环形振荡器设计

目录
目录 ................................................................................................................ 错误！未定义书签。

摘要 ................................................................................................................ 错误！未定义书签。

Abstract ........................................................................................................... 错误！未定义书签。

1 设计目的及任务要求................................................................................. 错误！未定义书签。

1.1 设计目的.......................................................................................... 错误！未定义书签。

1.2 任务要求.......................................................................................... 错误！未定义书签。

1.3 软件简介.......................................................................................... 错误！未定义书签。

2、工作原理................................................................................................... 错误！未定义书签。

2.1 CMOS反相器电路 .......................................................................... 错误！未定义书签。

2.2静态CMOS反相器电路 ................................................................. 错误！未定义书签。

2.3 CMOS反相器的特性 ...................................................................... 错误！未定义书签。

2.4 电压传输特性（VTC）.................................................................. 错误！未定义书签。

2.5 开关阈值........................................................................................ 错误！未定义书签。

2.6 环形振荡器的工作原理................................................................ 错误！未定义书签。

3、电路设计................................................................................................... 错误！未定义书签。

4．仿真结果................................................................................................... 错误！未定义书签。

心得体会......................................................................................................... 错误！未定义书签。

参考文献......................................................................................................... 错误！未定义书签。

摘要
振荡器是用来产生重复电子讯号（通常是正弦波或方波）的电子元件。

其构成的电路叫振荡电路，能将直流信号转换为具有一定频率的交流电信号输出。

振荡器的种类很多，按振荡激励方式可分为自激振荡器、他激振荡器；按电路结构可分为阻容振荡器、电感电容振荡器、晶体振荡器、音叉振荡器等；按输出波形可分为正弦波、方波、锯齿波等振荡器。

广泛用于电子工业、医疗、科学研究等方面。

环形振荡器由三个非门或更多奇数个非门输出端和输入端首尾相接，构成环状。

以三个非门为例，即非门A输出端连接到非门B输入端，非门B输出端连接到非门C输入端，非门C输出端到连接非门A输入端，在其中任何一个连接的位置都可以引出输出信号。

本文将围绕环形振荡器进行具有具体功能的振荡器的理论分析与设计。

关键词：集成电路环形振荡器反相器
武汉理工大学课程设计说明书
Abstract
Oscillator is used to generate repeated electrical signals (typically a sine wave or square wave) of the electronic components. Its circuit configuration is called an oscillation circuit, capable of DC into AC electrical output signal having a certain frequency. Many types of oscillators, according to the oscillation excitation can be divided into self-excited oscillator, he excited oscillator; according to the circuit structure can be divided RC-oscillator, LC oscillator, crystal oscillator, the tuning fork oscillators; according to output waveform can be divided into sine wave, square wave, sawtooth oscillator. Widely used in the electronics industry, medical and scientific research.
Ring oscillator consisting of three or more odd number of NAND gate NAND gate output and the input of the end to end to form a ring. In three of the NAND gate as an example, i.e., the output of NAND gate A is connected to the B input of the NAND gate, the NAND gate B output connected to the input terminal of the NAND gate C, NAND gate C output to the A input of the NAND gate is connected, in which anywhere a connection can lead to the output signal. This article will focus on the ring oscillator oscillator has a specific function of the theoretical analysis and design. Keywords: IC inverter ring oscillator
3
1 设计目的及任务要求
1.1 设计目的
培养较为扎实的电子电路的理论知识及较强的实践能力；加深对电路器件的选型及电路形式的选择的了解；提高集成电路的基本设计能力及基本调试能力；强化使用实验仪器进行电路的调试检测能力。

