环型振荡器(ring oscillator)的抖动(jitter)分析

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环形振荡器的工作原理

环形振荡器的工作原理

环形振荡器的工作原理
标题:环形振荡器的工作原理
引言概述:
环形振荡器是一种重要的电子电路元件,广泛应用于通信系统、计算机科学和其他领域。

它的工作原理基于正反馈和谐振的原理。

本文将详细介绍环形振荡器的工作原理,包括振荡器的基本概念、正反馈、谐振条件和环形振荡器的具体实现。

正文内容:
1. 环形振荡器的基本概念
1.1 振荡器的定义和功能
1.2 环形振荡器的特点和应用领域
2. 正反馈的作用
2.1 正反馈的概念和原理
2.2 正反馈在环形振荡器中的作用
2.3 正反馈对振荡器的影响
3. 谐振条件
3.1 谐振的定义和原理
3.2 谐振频率的计算方法
3.3 谐振条件对环形振荡器的影响
4. 环形振荡器的具体实现
4.1 环形振荡器的基本电路结构
4.2 环形振荡器中的放大器和滤波器
4.3 环形振荡器的稳定性和调节方法
5. 环形振荡器的工作原理总结
5.1 工作原理的概述
5.2 正反馈和谐振的相互作用
5.3 环形振荡器的应用前景和发展方向
总结:
环形振荡器是一种基于正反馈和谐振原理的重要电子电路元件。

本文通过引言概述、正文内容的五个大点阐述和总结,详细介绍了环形振荡器的工作原理。

正文内容包括环形振荡器的基本概念、正反馈的作用、谐振条件和环形振荡器的具体实现。

通过本文的阐述,读者可以更好地理解环形振荡器的工作原理,为相关领域的应用提供指导和参考。

环形振荡器在通信系统、计算机科学等领域具有广阔的应用前景,未来的发展方向也值得期待。

ring oscillator原理

ring oscillator原理

ring oscillator原理简介ring oscillator(环振荡器)是一种电路结构,通过串联多个逻辑反相器形成一个环路,并利用正反馈原理产生振荡信号。

ring oscillator广泛应用于时钟信号的生成、频率计算以及数字电路中的定时和延时电路。

本文将深入探讨ring oscillator的原理及工作方式。

原理ring oscillator由一个奇数个的逻辑反相器组成,比如3个、5个等。

每个逻辑反相器的输出与下一个逻辑反相器的输入相连,最后一个逻辑反相器的输出再回到第一个逻辑反相器的输入,形成一个闭环。

ring oscillator基于正反馈原理,当所有逻辑反相器的延迟相等时,输出信号将持续振荡。

具体来说,假设每个逻辑反相器的延迟为T,则ring oscillator的周期为奇数倍的T。

当输入接收到上升沿时,第一个逻辑反相器的输出为低电平,经过T的延迟后,输出变为高电平。

这个高电平信号经过后续的逻辑反相器,经过奇数个逻辑反相器后,变为低电平并回到第一个逻辑反相器的输入,从而实现了环路的闭合。

这样,从第一个逻辑反相器的输入到第一个逻辑反相器的输出,就形成了一个完整的周期。

工作方式ring oscillator是一种自激振荡器,不需要外部输入信号即可产生振荡信号。

以下是ring oscillator的工作方式:1.初始状态:所有逻辑反相器的输出状态为高电平。

输入信号的上升沿将启动振荡器。

2.上升沿:当输入信号的上升沿到来时,第一个逻辑反相器的输出从高电平变为低电平。

3.传播延迟:低电平信号经过逻辑反相器的传播延迟,逐个传递给下一个逻辑反相器。

这个过程需要一段时间,取决于逻辑反相器的延迟。

4.环路闭合:当低电平信号经过奇数个逻辑反相器后回到第一个逻辑反相器时,环路闭合,振荡器产生一个完整的周期。

5.下降沿:当第一个逻辑反相器的输出变为低电平时,传播到后续的逻辑反相器,最终导致最后一个逻辑反相器的输出变为高电平。

环形振荡器的工作原理

环形振荡器的工作原理

环形振荡器的工作原理概述:环形振荡器是一种电子电路,用于产生稳定的振荡信号。

它由一个放大器和一个反馈回路组成,通过正反馈实现自激振荡。

环形振荡器广泛应用于通信、无线电、雷达、测量等领域。

工作原理:环形振荡器的工作原理基于正反馈回路的自激振荡。

下面将详细介绍环形振荡器的工作原理。

1. 放大器:环形振荡器的核心是一个放大器,它负责放大输入信号。

放大器通常采用晶体管、集成电路等器件。

它将输入信号放大到足够的水平以维持振荡。

2. 反馈回路:环形振荡器的反馈回路通过将一部分输出信号送回到放大器的输入端实现正反馈。

这种正反馈会引起放大器的输出信号在一定条件下不断增强,从而产生振荡。

3. 相移网络:为了实现稳定的振荡,环形振荡器通常会使用相移网络。

相移网络是由电容和电感组成的网络,用于引入相位差。

相位差的引入是为了保证振荡信号的稳定性和相位准确性。

4. 频率稳定性:环形振荡器的频率稳定性是一个关键指标。

为了提高频率稳定性,可以采用温度补偿电路、反馈电路调节等方法。

这些方法可以减小环境温度和器件参数变化对振荡频率的影响。

5. 输出信号:环形振荡器的输出信号通常是正弦波。

输出信号的频率和幅度可以通过调整反馈回路和放大器的参数来控制。

输出信号可以进一步经过滤波、放大等处理,以满足特定应用的需求。

6. 工作条件:环形振荡器的工作需要满足一定的条件。

例如,放大器的增益必须大于1,反馈回路的相位差必须为360度等。

只有在满足这些条件的情况下,环形振荡器才能正常工作。

应用领域:环形振荡器广泛应用于通信、无线电、雷达、测量等领域。

它可以用于产生稳定的时钟信号、调制信号、射频信号等。

在无线通信系统中,环形振荡器通常用于频率合成器、本振源等关键模块。

总结:环形振荡器是一种重要的电子电路,它通过正反馈回路实现自激振荡。

环形振荡器的工作原理基于放大器、反馈回路、相移网络等关键组成部分。

它能够产生稳定的振荡信号,广泛应用于通信、无线电、雷达、测量等领域。

时间抖动(jitter)的概念及其分析方法

时间抖动(jitter)的概念及其分析方法

时间抖动(jitte‎r)的概念及其‎分析方法随着通信系‎统中的时钟‎速率迈入G‎H z级,抖动这个在‎模拟设计中‎十分关键的‎因素,也开始在数‎字设计领域‎中日益得到‎人们的重视‎。

在高速系统‎中,时钟或振荡‎器波形的时‎序误差会限‎制一个数字‎I/O接口的最‎大速率。

不仅如此,它还会导致‎通信链路的‎误码率增大‎,甚至限制A‎/D转换器的‎动态范围。

有资料表明‎在3GH z‎以上的系统‎中,时间抖动(jitte‎r)会导致码间‎干扰(ISI),造成传输误‎码率上升。

在此趋势下‎,高速数字设‎备的设计师‎们也开始更‎多地关注时‎序因素。

本文向数字‎设计师们介‎绍了抖动的‎基本概念,分析了它对‎系统性能的‎影响,并给出了能‎够将相位抖‎动降至最低‎的常用电路‎技术。

本文介绍了‎时间抖动(jitte‎r)的概念及其‎分析方法。

在数字通信‎系统,特别是同步‎系统中,随着系统时‎钟频率的不‎断提高,时间抖动成‎为影响通信‎质量的关键‎因素。

关键字:时间抖动、jitte‎r、相位噪声、测量时间抖动的‎概念在理想情况‎下,一个频率固‎定的完美的‎脉冲信号(以1MHz‎为例)的持续时间‎应该恰好是‎1us,每500n‎s 有一个跳‎变沿。

