采用窄脉冲激励MEMS谐振器的振荡器电路

摘要

一种采用窄脉冲激励MEMS谐振器的振荡器电路，包括：一MEMS谐振器；一低通滤波器，该低通滤波器的输入端与MEMS谐振器的输出端连接；一高增益反相器，该高增益反相器的输入端与低通滤波器的输出端连接；一窄脉冲发生器，该窄脉冲发生器的输入端与高增益反相器的输出端连接，该窄脉冲发生器的输出端与MEMS谐振器输入端连接，形成闭合回路。本发明提供的采用窄脉冲激励MEMS谐振器的振荡器电路，其可降低相位噪声，具有功耗低及设计成本低的优点。

说明书

技术领域

本发明属于微电子技术领域，特别是一种采用窄脉冲激励MEMS谐振器的振荡器电路。 

背景技术

目前商用的振荡器主要有两种，一种是基于石英晶体的，一种是基于MEMS谐振器的。经过几十年的发展，石英晶体的加工技术和相关电路设计已经非常成熟，，石英晶体振荡器具有非常低廉的成本，非常高的频率稳定性。基于MEMS谐振器的振荡器是近几年随着微机械加工和设计技术的发展逐渐走向商用市场的一种振荡器，其优点是体积小，可以和集成电路封装在一起，减小整个电路的体积和重量，从而降低产品成本。 

传统的基于MEMS谐振器的振荡器如图1所示。其包含一个MEMS谐振器101和一个正反馈跨阻放大器102。利用正反馈跨阻放大器102将反馈激励信号施加在MEMS谐振器101的输入端。谐振器可以等效为图2所示的LCR谐振电路，Lx、Cx和Rx为与MEMS谐振器形状、材料和工作状态相关的参数，CP为PCB板及MEMS谐振器版图等产生的馈通寄生电容。L、C、R串联在一起，构成选频网络。 

在以上结构中，适当调整跨导电阻Rf的值，就可以满足振荡器的起振的幅值和相位条件。起振时，跨导放大器通电，其输出端的随机噪声通过谐振器滤波后，谐振频率外的噪声信号被衰减，谐振频率附近的信号进一步通过跨导放大器放大，再次通过谐振器滤波，如此循环若干个周期后，最后形成稳定振荡，输出稳定的正弦波。 

在上述已有例子中，振荡器电路在MEMS谐振器谐振频率范围内震荡，但是由于MEMS谐振器是基于电能-机械能-电能的转换，能量转换率非常 低，对信号的衰减很大。存在的问题是，需要放大倍数非常大的跨阻放大器来进行信号放大，另外，对于工作在VHF和UHF频段的MEMS谐振器，其对放大器的工作频率也提出了很高的要求，这样，为了满足高增益要求和高频工作能力，设计的放大器需要消耗较大的功耗。 

而且，电路振荡时，信号通过谐振器后，由于馈通电容Ca的存在，信号相位发生偏移，受限于谐振器的具体版图结构和PCB电路布局，Ca的值通常不确定，导致信号相位偏移的不确定，造成对振荡器回路相位补偿的困难。 

此外，每个不同的MEMS谐振器件，其插入损耗，谐振频率都是不一致的，这样，为了满足起振条件，需要针对每个MEMS谐振器件设计反馈放大器。而石英晶振具有能量损失小，一致性好的优点，由反相器和石英晶体构成的石英振荡器电路只需替换不同谐振频率的石英晶体就能实现不同的振荡频率输出，振荡电路具有通用性，这样基于MEMS谐振器的振荡器的设计成本要大于石英晶体振荡器。 

发明内容

本发明的目的在于，提供一种采用窄脉冲激励MEMS谐振器的振荡器电路，其可降低相位噪声，具有功耗低及设计成本低的优点。 

本发明提供一种采用窄脉冲激励MEMS谐振器的振荡器电路，包括： 

一MEMS谐振器； 

一低通滤波器，该低通滤波器的输入端与MEMS谐振器的输出端连接； 

一高增益反相器，该高增益反相器的输入端与低通滤波器的输出端连接； 

一窄脉冲发生器，该窄脉冲发生器的输入端与高增益反相器的输出端连接，该窄脉冲发生器的输出端与MEMS谐振器输入端连接，形成闭合回路。 

附图说明

为进一步说明本发明的技术内容，以下结合实施例及附图详细说明如后，其中： 

图1为传统的基于MEMS谐振器的振荡器电路； 

图2为传统的基于MEMS谐振器的振荡器电路等效电路图； 

图3为本发明的采用窄脉冲激励的MEMS振荡器电路框图； 

图4为本发明采用的窄脉冲发生器电路原理图； 

图5为本发明的电路时序信号原理示意图； 

图6为本发明的电路原理实例图。 

具体实施方式

请参阅图3至图6所示，本发明提供一种采用窄脉冲激励MEMS谐振器的振荡器电路，包括： 

一MEMS谐振器10，该MEMS谐振器10的工作阻抗由MEMS谐振器10中的馈通电容和工作频率决定； 

一低通滤波器11，该低通滤波器11的输入端与MEMS谐振器10的输出端连接，该低通滤波器11采用的截止频率为MEMS谐振器10频率的2-4倍，所述的采用的低通滤波器11为RC无源滤波器，既能滤除高频分量，又起到了谐振器动态阻抗匹配的作用，将MEMS谐振器10输出电流转换成电压信号； 