1.2 任务要求
（1）学习ORCAD软件。

（2）设计一个环形振荡器电路。

（3）利用orcad软件对该电路进行系统设计、电路设计和版图设计，并进行相应的设计、模拟和仿真工作。

1.3 软件简介
本次设计将主要使用ORCAD软件进行仿真。

ORCAD Capture (以下以Capture代称)是一款基于Windows 操作环境下的电路设计工具。

利用Capture软件，能够实现绘制电路原理图以及为制作PCB和可编程的逻辑设计提供连续性的仿真信息。

OrCAD Capture作为行业标准的PCB原理图输入方式，是当今世界最流行的原理图输入工具之一，具有简单直观的用户设计界面。

OrCAD Capture CIS具有功能强大的元件信息系统，可以在线和集中管理元件数据库，从而大幅提升电路设计的效率。

OrCAD Capture提供了完整的、可调整的原理图设计方法，能够有效应用于PCB的设计创建、管理和重用。

将原理图设计技术和PCB布局布线技术相结合，OrCAD能够帮助设计师从一开始就抓住设计意图。

不管是用于设计模拟电路、复杂的PCB、FPGA和CPLD、PCB改版的原理图修改，还是用于设计层次模块，OrCAD Capture都能为设计师提供快速的设计输入工具。

此外，OrCAD Capture原理图输入技术让设计师可以随时输入、修改和检验PCB设计。

Cadence OrCAD Capture是一款多功能的PCB原理图输入工具。

武汉理工大学课程设计说明书
5
2、工作原理
2.1 CMOS 反相器电路
图1显示了一个CMOS 反相器的电路图，它由两只增强型MOSFET 组成，其中TN 为N 沟道结构，TP 为P 沟道结构。

两只MOS 管的栅极连在一起作为输入端；漏极连在一起作为输出端。

按照图1标明的电压与电流方向，
I v =GSN v ,O v =DSN v ,并设DN i =DP i =D i 。

为了能使电路正常工作，要求电源电压DD V 大于两只MOS 管的开启电压的绝对值之和，即DD V >（TN V +TP V ）。

2.2静态CMOS 反相器电路
图2显示了一个静态CMOS 反相器的电路图。

它的工作原理是，当in V 为高并等于DD V 时，NMOS 管导通而PMOS 管截止。

此时在out V 和接地点之间存在一个直接通路，形成一个稳态值0V 。

相反，当输入电压为低时，NMOS 和PMOS 管分别关断和导通。

在DD V 和out V 之间存在一条通路，产生了一个高电平输出电压。

2.3 CMOS 反相器的特性
CMOS 反相器是所有复杂电路的基本构建模块，比如逻辑门、加法器、乘法器等一些比较复杂的电路的电气特性几乎完全可以由反相器的工作和性质推断出来。

下面分析CMOS 反相器的几种重要特性。

（1） 输出高电平和低电平分别为DD V 和GND 。

换言之，电压摆幅等于电源
电压。

（2） 逻辑电平与器件的相对尺寸无关，所以晶体管可以采用最小尺寸。

（3） 稳态时在输出和DD V 或GND 之间总存在一条具有有线电阻的通路。

因
此一个设计良好的CMOS 反相器具有低输出阻抗，输出电阻的典型值
在Ωk 的范围内。

（4） CMOS 反相器的输入电阻极高，因为一个MOS 管的栅实际上是一个
完全的绝缘体，因此不取任何直流输入电流。

由于反相器的输入节点
只连到晶体管的栅上，所以稳态输入电流几乎为零。

（5） 在稳态工作的情况下电源线和地线之间没有直接通路（即此时输入和
输出保持不变）。

没有电流存在（忽略漏电流）意味着该门并不消耗
任何静态功率。

2.4 电压传输特性（VTC ）
电压传输特性的性质和形状可以通过图解法迭加NMOS 和PMOS 器件的电流特性来得到。

以输入电压in V 、输出电压out V 和NMOS 漏电流DN I 作为选择的变量，可以将PMOS 器件的V I -曲线通过以下关系转换到一组公共坐标上。

DSp I =DSn I
GSn V =in V ；GSp V =in V -DD V
DSn V =out V ；DSp V =out V -DD V
武汉理工大学课程设计说明书
7
PMOS 器件的负载曲线可以通过对x 轴求镜像并向右平移DD V 来得到。