但不幸的是‎,这种信号并‎不存在。

如图1所示‎,信号周期的‎长度总会有‎一定变化,从而导致下‎一个沿的到‎来时间不确‎定。

这种不确定‎就是抖动。

抖动是对信‎号时域变化‎的测量结果‎,它从本质上‎描述了信号‎周期距离其‎理想值偏离‎了多少。

在绝大多数‎文献和规范‎中,时间抖动(jitte‎r)被定义为高‎速串行信号‎边沿到来时‎刻与理想时‎刻的偏差,所不同的是‎某些规范中‎将这种偏差‎中缓慢变化‎的成分称为‎时间游走(wande‎r),而将变化较‎快的成分定‎义为时间抖‎动(jitte‎r)。

图1 时间抖动示‎意图1.时间抖动的‎分类抖动有两种‎主要类型:确定性抖动‎和随机性抖‎动。

环形振荡器的工作原理

环形振荡器的工作原理

环形振荡器的工作原理一、概述环形振荡器是一种基于正反馈原理的电路,常用于产生稳定的频率信号。

本文将详细介绍环形振荡器的工作原理及其相关特性。

二、工作原理环形振荡器由放大器、正反馈网络以及滤波器组成。

其基本原理是通过正反馈将一部分输出信号再次输入到放大器的输入端,形成闭环反馈,使系统产生自激振荡。

1. 放大器放大器是环形振荡器的核心部件,通常采用放大器管或放大器电路。

其作用是将输入信号放大到足够的幅度,以供后续的正反馈网络使用。

2. 正反馈网络正反馈网络是环形振荡器的关键组成部分,其作用是将放大器的输出信号反馈到放大器的输入端。

正反馈使得放大器的输出信号增强,从而达到自激振荡的效果。

3. 滤波器滤波器用于选择所需的振荡频率,并滤除其他频率的干扰信号。

常见的滤波器包括LC滤波器和RC滤波器。

滤波器的选择要根据具体的应用需求来确定。

三、特性环形振荡器具有以下几个特性:1. 频率稳定性环形振荡器能够产生稳定的频率信号,其频率稳定性主要取决于正反馈网络和滤波器的设计。

合理选择元件参数和设计电路结构可以提高频率稳定性。

2. 输出幅度环形振荡器的输出幅度取决于放大器的增益和正反馈网络的增益。

增加放大器的增益或正反馈网络的增益可以增加输出幅度,但同时也会增加系统的非线性失真。

3. 相位噪声环形振荡器的相位噪声是衡量其性能的重要指标之一。

相位噪声越低,表示振荡器的频率稳定性越好。

减小放大器的噪声和优化正反馈网络的设计可以降低相位噪声。

4. 启动时间环形振荡器的启动时间是指从断电到开始产生稳定输出的时间。

启动时间一般较短,但具体取决于放大器的响应速度和正反馈网络的特性。

5. 功耗环形振荡器的功耗主要取决于放大器的工作状态和电源电压。

合理选择放大器的工作点和优化电源设计可以降低功耗。

四、应用领域环形振荡器在许多领域都有广泛的应用,包括通信、无线电、雷达、测量仪器等。

其稳定的频率输出和可调节的频率范围使其成为许多电子设备中不可或缺的组成部分。

时间抖动(jitter)的概念及其分析方法

时间抖动(jitter)的概念及其分析方法

时间抖动(jitter)的概念及其分析方法随着通信系统中的时钟速率迈入GHz级,抖动这个在模拟设计中十分关键的因素,也开始在数字设计领域中日益得到人们的重视。

在高速系统中,时钟或振荡器波形的时序误差会限制一个数字I/O接口的最大速率。

不仅如此,它还会导致通信链路的误码率增大,甚至限制A/D转换器的动态范围。

有资料表明在3G Hz以上的系统中,时间抖动(jitter)会导致码间干扰(ISI),造成传输误码率上升。

在此趋势下,高速数字设备的设计师们也开始更多地关注时序因素。

本文向数字设计师们介绍了抖动的基本概念,分析了它对系统性能的影响,并给出了能够将相位抖动降至最低的常用电路技术。

本文介绍了时间抖动(jitter)的概念及其分析方法。

在数字通信系统,特别是同步系统中,随着系统时钟频率的不断提高,时间抖动成为影响通信质量的关键因素。

关键字:时间抖动、jitter、相位噪声、测量时间抖动的概念在理想情况下,一个频率固定的完美的脉冲信号(以1MHz为例)的持续时间应该恰好是1us,每500n s有一个跳变沿。

但不幸的是,这种信号并不存在。

如图1所示,信号周期的长度总会有一定变化,从而导致下一个沿的到来时间不确定。

这种不确定就是抖动。

抖动是对信号时域变化的测量结果,它从本质上描述了信号周期距离其理想值偏离了多少。

在绝大多数文献和规范中,时间抖动(jitter)被定义为高速串行信号边沿到来时刻与理想时刻的偏差,所不同的是某些规范中将这种偏差中缓慢变化的成分称为时间游走(wander),而将变化较快的成分定义为时间抖动(jitter)。

图1 时间抖动示意图1.时间抖动的分类抖动有两种主要类型:确定性抖动和随机性抖动。

确定性抖动是由可识别的干扰信号造成的,这种抖动通常幅度有限,具备特定的(而非随机的)产生原因,而且不能进行统计分析。

随机抖动是指由较难预测的因素导致的时序变化。

例如,能够影响半导体晶体材料迁移率的温度因素,就可能造成载子流的随机变化。

环形振荡器的工作原理

环形振荡器的工作原理

环形振荡器的工作原理环形振荡器是一种常见的电子电路,它可以产生稳定的振荡信号。

它在很多电子设备中被广泛应用,比如无线电收发器、计算机时钟等。

本文将详细介绍环形振荡器的工作原理及其相关知识。

一、环形振荡器的基本原理环形振荡器是一种正反馈电路,其基本原理是通过放大器将一部分输出信号反馈到输入端,从而产生稳定的振荡信号。

环形振荡器的核心部件是一个放大器和一个反馈网络。

1. 放大器放大器是环形振荡器中的关键组件,它负责放大输入信号并提供足够的增益。

常见的放大器有晶体管放大器、运算放大器等。

在环形振荡器中,放大器需要具备高增益和低噪声的特性。

2. 反馈网络反馈网络将一部分输出信号反馈到输入端,形成正反馈回路。

这样,当输入信号经过放大器放大后再次进入反馈网络,就会不断被放大,最终形成稳定的振荡信号。

反馈网络通常由电阻、电容和电感等元件组成。

二、环形振荡器的工作原理环形振荡器的工作原理可以分为以下几个步骤:1. 初始状态初始时,环形振荡器中的放大器处于非线性工作区,没有输出信号。

此时,输入信号经过放大器后被反馈到输入端,但由于放大器的非线性特性,反馈信号无法形成稳定的振荡。

2. 振荡启动当环形振荡器中的噪声或干扰引起微小的输出信号时,这个微小的信号经过放大器放大后再次进入反馈网络。

由于放大器的非线性特性,这个信号会被进一步放大,形成一个更大的信号。

随着反馈信号的不断放大,最终达到放大器的饱和点,此时振荡器开始工作。

3. 振荡稳定一旦振荡器启动,反馈信号会不断被放大并维持在一个稳定的水平。

由于反馈信号与输入信号同频且相位一致,振荡器会产生一个稳定的振荡信号。

这个振荡信号的频率由反馈网络的元件值决定。

4. 输出信号振荡器的输出信号可以通过放大器的输出端获取。

这个输出信号具有稳定的频率和幅度,可以用于驱动其他电路或设备。

三、环形振荡器的应用环形振荡器在电子领域有着广泛的应用,以下列举几个常见的应用场景:1. 无线电收发器无线电收发器中需要产生稳定的射频信号,环形振荡器可以作为射频信号源。

