專利名稱：一種壓電晶體仿真引擎的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種用于電路設(shè)計(jì)的壓電晶體仿真引擎。該仿真引擎可用于解決諸如 石英等特種功能元件在電路中的仿真問題。該引擎實(shí)現(xiàn)后可加入到一般的eda工具。
背景技術(shù)：
一、石英的物理性質(zhì)
石英的化學(xué)成分為SiO2，屬三方晶系的氧化物礦物，即低溫石英(a-石英)，是石英族礦 物中分布最廣的一個(gè)礦物種。廣義的石英還包括高溫石英(b-石英)。低溫石英常呈帶尖 頂?shù)牧街鶢罹w產(chǎn)出，柱面有橫紋，類似于六方雙錐狀的尖頂實(shí)際上是由兩個(gè)菱面體單 形所形成的。石英集合體通常呈粒狀、塊狀或晶簇、晶腺等。純凈的石英無色透明，玻璃光 澤，貝殼狀斷口上具油脂光澤，無解理。受壓或受熱能產(chǎn)生電效應(yīng)。二、石英晶體振蕩器
石英晶體振蕩器是高精度和高穩(wěn)定度的振蕩器，被廣泛應(yīng)用于彩電、計(jì)算機(jī)、遙控器等 各類振蕩電路中，以及通信系統(tǒng)中用于頻率發(fā)生器、為數(shù)據(jù)處理設(shè)備產(chǎn)生時(shí)鐘信號(hào)和為特 定系統(tǒng)提供基準(zhǔn)信號(hào)。1石英晶體振蕩器的基本原理1.1石英晶體振蕩器的結(jié)構(gòu)
石英晶體振蕩器是利用石英晶體(二氧化硅的結(jié)晶體)的壓電效應(yīng)制成的一種諧振器 件，它的基本構(gòu)成大致是從一塊石英晶體上按一定方位角切下薄片(簡(jiǎn)稱為晶片，它可以 是正方形、矩形或圓形等)，在它的兩個(gè)對(duì)應(yīng)面上涂敷銀層作為電極，在每個(gè)電極上各焊一 根引線接到管腳上，再加上封裝外殼就構(gòu)成了石英晶體諧振器，簡(jiǎn)稱為石英晶體或晶體、晶 振。其產(chǎn)品一般用金屬外殼封裝，也有用玻璃殼、陶瓷或塑料封裝的。1.2壓電效應(yīng)
若在石英晶體的兩個(gè)電極上加一電場(chǎng)，晶片就會(huì)產(chǎn)生機(jī)械變形。反之，若在晶片的兩側(cè) 施加機(jī)械壓力，則在晶片相應(yīng)的方向上將產(chǎn)生電場(chǎng)，這種物理現(xiàn)象稱為壓電效應(yīng)。如果在晶 片的兩極上加交變電壓，晶片就會(huì)產(chǎn)生機(jī)械振動(dòng)，同時(shí)晶片的機(jī)械振動(dòng)又會(huì)產(chǎn)生交變電場(chǎng)。 在一般情況下，晶片機(jī)械振動(dòng)的振幅和交變電場(chǎng)的振幅非常微小，但當(dāng)外加交變電壓的頻 率為某一特定值時(shí)，振幅明顯加大，比其他頻率下的振幅大得多，這種現(xiàn)象稱為壓電諧振， 它與LC回路的諧振現(xiàn)象十分相似。它的諧振頻率與晶片的切割方式、幾何形狀、尺寸等有 關(guān)。1. 3石英晶體振蕩器類型特點(diǎn)
石英晶體振蕩器是由品質(zhì)因素極高的石英晶體振子(即諧振器和振蕩電路)組成。晶 體的品質(zhì)、切割取向、晶體振子的結(jié)構(gòu)及電路形式等共同決定振蕩器的性能。國(guó)際電工委 員會(huì)(IEC)將石英晶體振蕩器分為4類普通晶體振蕩器(SPX0)，電壓控制式晶體振蕩器 (VCX0)，溫度補(bǔ)償式晶體振蕩器(TCX0)，恒溫控制式晶體振蕩器(0CX0)。目前發(fā)展中的還 有數(shù)字補(bǔ)償式晶體振蕩器(DCXO)等。普通晶體振蕩器(SPXO)可產(chǎn)生10~ (-5) 10~ (-4) 量級(jí)的頻率精度，標(biāo)準(zhǔn)頻率1一 100MHZ,頻率穩(wěn)定度是士 lOOppm。SPM)沒有采用任何溫度 頻率補(bǔ)償措施，價(jià)格低廉，通常用作微處理器的時(shí)鐘器件。封裝尺寸范圍從21X14X6mm 至5X3. 2X1. 5mm。電壓控制式晶體振蕩器(VCXO)的精度是10~ (-6) 10~ (-5)量級(jí)，頻