一高增益反相器12，该高增益反相器12的输入端与低通滤波器11的输出端连接，该高增益反相器12采用的增益大于MEMS谐振器10的插入损耗，所述的高增益反相器12和窄脉冲发生器13中的有源管在一个振荡周期内，只有发生状态翻转时，才消耗能量，能耗小于现有的MEMS振荡器结构中的高频高增益的跨导放大器； 

一窄脉冲发生器13，该窄脉冲发生器13的输入端与高增益反相器12的输出端连接，该窄脉冲发生器13的输出端与MEMS谐振器10输入端连接，形成闭合回路，所述的窄脉冲发生器13采用的窄脉冲频率分量为MEMS谐振器谐振频率的5-10倍，该窄脉冲信号发生器13发出的信号频率下，实现50欧姆的阻抗匹配，提高能量利用率，所述的窄脉冲发生器13开始工作时，产生一个脉冲，激励MEMS谐振器10振动，该MEMS谐振器10从起振到稳定振动的时间小于现有的噪声触发振荡器电路的起振时间。 

本发明的MEMS谐振器10激励方式为周期性的窄脉冲激励，在平衡位 置时，MEMS谐振器10受到激励，其余位置时，MEMS谐振器10处于自由振荡模式，振荡频率为能量损失最小的频率，即谐振频率。窄脉冲激励的周期与谐振周期一致时，脉冲补充的能量与系统损耗的能量一致，系统发生谐振，输出信号最大。 

谐振器输出信号主要包含两部分，一部分是MEMS谐振器10发生谐振时对外输出的谐振信号，另一部分是窄脉冲信号通过MEMS谐振器10馈通电容得到的信号，两部分信号叠加在一起输出，如图5所示。 

滤波输出信号24具有非常高的频谱纯度和非常低的相位噪声，该信号通过高增益反相器12后就得到了相位噪声很低的方波输出21。输出的方波用来激励窄脉冲发生器13，当方波信号的上升沿到来时，窄脉冲发生器13输出一个正向脉冲，当方波信号的下降沿到来时，窄脉冲发生器输出一个负向脉冲，脉冲的幅值与电路结构和供电电压大小以及方波信号的幅值有关。用这一对窄脉冲信号22就可以激励MEMS谐振器工作。 

当电源上电时，窄脉冲发生器13就会产生一个脉冲信号，该信号激励MEMS谐振器10，使其偏离平衡位置，发生自由振动，自由振动频率与谐振频率一致，振动得到一个输出信号经高增益反相器12放大后，激励窄脉冲发生器13发出下一个脉冲信号。在下一个脉冲信号的能量补充下，MEMS谐振器10继续自由振动，振幅增大，输出比前一个周期大的信号，再送入高增益反相器12放大。如此循环往复，最终使得谐振器的振幅达到最大，形成稳定振荡。相对于噪声起振，这种利用脉冲起振的方式大大节约了起振时间。 

图6为一个本发明工作原理的具体电路实现实例，其中滤波器62由一个并联的RC网络组成，其不但能实现滤除谐振器61输出信号高频分量的功能，还负责将谐振器61输出的电流信号转换为电压信号，作为高增益反相器63输入端的控制信号。 

高增益反相器63采用正负电源供电，零偏压时，高增益反相器63的MOS管都工作在线性区，此时具备最大的增益，可以将谐振器61输出的微弱信号放大到电源电压附近，形成稳定的方波信号。 

窄脉冲触发器64利用二极管的雪崩击穿原理实现，如图3。开始时，三极管641偏置在临界雪崩状态(图4中)，方波信号的上升沿来临时，三 极管641的集电极电压升高，集电结载流子在强电场作用下加速，获得巨大能量，它们与晶格发生碰撞，产生了新的电子空穴对，新产生的电子空穴对又被加速与晶格发生碰撞，重复上述过程。急剧增加的载流子造成集电结电流迅速增大，完成对输出端的充电。当充电到一定电压时，三极管工作状态发生变化，工作在线性区，对输出端放电，由于基极偏压较大，放电迅速，从而产生一个极窄脉冲。这样的极窄脉冲脉宽可达几十个ps，脉冲的重复周期可以达到几个ns，也就是利用二极管的雪崩击穿制作的窄脉冲触发器13可以实现几百MHz频率的振荡器电路，更高频率的振荡器电路设计要采用宽带跨导放大器才能实现。 

唯以上所述的，仅为本发明的一较佳实施例而已，当不能以之限定本发明实施的范围；即凡是依本发明申请专利范围所作的均等变化与修饰，皆应仍属本发明权利要求涵盖的范围内。