环形振荡器的工作原理

环形振荡器的工作原理

环形振荡器的工作原理环形振荡器是一种电子设备,用于产生稳定的振荡信号。

它是许多电子设备中的重要组成部份,如无线电收发器、时钟电路、计算机等。

本文将详细介绍环形振荡器的工作原理。

一、概述环形振荡器是一种反馈系统,由一个放大器和一个反馈网络组成。

放大器负责提供放大的信号,而反馈网络则将一部份输出信号重新引入放大器的输入端,形成闭环反馈。

通过适当的放大倍数和反馈网络设计,环形振荡器可以产生稳定的振荡信号。

二、基本原理环形振荡器的工作原理基于正反馈。

当输入信号经过放大器放大后,一部份信号被反馈网络引入放大器的输入端,形成正反馈。

正反馈会使放大器的输出信号不断增大,直到达到稳定的振荡状态。

三、环形振荡器的组成1. 放大器:环形振荡器中常使用的放大器是运放(操作放大器)。

运放有两个输入端和一个输出端,可以提供高增益和稳定的放大功能。

2. 反馈网络:反馈网络由电容器和电阻器组成。

电容器和电阻器的数值决定了振荡器的频率。

四、工作过程1. 初始状态:环形振荡器的初始状态是没有任何信号输入的状态。

此时,放大器的输出为零。

2. 开始振荡:在初始状态下,弱小的噪声信号进入放大器。

放大器将噪声信号放大,并通过反馈网络引入放大器的输入端。

经过反馈后,放大器的输出信号增大,形成正反馈。

正反馈会使放大器的输出信号继续增大,最终达到稳定的振荡状态。

3. 维持振荡:一旦环形振荡器进入稳定的振荡状态,它会持续地产生振荡信号,直到外部干扰或者关闭电源。

五、频率控制环形振荡器的频率可以通过调整反馈网络的电容器和电阻器的数值来控制。

增大电容器的数值会减小振荡器的频率,而增大电阻器的数值会增加振荡器的频率。

六、优点和应用环形振荡器具有以下优点:1. 稳定性:环形振荡器可以产生非常稳定的振荡信号,适合于需要高精度时钟信号的应用。

2. 简单性:环形振荡器的结构相对简单,易于设计和实现。

3. 可调性:通过调整反馈网络的元件数值,可以灵便地调整振荡器的频率。

时间抖动(jitter)的概念及其分析方法

时间抖动(jitter)的概念及其分析方法

时间抖动(jitter)的概念及其分析方法随着通信系统中的时钟速率迈入GHz级,抖动这个在模拟设计中十分关键的因素,也开始在数字设计领域中日益得到人们的重视。

在高速系统中,时钟或振荡器波形的时序误差会限制一个数字I/O接口的最大速率。

不仅如此,它还会导致通信链路的误码率增大,甚至限制A/D转换器的动态范围。

有资料表明在3G Hz以上的系统中,时间抖动(jitter)会导致码间干扰(ISI),造成传输误码率上升。

在此趋势下,高速数字设备的设计师们也开始更多地关注时序因素。

本文向数字设计师们介绍了抖动的基本概念,分析了它对系统性能的影响,并给出了能够将相位抖动降至最低的常用电路技术。

本文介绍了时间抖动(jitter)的概念及其分析方法。

在数字通信系统,特别是同步系统中,随着系统时钟频率的不断提高,时间抖动成为影响通信质量的关键因素。

关键字:时间抖动、jitter、相位噪声、测量时间抖动的概念在理想情况下,一个频率固定的完美的脉冲信号(以1MHz为例)的持续时间应该恰好是1us,每500n s有一个跳变沿。

但不幸的是,这种信号并不存在。

如图1所示,信号周期的长度总会有一定变化,从而导致下一个沿的到来时间不确定。

这种不确定就是抖动。

抖动是对信号时域变化的测量结果,它从本质上描述了信号周期距离其理想值偏离了多少。

在绝大多数文献和规范中,时间抖动(jitter)被定义为高速串行信号边沿到来时刻与理想时刻的偏差,所不同的是某些规范中将这种偏差中缓慢变化的成分称为时间游走(wander),而将变化较快的成分定义为时间抖动(jitter)。

