射频cmos第17章振荡器

稳定振荡所应满 足的条件，决定 了晶体管的大信 号跨导值 晶体管的小信号 跨导gm通常被设 计为上式确定值 的5倍左右 在确定了晶体管 的小信号跨导后， 由偏置电流和 MOS管的I-V方程 就可以确定晶体 达到最小值 管的尺寸和过驱 动电压 26
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Colpitts振荡器的设计步骤
每一级的传输函数为 则振荡器的环路增益为
，其中
，3dB带宽
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环路振荡器
为了产生振荡，每一级反相器引入的交流必须为60°，
在振荡频率处，环路增益幅度必须大于1，
解的
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三级环型振荡器
要求振荡频率100MHz 设计步骤： 1.根据振荡频率确定每一级的3dB带宽为60MHz，由 步确定R、C的值。 2.由 ，设定晶体管跨导值。 3.根据偏置电流与跨导计算出晶体管的W,L。
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负阻的概念
正电阻与负电阻都必须是对交流来说。负电阻在直流特性V/I永远为 正值，所以负电阻是将直流能量转化为交流能量。
正反馈可以形成负阻
ZG
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VG iG

1 GM
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负阻振荡器的基本原理
1. 为了产生振荡，负阻Rn的阻值必须小 于等于LRC回路的等效并联阻抗RP 2. 当它们阻值相等时，电路产生等幅的 振荡信号，能量在电感和电容之间互 相转换，而回路损耗所消耗的能量由 负阻提供。 3. 当Rn的阻值小于RP时，负阻提供的能 量大于LRC回路消耗的能量，振荡信 号幅度逐渐增加 4. 当负阻由有源器件（电路）来实现时， 有源器件（电路）本身固有的非线性 会限制振荡信号幅度不能无限制增长， 最终振荡信号会稳定在某一个固定的 5/30/2012 振荡幅度上
1. 根据振荡频率 要求，求得C1,C2,Lp的参数值，这里最好选取 C1=C2,因为这时晶体管的跨导要求最小，也就是最低的功耗。
2. 由无源器件的值，估算出阻抗Rp，求出晶体管的大信号跨导Gm，考 虑到设计余量问题，选取晶体管的小信号跨导 =5Gm，然后根据 偏置电流确定晶体管的尺寸和过驱动电压。 当晶体管栅极输入一个大信号正弦波
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Colpitts振荡器
流过C1的电流为
因此
流过C2的电流为 在输出端应用KCL定律
整理得到闭环传输函数
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该式是振荡器维持
Colpitts振荡器
令分母为0，得到
一般情况下，
解得振荡频率为
晶体管大信号跨导为
通过这个公式可以得到当C1/C2=1时，
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LC振荡电路的实现
振荡频率 振荡条件
f
1 2 LC
GM
1 RP
类型：负阻型LC振荡器、反馈型LC振荡器
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Real LC Oscillators
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常用的负阻振荡器电路
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反馈型LC振荡器
振荡原理：有源器件提供振荡要求的正反馈，而谐振电 路提供频率选择功能。
耗尽-积累区MOS容抗管： 电容可变范围较大
相对与反向pn结，品质因子较小， 线性度也较差。
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MOS容抗管作调谐元件的LC电压控 制振荡器
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环路振荡器
环形振荡器可以采用纯数字CMOS工艺实现，不需要电感，广泛使用在单 片集成电路中。 振荡条件：奇数个反向器构成。 以三级环型振荡器为例：
振荡器Oscillators
张玉明
西安电子科技大学微电子学院 zhangym@xidian.edu.cn
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振荡器概述
（1）定义：振荡器是一种不需外加信号激励而能自动将直 流能量变换为周期性交变能量的装置。
（2）分类： 按振荡波形分类：振荡器分为正弦波振荡器和非正弦波振 荡器。输出波形接近于理想正弦波的称为正弦波振荡器， 波形为方波、矩形波或其它波形的称为非正弦波振荡器。 按工作机理分类：根据产生振荡的机理，正弦振荡器还 可分为反馈振荡器和负阻振荡器。 按选频网络分类：分为RC振荡器、LC振荡器、晶体振荡 器以及压控振荡器（VCO）、压控晶体振荡器（VCXO） 等。随着集成技术的发展，相继又出现了集成振荡器、开 关电容振荡器等。
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（3）应用： 无线电发射机用它产生载荷信息的载波信号。 超外差接收机用它产生本地振荡信号。 各种电子测量设备和计时仪表用它产生频率（或时间） 基准信号 工业生产部门广泛应用的高频电加热设备等。 （4）基本构成： 一个由储能元件构成的决定振荡频率的选频网络。 一个在规定频段内具有能量变换（或放大）作用的换能 机构。（有源器件--放大器） 一个有助于补充元器件能量损耗和保证振荡器工作稳定 的反馈电路。 一个对振荡强度具有自动调整作用的非线性元件。 事实上，在晶体管正弦振荡器中，晶体管既起着能量变换 的作用，又起着调整和控制振荡强度的非线性作用。
典型电路结构：
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有源器件提供振荡要求的正反馈，而谐振电路提供频率选择功能， 它们之间的不同仅在于谐振电路的构成方式上 ������ 反馈型LC振荡器中仅有一个有源器件，因此它们可以产生很高的 振荡频率，并具有优良的噪声性能 ������ 起振对有源器件的跨导要求要高很多，导致功耗很大 ������ 晶体管也可以采取共源结构或者共漏结构，这时反馈信号从晶体 管漏端反馈到晶体管栅极或者从晶体管源极反馈到晶体管栅极