3率范圍廣30MHz。低容差振蕩器的頻率穩(wěn)定度是士50ppm。通常用于鎖相環(huán)路。封裝尺寸 14X10X3mm。溫度補(bǔ)償式晶體振蕩器(TCXO)采用溫度敏感器件進(jìn)行溫度頻率補(bǔ)償，頻率 精度達(dá)到10" (-7) 10" (-6)量級(jí)，頻率范圍1 一60MHz，頻率穩(wěn)定度為士1 士2. 5ppm，封 裝尺寸從30X30X 15mm至11. 4X9. 6X3. 9mm。通常用于手持電話、蜂窩電話、雙向無線通 信設(shè)備等。恒溫控制式晶體振蕩器(OCXO)將晶體和振蕩電路置于恒溫箱中，以消除環(huán)境溫 度變化對(duì)頻率的影響。恒溫控制式晶體振蕩器(OCXO)的頻率精度是10~ (-10)至10~ (-8) 量級(jí)，對(duì)某些特殊應(yīng)用甚至可以達(dá)到更高。頻率穩(wěn)定度在四種類型振蕩器中最高。1.4石英晶體振蕩器的應(yīng)用
1.4.1石英鐘最大優(yōu)點(diǎn)一走時(shí)準(zhǔn)、耗電省、經(jīng)久耐用
不論是老式石英鐘或是新式多功能石英鐘都是以石英晶體振蕩器為核心電路，其頻率 精度決定了電子鐘表的走時(shí)精度。石英晶體振蕩器通常由CMOS反相器，石英晶體與振蕩電 容及微調(diào)電容構(gòu)成，這里石英晶體相當(dāng)于電感。振蕩系統(tǒng)的元件參數(shù)確定了振頻率?？捎眉?接一只電容的方法，來改變振蕩系統(tǒng)參數(shù)，以調(diào)整走時(shí)精度。根據(jù)電子鐘表走時(shí)的快慢，調(diào) 整電容有兩種接法若走時(shí)偏快，則可在石英晶體兩端并接電容C。此時(shí)系統(tǒng)總電容加大， 振蕩頻率變低，走時(shí)減慢。若走時(shí)偏慢，則可在晶體支路中串接電容C。此時(shí)系統(tǒng)的總電容 減小，振蕩頻率變高，走時(shí)增快。因此，晶振可用于時(shí)鐘信號(hào)發(fā)生器。1.4.2晶體振蕩器應(yīng) 用前景廣泛
隨著電視技術(shù)的發(fā)展，近來彩電多采用500kHz或503 kHz的晶體振蕩器作為行、場(chǎng)電 路的振蕩源，經(jīng)1/3的分頻得到15625Hz的行頻，其穩(wěn)定性和可靠性大為提高，而且晶體振 蕩器價(jià)格便宜，更換容易。在通信系統(tǒng)產(chǎn)品中，石英晶體振蕩器的價(jià)值得到了更廣泛的體 現(xiàn)，同時(shí)也得到了更快的發(fā)展。許多高性能的石英晶振主要應(yīng)用于通信網(wǎng)絡(luò)、無線數(shù)據(jù)傳 輸、高速數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)傳輸?shù)?。高精度和高穩(wěn)定度晶體振蕩器是現(xiàn)代電子線路中的重要電路模塊，也是整個(gè)電子 系統(tǒng)的設(shè)計(jì)難點(diǎn)。因此，利用品質(zhì)因數(shù)極高的石英晶體振子制備高精度的晶體振蕩器對(duì)于 現(xiàn)代電子線路中的重要電路模塊的設(shè)計(jì)具有非常重要的意義。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明針對(duì)利用品質(zhì)因數(shù)極高的石英晶體振子制備高精度的晶體振蕩器對(duì)于現(xiàn) 代電子線路中的重要電路模塊的設(shè)計(jì)具有非常重要的意義的技術(shù)啟示，提供一種壓電晶體 仿真引擎。本發(fā)明所要解決的第一個(gè)技術(shù)問題是提供更為精確的模型來表述石英晶體的電 學(xué)和力學(xué)特性及力電耦合特性。本發(fā)明解決該問題的技術(shù)方案如下石英晶體是重要的壓電材料，它具有力學(xué)效 應(yīng)，電學(xué)效應(yīng)，及聯(lián)系二者的壓電效應(yīng)。