图1 时间抖动示意图1.时间抖动的分类抖动有两种主要类型:确定性抖动和随机性抖动。

确定性抖动是由可识别的干扰信号造成的,这种抖动通常幅度有限,具备特定的(而非随机的)产生原因,而且不能进行统计分析。

随机抖动是指由较难预测的因素导致的时序变化。

例如,能够影响半导体晶体材料迁移率的温度因素,就可能造成载子流的随机变化。

环形振荡器的设计报告

环形振荡器的设计报告

环形振荡器的设计报告1. 引言环形振荡器是一种基于正反馈原理的电路,可以产生连续振荡输出信号。

在许多电子系统中,环形振荡器被广泛应用于频率合成、时钟信号生成以及通信等领域。

本报告旨在介绍环形振荡器的设计原理、电路结构以及性能参数的选择和优化。

2. 设计原理环形振荡器的主要设计原理是正反馈。

正反馈将一部分输出信号重新引入输入端,通过放大和滤波等操作,使得输入信号不断被放大和延迟,从而产生振荡输出信号。

环形振荡器的关键是设计一个恰当的正反馈路径,以确保稳定的振荡输出。

3. 电路结构环形振荡器的核心是由放大器和滤波器组成的正反馈回路。

在设计中,可以选择不同类型的放大器和滤波器,以实现所需的振荡频率和幅值。

常见的环形振荡器电路结构有MOS环形振荡器和LC环形振荡器两种。

MOS环形振荡器基于MOS管的工作原理,适用于较低频率的振荡。

LC环形振荡器则利用电感和电容组成的LC振荡回路,适用于较高频率的振荡。

在设计电路结构时,需要确定放大器类型、滤波器类型、增益和带宽等参数。

选择合适的参数可以实现稳定的振荡输出。

4. 参数选择与优化在设计环形振荡器时,需要选择和优化一些关键参数,以确保电路的性能。

以下是一些常见的参数:- 频率:选择合适的放大器和滤波器元件,并调整它们的数值,以实现所需的振荡频率。

- 增益:增益影响环形振荡器的输出幅值,需要根据实际需求确定增益大小。

- 相位噪声:相位噪声是指振荡器输出信号的相位偏差,可以通过增加滤波器元件来减少相位噪声。

- 抑制功率噪声:通过合适的反馈电路和滤波器元件,可以降低振荡器输出的功率噪声水平。

参数选择和优化是一个复杂的过程,需要结合实际要求和电路特性进行综合考虑。

5. 实验结果与讨论为了验证设计的环形振荡器电路的性能,我们进行了实验并得到了以下结果。

通过实验,我们成功实现了一个工作在100MHz频率的环形振荡器。

测量结果显示,振荡器的输出幅值为2V,相位噪声为-90dBc/Hz。

环形振荡器的工作原理

环形振荡器的工作原理

环形振荡器的工作原理1. 简介环形振荡器是一种常见的电子电路,用于产生特定频率的振荡信号。

它由几个关键组件组成,包括放大器、反馈网络和频率调节器。

本文将详细介绍环形振荡器的工作原理及其关键组件的功能。

2. 工作原理环形振荡器的工作原理基于正反馈回路。

当输入信号经过放大器放大后,通过反馈网络返回到放大器的输入端,形成一个闭环。

反馈信号经过放大器再次放大,不断循环,最终产生稳定的振荡信号。

3. 关键组件及其功能3.1 放大器放大器是环形振荡器的核心组件之一。

它负责将输入信号放大到足够的幅度,以满足振荡器的工作要求。

常见的放大器类型包括晶体管放大器和运放放大器等。

3.2 反馈网络反馈网络是环形振荡器的另一个重要组成部份。

它将放大器的输出信号反馈到放大器的输入端,形成正反馈回路。

反馈网络通常由电容器和电阻器组成,用于控制振荡器的频率和稳定性。

3.3 频率调节器频率调节器是用于调节环形振荡器输出信号的频率的组件。

它通常由电容器和电感器组成,通过改变电容器或者电感器的数值,可以调节振荡器的输出频率。

4. 工作过程当环形振荡器开始工作时,放大器将输入信号放大到足够的幅度。

反馈网络将放大器的输出信号反馈到放大器的输入端,形成正反馈回路。

由于正反馈的存在,振荡器会产生自激振荡,输出信号的幅度和频率逐渐增大。

在振荡器达到稳定状态后,输出信号的幅度和频率保持不变。

频率调节器可以通过调节电容器或者电感器的数值来改变输出信号的频率。

通过合理设计反馈网络和选择合适的放大器,可以实现稳定的振荡信号输出。

5. 应用领域环形振荡器在电子电路中有广泛的应用。

它常用于时钟电路、射频发射器、音频发生器等领域。

在时钟电路中,环形振荡器被用来产生稳定的时钟信号,用于同步各个电子元件的工作。

在射频发射器中,环形振荡器被用来产生射频信号,用于无线通信。

在音频发生器中,环形振荡器被用来产生音频信号,用于音乐合成和声音效果的生成。

6. 总结环形振荡器是一种常见的电子电路,用于产生特定频率的振荡信号。

环形振荡器的工作原理

环形振荡器的工作原理

环形振荡器的工作原理一、简介环形振荡器是一种常用的电子电路,用于产生稳定的振荡信号。

它由一个放大器和一个反馈网络组成,通过正反馈来实现自激振荡。

本文将详细介绍环形振荡器的工作原理。

二、工作原理环形振荡器的工作原理可以分为以下几个步骤:1. 反馈路径建立环形振荡器的反馈网络是由一个或者多个滤波器组成的。

滤波器的作用是选择振荡频率并提供相位延迟。

在振荡器开始工作之前,反馈路径需要建立起来。

2. 放大器增益调整环形振荡器中的放大器负责提供足够的增益,以弥补反馈网络中的损耗,并确保振荡器的稳定性。

放大器的增益需要调整到一个合适的范围,以保证振荡器的正常工作。

3. 正反馈引起的振荡一旦反馈路径建立并且放大器增益调整合适,正反馈就会引起振荡。

当振荡器开始工作时,放大器输出的信号经过反馈网络后又回到放大器的输入端,形成一个闭环。

正反馈导致信号不断放大,最终形成稳定的振荡信号。

4. 输出信号提取环形振荡器的输出信号可以通过不同的方式提取,例如使用耦合电容或者变压器。

提取的输出信号可以用于驱动其他电路或者应用。

三、环形振荡器的特性环形振荡器具有以下几个特性:1. 频率稳定性环形振荡器能够产生稳定的振荡信号,其频率受到反馈网络和放大器的影响。

通过合理设计反馈网络和选择合适的放大器,可以实现高频率稳定性。

2. 输出幅度环形振荡器的输出幅度取决于放大器的增益和反馈网络的损耗。

通过调整放大器的增益和反馈网络的参数,可以控制输出信号的幅度。

3. 相位噪声环形振荡器的相位噪声是指输出信号相位的不稳定性。

相位噪声可以通过优化放大器和反馈网络的设计来降低。

4. 启动时间环形振荡器的启动时间是指从开启电源到产生稳定的振荡信号所需的时间。

启动时间可以通过合理设计反馈网络和放大器来缩短。

四、应用领域环形振荡器广泛应用于各种电子设备和系统中,包括无线通信、射频电路、时钟电路等。

它可以提供稳定的振荡信号,用于驱动其他电路或者实现特定的功能。

环形振荡器的工作原理

环形振荡器的工作原理

环形振荡器的工作原理一、引言环形振荡器是一种常用的电子电路元件,广泛应用于通信、无线电、雷达、计算机等领域。

它具有稳定的频率输出和较低的相位噪声,因此被广泛用于信号发生器、频率合成器、时钟电路等应用中。

本文将详细介绍环形振荡器的工作原理。

二、环形振荡器的基本结构环形振荡器由放大器、正反馈网络和滤波器组成。

放大器负责提供足够的放大增益,正反馈网络将一部分输出信号反馈到输入端,滤波器则用于滤除非期望的频率成分。

三、环形振荡器的工作原理环形振荡器的工作原理可以分为以下几个步骤:1. 初始激励环形振荡器的工作需要一个初始激励信号。

在启动时,可以通过外部输入一个初始信号或者通过内部电路产生一个初始信号。

2. 放大器增益初始激励信号经过放大器放大,放大器负责提供足够的放大增益,使得信号能够维持振荡。

3. 正反馈放大后的信号经过正反馈网络,一部分信号被反馈到放大器的输入端。

正反馈使得输入信号得到放大,从而增加了输出信号的幅度。

4. 滤波器经过正反馈后的信号进一步经过滤波器,滤波器用于滤除非期望的频率成分,只保留所需的频率成分。

5. 输出信号经过滤波器后,输出信号被提取出来,作为环形振荡器的输出信号。

输出信号具有稳定的频率和相位。

四、环形振荡器的稳定性环形振荡器的稳定性是其工作的重要性能指标之一。

稳定性主要由放大器的增益和相位特性、正反馈网络的传递函数以及滤波器的频率特性决定。

1. 放大器增益和相位特性放大器的增益和相位特性对环形振荡器的稳定性有着重要影响。

放大器的增益应足够高,以保证信号能够持续振荡。

同时,相位特性应满足振荡条件,即相位延迟为360度或其整数倍。

2. 正反馈网络的传递函数正反馈网络的传递函数也对环形振荡器的稳定性有着重要影响。

传递函数应满足振荡条件,即增益大于1,相位延迟为360度或其整数倍。

3. 滤波器的频率特性滤波器的频率特性对环形振荡器的稳定性和输出波形的纯净度有着重要影响。

滤波器应具有较高的滤波效果,滤除非期望的频率成分,以保证输出信号的稳定性和质量。

环形振荡器的工作原理

环形振荡器的工作原理

环形振荡器的工作原理一、引言环形振荡器是一种电子电路,常用于产生稳定的信号波形。

它在通信系统、射频电路和音频设备中广泛应用。

本文将详细介绍环形振荡器的工作原理及其基本组成部份。

二、工作原理环形振荡器是一种正反馈电路,其工作原理基于振荡条件的满足。

当振荡器的输出信号经过放大后再次输入到振荡器的输入端时,信号会不断增强,从而形成稳定的振荡波形。

环形振荡器的工作原理可以分为以下几个步骤:1. 振荡器的激励信号:环形振荡器的激励信号通常由外部信号源提供。

该信号经过放大后作为振荡器的输入信号。

2. 正反馈环路:环形振荡器中的正反馈环路是实现振荡的关键。

它由放大器、相移网络和反馈网络组成。

放大器负责放大输入信号,相移网络用于调整相位,反馈网络将放大后的信号再次输入到放大器的输入端。

3. 振荡条件的满足:为了使环形振荡器正常工作,需要满足振荡条件。

振荡条件包括放大器的增益大于1,相移网络的相位延迟为360度(或者2π弧度),反馈网络的传输函数为1。

惟独当这些条件满足时,振荡器才干产生稳定的振荡波形。

4. 输出信号的提取:环形振荡器的输出信号可以通过不同的方式进行提取。

常见的方法包括从反馈网络中取出信号,或者通过耦合电容将信号传递到外部电路。

三、基本组成部份环形振荡器通常由以下几个基本组成部份构成:1. 放大器:放大器是环形振荡器的核心组件,负责放大输入信号。

常见的放大器包括晶体管放大器、集成电路放大器等。

2. 相移网络:相移网络用于调整振荡器的相位。

它可以由电容、电感和电阻等元件组成,通过调整元件的数值和连接方式,可以实现不同的相位延迟。

3. 反馈网络:反馈网络将放大后的信号再次输入到放大器的输入端,实现正反馈。

反馈网络通常由电容和电阻等元件组成,通过调整元件的数值和连接方式,可以实现所需的振荡频率和振幅。

4. 电源:环形振荡器需要稳定的电源供电。

电源应提供适当的电压和电流,以确保振荡器的正常工作。

四、应用领域环形振荡器在各个领域都有广泛的应用,以下列举几个常见的应用领域:1. 通信系统:环形振荡器常用于通信系统中的频率合成器、时钟电路等。

环形振荡器的工作原理

环形振荡器的工作原理

环形振荡器的工作原理一、引言环形振荡器是一种广泛应用于电子电路中的重要器件,它能够产生稳定的交流信号。

本文将详细介绍环形振荡器的工作原理,包括环形振荡器的基本结构、工作原理以及相关特性。

二、环形振荡器的基本结构环形振荡器由三个主要组成部分构成:反馈网络、放大器和频率稳定器。

反馈网络将一部分输出信号馈回到输入端,形成正反馈回路,从而产生振荡。

放大器负责放大信号,确保振荡信号的幅度足够大。

频率稳定器则用于调节振荡器的频率,使其保持稳定。

三、环形振荡器的工作原理环形振荡器的工作原理可以分为以下几个步骤:1. 初始状态:振荡器的输出为零,没有任何信号输出。

2. 激励信号:通过放大器输入一个激励信号。

该信号经过放大后,进入反馈网络。

3. 正反馈:反馈网络将一部分输出信号馈回到输入端。

这个反馈信号会与激励信号相加,形成正反馈回路。

4. 振荡开始:由于正反馈的存在,系统开始产生振荡。

振荡信号经过放大器放大后,再次进入反馈网络,不断循环,使振荡器保持振荡。

5. 频率稳定:频率稳定器通过控制反馈网络的参数,调节振荡器的频率。

这样,即使受到外界干扰或温度变化等因素的影响,振荡器的频率仍能保持稳定。

四、环形振荡器的特性环形振荡器具有以下几个特性:1. 频率稳定性:环形振荡器能够在一定范围内保持稳定的频率输出,这使得它在通信系统、计算机等领域得到广泛应用。

2. 高频率:环形振荡器可以达到很高的工作频率,适用于高频电路的设计。

3. 高精度:由于环形振荡器具有较高的频率稳定性,因此可以提供高精度的时钟信号,满足各种应用的要求。

4. 低相位噪声:环形振荡器的相位噪声通常较低,这对于需要高精度时钟信号的应用非常重要。

五、总结环形振荡器是一种重要的电子器件,它能够产生稳定的交流信号。

本文详细介绍了环形振荡器的工作原理,包括基本结构、工作原理以及相关特性。

通过了解环形振荡器的工作原理,我们可以更好地理解其在电子电路中的应用,并能够进行相关的设计和调试工作。

环形振荡器的工作原理

环形振荡器的工作原理

环形振荡器的工作原理标题:环形振荡器的工作原理引言概述:环形振荡器是一种常见的电子设备,广泛应用于通信、雷达、无线电等领域。

它能够产生稳定的振荡信号,并在电路中起到重要的作用。

本文将详细介绍环形振荡器的工作原理,包括振荡条件、环路增益、相位漂移、稳定性等方面。

正文内容:1. 振荡条件1.1 振荡条件的基本概念环形振荡器的振荡条件是指在特定的电路参数下,电路能够产生连续的振荡信号。

其中,振荡条件包括放大器增益、相位漂移和反馈回路等因素。

1.2 放大器增益的要求环形振荡器需要满足放大器增益大于等于1的要求,以保证信号能够得到放大并维持振荡。

1.3 相位漂移的控制相位漂移是指信号在环形振荡器中传播过程中产生的相位变化。

为了实现稳定的振荡,需要通过控制相位漂移,使得信号在环路中得到补偿。

1.4 反馈回路的作用反馈回路是环形振荡器的关键组成部分,它将一部分输出信号反馈给输入端,使得电路能够自激振荡。

2. 环路增益2.1 环路增益的定义环路增益是指环形振荡器中信号在环路中传播时的增益大小。

它是决定振荡器输出信号强度的重要因素。

2.2 环路增益的计算方法环路增益可以通过计算环路中各个放大器的增益并相乘得到。

在实际设计中,需要注意环路增益的大小和稳定性。

