварцевый генератор к выводам микросхемы, но и внешний генератор с амплитудой импульсов 2xVDD. При умеренном токе потребления реализована схема кварцевого КМОП-генератора с учетом жестких требований ко времени установления стационарного режима ту и фазовым шумам.
Литература
1. ПрянишниковВ.А. Электроника: полный курс лекций. - СПб.: КОРОНА принт. М.:Бином-Пресс, 2006. - 416 с.
2. Hague M., Cox E. Use of the CMOS Unbuffered Inverter in Oscillator Circuits // Appl. Report of Texas Instrum. SZZA043. - January 2004. - P. 1-25.
3. Wang T.-M., Ker M.-D., Liao H.-T. Design of Mixed-Voltage Tolerant Crystal Oscillator Circuit // IEEE Trans on CAS. - 2009. - Vol. 56, № 5. - 1-25.
4. Robert J. Matthys. Crystal oscillator circuits. - Revised Ed. Originally published. - N.Y.: John Wiley and Sons, 1983. - P. 1-251.
Статья поступила 4 июля 2013 г.
Колесников Дмитрий Васильевич - аспирант физического факультета Воронежского государственного университета (ВГУ). Область научных интересов: проектирование схемотехники презиционных устройств по глубоко субмикронным технологиям. E-mail: kolesnikovd.vrn@gmail.com
Кондратович Павел Александрович - кандидат физико-математических наук, ст. инженер ЗАО «ПКК Миландр» (г. Воронеж). Область научных интересов: исследование алгоритмов приема разрывных сигналов с неизвестными параметрами, разработка и внедрение алгоритмов обработки сигналов на базе ИМС. Бормонтов Евгений Николаевич - доктор физико-математических наук, профессор, заведующий кафедрой физики полупроводников и микроэлектроники ВГУ. Область научных интересов: физика полупроводников и квантовых низкоразмерных систем, твердотельная электроника и микроэлектроника, нанотехнологии в электронике.
МИКРО- И НАНОСИСТЕМНАЯ ТЕХНИКА
УДК 621.3.049.77.002
Микросистема с магнитотранзисторными преобразователями
для контроля вибраций
11 2 Д.М. Григорьев , А.Ю. Завражина , С.А. Поломошнов ,
Р.Д. Тихонов2, А.А. Черемисинов1
1 Национальный исследовательский университет «МИЭТ» 2НПК «Технологический центр» (г. Москва)
Экспериментально исследован макет микросистемы мехатронного устройства с магнитотранзисторными преобразователями. Установлено, что микросистема мехатронного устройства с кремниевой консолью, микромагнитом и магнитотранзисторным преобразователем позволяет контролировать микроперемещения по изменению магнитного поля на резонансных частотах консоли с микромагнитом. Предложенная микросистема позволяет получать магнитный сигнал о перемещениях и вибрации в мехатронных системах и может быть реализована в интегральном исполнении.
Ключевые слова: биполярный магнитотранзистор, микроэлектромеханическая система, МЭМС, контроль вибраций.
Микромагнитоэлектроника - научно-техническое направление, которое возникло в результате синтеза микроэлектроники и преобразователей магнитного поля [1]. Применение изделий микромагнитоэлектроники в мехатронике [2, 3] позволяет значительно улучшить параметры и надежность механических систем с подвижными компонентами. Развитие микромагнитоэлектроники возможно при существенном улучшении качества разрабатываемых изделий. Одно из перспективных направлений - создание меха-тронных устройств на магнитотранзисторных преобразователях [4].
Для исследования возможности контроля соответствия частот резонанса при испытаниях и расчете изготовлен макет микроэлектромагнитомеханической системы (МЭММС) на основе преобразователей магнитного поля с напряжением питания ипит = 9 В, током потребления /потр = 8 мА, потребляемой мощностью 96 мВт. Экспериментальный макет МЭММС состоит из следующих элементов: микроэлектромеханического элемента - кремниевой консоли ТКБ-6; микромагнита ЮНКДК25А; преобразователя магнитного поля - трехколлекторного биполярного магнитотранзистора с базой в кармане 3КБМТБК [5].
Кремниевая консоль приклеивается на печатную плату таким образом, чтобы конец консоли с микромагнитом по инерции перемещался при воздействии механических перемещений перпендикулярно плате. Кристалл 3КБМТБК приклеивается на печатную плату под микромагнитом длинной стороной эмиттера в направлении действия магнит-
© Д.М. Григорьев, А.Ю. Завражина, С.А. Поломошнов, Р.Д. Тихонов, А.А. Черемисинов, 2014