这一过程概括在图3中，它显示了将原先的PMOS V I 曲线调整至公共坐标系in V 、out V 和Dn I 的一系列步骤。

所得到的负载线画在图4中，为使一个dc 工作点成立，通过NMOS 和PMOS 器件的电流必须相等。

用图解法时这意味着dc 工作点必须出在两条相应负载线的交点上。

图上标记了许多这样的点（对in V =0，0.5,1,1.5,2和2.5）。

可以看到，所有的工作点不是在高输出电平就是在低输出电平上。

因此反相器的VTC 显示出具有非常窄的过渡区。

这是由于在开关过渡期间的高增益造成的，此时NMOS 和PMOS 同时导通且处于饱和状态。

在这一工作区，输入电压的一个很小变化就会引起输出的很大变化。

2.5 开关阈值
开关阈值M V 定义为in V =out V 的点，其值可以用图解法由VTC 与直线in V =out V 的交点求得（见图5）。

在这一区域由于DS V =GS V ，PMOS 和NMOS 总是饱和的。

使通过两个晶体管的电流相等就可以得到M V 的解析表达式。

022=⎪⎪⎭⎫ ⎝
⎛---+⎪⎭⎫ ⎝⎛--DSATp TP DD M DSATp p DSATn Tn M DSATn n V V V V V k V V V V k （1） 求解M V 得到：
r V V V r V V V DSATp Tp DD DSATn Tn M +⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛+++⎪⎭⎫ ⎝⎛+=122 其中N s a t n p
s a t D S A T n n D S A T p p W v W v V k V k r ==
（2）
这里，假设PMOS 和NMOS 管的栅氧厚度相同。

当DD V 值较大时（与晶体管阈值电压及饱和电亚相比），公式（2）可以简化为：
r rV V DD
M +≈1
（3）
公式（3）表明开关阈值取决于比值r ，它是PMOS 和NMOS 管相对驱动强度的比。

一般希望M V 处在电压摆幅的重点（即2
DD V 处）附近，因为这可以使低电平噪声容限和高电平噪声容限具有相近的值。

为此要求r 接近1，这相当于使PMOS 器件的尺寸为：
武汉理工大学课程设计说明书
9
()()()()''/p DSATp n DSATn n p k V k V L W L W ⨯=。

由公式（1）可以推导出使开关阈值等于所希望的值M V 时所要求的PMOS 和NMOS 管的尺寸：()()()
()2/2/''DSATp Tp M DD DSATn p DSATn Tn M DSATn n p
V V V V V k V V V V k n L W L W ++---=
（4）
2.6 环形振荡器的工作原理
环形振荡器是利用门电路的固有传输延迟时间将奇数个反相器首尾相接而成，该电路没有稳态。

因为在静态（假定没有振荡时）下任何一个反相器的输入和输出都不可能稳定在高电平或低电平，只能处于高、低电平之间，处于放大状态。

假定由于某种原因v11产生了微小的正跳变，经G1的传输延迟时间tpd 后，v12产生了一个幅度更大的负跳变，在经过G2的传输延迟时间tpd 后，使v13产生更大的正跳变，经G3的传输延迟时间tpd 后，在vo 产生一个更大的负跳变并反馈到G1输入端。

可见，在经过3tpd 后，v11又自动跳变为低电平，再经过3tpd 之后，v11又将跳变为高电平。

如此周而复始，便产生自激振荡。

如图7所示，可见振荡周期为T=6tpd
图6 环形振荡器原理图
图7 环形振荡器的工作波形
环形振荡器的突出优点是电路极为简单，但由于门电路的传输延迟时间极短，TTL门电路只有几十纳秒，CMOS电路也不过一二百纳秒，难以获得较低的振荡频率，而且频率不易调节，为克服这个缺点，有几种改进电路，下面给出对照图。