3. 相位漂移3.1 相位漂移的原因相位漂移是环形振荡器中常见的问题,它会导致振荡信号的频率和相位发生变化。

相位漂移的主要原因包括电路元件的非线性特性、温度变化等。

3.2 相位漂移的补偿方法为了减小相位漂移对振荡信号的影响,可以采用补偿电路、温度补偿等方法来控制相位漂移。

4. 稳定性4.1 稳定性的定义稳定性是指环形振荡器在不同工作条件下,输出信号的频率和相位保持稳定的能力。

稳定性是评价环形振荡器性能的重要指标。

4.2 稳定性的影响因素环形振荡器的稳定性受到电路元件的温度变化、电源噪声、非线性失真等因素的影响。

4.3 稳定性的改善方法为了提高环形振荡器的稳定性,可以采用温度补偿电路、滤波器等方法来减小外界因素对振荡器的影响。

环形振荡器的原理

环形振荡器的原理

环形振荡器的原理
环形振荡器是一种电路,用于产生高频信号。

其主要原理基于正反馈和谐振。

环形振荡器由一个放大器和一组滤波器组成。

放大器将其输出信号通过滤波器反馈到输入端,形成一个反馈电路。

这个反馈电路使得信号在放大器和滤波器之间持续循环。

在循环中,信号经过放大器被放大,然后通过滤波器进行滤波,接着再次回到放大器。

当放大器和滤波器满足特定条件时,环形振荡器开始产生自持振荡。

这个条件包括放大器具有高增益和相位移为360度的特性,以及滤波器具有正反馈特性。

在环形振荡器中,放大器提供了必要的增益,而滤波器则提供了准确的频率选择。

当信号通过滤波器进行滤波而被放大后,输出信号会再次通过滤波器,但此时由于相位移的影响,输出信号与输入信号相位不同。

反馈信号与输入信号相位不同导致了正反馈,使得输入信号在经过多次反馈后开始增强。

因为放大器增益和滤波器的正反馈特性,环形振荡器可以产生稳定的高频信号。

通过调整放大器和滤波器的参数,可以实现不同的频率输出。

总结来说,环形振荡器的原理基于正反馈和谐振,通过放大器和滤波器之间的循环反馈,产生稳定的高频信号。

环形振荡器的工作原理

环形振荡器的工作原理

环形振荡器的工作原理
环形振荡器是一种电子器件,它能够产生稳定的振荡信号。

它通常由放大器、
反馈电路和频率控制电路组成。

1. 放大器:环形振荡器中的放大器负责放大信号。

放大器通常由一个放大器管
或者晶体管构成,它能够将输入信号放大到足够的幅度以维持振荡的持续性。

2. 反馈电路:环形振荡器的反馈电路将一部份输出信号重新引入放大器的输入端,从而形成一个正反馈回路。

这种正反馈会使振荡器产生自激振荡,即不需要外部信号的激励就能够产生振荡信号。

3. 频率控制电路:环形振荡器的频率控制电路用于调节振荡器的输出频率。


通常由电容、电感和电阻等元件构成,通过改变这些元件的值来调节振荡器的频率。

环形振荡器的工作原理可以通过以下步骤来说明:
1. 初始状态:环形振荡器的放大器处于工作状态,开始放大输入信号。

2. 反馈:放大器的输出信号经过反馈电路返回到放大器的输入端。

反馈电路会
将一部份输出信号引入放大器的输入端,形成正反馈回路。

3. 自激振荡:正反馈回路会使放大器的输出信号不断增大,达到足够的幅度后,放大器会开始自激振荡。

这时,振荡器开始产生稳定的振荡信号。

4. 频率控制:通过调节频率控制电路中的元件值,可以改变振荡器的输出频率。

例如,增大电容值可以降低输出频率,减小电感值可以提高输出频率。

总结起来,环形振荡器的工作原理是通过放大器、反馈电路和频率控制电路相
互配合,实现自激振荡并产生稳定的振荡信号。

这种振荡器在电子领域中有着广泛的应用,例如在无线通信、射频电路和时钟电路等方面。

环形振荡器的工作原理

环形振荡器的工作原理

环形振荡器的工作原理一、引言环形振荡器是一种常见的电子设备,广泛应用于通信、无线电、雷达等领域。

它能够产生稳定的高频信号,用于驱动其他电路或者设备。

本文将详细介绍环形振荡器的工作原理及其相关知识。

二、环形振荡器的基本结构环形振荡器由放大器、反馈网络和滤波器组成。

其中,放大器负责提供放大的信号,反馈网络将一部份输出信号反馈到放大器的输入端,滤波器则用于滤除不需要的频率成份,使输出信号保持在所需的频率范围内。

三、环形振荡器的工作原理1. 反馈机制环形振荡器的关键在于反馈机制。

当输入信号经过放大器放大后,一部份信号通过反馈网络返回到放大器的输入端。

这种反馈导致信号在环形振荡器内部循环传播,形成振荡。

2. 正反馈环形振荡器的反馈方式通常采用正反馈。

正反馈是指反馈信号与输入信号相位一致,使得输入信号被放大后再次返回,增强了信号的振荡效果。

3. 滤波器为了保持输出信号的稳定性和纯净性,环形振荡器中通常会添加滤波器。

滤波器的作用是滤除不需要的频率成份,使输出信号保持在所需的频率范围内。

4. 振荡条件环形振荡器的振荡条件是指满足振荡稳定的必要条件。

其中,振荡条件包括放大器增益大于1、相位差为360度以及反馈系数满足一定的范围等。

5. 振荡频率环形振荡器的振荡频率取决于放大器的特性以及反馈网络的参数。

通过调节这些参数,可以实现不同频率的振荡。

四、环形振荡器的应用环形振荡器在通信、无线电、雷达等领域有着广泛的应用。

它可以用于产生稳定的高频信号,驱动其他电路或者设备。

具体应用包括:无线电发射器、射频信号发生器、局部振荡器等。

五、环形振荡器的优缺点1. 优点环形振荡器具有以下优点:- 稳定性高:环形振荡器能够产生稳定的高频信号,具有较低的频率漂移和相位噪声。

- 频率可调:通过调节放大器和反馈网络的参数,可以实现不同频率的振荡。

- 结构简单:环形振荡器的结构相对简单,易于设计和创造。

2. 缺点环形振荡器也存在一些缺点:- 成本较高:由于环形振荡器需要较高的精度和稳定性,所以其成本较高。

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Jitter and Phase Noise in Ring Oscillators Ali Hajimiri,Sotirios Limotyrakis,and Thomas H.Lee,Member,IEEEAbstract—A companion analysis of clock jitter and phase noise of single-ended and differential ring oscillators is presented.The impulse sensitivity functions are used to derive expressions for the jitter and phase noise of ring oscillators.The effect of the number of stages,power dissipation,frequency of oscillation,and short-channel effects on the jitter and phase noise of ring oscillators is analyzed.Jitter and phase noise due to substrate and supply noise is discussed,and the effect of symmetry on the upconversion of 1/f noise is demonstrated.Several new design insights are given for low jitter/phase-noise design.Good agreement between theory and measurements is observed.Index Terms—Design methodology,jitter,noise measurement, oscillator noise,oscillator stability,phase jitter,phase-locked loops,phase noise,ring oscillators,voltage-controlled oscillators.I.I NTRODUCTIOND UE to their integrated nature,ring oscillators have be-come an essential building block in many digital and communication systems.They are used as voltage-controlled oscillators(VCO’s)in applications such as clock recovery circuits for serial data communications[1]–[4],disk-drive read channels[5],[6],on-chip clock distribution[7]–[10],and integrated frequency synthesizers[10],[11].Although they have not found many applications in radio frequency(RF), they can be used for some low-tier RF systems. Recently,there has been some work on modeling jitter and phase noise in ring oscillators.References[12]and[13] develop models for the clock jitter based on time-domain treatments for MOS and bipolar differential ring oscillators, respectively.Reference[14]proposes a frequency-domain approach tofind the phase noise based on an linear time-invariant model for differential ring oscillators with a small number of stages.In this paper,we develop a parallel treatment of frequency-domain phase noise[15]and time-domain clock jitter for ring oscillators.We apply the phase-noise model presented in[16] to obtain general expressions for jitter and phase noise of the ring oscillators.The next section briefly reviews the phase-noise model presented in[16].In Section III,we apply the model to timing jitter and develop an expression for the timing jitter of oscilla-tors,while Section IV provides the derivation of a closed-form expression to calculate the rms value of the impulse sensitivity function(ISF).Section V introduces expressions for jitter and phase noise in single-ended and differential ring oscillators Manuscript received April8,1998;revised November2,1998.A.Hajimiri is with the California Institute of Technology,Pasadena,CA 91125USA.S.Limotyrakis and T.H.Lee are with the Center for Integrated Systems, Stanford University,Stanford,CA94305USA.Publisher Item Identifier S0018-9200(99)04200-6.in long-and short-channel regimes of operation.Section VI describes the effect of substrate and supply noise as well as the noise due to the tail-current source in differential struc-tures.Section VII explains the design insights obtained from this treatment for low jitter/phase-noise design.Section VIII summarizes the measurement results.II.P HASE N OISEThe output of a practical oscillator can be writtenasis periodic in2modelfluctuations in amplitude and phase due to internal and external noise sources.The amplitudefluctuations are significantly attenuated by the amplitude limiting mechanism, which is present in any practical stable oscillator and is particularly strong in ring oscillators.Therefore,we will focus on phase variations,which are not quenched by