石英晶體是彈性體，它的力學(xué)特征可以由一組材料 常數(shù)來描述，這個(gè)材料常數(shù)可為彈性勁度常數(shù)或順度常數(shù)，這兩種材料常數(shù)并非獨(dú)立的，而 是相互關(guān)聯(lián)的，互為倒數(shù)關(guān)系。石英晶體也是電介質(zhì)，它的電學(xué)參數(shù)必須服從介電關(guān)系，電 介質(zhì)在外電場(chǎng)作用下發(fā)生電極化，晶體是各向異性電介質(zhì)，其電極化強(qiáng)度P和電場(chǎng)強(qiáng)度E不 同向，在電場(chǎng)不是很強(qiáng)的情況下，滿足線性關(guān)系。由電位移矢量D和電極化強(qiáng)度P及電場(chǎng)強(qiáng)度E的關(guān)系，介質(zhì)的電極化特性也可以用電位移矢量D和電場(chǎng)強(qiáng)度E間的線性關(guān)系來描述。 石英晶體的電學(xué)特征可以用另外一組電學(xué)材料常數(shù)來描述，這組電學(xué)材料常數(shù)可為介電常 數(shù)，也可為介電隔離率或者電極化率。這兩種材料常數(shù)也并非獨(dú)立的，而是相互關(guān)聯(lián)的，互 為倒數(shù)關(guān)系。對(duì)于石英晶體，它是一種壓電晶體。既是電介質(zhì)，又是彈性體，它既有電極化特性， 又有彈性特性，聯(lián)系二者之間的效應(yīng)稱為壓電效應(yīng)，為了描述壓電效應(yīng)，在壓電材料的電學(xué) 參數(shù)和力學(xué)參數(shù)之間必須滿足壓電方程。當(dāng)對(duì)不加任何電場(chǎng)的壓電材料施加一外力，壓電 材料中將因壓電效應(yīng)而產(chǎn)生電位移D，它與由外力引起的應(yīng)力關(guān)系滿足線性關(guān)系。當(dāng)對(duì)不受 任何外力作用處于平衡狀態(tài)的壓電材料施加外電場(chǎng)時(shí)，則壓電材料將因逆壓電效應(yīng)產(chǎn)生應(yīng) 變。綜合各個(gè)分量，可以用矩陣形式來描述。石英晶體的的壓電效應(yīng)特征可以用另外一組 壓電常數(shù)來描述?？蔀榈谝粔弘姵?shù)或第二壓電常數(shù)，這兩種材料常數(shù)也并非獨(dú)立的，而是 相互關(guān)聯(lián)的。本發(fā)明所要解決的第二個(gè)技術(shù)問題是確定石英晶體振蕩器的仿真過程可分為哪 些階段。本發(fā)明解決該技術(shù)問題的技術(shù)方案如下石英晶體振蕩器的仿真可分為兩個(gè)階 段簡(jiǎn)化晶體模型的電學(xué)模型仿真和力電耦合模型仿真。首先，利用晶體的簡(jiǎn)化等效模型， 和電路中的其它器件一起進(jìn)行電學(xué)仿真。通過仿真電路的瞬態(tài)特性，可以得出振蕩電路是 否起振，以及振蕩頻率的初步確定。第二階段，利用第一階段的結(jié)果作為一個(gè)初始估計(jì)值， 進(jìn)行力學(xué)和電學(xué)的耦合仿真。由于振蕩電路起振之后，由于電路中一些元器件的穩(wěn)幅作用， 振蕩波形不會(huì)一直變大，最后會(huì)穩(wěn)定在某一個(gè)幅度。最后振蕩電路表現(xiàn)出周期性穩(wěn)態(tài)的特 性。通過截取時(shí)域的周期穩(wěn)態(tài)波形進(jìn)行傅里葉分析，可以獲得振蕩電路的頻譜。本發(fā)明所要解決的第三個(gè)技術(shù)問題是求解電學(xué)模型，得出電學(xué)的狀態(tài)變量，由此 而解決石英晶體振蕩器用于電路設(shè)計(jì)過程中的力學(xué)和電學(xué)的耦合問題。