如图8所示。

图8 环形振荡器的改进电路
环形振荡器的改进原理：
接入RC 电路以后，不仅增大了门G2的传输延迟时间tpd2有助于获得较低的振荡频率。

而且通过改变R和C 的数值可以很方便地实现对频率的调节。

环形振荡器的改进原理：
接入RC 电路以后，不仅增大了门G2的传输延迟时间tpd2有助于获得较低的振荡频率。

而且通过改变R和C 的数值可以很方便地实现对频率的调节。

环形振荡器的实用电路：
如图8，为了进一步加大RC和G2的传输延迟时间，在实用电路中将电容C 的接地端改接G1的输出端。

如图,9所示。

例如当v12处发生负跳变时，经过电容C使v13首先跳变到一个负电平，然后再从这个负电平开始对电容C充电，这就加长了v13从开始充电到上升为VTH的时间，等于加大了v12到v13的传输延迟时间。

通常RC电路产生的延迟时间远远大于门电路本身的传输延迟时间，所以在计算振荡周期时可以只考虑RC电路的作用而将门电路固有的传输延迟时间忽略不计。

另外，为防止v13发生负跳变时流过反相器G3输入端钳位二极管的电流过大，还在G3输入端串接了保护电阻RS。

电路中各点的电压波形如图9所示。

武汉理工大学课程设计说明书
图9 电路中各点的工作波形
图9中画出了电容C充、放电的等效电路。

环形振荡器的周期T≈2.2RC可用于近似估算振荡周期。

但使用时应注意它假定条件是否满足。

11
3、电路设计
3.1 CMOS反相器的原理图设计
在CMOS反相器的电路图设计，需要考虑电路的传播延时，然后可以确定PMOS 和NMOS 管的尺寸。

至今一直使PMOS管较宽，以使它的电阻与下拉的NMOS管匹配。

在设计中，PMOS与NMOS的宽长比为2。

以反相器为基础，依据逻辑门与反相器有相同的驱动能力设置复杂电路的PMOS和NMOS宽长比。

图10 NMOSE反相器电路
3.2 环形振荡器的原理图设计
在实际的仿真时，由于各个MOSE管的参数都是一致的，而且仿真软件不能模拟实际情况下的各种干扰，所以应当在电路图中加一个激励信号，使电路起振。

图中的rc是用于改变振荡器的频率，由于门电路的传输延迟时间极短，TT L门电路只有几十纳秒，CMOS电路也不过一二百纳秒，难以获得较低的振荡频率，加入RC后可以使振荡器的频率降低。

武汉理工大学课程设计说明书
13
图11 环形振荡器电路
4．仿真结果
图12 环形振荡器的仿真波形
如图，环形振荡器的输出波形是方波，波形平整，没有失真，符合设计要求。

武汉理工大学课程设计说明书
5、版图设计
版图如下图所示：
图13 反相器版图
图14 环形振荡器版图
15
心得体会
本次课程设计的题目是环形振荡器振荡器的设计，主要应用了集成电路和数电、模电的内容。

因为集成电路的知识本来就不容易懂，所以查找资料和查阅基础知识，花了很长的时间。

这些都应归咎于自己基础知识的匮乏。

通过查找资料，结合书本中所学的知识，我最终完成了课程设计的内容。

把书中所学的理论知识和具体的实践相结合，有利于我们对课本中所学知识的理解，并加强了我们的动手能力。

这次设计让我更好地掌握了常用元件的识别和测试，更加深刻地理解了课本知识。

在此次做课程设计的过程中，我深深地感受到了自己所学到知识的有限和自身的不足，并且学会了对所找内容的取舍及分析。

总之，从中我学习到了如何解决遇到的困难，而且进一步熟悉了晶体管的应用并掌握了其工作原理和具体的使用方法，增强了对实验的思考能力。

武汉理工大学课程设计说明书
参考文献
[ 1 ]李银花电子线路设计指导，航空航天大学出版社，2005.6 [ 2 ]朱力恒电子技术仿真实验教程，电子工业出版社，2003.7 [ 3 ]康华光电子技术基础，高等教育出版社，2000.6
[4 ] 吴友宇模拟电子技术基础，清华大学出版社，2009.5 [ 5 ] 伍时和数字电子技术基础，清华大学出版社，2009.4 [ 6 ] 刘岚电路分析基础，高等教育出版社，2010.1
17。