such a restoring mechanism.As an example,consider the single-ended ring oscillator with a single current source on one of the nodes shown in Fig.1.Suppose that the current source consists of an impulse of current withareais proportional to the injectedcharge(3)where is the voltage swing across the capacitorandthus represents the sensitivity of every point of the waveform to aperturbation,Fig.1.Five-stage inverter-chain ring oscillator.Being interested in its phase(4)where is a unit step.Knowing the response to an impulse,we can calculatewhere represents the noise current injected into the node of interest.Note that the integration arises from the closed-loop nature of the oscillator.The single-sideband phase-noise spectrum due to a white-noise current source is given by[16]1(6)where is the single-sideband power spectral density of the noise current source,and is the frequency offset from the carrier.In the caseof multiple noise sources injecting into the samenode,noise sourcesistimes for a differential ringoscillator).From(5),it follows that the upconversion of low-frequencynoise,such as1(7)where is the dc value of the ISF.Since the height of thepositive and negative lobes of the ISF is determined by theslope of the rising and falling edges of the output waveform,respectively,symmetry of the rising and falling edges canreduce and hence the upconversion of1whereis the variance of the uncertainty introduced by one stageduring one transition.Notingthatis a proportionality constant determined by circuitparameters.Another instructive special case that is not usually consid-ered is when the noise sources are totally correlated with oneanother.Substrate and supply noise are examples of such noisesources.Low-frequency noise sources,such as1is another proportionality constant.Noise sourcessuch as thermal noise of devices are usually modeled asuncorrelated,while substrate and supply-noise sources,aswell as low-frequency noise,are approximated as partiallyor fully correlated sources.In practice,both correlated anduncorrelated sources exist in a circuit,and hence a log–logplot of the timingjitterIn most digital applications,it is desirable foror wherecalculated to bebecomeslarger,since each transition occupies a smaller fraction of theperiod.Based on these observations,we approximate the ISFas triangular in shape and with symmetric rising and fallingedges,as shown in Fig.6.The case of nonsymmetric risingand falling edges is considered in Appendix B.The ISF has a maximum of1where is themaximum slope of the normalized waveform,and hence theslopes of the sides of the triangles areFig.8.RMS values of the ISF’s for various single-ended ring oscillators versus number of stages.On the other hand,stage delay is proportional to the risetime(14)whereis a proportion-ality constant,which is typically close to one,as can be seen in Fig.7.The period is2(16)Note that the1dependenceofbecause the effect of variations in other parameters,suchas,and thus the ISF is a unitless,frequency-andamplitude-independent function.Equation (16)is valid for differential ring oscillators as well,since in its derivation no assumption specific to single-ended oscillators was made.Fig.9showsthechanges.Members of thesecond set of oscillators have a fixed total power dissipation and fixed load resistors,which result in variable swings and for whom data are shown with circles.The third case is that of a fixed tail current for each stage and constant load resistors,whose data are illustrated using crosses.Again,in spite of the diverse variations of the frequency and othercircuit parameters,the1dependencyof This is shown with the solid line in Fig.9.A similar resultcan be obtained for bipolar differential ring oscillators.AlthoughFig.9.RMS values of the ISF’s for various differential ring oscillators versus number of stages.V.E XPRESSIONS FOR J ITTER AND P HASE N OISE IN R ING O SCILLATORSIn this section,we derive expressions for the phase noise and jitter of different types of ring oscillators.Throughout this section,we assume that the symmetry criteria required tominimize(and hence the upconversion of1(17)whereis the zero-bias drain sourceconductance,is the gate-oxide capacitance per unitarea,is 2/3for long-channel devices in the saturationregion and typically two to three times greater for short-channel devices [18].Equation (17)is valid in both short-and long-channel regimes as long as an appropriate valueforis givenby(18)where-stage single-ended ringoscillator,the power dissipation associated with this processis(22)whereis the delay of each stage and and are the rise and fall time,respectively,associated with the maximum slope during a transition.Assuming that the thermal noise sources of the different devices are uncorrelated,and assuming that the waveforms (and hence the ISF)of all the nodes are the same except for a phase shift,the total phase noise due toall(23)is the characteristic voltage of the device.Forlong-channel mode of operation,it is definedas(25)increases,leading to no net dependence of phase noiseon,since there is not a strongdependence on the number of stages for single-ended CMOSring oscillators.Note that(25)and(26)establish the lowerbound and therefore should not be used to calculate the phasenoise and jitter of an arbitrary oscillator,for which(6)and(12)should be used,respectively.We may carry out a similar calculation for the short-channelcase.For such devices,the drain current may be expressedasis the number ofstages,is the tail bias currentof the differential pair,and(32)Surprisingly,tail-current source noise in the vicinityofnoise sources is2degrading as the number of stages increases for a given fre-quency and power dissipation.This result may be understoodas a consequence of the necessary reduction in the chargeswing that is required to accommodate a constant frequencyof oscillation at afixed power level asi.e.,th Fourier coefficient of the ISF.Equation(38)means that for identical sources,only noise in the vicinity ofinteger multiples of affects the phase.To verify this effect,sinusoidal currents with an amplitudeof1020dB/dec slope.The effect of injection in the vicinityof harmonics that