环形振荡器

环形振荡器
设计要求：
设计一环形振荡器，频率在120KHz 左右，尽量降低振荡频率和电源电压的相关性。

设计：
环形振荡器是有奇数个反相器构成的环形回路。

电路如下图所示：
本设计中，由于振荡频率要求在120KHz 的低频，根据提供的工艺，寄生电容和电阻都很小，要实现如此之低的振荡频率需要非常多的反相器串联，电路冗长庞大。

所以采用需要外加阻容元件降低工作频率。

电路如下图所示。

反相器内部电路：
本设计要求尽量降低振荡频率和电源电压的相关性。

造成这个相关性的原因主要来自电路的寄生电阻电容：
1． 对管的输出电阻Rn 或Rp 。

2
()2n n THN VDD
R KP W VDD V L =-可见VDD 越大，此电阻越小，振荡频率越高。

2． 寄生电容Cgd ，Cgs 。

这两个参数对电源的相关性较小，但是也受一定的影响。

可见， 要有效降低振荡频率和电源电压的相关性，可采用外部的远大于寄生参数的元件来吸收寄生参数以达到目的。

经分析，电路受电源影响较大的是对管的输出电阻Rn 或Rp, 它们的阻值大约为几千欧，这里，把外部的电阻取在400K 可以有效地降低相关性。

根据振荡频率120KHz ，计算出τ=0.00833ms ，每一级的平均时延为/3τ=0.00278ms ，需要的电容
大小为3C R τ
==6.94pF 。

这里设计的反相器输出端本身就有800fF 的电容，再考虑到寄生
电阻，电容，这里将外接电容的值取为5.5pF 。

Spice 网表文件：
* Waveform probing commands
.probe
.options probefilename="ring_my1.dat"
+ probesdbfile="E:\Program Files\Tanner EDA\S-Edit\tutorial\schematic\ring_my1.sdb" + probetopmodule="ring_my1"
.lib "E:\Gspice\HSPICE2002\H06MIXDDCT10V02.LIB" tt
.lib "E:\Gspice\HSPICE2002\H06MIXDDCT10V02.LIB" resistor
.lib "E:\Gspice\HSPICE2002\H06MIXDDCT10V02.LIB" bjt
.SUBCKT inv in out Gnd Vdd
c2 out Gnd 800ff
m1p out in Vdd Vdd pmos L=5u W=12u
mn1 out in Gnd Gnd nmos L=5u W=8u
.ENDS
* Main circuit: ring_my1
C1 N3 Gnd 5.5pF
C2 N2 Gnd 5.5pF
C3 a7 Gnd 5.5pF
Xinv7 a7 OUT Gnd Vdd inv
Xinv_1 N3 N5 Gnd Vdd inv
Xinv_2 N2 N1 Gnd Vdd inv
.print tran OUT
R4 N2 OUT 400K TC=0.0, 0.0
R5 N1 N3 400K TC=0.0, 0.0
R6 N5 a7 400K TC=0.0, 0.0
.tran 50n 14000000n start=800000n
VCC Vdd GND PWL (0 5 8000000n 4.5 9000000n 4 10000000n 3.5 11000000n 3 12000000n 2.5 13000000n 2)
* End of main circuit: ring_my1
这里用的仿真软件是Tanner 系列的T-Spice 。

仿真：
从时域波形和FFT频谱上可以看出，电源电压从5V降低到2V，频率大约从122KHz降低到93KHz.
FFT分析：
Vdd＝5V
Vdd＝2.5V
精确测量结果：
Vdd／V olt 频率／KHz
5 121.9
4.5 121.9
4 121.1
3.5 119.6
3 116.9
2.5 110.5
2 92.8
绘制测量表格如下:
Voltage/Volt vs Frequency/KHz
可以看出，振荡频率和电源电压的相关性在5V附近相当小。