本發(fā)明解決該技術(shù)問題的技術(shù)方案如下力學(xué)和電學(xué)的耦合仿真通過對(duì)力學(xué)和電 學(xué)的含時(shí)微分方程或微分方程組進(jìn)行以時(shí)間為步長(zhǎng)的數(shù)值化處理，配以邊界條件和初始條 件，同時(shí)對(duì)含有空間變量的微分方程或微分方程組進(jìn)行以空間劃分的數(shù)值化處理，最后得 到一組差分方程組。仿真引擎首先以時(shí)間為主要步長(zhǎng)進(jìn)行劃分，在每一個(gè)時(shí)間點(diǎn)，電路狀態(tài) 可以一組力學(xué)和電學(xué)狀態(tài)變量來描述。在每一個(gè)時(shí)間點(diǎn)上，對(duì)晶體模型部分，進(jìn)行單元網(wǎng)格 劃分，利用有限元的求解算法，數(shù)值求解模型，得出狀態(tài)變量的新值。利用壓電效應(yīng)關(guān)系和 電流電量關(guān)系以及電壓場(chǎng)強(qiáng)關(guān)系求解電學(xué)模型，得出電學(xué)的狀態(tài)變量。在新的狀態(tài)變量下， 以新的時(shí)間步長(zhǎng)進(jìn)行下一個(gè)計(jì)算周期。如此下去，直到解在一定的范圍內(nèi)呈現(xiàn)出周期性穩(wěn) 定的特性。高精度和高穩(wěn)定度晶體振蕩器是現(xiàn)代電子線路中的重要電路模塊，也是整個(gè)電子 系統(tǒng)的設(shè)計(jì)難點(diǎn)。因此，本發(fā)明的有益效果是利用品質(zhì)因素極高的石英晶體振子制備高精 度的晶體振蕩器，同時(shí)提供更為精確的模型來表述石英晶體振蕩器，確定石英晶體振蕩器 的仿真過程，并求解電學(xué)模型，得出電學(xué)的狀態(tài)變量，由此而解決石英晶體振蕩器用于電路 設(shè)計(jì)過程中的力學(xué)和電學(xué)的耦合問題，對(duì)于現(xiàn)代電子線路中的重要電路模塊的設(shè)計(jì)具有非 常重要的意義。


圖1為本發(fā)明石英晶體諧振器的等效電路模型圖； 圖2為本發(fā)明石英晶體的力電耦合模型圖3為本發(fā)明石英晶體力電耦合仿真引擎時(shí)間步長(zhǎng)圖； 圖4為本發(fā)明石英晶體力電耦過程中連續(xù)空間場(chǎng)問題的劃分示意圖。
具體實(shí)施例方式
以下結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明的原理和特征進(jìn)行描述，所舉實(shí)例只用于解釋本發(fā)明，并非用 于限定本發(fā)明的范圍。實(shí)施例一提供更為精確的模型來表述石英晶體的電學(xué)和力學(xué)特性及力電耦合特 性。石英晶體諧振器的等效電路模型如圖1所示。當(dāng)晶體不振動(dòng)時(shí)，可把它看成一個(gè) 平板電容器稱為靜電電容C，它的大小與晶片的幾何尺寸、電極面積有關(guān)，一般約幾個(gè)PF到 幾十PF。當(dāng)晶體振蕩時(shí)，機(jī)械振動(dòng)的慣性可用電感L來等效。一般L的值為幾十mH到幾 百mH。晶片的彈性可用電容C來等效，C的值很小，一般只有0. 0002 0. IpF0晶片振動(dòng) 時(shí)因摩擦而造成的損耗用R來等效，它的數(shù)值約為100 Ω。由于晶片的等效電感很大，而C 很小，R也小，因此回路的品質(zhì)因數(shù)Q很大，可達(dá)1000 10000。加上晶片本身的諧振頻率 基本上只與晶片的切割方式、幾何形狀、尺寸有關(guān)，而且可以做得精確，因此利用石英諧振 器組成的振蕩電路可獲得很高的頻率穩(wěn)定度。晶體的等效電路可描述如下電路分并聯(lián)的兩支，其中一支為一個(gè)電容Cp，另一 支為一個(gè)電感Ls串聯(lián)一個(gè)電容Cs再串聯(lián)一個(gè)電阻Rs，其中Ls表示動(dòng)態(tài)等效電感；Cs表示 動(dòng)態(tài)等效電容(一般在50-600pF);Cp表示晶體兩邊電極的平板電容(一般為2-10pF);并且 Rs表示諧振電阻(一般小于50 Ω )。