振蕩器的工作原理解析

在這篇文章中，我們將介紹振蕩器（OSC）的工作原理。

在介紹鎖相環(huán)中的壓控振蕩器之前，我們需要先對振蕩器進行學習和理解。

振蕩器是什么？顧名思義，就是通電后能自發(fā)發(fā)出周期性振蕩信號的裝置，我們不需要對這樣的裝置進行信號輸入，只需要給裝置接入電源就行。

從理論上來講，振蕩器的邏輯就是，系統(tǒng)中存在一個噪聲（在物理專業(yè)里這樣的信號叫做“漲落”），然后我們對其進行操作。所以在Cadence中模擬振蕩器時我需要設立初值：設置初值方法

一般的振蕩器都是如下兩種原理：

1. 系統(tǒng)選擇某個特定頻率的信號，對他不斷地進行放大，而其他頻率的信號則是一直是以噪聲存在的小信號，于是輸出了這個特定頻率信號，由此產(chǎn)生特定頻率的振蕩信號。
2. 系統(tǒng)中存在低頻噪聲，由于系統(tǒng)在信號傳輸?shù)倪^程中存在延時，而且過了特定的時間后，這些信號會發(fā)現(xiàn)翻轉(zhuǎn)，并且翻轉(zhuǎn)信號會穿回最開始的器件裝置，由此確定了系統(tǒng)每經(jīng)過一個特定的時間信號就會發(fā)現(xiàn)翻轉(zhuǎn)，且由于裝置的MOS管存在寄生電容，裝置的輸出電壓始終是連續(xù)地從0升到電源電壓，或者是從電源電壓降到0，由此實現(xiàn)了對輸出信號頻率地篩選，保證能輸出特定頻率的振蕩信號。

1.三個反相器組成的振蕩器

首先我們來理解如下圖最直觀的振蕩器。這里我們的振蕩器主干部分由三個反相器組成，后面的一個反相器是一個穩(wěn)定輸出信號的buffer。假設每一個反相器的延時是Ti，可以看到，當有一個噪聲信號產(chǎn)生后，從最左端反相器輸入到整個環(huán)路系統(tǒng)，可見信號經(jīng)過三個反相器延時3Ti后會發(fā)生反相，信號有高電平翻轉(zhuǎn)為低電平，或者由低電平翻轉(zhuǎn)為高電平。通過振蕩信號可見，每經(jīng)過兩次信號翻轉(zhuǎn)，系統(tǒng)就經(jīng)歷了一個周期，由此產(chǎn)生了一個周期為6Ti的振蕩信號。

三個反相器組成的振蕩器

仿真結(jié)果

不過這個建議裝置很難設計出我們想要的頻率的振蕩信號，因為這個裝置里的延時都來自于MOS管中的寄生電容。不過有個意思的事是，我們能看到每個周期的時長是0.3ns，那么就是說這里我們用到的MOS管的延時是0.05ns，由此每當我們遇到MOS管的時候也能估算一下系統(tǒng)的延時，這樣的延時會直接影響到我們電子設備的處理數(shù)據(jù)、數(shù)據(jù)傳輸?shù)乃俣?。如果每個MOS都是固定的0.05ns，也就是說設備的頻率最高達到20G，這可能就會成為硬件傳輸數(shù)據(jù)的速度極限（當然具體到信號傳輸?shù)臋C制，可能還要考慮頻分復用、時分復用等原理，速度會再快點）。

2.三級環(huán)形振蕩器：共源級運放+RC

了解了三個反相器組成的振蕩器，我們就能很容易地理解這一類振蕩器了，它也是經(jīng)過特定延時后，系統(tǒng)信號發(fā)生一次翻轉(zhuǎn)，然后再傳輸回最開始的裝置，由此循環(huán)往復。不過不同的是，在這里我們是用共源級運放實現(xiàn)信號翻轉(zhuǎn)（信號反相），而且還加入了人為設定的RC電路來做延時，由此能保證輸出振蕩信號頻率可控，我們就能設置輸出特定頻率信號的振蕩器了。（RC電路的延時要求遠大于MOS管內(nèi)部的寄生電容帶來的延時。） 通過模擬出來的振蕩信號可見，振蕩信號的周期在微妙量級，而上一個由三個反相器組成的振蕩器的延時在納秒量級。

三級環(huán)形振蕩器：共源級運放+RC

仿真結(jié)果

3.運放+帶通濾波器

在振蕩器原理里，還有一條是：系統(tǒng)選擇某個特定頻率的信號，對他不斷地進行放大，而其他頻率的信號則是一直是以噪聲存在的小信號，于是輸出了這個特定頻率信號，由此產(chǎn)生特定頻率的振蕩信號。下面我們來展示通過這個原理設計出來的振蕩器。

如下圖，左下角的1圖，是一個帶通濾波器，右上角2圖是一個運放。通過電路分析可以看出，運放會把噪聲方法，讓后通過帶通濾波器的選擇后，只留下我們想要的頻率的振蕩信號，并且做輸出。

運放+帶通濾波器

仿真結(jié)果

由于運放并非理想運放，所以我在這里加了一個buffer。

buffer

4.交叉耦合 LC 振蕩器

對LC振蕩進行學習，我們會接觸到石英晶振的等效電路圖，品質(zhì)因子Q因子，而且把這個電路中的電容器換成可變電容器，這個電路就會變成一個壓控振蕩器。

電感的 Q 值也叫作品質(zhì)因數(shù)，其為無用功功率除以有用功功率。簡單理解的話，就是在一個信號周期內(nèi)，無用功功率為電感存儲的能量，有用功功率為電感消耗的能量。電感在一個充放電周期內(nèi)，儲存并釋放的能量為無用功能量，而因為這個過程額外損耗的能量就是有用功能量，損耗的能量主要作為熱量耗散。在自諧振頻率處，電感與其寄生電容諧振了，相當于一個電阻?；蛘邚奈⒂^上看，進入電感的能量在其內(nèi)部電容和電感中來回倒騰，并不能釋放出來，只能通過 Rs 慢慢消耗掉,Q=0。Q 值越高，電感的性能越接近于理想的無損電感，這也說明了它在諧振電路中的選擇性更好，因此，諧振電路要選擇高 Q 值電感。

石英晶振等效電路圖

大概原理就是每過一段時間信號翻轉(zhuǎn)，且LC電路會對信號進行篩選，由此產(chǎn)生了振蕩信號。我們能通過設計R,L,C的值來設置輸出振蕩信號的頻率。這里面還有一個概念叫做負阻，是分析RLC電路用的一種理論，在這里就不做詳細敘述了，可以參考學習拉扎維的模擬CMOS集成電路設計。

交叉耦合 LC 振蕩器

不過在我實際模擬的過程中，使用工藝庫中的電感，輸出的信號都會是這種不斷衰減的信號。

選擇工藝庫中的電感帶來的輸出信號

當我把電感換成理想電感時，才會輸出特定頻率的振蕩信號。

選擇理想電感帶來的輸出信號

窗口比較式振蕩器

最后放一個我在文獻上學來的一個振蕩器，等到有時間后在對這個模型做詳細講解。為了講清它我們需要使用到恒流源、電荷泵、遲滯比較器、寄存器等知識，這是一個綜合性的話題，可以留到下下次再水一篇文章。

窗口比較式振蕩器