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1、CMOS模拟集成电路实训模拟集成电路实训之电压基准的设计之电压基准的设计东南大学集成电路学院东南大学集成电路学院IC实验室实验室xuemingwei_内容内容 振荡器振荡器的基本原理的基本原理 常用常用环形振荡器电路环形振荡器电路结构结构电阻调节法电阻调节法尾电流调节法尾电流调节法 插值法插值法 电路仿真实例电路仿真实例 振振荡荡器器：在在没没有有激激励励信信号号的的情情况况下下，能能自自动动的的将将直直流流电电源源能能量量转转换换为为周周期期性性交交流流信信号号输输出出的的电电子子电电路路。振振荡荡器器的的应应用用十十分分广广泛泛，振振荡荡器器的的种种类类也也很很多多。 低低频频振振荡荡器器
2、 按按振振荡荡频频率率分分类类 高高频频振振荡荡器器 正正弦弦波波振振荡荡器器 按按振振荡荡波波形形分分类类 非非正正弦弦波波振振荡荡器器（多多谐谐振振荡荡器器等等） LC 振振荡荡器器 按按选选频频回回路路元元件件性性能能分分类类 RC 振振荡荡器器 晶晶体体振振荡荡器器等等1. 概述概述振荡器分类振荡器分类振荡器工作原理振荡器工作原理双端负反馈分析法双端负反馈分析法00()1()180H jH j“巴克豪森巴克豪森”准则准则:环形振荡器环形振荡器的基本原理的基本原理N级环形振荡器振荡的必要条件为：级环形振荡器振荡的必要条件为：奇数级 N=2k+1， k1偶数级 N=2(k+2)，k1N的取
3、值一般为的取值一般为3-5之间。之间。 振荡频率振荡频率：环形振荡器示意图：环形振荡器示意图：延时环节示意图：延时环节示意图：12oscDfN T性能参数性能参数(1) 中心频率中心频率(2) 调谐范围调谐范围(3) 调谐增益调谐增益(4) 调节线性度调节线性度(5) 输出振幅输出振幅(6) 相位噪声相位噪声(7) 功耗功耗：较大的增益可获得更大的调谐范围，对噪声的响应也越剧烈。：调谐增益KVCO的大小会影响整个环路的带宽和相位裕度。：中心频率为频率调节范围的中心值，由VCO的使用环境决定。：VCO输出频率的可调节范围。：高振幅能使输出波形对噪声不敏感，也会增大功耗。：与相位噪声、输出电压幅度
4、、工作频率等密切相关。：用距离中心频率某频率处单位带宽内噪声功率密度与中心频率的功率的比值表示。内容内容 振荡器振荡器的基本原理的基本原理 常用常用环形振荡器电路环形振荡器电路结构结构电阻调节法电阻调节法尾电流调节法尾电流调节法 插值法插值法 电路仿真实例电路仿真实例 常用常用环形压控振荡器方案环形压控振荡器方案 环形压控振荡器是通过改变延时单元的延时时环形压控振荡器是通过改变延时单元的延时时间来实现频率的可调，目前有间来实现频率的可调，目前有3种基本方法可改变种基本方法可改变延时时间：延时时间：（1）电阻调节法电阻调节法；（2）尾电流调节法尾电流调节法；（3）插值法。插值法。内容内容 振荡器
5、振荡器的基本原理的基本原理 常用常用环形振荡器电路环形振荡器电路结构结构电阻调节法电阻调节法尾电流调节法尾电流调节法 插值法插值法 电路仿真实例电路仿真实例电阻调节法电阻调节法输出时间常数为输出时间常数为：3,4eqLRCM3、M4是一个由控制电压是一个由控制电压Vcont控制的可变电阻控制的可变电阻，等效阻值为：，等效阻值为：3,43,41eqpoxddcontTHPRWCVVVL振荡频率振荡频率为：为：3,4/2poxddcontTHPoscLCWLVVVfN C内容内容 振荡器振荡器的基本原理的基本原理 常用常用环形振荡器电路环形振荡器电路结构结构电阻调节法电阻调节法尾电流调节法尾电流调
6、节法 插值法插值法 电路仿真实例电路仿真实例尾电流调节法尾电流调节法 假定某一级延时单元在前一级差分电压为0时开始切换，因此每一级的延时也定义为差分输出电压再转换到摆幅VSW的中点时总的变化量除以差分转换速率ISS/CL，即每一级的延时为CLVSW/ISS。故N级差分环形振荡器的振荡频率为2SSoscLSWIfNC V内容内容 振荡器振荡器的基本原理的基本原理 常用常用环形振荡器电路环形振荡器电路结构结构电阻调节法电阻调节法尾电流调节法尾电流调节法 插值法插值法 电路仿真实例电路仿真实例插值法插值法 每一级电路由一单级延时通道和一多级延时通道组成，多级可以是2级以上至N级，两个通道的输出取加权
7、，它们的增益大小由控制电压Vcont来调节，Vcont的大小控制环路延时的大小。插值法插值法 一般情况下，多级延时通道的延时单元的N取2至5，N太大的话延时单元结构过于复杂，功耗会过大，太少了起不到增加延时的作用，电路的频率调控范围过小。尾电流调节法尾电流调节法电路实现电路实现宽输出摆幅宽输出摆幅延时环节延时环节结构结构尾电流调节法尾电流调节法电路实现电路实现控制电路控制电路结构结构221212121/ 20/ 2CTHcontcontcontTHTHcontCTHCTHTHcontTHKVVVVVVIVVVVKVVVVV121/eqCTHTHRK VVVVC恒定时，等效电阻为线性电阻，总电流
8、I与控制电压Vcont成正比，具有良好的线性关系。内容内容 振荡器振荡器的基本原理的基本原理 常用常用环形振荡器电路环形振荡器电路结构结构电阻调节法电阻调节法尾电流调节法尾电流调节法 插值法插值法 电路仿真实例电路仿真实例环形压控振荡器环形压控振荡器的设计的设计与仿真与仿真仿真仿真内容内容在在tran仿真环境下仿真环境下 1. 仿振荡器振荡波形；仿振荡器振荡波形； 2. 仿振荡器动态功耗。仿振荡器动态功耗。在在pss和和pnoise仿真环境下仿真环境下 1. 仿压控频率特性曲线；仿压控频率特性曲线； 2. 仿相位噪声曲线。仿相位噪声曲线。Tran仿真仿真仿真时间：仿真时间：2us；最大步长：；
9、最大步长：100p。Tran仿真仿真振荡器输出电压波形振荡器输出电压波形Tran仿真仿真振荡器瞬态电流波形振荡器瞬态电流波形Tran仿真仿真计算振荡器瞬态电流平均值计算振荡器瞬态电流平均值PSS与与PNOISE仿真仿真PSS仿真仿真参数设置参数设置PSS仿真仿真SWEEP设置设置PSS仿真仿真PSS仿真结果查看仿真结果查看PSS仿真仿真PSS仿真结果查看仿真结果查看PSS仿真仿真压控频率特性曲线压控频率特性曲线 横轴为控制电压，横轴为控制电压，纵轴为输出频率。谐调纵轴为输出频率。谐调增益可由增益可由cacular工具计工具计算得到。算得到。PNOISE仿真仿真参数设置参数设置PNOISE仿真仿真PNOISE仿真结果查看仿真结果查看PNOISE仿真仿真PNOISE仿真结果查看仿真结果查看PNOISE仿真仿真相位噪声特性曲线相位噪声特性曲线