晶體有兩個(gè)諧振頻率一個(gè)是串聯(lián)諧振頻率f0 = 1/ [2ji*(LS*Cs)~-2]；另一個(gè)是并聯(lián)諧振頻率f ①=l/{2Ji*[LS*CS*Cp/(CS+Cp)r-2}。由于上述模型本身的局限性，故僅可用于粗略的判斷振蕩電路能否起振，以及振 蕩電路的振蕩周期等。為了得出石英晶體振蕩器的其它特性，比如溫度偏移特性，相位噪 聲，輸出噪聲等，必須采用更為精確的模型來表述石英晶體的電學(xué)和力學(xué)特性及力電耦合 特性。圖2給出了跨能域耦合模型。圖2中涉及的對(duì)問題描述的方程組是一組描述相關(guān)物 理量隨時(shí)間和空間演化的微分方程組，通過對(duì)時(shí)間t和空間變量xyz進(jìn)行離散化處理后，轉(zhuǎn) 化為離散差分問題，如圖3，4所示。這就變成了計(jì)算機(jī)易于處理的問題了。通過迭代算法， 求解出時(shí)間和空間離散點(diǎn)處的相關(guān)物理量，其他的可以通過插值方法獲得。石英晶體是重要的壓電材料，它具有力學(xué)效應(yīng)，電學(xué)效應(yīng)，及聯(lián)系二者的壓電效 應(yīng)。石英晶體是彈性體，它的力學(xué)特征可以由一組材料常數(shù)來描述，這個(gè)材料常數(shù)可為彈性 勁度常數(shù)或順度常數(shù)，這兩種材料常數(shù)并非獨(dú)立的，而是相互關(guān)聯(lián)的，互為倒數(shù)關(guān)系。石英 晶體也是電介質(zhì)，它的電學(xué)參數(shù)必須服從介電關(guān)系，電介質(zhì)在外電場(chǎng)作用下發(fā)生電極化，晶 體是各向異性電介質(zhì)，其電極化強(qiáng)度P和電場(chǎng)強(qiáng)度E不同向，在電場(chǎng)不是很強(qiáng)的情況下，滿 足線性關(guān)系。由電位移矢量D和電極化強(qiáng)度P及電場(chǎng)強(qiáng)度E的關(guān)系，介質(zhì)的電極化特性也 可以用電位移矢量D和電場(chǎng)強(qiáng)度E間的線性關(guān)系來描述。石英晶體的電學(xué)特征可以用另外 一組電學(xué)材料常數(shù)來描述，這組電學(xué)材料常數(shù)可為介電常數(shù)，也可為介電隔離率或者電極化率。這兩種材料常數(shù)也并非獨(dú)立的，而是相互關(guān)聯(lián)的，互為倒數(shù)關(guān)系。對(duì)于石英晶體，它是一種壓電晶體。既是電介質(zhì)，又是彈性體，它既有電極化特性， 又有彈性特性，聯(lián)系二者之間的效應(yīng)稱為壓電效應(yīng)，為了描述壓電效應(yīng)，在壓電材料的電學(xué) 參數(shù)和力學(xué)參數(shù)之間必須滿足壓電方程。當(dāng)對(duì)不加任何電場(chǎng)的壓電材料施加一外力，壓電 材料中將因壓電效應(yīng)而產(chǎn)生電位移D，它與由外力引起的應(yīng)力關(guān)系滿足線性關(guān)系。當(dāng)對(duì)不受 任何外力作用處于平衡狀態(tài)的壓電材料施加外電場(chǎng)時(shí)，則壓電材料將因逆壓電效應(yīng)產(chǎn)生應(yīng) 變。綜合各個(gè)分量，可以用矩陣形式來描述。石英晶體的的壓電效應(yīng)特征可以用另外一組 壓電常數(shù)來描述。可為第一壓電常數(shù)或第二壓電常數(shù)，這兩種材料常數(shù)也并非獨(dú)立的，而是 相互關(guān)聯(lián)的。實(shí)施例二確定石英晶體振蕩器的仿真過程。石英晶體振蕩器能用于仿真石英晶體振蕩電路的相位噪聲和輸出噪聲，其仿真可 分為兩個(gè)主要階段簡(jiǎn)化晶體模型的電學(xué)模型仿真和力電耦合模型仿真。首先，利用晶體的簡(jiǎn)化等效模型，和電路中的其它器件一起進(jìn)行電學(xué)仿真。