环形振荡器终极指南

2022-03-15

环形振荡器终极指南

在本文(wén)中，我们将讨论环形振荡器，它是数字世界中最流行的電(diàn)路拓扑之一。环形振荡器提供宽调谐范围、小(xiǎo)尺寸和多(duō)相输出。我们将讨论环形振荡器的基本概念，环形振荡器的功能(néng)描述，可(kě)以应用(yòng)的不同拓扑，以及電(diàn)路的许多(duō)应用(yòng)。 

振荡器是電(diàn)子产品中最重要和最通用(yòng)的结构之一。从音频合成器到锁定放大器，它们在信号生成、波形合成和定时器中发挥着重要作用(yòng)。在数字系统中，振荡器负责产生时序電(diàn)路的核心：时钟。时钟信号允许電(diàn)路执行顺序操作，并使其能(néng)够精确设置重要事件的时间。因此，不可(kě)能(néng)设计没有(yǒu)振荡器的数字处理(lǐ)電(diàn)路。文(wén)献中描述了许多(duō)类型的振荡器，例如谐振振荡器和基于晶體(tǐ)的振荡器。

振荡器的基本原理(lǐ)

一般来说，振荡器的主要目标是产生特定频率的電(diàn)压或電(diàn)流信号。為(wèi)了实现这一目标，该電(diàn)路由一个正且不稳定的反馈网络组成。有(yǒu)两种主要类型的振荡電(diàn)路：谐振線(xiàn)性振荡器和张弛振荡器。谐振振荡器在線(xiàn)性電(diàn)路的反馈路径中使用(yòng) LC 谐振回路，以提供特定频率的正反馈（图 1）。基于晶體(tǐ)的振荡器也属于谐振電(diàn)路的范畴，它用(yòng)具有(yǒu)稳定谐振频率的晶體(tǐ)代替了 LC 電(diàn)路。这些電(diàn)路的设计遵循巴克豪森振荡标准，该标准规定环路增益必须等于 1，环路周围的相移等于 2π，以维持所需频率的振荡状态。

图 1：使用(yòng)晶體(tǐ)的谐振振荡器 

另一方面，张弛振荡器使用(yòng)非線(xiàn)性设备来创建不稳定的网络。该原理(lǐ)包括使用(yòng)开关器件，例如比较器、运算放大器和晶體(tǐ)管，為(wèi)電(diàn)抗器件（電(diàn)容器或電(diàn)感器）充電(diàn)，直到電(diàn)压電(diàn)平达到上限阈值。当达到阈值时，電(diàn)抗器件被放電(diàn)到较低水平的阈值，之后電(diàn)路切换回初始状态，并重复该过程。张弛振荡器的幅度和频率由充電(diàn)/放電(diàn)网络的时间常数和开关器件的阈值電(diàn)平定义。因為(wèi)充放電(diàn)状态可(kě)以使用(yòng)不同的时间常数和阈值，张弛振荡器可(kě)以产生不同形状的不对称波形。

图 2：弛豫振荡器

环形振荡器 

环形振荡器是最简单、最有(yǒu)效、最可(kě)靠的振荡拓扑之一，在业界得到广泛应用(yòng)。電(diàn)路的工作原理(lǐ)类似于张弛振荡器，尽管技术文(wén)献经常将它们视為(wèi)不同的东西。它由奇数个串联的反相器或非端口组成，最后一个反相器的输出信号被反馈到第一个反相器的输入端。该電(diàn)路可(kě)以在图 3 中看到，在使用(yòng)三个 NOT 端口的通用(yòng)实现中。

图 3：三级环形振荡器

环形振荡器的第一个原理(lǐ)是逻辑不稳定性。通过查看图 4，我们可(kě)以看到信号被第一个 NOT 端口反相，因此第二个端口的输出等于 。该过程在第二个和第三个反相器中重复，导致总输出信号等于 。通过将该信号反馈到输入端，就变成了一个组合矛盾，因為(wèi) ，所以電(diàn)路在逻辑上是不稳定的。

图 4：逻辑不稳定性 

环形振荡器的第二个原理(lǐ)是反相器引入的延迟，它由每一级输出的 RC 電(diàn)路定义。这意味着在输入改变后，逆变器的输出将需要几秒(miǎo)钟的时间来更新(xīn)值，因此電(diàn)路可(kě)以将逻辑矛盾保持一段时间。每个逆变器的延迟计算為(wèi)将電(diàn)容器充電(diàn)（和放電(diàn)）向上（和向下）到逆变器逻辑阈值所需的时间。带有(yǒu) RC 网络的電(diàn)路如图 5 所示。

