譚傳武

湖南鐵道職業(yè)技術(shù)學院/電務學院，湖南 株洲 412001

0 引言

穩(wěn)定精準的頻率源是電子設備不可或缺的一部分，振蕩器在物聯(lián)網(wǎng)、人工智能、無線通信等領(lǐng)域扮演著重要的角色[1]?？萍疾粩噙M步使得系統(tǒng)對振蕩器頻率和穩(wěn)定性要求越來越高，市場上已有壓控振蕩器（VCXO）、溫度補償晶體振蕩器（TCXO）等穩(wěn)定的頻率源，但這類振蕩器結(jié)構(gòu)復雜且成本高，其廣泛應用會導致信息化成本提高；環(huán)形振蕩器因結(jié)構(gòu)簡單應用較廣泛，且有占用版圖面積小、振蕩頻率高、調(diào)諧范圍大等優(yōu)勢。

傳統(tǒng)的環(huán)形振蕩器因相位噪聲性能較差，使得在高速傳輸中受限，研究者們針對環(huán)形振蕩器相位噪聲改進進行了廣泛研究：華南理工大學的姚若河教授提出一種由主路徑、輔助路徑以及有源反饋構(gòu)成的差分延遲單元，當滿足噪聲消除條件時，其噪聲電壓相互抵消，從而減小差分輸出端的噪聲電壓，該方法將傳統(tǒng)的三級振蕩減少為兩級，減少了振蕩源的數(shù)目，但噪聲消除的條件很難滿足；余龍飛采用數(shù)字電路校準的方法設計了一種低功耗的動態(tài)泄漏電流抑制環(huán)形振蕩器，但校準電路功耗過大時頻率輸出不穩(wěn)定。

本文改進了環(huán)形振蕩器的基本結(jié)構(gòu)，設計了較高性能的施密特觸發(fā)器，該觸發(fā)器能凈化環(huán)形振蕩器中由于電源及溫度引起的各類噪聲，選用五級反相器級聯(lián)涉及電路延遲和波形整形，最終能獲得穩(wěn)定的振蕩波形，輸出頻率隨電源電壓和溫度變化影響小。

1 環(huán)形振蕩器的工作原理

1.1 負反饋系統(tǒng)

電路完成振蕩需滿足巴克豪森準則，電路達到平衡狀態(tài)后，會因電源電壓、溫度等及元件內(nèi)部噪聲引起振蕩，其工作原理如圖1所示。

圖1 負反饋系統(tǒng)

1.2 傳統(tǒng)環(huán)形振蕩器架構(gòu)

傳統(tǒng)的結(jié)構(gòu)簡單，一般由多級反相器首尾相連組成，單級的反相器只能提供1800的相差，傳統(tǒng)的環(huán)形振蕩器一般有3個反相器串聯(lián)組成，如圖2所示。

圖2 多級環(huán)形振蕩器架構(gòu)

假如單個反向器延遲時間相同都為T，可得出圖2中電路的振蕩周期為6T，推理可得N級反相器的頻率為：

1.3 施密特觸發(fā)器的特性

施密特觸發(fā)器的高低電平轉(zhuǎn)換時有遲滯區(qū)域，傳輸特性如圖3所示。

圖3 施密特觸發(fā)器的轉(zhuǎn)移特性

圖4 施密特觸發(fā)器的輸入和相應的輸出

施密特觸發(fā)器的特性能滿足電路噪聲的凈化，因此在改進的電路中起著重要作用。

2 環(huán)形振蕩器的設計

2.1 反相器設計

環(huán)形振蕩器由奇數(shù)個反相器級聯(lián)組成。每一級掛載電容C調(diào)整電路的時延。其反相器設計如圖5所示。

圖5 反相器電路

當電路給電容C1充電時，反相器的上拉PMOS管處于飽和導通狀態(tài)，其飽和電流為：

將Idsp代入，整理可得：

采用同樣的方法，可以得到電路中電容 1C通過NMOS管放電時的下降沿時間為：

若N級門相同，可計算振蕩周期T為：

2.2 施密特觸發(fā)器的設計

施密特觸發(fā)器的設計電路如圖6所示。其工作原理分兩部分來分析：當VOUT輸出為低時，則PMOS管M6導通且NMOS管M3截止，施密特觸發(fā)器的傳輸特性分析只考慮PMOS管部分；如VOUT初始狀態(tài)為高則主要只考慮NMOS管部分。