通過仿 真電路的瞬態(tài)特性，可以得出振蕩電路是否起振，以及振蕩頻率的初步確定。所述電路中的其它器件是指雙極晶體管和場(chǎng)效應(yīng)晶體管，及一些負(fù)阻器件等。第二階段，利用第一階段的結(jié)果作為一個(gè)初始估計(jì)值，進(jìn)行力學(xué)和電學(xué)的耦合仿 真。由于振蕩電路起振之后，由于電路中一些元器件的穩(wěn)幅作用，振蕩波形不會(huì)一直變大， 最后會(huì)穩(wěn)定在某一個(gè)幅度。最后振蕩電路表現(xiàn)出周期性穩(wěn)態(tài)的特性。通過截取時(shí)域的周期穩(wěn)態(tài)波形進(jìn)行傅里 葉分析，可以獲得振蕩電路的頻譜。實(shí)施例三求解電學(xué)模型，得出電學(xué)的狀態(tài)變量，由此而解決石英晶體振蕩器用于 電路設(shè)計(jì)過程中的力學(xué)和電學(xué)的耦合問題。即根據(jù)圖2中涉及的一組描述相關(guān)物理量隨時(shí)間和空間演化的微分方程組，通過 對(duì)時(shí)間t和空間變量xyz進(jìn)行離散化處理后，轉(zhuǎn)化為離散差分問題，如圖3，4所示。這就變 成了計(jì)算機(jī)易于處理的問題了。通過迭代算法，求解出時(shí)間和空間離散點(diǎn)處的相關(guān)物理量， 其他的可以通過插值方法獲得。圖3為本發(fā)明石英晶體力電耦合仿真引擎時(shí)間步長(zhǎng)圖，圖4為本發(fā)明石英晶體力 電耦過程中連續(xù)空間場(chǎng)問題的劃分示意圖。如圖3及4所示，力學(xué)和電學(xué)的耦合仿真通過 對(duì)力學(xué)和電學(xué)的含時(shí)微分方程或微分方程組進(jìn)行以時(shí)間為步長(zhǎng)的數(shù)值化處理，配以邊界條 件和初始條件，同時(shí)對(duì)含有空間變量的微分方程或微分方程組進(jìn)行以空間劃分的數(shù)值化處 理，最后得到一組差分方程組。這個(gè)方程組包括基本物理方程和本構(gòu)關(guān)系，基爾霍夫方程， 麥克斯韋方程組，彈性動(dòng)力學(xué)方程；電介質(zhì)的場(chǎng)強(qiáng)電位移關(guān)系，壓電方程，材料的應(yīng)力應(yīng)變 物理方程，位移應(yīng)變幾何方程等。仿真引擎首先以時(shí)間為主要步長(zhǎng)進(jìn)行劃分，在每一個(gè)時(shí)間點(diǎn)，電路狀態(tài)可以一組 力學(xué)和電學(xué)狀態(tài)變量來描述，解力電耦合場(chǎng)差分方程組并進(jìn)行迭代。在每一個(gè)時(shí)間點(diǎn)上，對(duì) 晶體模型部分，進(jìn)行單元網(wǎng)格劃分，通過單元網(wǎng)格上分立節(jié)點(diǎn)的引入，使連續(xù)問題離散化， 微分方程相應(yīng)的也就變成差分方程了，再利用有限元的求解算法，數(shù)值求解模型，得出狀態(tài) 變量的新值。利用壓電效應(yīng)關(guān)系和電流電量關(guān)系以及電壓場(chǎng)強(qiáng)關(guān)系求解電學(xué)模型，得出電 學(xué)的狀態(tài)變量。
在新的狀態(tài)變量下，以新的時(shí)間步長(zhǎng)進(jìn)行下一個(gè)計(jì)算周期。如此下去，直到解在一 定的范圍內(nèi)呈現(xiàn)出振蕩電路周期性穩(wěn)定的特性。以上所述僅為本發(fā)明的較佳實(shí)施例，并不用以限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精神和 原則之內(nèi)，所作的任何修改、等同替換、改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種用于電路設(shè)計(jì)的壓電晶體仿真引擎，其特征在于，所述壓電晶體仿真引擎在建 立了完整的晶體等效電路模型，并結(jié)合石英材料的晶體材料壓電常數(shù)和彈性常數(shù)物理性 質(zhì)，以及其等效電路模型中各電學(xué)元件的參數(shù)的基礎(chǔ)上，通過一個(gè)仿真過程解決石英晶體 振蕩器用于電路設(shè)計(jì)過程中的力學(xué)和電學(xué)的耦合問題，所述晶體等效電路模型包括兩支并 聯(lián)的電路，一支為晶體兩邊電極的平板電容，另一支為相互串聯(lián)的動(dòng)態(tài)等效電感、動(dòng)態(tài)等效 電容和諧振電阻。