3. 将晶体管大信号跨导带入前式，得到 由于 因此Colpitts振荡器的振荡幅度为
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晶体振荡器
晶体是一种压电材料，可以在力学应变和电荷之间进行交易转换。这 种能量交换在一特殊的频率上效率最高，该频率称为谐振频率fs。
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晶体振荡器
从晶体的等效电路图中可以看到，晶体同时具有串联与并联谐振电路。 串联谐振与并联谐振电路的阻抗及相位示意图如下
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振荡器概述
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振荡条件
相位判据 ：∠T(ω) = 360°
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振荡器的稳定条件
实用振荡器：振荡频率（振荡周期）和振荡幅度必须稳定， 振荡器在稳定工作时（达到平衡状态），需要满足振幅稳定性 条件和相位稳定性条件
在振荡器的起振阶段，环路增益|T(ω)|要大于1（振荡器的起振 条），保证振荡器能将微小的噪声放大为稳定的周期性输出信号
������
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Colpitts振荡器
图中阻抗Rp代表谐振电路的损耗，电流源给晶体管提供偏置电流， 由于采用LC谐振电路来选择振荡频率，因此理想输出是一个正弦波。 输出经过C1分压得到V1反馈到晶体管源极形成正反馈。 分析方法，求出闭环传递函数Vout / Iin，使分母为零。
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Practical Design Issues
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Practical Design Issues
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Practical Design Issues
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Negative Resistor Design
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������ 考虑到温度和工艺的变化，在振荡频率处的环路增益设计为必须值的2～3 倍 ������ 当环路中的信号振幅增加到一定程度后，振荡器中有源器件存在的非线性 会限制振幅的继续增加，使得振荡器的输出达到稳定，这是一个非线性过程
要使满足Barkhausen判据的反馈系统成为一个实用的振荡器， 反馈系统必须包含有某种频率选择功能，使得该振荡器仅在我们 所需要的频率处振荡
• 振幅稳定性条件的关键是在平衡点附件，环路增 益幅度随振幅的变化特性具有负的斜率
• 有源器件的非线性具有稳定振荡幅度的作用
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软自激与硬自激
软自激：不需要外加激 励，依靠振荡器内部电 路的噪声便可自激（ 一 个振幅平衡点） 硬自激：需要外加一个冲击信号 才能起振的现象（两个振幅平衡 点，其一个为不稳定平衡点）
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，初
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三级环型振荡器
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自动幅度控制技术
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相位稳定性条件
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振荡器的原理 LC Resonance
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LC Resonance
理想振荡器的输出是标准的正旋信号，电流信号滞 后电压相位90°
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LC Oscillators
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Practical Design Issues
������ LC谐振电路：反馈网络采用LC谐振电路 ������ 环型振荡器：使得反馈系统的环路传输函数仅在一个频率点上满足 Barkhausen判据
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振幅稳定性条件
•振幅平衡条件受到破坏时， 振荡器本身能重新建立起振幅 平衡点的条件，若能建立，则 振荡器仍能保持稳定的振荡
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晶体振荡器
写出晶体的阻抗表达式
s
1 Ls C s
P
1 Ls C s
(1
Cs Cp
)
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晶体振荡器
可以看出晶体在两个谐振频率中间表现为电感， 用这个电感和一个具有容性的放大器（正反馈） 组成振荡器。
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32ห้องสมุดไป่ตู้
压控振荡器
许多应用要求振荡器是可调谐的，即它们的振荡频 率是一个控制 输入信号的函数。
对于LC振荡器来说，谐振频率 频率调谐方法，改变L或者C。集成电路中一般改变 C的值。 使用容抗管：反向pn结、反型区MOS管和积累区 MOS管。
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压控振荡器
Pn结电容：
特点：调谐范围较小，但具有较高的品质因子，线性度较高。
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压控振荡器
反型区MOS：品质因子较小， 电容可变范围较小。