are not integer multiples of;however,as can be seenin Fig.11,there is some sideband power due to the amplituderesponse.Low-frequency noise can also result in correlation betweenuncertainties introduced during different cycles,as its valuedoes not change significantly over a small number of periods.Therefore,the uncertainties add up in amplitude rather than power,resulting in a region with a slope of one in the log–log plot of jitter even in the absence of external noise sources such as substrate and supply noise.VII.D ESIGN I MPLICATIONSOne can use (23)and (34)to compare the phase-noise performance of single-ended and differential MOS ring os-cillators.As can be seenforfor a regular ring oscillator is three,even a properly designed differential CMOS ring oscillator underperforms its single-ended counterpart,especially for a larger number of stages.This difference is even more pronounced if proper precautions to reduce the noise of the tail current are not taken.However,the differential ring oscillator may still be preferred in IC’s because of the lower sensitivity to substrate and supply noise,as well as lower noise injection into other circuits on the same chip.The decision to use differential versus single-ended ring oscillators should be based on both of these considerations.The common-mode sensitivity problem in a single-ended ring oscillator can be mitigated to some extent by using two identical ring oscillators laid out close to each other that oscillate out of phase because of small coupling inverters [19].Single-ended configurations may be used in a less noisy environment to achieve better phase-noise performance for a given power dissipation.As shown in Appendix B,asymmetry of the rising and falling edges degrades phase noise and jitter by increasingthe1corner frequency.Thus,every effort should be taken to make the rising and falling edges symmetric.By properly adjusting the symmetry properties,one can suppress or even eliminate low-frequency-noise upconversion [16].As shown in [16],differential symmetry is insufficient,and the symmetry of each half circuit is important.One practical method to achieve this symmetry is to use more linear loads,such as resistors or linearized MOS devices.This method reduces the1increases.Hence for aprocess with large1will reduce the jitter.In general,the choice of the number of stages must be made on the basis of several design criteria,such as1Second,in a ringoscillator,the device noise is maximum during the transitions,which is the time where the sensitivity,and hence the ISF,is the largest [16].VIII.E XPERIMENTAL R ESULTSThe phase-noise measurements in this section were per-formed using three different systems:an HP 8563E spectrum analyzer with phase-noise measurement capability,an RDL NTS-1000A phase-noise measurement system,and an HP E5500phase-noise measurement system.The jitter measure-ments were performed using a Tektronix CSA 803A commu-nication signal analyzer.Tables I–III summarize the phase-noise measurements.All the reported phase-noise values are at a 1-MHz offset from the carrier,chosen to achieve the largest dynamic range in the measurement.Table I shows the measurement results for three different inverter-chain ring oscillators.These oscillators are made of the CMOS inverters shown in Fig.12(a),with no frequency tuning mechanism.The output is taken from one node of the ring through a few stages of tapered inverters.Oscillators number 1and 2are fabricated in a2-mTABLE II NVERTER -C HAIN R ING OSCILLATORSTABLE IIC URRENT -S TARVED I NVERTER -C HAIN R ING OSCILLATORSAs an illustrative example,we will show the details of phase-noise calculations for oscillator number ing (16)tocalculatethe phase noise can be obtained from (6).We calculate the noise power when the stage is halfway through a transition.At this point,the drain current is simulated to be3.47mA.An10of 2.5is used in (28)to obtain a noise poweroffC.There is one such noise source oneach node;therefore,the phase noiseisdBc/Hz.Table II summarizes the data obtained for current-starved ring oscillators with the cell structure shown in Fig.12(b),all implemented in the same0.25-).Table III summarizes the results obtained for differential ring oscillators of various sizes and lengths with the inverter topology shown in Fig.12(c),covering a large span of frequen-cies up to 5.5GHz.All these ring oscillators are implemented in the same0.25-TABLE IIID IFFERENTIAL R ING OSCILLATORS(a)(b)(c)Fig.12.Inverter stages for (a)inverter-chain ring oscillators,(b)current-starved inverter-chain ring oscillators,and (c)differential ring oscillators.calculations for oscillator number 12.The noise current due to one of differential pair NMOS devices is given by (28).The total capacitance on each node in the balanced caseisfF,and the simulated voltage swing is 1.208V;therefore,mA,and thereforethe noise current of the NMOS device has a single-sideband spectral densityofstages,there is one such noise source on each node;therefore,the phase noise is2of 0.9,(34)predicts a phase noiseofMHzdBc/HzFig.13.Die photograph of the current-starved single-endedoscillators.Fig.14.Die photograph of the 12-stage differential ringoscillator.Fig.15.Timing jitter measurement setup using CSA803A.distinguished from the device under test (DUT)’s jitter.This extra jitter can be directly measured by looking at the jitter on the triggering edge.This edge can be readily identified since it has lower rms jitter than the transitions before and after it.The effect of this excess jitter should be subtracted from the jitter due to the DUT.Assuming no correlation between the jitter of the DUT and the sampling head,the equivalent jitter due to the DUT can be estimatedby(39)whereis the measured rms jitter at adelayis the jitter on the triggering edge.Fig.16shows the rms jitter versus the measurement delay for oscillator number 12on a log–log plot.The bestfitFig.16.RMS jitter versus measurement interval for the four-stage,2.8-GHz differential ring oscillator(oscillator number12).Fig.17.Phase noise versus symmetry voltage for oscillator number7.