CMOS模拟集成电路第14章—振荡器

1个TD
Y跳变 1个TD
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Z跳变
振荡周期2NTD＝6TD
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LC振荡器
3、LC振荡器
• 3.1 LC振荡回路
理想（无损）并联LC回路
1 LC
实际（有损）并联LC回路含电阻成份 品质因数
Q L1 RS
阻抗
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LC振荡器
• 3.1 LC振荡回路（续）
串联→并联 在较窄的频率范围内ZS＝ZP 得到
H (s)
3 A0
H 0 ( s)
A0 s 1
0
arctan
osc 60 0
3
s 1 0
3
osc 3 0
3 A0 2 osc 1 0
1
A0＝2
剩余相位
ex KVCO Vcont dt
ex
Vcont K VCO (s) s
积分器的传输函数
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VCO
• 4.1 环形振荡器调节（续）
正反馈引起的延时变化（续）
利用差动对，使IT=ISS+I1，保证 输出振幅为2R1,2IT
为了避免M1M2没有电流通过， 在P点增加一个小恒流源IH，以 避免因此造成振荡停止。 缺点：消耗了额外的电压余度
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VCO
• 4.1 环形振荡器调节（续）
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环形振荡器
• 振幅限制
三级环形振荡器的闭环增益
分母
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环形振荡器
• 振幅限制（续）
三级环形振荡器中，A0不同时，极点情况
不起振 当A0>2时，
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振荡
振荡，→∞，实际 上电路经历非线性， 最终达到“饱和”
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环形振荡器
• 反相器构成的环形振荡器
大信号工作 X跳变 1个TD
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VCO
• 4.1 环形振荡器调节
改变负载 每一级中，M3M4处于线性区（三 极管区），由Vcont控制
1 Ron3,4CL
缺点：输出摆幅在调节范围内变化大
改变电流源
控制ISS改变振荡频率
固定负载管的VDS，保证输出摆幅 （ISSRon）：M5工作在线性区，通过 A1反馈固定VDS，M3和M4跟随M5的 导通电阻。
CMOS模拟集成电路设计
振荡器
提纲
提纲
• • • • • 1、概述 2、环形振荡器 3、LC振荡器 4、压控振荡器 5、VCO的数学模型
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概述
1、概述
• 振荡条件
负反馈系统
巴克豪森准则
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环形振荡器
2、环形振荡器
• 环形振荡器起振
单极点负反馈系统相移：max 270 ° 双极点负反馈系统相移：360°@∞ 三极点负反馈系统相移 环路增益
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LC振荡器
• 3.3 交叉耦合振荡器
起振条件： 谐振时，总相移为0
g m1 RP1 g m 2 RP 2 1
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VCO
4、压控振荡器
• 定义
中心频率 调节范围ω2－ ω1
调节线性度 输出摆幅 功耗 电源与共模抑制 输出信号纯度： 信号抖动（Jitter）;相位噪声 2013-8-4
正反馈引起的延时变化（续） 为了避免消耗了额外的电压余度， 采用电流折叠结构
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VCO
• 4.1 环形振荡器调节（续）
插值法改变延迟
快路径导通，慢路径关断，产生最大振荡频率； 快路径关断，慢路径导通，产生最小振荡频率； Vcont落在两极中间时，产生中间振荡频率。
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VCO的数学模型
5、VCO的数学模型
• 相位与频率
d dt
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dt 0
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VCO的数学模型
• VCO
Vout (t ) Vm cos( out dt 0 ) Vm cos( 0t KVCO Vcont dt 0 )
2 RS LP L1 1 2 2 L1 L 1
RP
2 L1 2
RS
Q 2 RS
谐振频率
1
1 LP C P
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LC振荡器
• 3.2 “调谐”电路
LC回路作负载
谐振时， Av g m1 RP
接成反馈形式，谐振时，总相移等于180， 所以不能振荡
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VCO
• 4.1 环形振荡器调节（续）
正反馈引起的延时变化 半边电路等效： I1↑→|-1/gm3,4|↓ →（ -1/gm3,4）||R1,2=R/(1-gm3,4R)↑ →fosc ↓ -2/gm
半边等效
缺点：R1R2上的电流在控制过程中会发 生变化，输出摆幅在调节范围内变化
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VCO
• 4.2 LC振荡器的调节

1 LC
反偏pn结可以当作变容二极管
保证变容二极管反偏或正偏较弱
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VCO
• 4.2 LC振荡器的调节（续）
变容二极管
N阱与衬底的电容 减小串连电阻
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VCO
• 4.2 LC振荡器的调节（续）
变容二极管 消除N阱与衬底的电容的影响 采用PMOS器件电路