《CMOS模拟系统设计》课程教学课件（讲稿）第08章 振荡器与频率综合

西安交通大学研究生课程XIANJIAOTONGUNIVERSITICMOS模拟系统设计第8章振荡器与频率综合微电子学院张鸿hongzhang@xjtu.edu.cn

研究生课程 CMOS模拟系统设计 第8章 振荡器与频率综合 微电子学院 张 鸿 hongzhang@xjtu.edu.cn

主要内容振荡器1基于运放的RC型振荡器■环形振荡器LC振荡器■振荡器的频率调节相噪声和抖动锁相环型频率综合器西安文通大学Chpt.#8.振荡器与频率综合VESIT2 /81Lab of Mixed-Signal Systems

Lab of Mixed-Signal Systems 2 /81 Chpt. #8. 振荡器与频率综合  振荡器  基于运放的RC型振荡器  环形振荡器  LC振荡器  振荡器的频率调节  相噪声和抖动  锁相环型频率综合器 主要内容

振荡的条件自激系统，无输入信号，输出周期性电压波形（正弦、三角、锯齿等）反馈引起振荡VouVin-H(s)H(s)Vou (s)G(s)=Vm(s)1+ H(s)频率增加，相移大到一定程度，负反馈变为正反馈，就可能振荡■振荡的必要条件[H(jo) ) =1Barkhausen准则>H(ja)=-l )ZH(j@)=180°1+H(s)=0起振的频率处环路增益等于1，总相移为360°起振时增益总是大于1的，振荡稳定后回到1巴克豪森准则是必要条件，而非充分条件西安文通大学Chpt.#8.振荡器与频率综合3/81Lab of Mixed-Signal Systems

Lab of Mixed-Signal Systems 3 /81 Chpt. #8. 振荡器与频率综合 振荡的条件  自激系统，无输入信号，输出周期性电压波形（正弦、三角、锯齿等）  反馈引起振荡  频率增加，相移大到一定程度，负反馈变为正反馈，就可能振荡  振荡的必要条件  起振的频率处环路增益等于1，总相移为360°  起振时增益总是大于1的，振荡稳定后回到1  巴克豪森准则是必要条件，而非充分条件 ( ) ( ) ( ) () 1 () out in V s H s G s V s Hs = = + 1 () 0 + = H s 0 H()1 jω = − 0 0 ( )1 ( ) 180 H j H j ω ω = ∠ =° Barkhausen 准则

振荡发生的直观解释■反馈回的信号与输出同相，发生自激InphaseNoninvertingamplifierFeedbackcircuit西安文通大学Chpt.#8.振荡器与频率综合NIESITNUAOTONC4/81Labof Mixed-Signal Systems

Lab of Mixed-Signal Systems 4 /81 Chpt. #8. 振荡器与频率综合 振荡发生的直观解释  反馈回的信号与输出同相，发生自激

基于运放的RC型振荡器R■文氏桥(Wien-bridge)LoopGain= A(s)β(s)R.2+2振荡器R2RR1R3+joRC+(1/ joRCUxOUOU振荡条件：分母虚部为0，且增益满足R273K=1+R(up)R1+sRC1WsCR0振荡频率：少RCR-1+sRC低频振荡器：振荡频率<1MHz西安文通大学Chpt.#8.振荡器与频率综合5/81Lab of Mixed-Signal Systems

Lab of Mixed-Signal Systems 5 /81 Chpt. #8. 振荡器与频率综合 = 1+ p R Z sRC sC sRC Zs + = 1 基于运放的RC型振荡器  文氏桥 （Wien-bridge） 振荡器 () ()    = =+       +   21 1 p p s R Z Loop Gain A s β s R Z Z ( ) 2 1 1 1 3 1 R R jω ω RC / j RC    = +       + +   RC 1 ω0 = 振荡条件：分母虚部为0，且增益满足 振荡频率: 低频振荡器：振荡频率

基于运放的RC型振荡器移相式振荡器1f.:R22元/6RCROvo■增益条件>29R西安文通大学Chpt.#8.振荡器与频率综合NIESIT6/81Lab of Mixed-Signal Systems