圖6 施密特觸發(fā)器的電路圖

圖7 計算施密特觸發(fā)器VSPH的電路

通常要求M2管與M3管的跨導比大于5倍以上。由于M2管用作開關(guān)，因此設計尺寸教M1管和M3管大。

可以用同樣的分析方法得到下式，并由下式求出低轉(zhuǎn)換點電壓VSPL：

定義M1管、M2管、M4管和M5管的等效數(shù)字電阻分別為 1nR、Rn2、Rn4和Rn5，忽略電路輸出電容，施密特觸發(fā)器傳輸時延的計算如下：

2.3 改進的環(huán)形振蕩器電路

改進的環(huán)形振蕩器電路如圖8所示，圖8中反相器的傳輸延時為tp，輸出由低到高的傳輸延遲為tPLH，輸出由高到低的傳輸延遲為tPHL，上升時間為tr，下降時間為tf。振蕩成立的條件是2Ntp>>tf+tr，信號通過整個回路的傳輸延時為一個周期，振蕩周期為 T=2×tp×N，其中N為環(huán)路內(nèi)反相器的個數(shù)。反相器的傳輸延時tp可以表示為：

圖8 改進后的振蕩電路

通過改變反相器的級數(shù)或延遲時間可調(diào)整輸出頻率，振蕩器的前四級為電路產(chǎn)生延遲，第五級提供相位反向和波形整形，施密特觸發(fā)器可對振蕩波形進行整形，并可增加電路的抗干擾性能。

3 電路仿真

采用的CSMC 0.6μm CMOS N-well工藝庫，在30℃下使用Hspice對電路進行仿真，調(diào)節(jié)電容和MOS管尺寸可調(diào)整振蕩頻率，環(huán)形振蕩器起振波形如圖9所示。

從圖9可知電路起振時間不到400us，起振時間快。通過式（8）可得電路的振蕩頻率，電路的輸出頻率如圖10所示，信號的周期為1.67us，推算振蕩頻率為599kHz，誤差1kHz。

圖9 環(huán)形振蕩器起振波形

圖10中輸出信號并不是方波，而不能作為電源管理芯片中時鐘信號，須用施密特觸發(fā)器完成整形，對施密特觸發(fā)器的傳輸特性仿真，結(jié)果如圖11所示。

圖10 環(huán)形振蕩器輸出頻率

從圖11中可以看出，輸入電壓從0到5V變化時，施密特觸發(fā)器的VSPH為4.1V，VSPL為1.0V。

圖11 施密特觸發(fā)器傳輸特性

施密特觸發(fā)器整形后的輸出波形的上升時間、下降時間、振蕩頻率如圖12所示。

圖12中電路的上升時間3.96ns，下降時間1.40ns，周期1.69us，計算可得振蕩頻率為599kHz，將此電路集成到電源芯片中，能夠滿足設計指標。

圖12 施密特觸發(fā)器整形后輸出波形

4 結(jié)語

本文采用CSMC的CMOS工藝改進了環(huán)形振蕩器電路，從電路的多級結(jié)構(gòu)、頻率調(diào)整參數(shù)、施密特觸發(fā)器設計等方面闡述了環(huán)形振蕩器的原理，設計了五級反相器級聯(lián)的結(jié)構(gòu)，調(diào)整了施密特觸發(fā)器的傳輸特性，改進了環(huán)形振蕩器的結(jié)構(gòu)，仿真結(jié)果表明，該電路結(jié)構(gòu)具有較快的起振速度，能輸出穩(wěn)定的頻率，能滿足電源管理芯片所需的開關(guān)頻率，與同類型的振蕩電路相比，具有結(jié)構(gòu)簡單、穩(wěn)定性高的優(yōu)點，具有較好的實用價值。