(41)ThereforeAnalog and digital designers prefer using phase noise and timing jitter,respectively.The relationship between these two parameters can be obtained by noting that timing jitter is the standard deviation of the timinguncertainty(45)where represents the expected value.Since the autocor-relation functionof(46)the timing jitter in(45)can be writtenas(47)The relation between the autocorrelation and the power spec-trum is given by the Khinchin theorem[21],i.e.,can be expressed in terms of phase noise in the1regionas(50)where(52)whereandrepresents the asymmetryof the waveform and is definedas(54)Combining(52)and(54)results in thefollowing:can be calculated from Fig.18in a similar manner andis givenby,and the1corner approaches zero.A CKNOWLEDGMENTThe authors would like to thank M.A.Horowitz,G.Nasser-bakht,A.Ong,C.K.Yang,B.A.Wooley,and M.Zargari for helpful discussions and support.They would further like to thank Texas Instruments,Inc.,and Stanford Nano-Fabrication facilities for fabrication of the oscillators.R EFERENCES[1]L.DeVito,J.Newton,R.Croughwell,J.Bulzacchelli,and F.Benkley,“A52and155MHz clock-recovery PLL,”in ISSCC Dig.Tech.Papers, Feb.1991,pp.142–143.[2] A.W.Buchwald,K.W.Martin,A.K.Oki,and K.W.Kobayashi,“A6-GHz integrated phase-locked loop using AlCaAs/Ga/As heterojunction bipolar transistors,”IEEE J.Solid-State Circuits,vol.27,pp.1752–1762, Dec.1992.[3] i and R.C.Walker,“A monolithic622Mb/s clock extraction dataretiming circuit,”in ISSCC Dig.Tech.Papers,Feb.1993,pp.144–144.[4]R.Farjad-Rad,C.K.Yang,M.Horowitz,and T.H.Lee,“A0.4mmCMOS10Gb/s4-PAM pre-emphasis serial link transmitter,”in Symp.VLSI Circuits Dig.Tech Papers,June1998,pp.198–199.[5]W.D.Llewellyn,M.M.H.Wong,G.W.Tietz,and P.A.Tucci,“A33Mbi/s data synchronizing phase-locked loop circuit,”in ISSCC Dig.Tech.Papers,Feb.1988,pp.12–13.[6]M.Negahban,R.Behrasi,G.Tsang,H.Abouhossein,and G.Bouchaya,“A two-chip CMOS read channel for hard-disk drives,”in ISSCC Dig.Tech.Papers,Feb.1993,pp.216–217.[7]M.G.Johnson and E.L.Hudson,“A variable delay line PLL for CPU-coprocessor synchronization,”IEEE J.Solid-State Circuits,vol.23,pp.1218–1223,Oct.1988.[8]I.A.Young,J.K.Greason,and K.L.Wong,“A PLL clock generatorwith5–110MHz of lock range for microprocessors,”IEEE J.Solid-State Circuits,vol.27,pp.1599–1607,Nov.1992.[9]J.Alvarez,H.Sanchez,G.Gerosa,and R.Countryman,“A wide-bandwidth low-voltage PLL for PowerPC TM microprocessors,”IEEE J.Solid-State Circuits,vol.30,pp.383–391,Apr.1995.[10]I.A.Young,J.K.Greason,J.E.Smith,and K.L.Wong,“A PLL clockgenerator with5–110MHz lock range for microprocessors,”in ISSCC Dig.Tech.Papers,Feb.1992,pp.50–51.[11]M.Horowitz,A.Chen,J.Cobrunson,J.Gasbarro,T.Lee,W.Leung,W.Richardson,T.Thrush,and Y.Fujii,“PLL design for a500Mb/s interface,”in ISSCC Dig.Tech.Papers,Feb.1993,pp.160–161. [12]T.C.Weigandt,B.Kim,and P.R.Gray,“Analysis of timing jitter inCMOS ring oscillators,”in Proc.ISCAS,June1994.[13]J.McNeill,“Jitter in ring oscillators,”IEEE J.Solid-State Circuits,vol.32,pp.870–879,June1997.[14] B.Razavi,“A study of phase noise in CMOS oscillators,”IEEE J.Solid-State Circuits,vol.31,pp.331–343,Mar.1996.[15] A.Hajimiri,S.Limotyrakis,and T.H.Lee,“Phase noise in multi-gigahertz CMOS ring oscillators,”in Proc.Custom Integrated Circuits Conf.,May1998,pp.49–52.[16] A.Hajimiri and T.H.Lee,“A general theory of phase noise in electricaloscillators,”IEEE J.Solid-State Circuits,vol.33,pp.179–194,Feb.1998.[17],The Design of Low Noise Oscillators.Boston,MA:KluwerAcademic,1999.[18] A.A.Abidi,“High-frequency noise measurements of FET’s with smalldimensions,”IEEE Trans.Electron Devices,vol.ED-33,pp.1801–1805, Nov.1986.[19]T.Kwasniewski,M.Abou-Seido,A.Bouchet,F.Gaussorgues,and J.Zimmerman,“Inductorless oscillator design for personal communica-tions devices—A1.2 m CMOS process case study,”in Proc.CICC, May1995,pp.327–330.[20]J.G.Maneatis and M.A.Horowitz,“Precise delay generation using cou-pled oscillators,”IEEE J.Solid-State Circuits,vol.28,pp.1273–1282, Dec.1993.[21]W. A.Gardner,Introduction to Random Processes.New York:McGraw-Hill,1990.[22]W.F.Egan,Frequency Synthesis by Phase Lock.New York:Wiley,1981.Ali Hajimiri received the B.S.degree in electronicsengineering from Sharif University of Technology,Tehran,Iran,in1994and the M.S.and Ph.D.degrees in electrical engineering from Stanford Uni-versity,Stanford,CA,in1996and1998,respec-tively.He was a Design Engineer with Philips,wherehe worked on a BiCMOS chipset for GSM cellularunits from1993to1994.During the summer of1995,he was with Sun Microsystems,where heworked on the UltraSparc microprocessor’s cache RAM design methodology.During the summer of1997,he was with Lucent Technologies(Bell Labs),where he investigated low-phase-noise integrated oscillators.In1998,he joined the Faculty of the California Institute of Technology,Pasadena,as an Assistant Professor.His research interests are high-speed and RF integrated circuits.He is coauthor of The Design of Low Noise Oscillators(Boston,MA:Kluwer Academic,1999).Dr.Hajimiri was the Bronze Medal Winner of the21st International Physics Olympiad,Groningen,the Netherlands.He was a corecipient of the International Solid-State Circuits Conference1998Jack Kilby Outstanding PaperAward.Sotirios Limotyrakis was born in Athens,Greece,in1971.He received the B.S.degree in electricalengineering from the National Technical Universityof Athens in1995and the M.S.degree in electri-cal engineering from Stanford University,Stanford,CA,in1997,where he currently is pursuing thePh.D.degree.In the summer of1993,he was with K.D.D.Corp.,Saitama R&D Labs,Japan,where he workedon the design of communication protocols.Duringthe summers of1996and1997,he was with the Texas Instruments Inc.R&D Center,Dallas,TX,where he focused on LNA,low-phase-noise oscillator design,and GSM mobile unit transmit path architectures.His current research interests include the design of mixed-signal circuits for high-speed data conversion and broad-band communications. Mr.Limotyrakis received the W.Burgess Dempster Memorial Fellowship from the School of Engineering,Stanford University,in1995.Thomas H.Lee(S’87–M’87),for a photograph and biography,see p.585of the May1999issue of this J OURNAL.。

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