图 5：具有(yǒu) RC 网络的三级环形振荡器 

在实际应用(yòng)中，每个逆变器都被设计成相同的，因此时间常数、阈值和幅度都相同。这意味着输出信号的频率是延迟时间和反相器数量的函数。因此，可(kě)以通过改变 Tdelay 或级联逆变器的数量来控制振荡频率。

模拟 

為(wèi)了更好地理(lǐ)解電(diàn)路的功能(néng)，我们模拟了一个具有(yǒu)三个反相器级的简单环形振荡器。反相器是使用(yòng)推挽 CMOS 電(diàn)路实现的，每一级后面都有(yǒu)一个C = 10 pF和R = 1.0 kΩ的 RC 系列。電(diàn)路如图 6 所示。

图 6：基于 CMOS 反相器的三级环形振荡器

通过在 LTSpice 上运行瞬态仿真，我们得到了图 7 所示的信号。可(kě)以看出，输出几乎是轨到轨的，幅度约為(wèi) 4.4 V 峰到峰。此外，波形几乎是一个正弦函数，频率约為(wèi) 888 kHz。这意味着反相器延迟约為(wèi) 375.38 ns。

图 7：三级环形振荡器的输出信号

此外，通过获取每个逆变器输出端的信号，我们可(kě)以看到它们的相位相差2π/n弧度，在n = 3时等于 120° 。图 8 中的仿真证实了这一点，它显示了每个阶段的输出，它们之间有(yǒu) 120° 的相位步長(cháng)。

图 8：各阶段的输出信号

如前所述，环形振荡器的频率可(kě)以由反相器级数来定义。然而，重要的是要确保反相器的数量是奇数，这样组合逻辑才会保持不稳定。通过向环形振荡器添加两个新(xīn)级，我们得到了图 9 所示的電(diàn)路。

图 9：五级环形振荡器 

五级环形振荡器的输出信号如图10所示。由于饱和，波形比三级情况下的失真明显更大，因此频率成分(fēn)不太纯净。此外，频率等于 510.5 kHz，比三级情况低约 0.57 倍。这接近于 3/5 的级数比率，这是前面讨论所预期的。

图 10：五级环形振荡器的输出信号

优点和缺点

环形振荡器是一种非常简单且易于设计和实现的電(diàn)路，非常适合各种设备和情况。然而，有(yǒu)几个限制使它在一些关键应用(yòng)中望而却步，尤其是那些需要稳定和无抖动时序的应用(yòng)。在本节中，我们将讨论环形振荡器的主要优点和缺点。

优点

与谐振振荡器相比，环形拓扑的占位面积要小(xiǎo)得多(duō)，因為(wèi)它不需要使用(yòng) LC 谐振回路或晶體(tǐ)。因此，环形振荡器是片上应用(yòng)的绝佳选择，但在面积方面存在严重限制。此外，环形振荡器的频率成分(fēn)比基于弛豫的電(diàn)路要纯净得多(duō)，功率集中在基频上。此外，环形振荡器非常易于理(lǐ)解和设计，频率可(kě)以通过反相器级数轻松调整。最后，环形振荡器可(kě)以设计為(wèi)低功耗。 

缺点

单端环形振荡器的主要缺点之一是没有(yǒu)電(diàn)压控制，这限制了它在需要改变频率的系统中的应用(yòng)。此外，这些环形振荡器过于依赖電(diàn)源電(diàn)压，如果電(diàn)源不够稳定，可(kě)能(néng)会导致抖动和频率偏差。这两个问题的一种解决方案是使用(yòng)差分(fēn)逆变器，它具有(yǒu)提高抗噪能(néng)力的优势。环形振荡器也高度依赖芯片的温度，如果需要高精度频率，这是不可(kě)取的。最后，众所周知，环形振荡器比谐振振荡器具有(yǒu)最差的相位噪声和抖动性能(néng)。 

环形振荡器应用(yòng) 

环形振荡器是非常通用(yòng)的電(diàn)路，在行业中有(yǒu)多(duō)种应用(yòng)。第一个主要应用(yòng)是锁相环 (PLL)，其中环形振荡器通常用(yòng)作主压控振荡器 (VCO)。锁相环是数字系统中的关键组件，适用(yòng)于信号解调、时钟恢复和倍频器。环形振荡器也广泛应用(yòng)于测试，包括验证制造效果和新(xīn)技术。此外，这种振荡器的固有(yǒu)抖动可(kě)用(yòng)于生成随机数序列。最后，环形振荡器可(kě)用(yòng)作温度传感器，因為(wèi)频率会随芯片温度发生显着变化。