环形振荡器设计

1、目录 TOC o 1-5 h z HYPERLINK l bookmark1 o Current Document 目录1 HYPERLINK l bookmark7 o Current Document 摘要2 HYPERLINK l bookmark10 o Current Document Abstract3 HYPERLINK l bookmark13 o Current Document 1设计目的及任务要求4 HYPERLINK l bookmark16 o Current Document 1.1设计目的4 HYPERLINK l bookmark19 o Current Doc

2、ument 1.2任务要求4 HYPERLINK l bookmark25 o Current Document 1.3软件简介4 HYPERLINK l bookmark31 o Current Document 2、工作原理5 HYPERLINK l bookmark34 o Current Document 2.1 CMOS反相器电路52.2静态CMOS反相器电路5 HYPERLINK l bookmark52 o Current Document 2.3 CMOS反相器的特性6 HYPERLINK l bookmark60 o Current Document 2.4电压传输特性（VT

3、C）6 HYPERLINK l bookmark63 o Current Document 2.5开关阈值8 HYPERLINK l bookmark78 o Current Document 2.6环形振荡器的工作原理9 HYPERLINK l bookmark87 o Current Document 3、电路设计12 HYPERLINK l bookmark90 o Current Document 4、仿真结果14心得体会16参考文献17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

4、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AbstractOscillator is use

5、d 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 oscillatio

6、n 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 oscillat

7、or. 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 t

8、he 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 speci

9、fic function of the theoretical analysis and design. Keywords: IC inverter ring oscillator1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

10、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。

11、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。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

12、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，v = v ,v = v ，并设i = i =i 。为了能使电路正常工作，要求电源电压VI GSN O DSNDN DP DDD大于两只MOS管的开启电压的绝对值之和，即Vdd（ L +哈）。图12.2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，当匕为高 并等于VDD时，NMOS管导通而PMOS管截止。此时在Vout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vdd和vout之间存在一条通路，产生了一个高电

13、平输出电 压。VDDT ZV inVout图22.3 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*。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VD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kQ的范围内。（4）CMOS反相器的输入电阻极高，因为一个MOS管

14、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。以输入电压匕、输出电压Vout和NMOS漏电流/dn作为选择的 变量，可以将PMOS器件的I - V曲线通过以下关系转换到一组公共坐标上。I = IDSp DSnVSn = Vn ； VGSp=匕-VddDSn out

15、 DSp out DDPMOS器件的负载曲线可以通过对x轴求镜像并向右平移VDD来得到。这一过程概括在图3中，它显示了将原先的PMOSI V曲线调整至公共坐标系Vn、图3将PMOS I-V特性转换至公共坐标系（VD2.5V）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V图3将PMOS I-V特性转换至公共坐标系（VD2.5V）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

16、应负载线的交点上。图上标记了许多这样的点（对V沮=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。V.=0Vin=25Vin=0.6V：_=2Vin=1Vin=L5Vin=2Vin=2.5Vin=L5Vin=1=0.6=0图4静态CMOS反相器中NMOS和PMOS管的负载曲线（Vd=2.5V）原点代表各种输入电压下的dc （直流）工作点图5由图4 （VD

17、D2.5V）推导出的CMOS反相器的VTC。对于每一个工作区都标注了晶体管的工作模式一一off（截止）、res （电阻模式）或sat（饱和）2.5开关阈值开关阈值Vm定义为匕=Vot的点，其值可以用图解法由VTC与直线匕=V函 的交点求得（见图5）。在这一区域由于V = v , PMOS和NMOS总是饱和的。DS GS使通过两个晶体管的电流相等就可以得到vM的解析表达式。DSATn/v - vMVDSATn/v - vMVTnVDSATn + k V2 Jp DSATpV - VDD UVDSATp2 J（1）求解L得到:VM/vTnVM/vTnVv )(v 、+ DSATn+ rv + v+

18、 DSATp2 J V DDTP2 Jj其 中 r = P DSATp = satp pn DSATn satn N(2)这里，假设PMOS和NMOS管的栅氧厚度相同。当vDD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：VmVm机 rVDD1 + r（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Vm处在电压摆幅的重点（即Vdd2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：DSATn n DSATp pDSATn n DSATp pk Vn_ik k

19、 Vn_ik DSATn和 NMOS 管的尺寸：DSATn 虹-J J )和 NMOS 管的尺寸：DD -匕 + Vtp +VDSATp /2)(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

20、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=6tpdm如 mm主)=Gi G。 G图6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。C图C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

21、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

22、。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。n_rr_I_1_1 _LJ-?rL_rLOVnc Vol烦e您皂心OVnc VolVth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TQ2.2RC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。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。M4T r-OiSikM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