Lab of Mixed-Signal Systems 6 /81 Chpt. #8. 振荡器与频率综合 基于运放的RC型振荡器  移相式振荡器 RC fo 2 61 π = 2 29 R R >  增益条件

主要内容振荡器1基于运放的RC型振荡器环形振荡器■LC振荡器振荡器的频率调节■相噪声和抖动锁相环型频率综合器西安文通大学Chpt.#8.振荡器与频率综合VESIT7/81Lab of Mixed-Signal Systems

Lab of Mixed-Signal Systems 7 /81 Chpt. #8. 振荡器与频率综合  振荡器  基于运放的RC型振荡器  环形振荡器  LC振荡器  振荡器的频率调节  相噪声和抖动  锁相环型频率综合器 主要内容

集成电路中更常用的形式：环形振荡器1111-A3A?-A.H(s)=H(s)=H(s)=(1 + s / α)1+s/0(1+s / α.)2三极点系统两极点系统单极点系统初始相移-180°初始相移360°初始相移-180°最大相移-180-2709增益>1■最大相移-270°存在某个频率使总相移■满足条件不满足条件为-360°，且在该频率但直流处就已将下增益>1;电路锁定，成为起振latch，无法起振西安文通大学Chpt.#8.振荡器与频率综合8/81Lab of Mixed-Signal Systems

Lab of Mixed-Signal Systems 8 /81 Chpt. #8. 振荡器与频率综合 集成电路中更常用的形式：环形振荡器 0 0 ( ) 1 /A H s s ω − = +  单极点系统  初始相移-180°  最大相移-270°  不满足条件  两极点系统  初始相移360°  增益>1  满足条件  但直流处就已将 电路锁定，成为 latch，无法起振 2 0 2 0 ( ) (1 / ) A H s s ω = +  三极点系统  初始相移-180°  最大相移-180-270°  存在某个频率使总相移 为-360°，且在该频率 下增益>1;  起振 3 0 3 0 ( ) (1 / ) A H s s ω − = +

环振小信号详细分析三级单极点系统级联，三个极点频率相等-AH(s) :(1+s/ α)3起振时的与频率相关的总相移为180°，每级为60°00sc = V300osc)=60°arctan0A3=1A. =2[H(je) =1 1+(0 / a)三级反相放大器级联，只要直流增益大于2，就可起振西安文通大学Chpt.#8.振荡器与频率综合IVN9/81LabofMixed-SignalSystems

Lab of Mixed-Signal Systems 9 /81 Chpt. #8. 振荡器与频率综合 环振小信号详细分析  三级单极点系统级联，三个极点频率相等  起振时的与频率相关的总相移为180°，每级为60° 3 0 3 0 ( ) (1 / ) A H s s ω − = + 0 arctan( ) 60 ωosc ω = ° 0 3 ω ω osc = ( )1 H jωosc = 3 0 3 2 0 1 1( / ) osc A ω ω = + 0 A = 2  三级反相放大器级联，只要直流增益大于2，就可起振

环振大信号分析理想情况下，正反馈将使得振荡幅度趋于无穷实际上，振荡幅度最终将受到电源电压的限制电路也因非线性偏离小信号模型大信号情况下，用延时来分析级联反相器更方便6tdB大信号与小信号分析的振荡频率不等2S0小信号频率由小信号输出电阻和电容决定2Nt大信号频率由延时决定！西安文通大学Chpt.#8.振荡器与频率综合NIVEUSIE10/81Lab of Mixed-Signal Systems

Lab of Mixed-Signal Systems 10 /81 Chpt. #8. 振荡器与频率综合 环振大信号分析  理想情况下，正反馈将使得振荡幅度趋于无穷  实际上，振荡幅度最终将受到电源电压的限制  电路也因非线性偏离小信号模型  大信号情况下，用延时来分析级联反相器更方便 1 2 osc d f Nt = 大信号与小信号分析的振荡频率不等 小信号频率由小信号输出电阻和电容决定 大信号频率由延时决定！