2.如權(quán)利要求1所述的用于電路設(shè)計(jì)的壓電晶體仿真引擎，其特征在于，所述仿真過 程分為兩個(gè)階段簡(jiǎn)化晶體模型的電學(xué)模型仿真階段和力電耦合模型仿真階段。
3.如權(quán)利要求2所述的用于電路設(shè)計(jì)的壓電晶體仿真引擎，其特征在于，所述簡(jiǎn)化晶 體模型的電學(xué)模型仿真階段包括利用晶體的等效電路模型，和電路中的其它器件一起建立 仿真電路進(jìn)行電學(xué)仿真的過程，這個(gè)階段通過仿真電路的瞬態(tài)特性，可以得出振蕩電路是 否起振，以及振蕩頻率的初步確定。
4.如權(quán)利要求3所述的用于電路設(shè)計(jì)的壓電晶體仿真引擎，其特征在于，所述力電耦 合模型仿真階段包括利用簡(jiǎn)化晶體模型的電學(xué)模型仿真階段的結(jié)果作為一個(gè)初始估計(jì)值， 進(jìn)行力學(xué)和電學(xué)的耦合仿真，通過截取時(shí)域的周期穩(wěn)態(tài)波形進(jìn)行傅里葉分析，可以獲得振 蕩電路的頻譜。
5.如權(quán)利要求4所述的用于電路設(shè)計(jì)的壓電晶體仿真引擎，其特征在于，所述簡(jiǎn)化晶 體模型的電學(xué)模型仿真階段的結(jié)果為振蕩電路是否起振，以及振蕩頻率的初步確定。
6.如權(quán)利要求4所述的用于電路設(shè)計(jì)的壓電晶體仿真引擎，其特征在于，所述力電耦 合模型仿真階段是指時(shí)空都進(jìn)行網(wǎng)格劃分后，將連續(xù)模型進(jìn)行數(shù)值化并進(jìn)行求解，即利用 有限元的求解算法，數(shù)值求解模型，得出狀態(tài)變量的新值，利用壓電效應(yīng)關(guān)系和電流電量關(guān) 系以及電壓場(chǎng)強(qiáng)關(guān)系求解電學(xué)模型，得出電學(xué)的狀態(tài)變量，由此而解決石英晶體振蕩器用 于電路設(shè)計(jì)過程中的力學(xué)和電學(xué)的耦合問題。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種用于電路設(shè)計(jì)的壓電晶體仿真引擎。所述壓電晶體仿真引擎在建立了完整的晶體等效電路模型，并結(jié)合石英材料的晶體材料壓電常數(shù)和彈性常數(shù)物理性質(zhì)，以及其等效電路模型中各電學(xué)元件的參數(shù)的基礎(chǔ)上，通過一個(gè)仿真過程解決石英晶體振蕩器用于電路設(shè)計(jì)過程中的力學(xué)和電學(xué)的耦合問題。本發(fā)明利用品質(zhì)因數(shù)極高的石英晶體振子制備高精度的晶體振蕩器，同時(shí)提供更為精確的模型來表述石英晶體振蕩器，確定石英晶體振蕩器的仿真過程，并求解電學(xué)模型，得出電學(xué)的狀態(tài)變量，由此解決石英晶體振蕩器用于電路設(shè)計(jì)過程中的力學(xué)和電學(xué)的耦合問題。
文檔編號(hào)G06F17/50GK102117354SQ20101014519
公開日2011年7月6日 申請(qǐng)日期2010年4月13日 優(yōu)先權(quán)日2009年12月31日
發(fā)明者張海英, 田歡歡 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院微電子研究所