環形振蕩器終極指南

2022-03-15

環形振蕩器終極指南

在本文中，我們將討論環形振蕩器，它是數字世界中最流行的電路拓撲之一。環形振蕩器提供寬調諧范圍、小尺寸和多相輸出。我們將討論環形振蕩器的基本概念，環形振蕩器的功能描述，可以應用的不同拓撲，以及電路的許多應用。 

振蕩器是電子產品中最重要和最通用的結構之一。從音頻合成器到鎖定放大器，它們在信號生成、波形合成和定時器中發揮著重要作用。在數字系統中，振蕩器負責產生時序電路的核心：時鐘。時鐘信號允許電路執行順序操作，并使其能夠精確設置重要事件的時間。因此，不可能設計沒有振蕩器的數字處理電路。文獻中描述了許多類型的振蕩器，例如諧振振蕩器和基于晶體的振蕩器。

振蕩器的基本原理

一般來說，振蕩器的主要目標是產生特定頻率的電壓或電流信號。為了實現這一目標，該電路由一個正且不穩定的反饋網絡組成。有兩種主要類型的振蕩電路：諧振線性振蕩器和張弛振蕩器。諧振振蕩器在線性電路的反饋路徑中使用 LC 諧振回路，以提供特定頻率的正反饋（圖 1）?；诰w的振蕩器也屬于諧振電路的范疇，它用具有穩定諧振頻率的晶體代替了 LC 電路。這些電路的設計遵循巴克豪森振蕩標準，該標準規定環路增益必須等于 1，環路周圍的相移等于 2π，以維持所需頻率的振蕩狀態。

圖 1：使用晶體的諧振振蕩器 

另一方面，張弛振蕩器使用非線性設備來創建不穩定的網絡。該原理包括使用開關器件，例如比較器、運算放大器和晶體管，為電抗器件（電容器或電感器）充電，直到電壓電平達到上限閾值。當達到閾值時，電抗器件被放電到較低水平的閾值，之后電路切換回初始狀態，并重復該過程。張弛振蕩器的幅度和頻率由充電/放電網絡的時間常數和開關器件的閾值電平定義。因為充放電狀態可以使用不同的時間常數和閾值，張弛振蕩器可以產生不同形狀的不對稱波形。

圖 2：弛豫振蕩器

環形振蕩器 

環形振蕩器是最簡單、最有效、最可靠的振蕩拓撲之一，在業界得到廣泛應用。電路的工作原理類似于張弛振蕩器，盡管技術文獻經常將它們視為不同的東西。它由奇數個串聯的反相器或非端口組成，最后一個反相器的輸出信號被反饋到第一個反相器的輸入端。該電路可以在圖 3 中看到，在使用三個 NOT 端口的通用實現中。

圖 3：三級環形振蕩器

環形振蕩器的第一個原理是邏輯不穩定性。通過查看圖 4，我們可以看到信號被第一個 NOT 端口反相，因此第二個端口的輸出等于 。該過程在第二個和第三個反相器中重復，導致總輸出信號等于 。通過將該信號反饋到輸入端，就變成了一個組合矛盾，因為 ，所以電路在邏輯上是不穩定的。

圖 4：邏輯不穩定性 

環形振蕩器的第二個原理是反相器引入的延遲，它由每一級輸出的 RC 電路定義。這意味著在輸入改變后，逆變器的輸出將需要幾秒鐘的時間來更新值，因此電路可以將邏輯矛盾保持一段時間。每個逆變器的延遲計算為將電容器充電（和放電）向上（和向下）到逆變器邏輯閾值所需的時間。帶有 RC 網絡的電路如圖 5 所示。

圖 5：具有 RC 網絡的三級環形振蕩器 

在實際應用中，每個逆變器都被設計成相同的，因此時間常數、閾值和幅度都相同。這意味著輸出信號的頻率是延遲時間和反相器數量的函數。因此，可以通過改變 Tdelay 或級聯逆變器的數量來控制振蕩頻率。

模擬 

為了更好地理解電路的功能，我們模擬了一個具有三個反相器級的簡單環形振蕩器。反相器是使用推挽 CMOS 電路實現的，每一級后面都有一個C = 10 pF和R = 1.0 kΩ的 RC 系列。電路如圖 6 所示。

圖 6：基于 CMOS 反相器的三級環形振蕩器

通過在 LTSpice 上運行瞬態仿真，我們得到了圖 7 所示的信號?？梢钥闯?，輸出幾乎是軌到軌的，幅度約為 4.4 V 峰到峰。此外，波形幾乎是一個正弦函數，頻率約為 888 kHz。這意味著反相器延遲約為 375.38 ns。

圖 7：三級環形振蕩器的輸出信號

此外，通過獲取每個逆變器輸出端的信號，我們可以看到它們的相位相差2π/n弧度，在n = 3時等于 120° 。圖 8 中的仿真證實了這一點，它顯示了每個階段的輸出，它們之間有 120° 的相位步長。

圖 8：各階段的輸出信號

如前所述，環形振蕩器的頻率可以由反相器級數來定義。然而，重要的是要確保反相器的數量是奇數，這樣組合邏輯才會保持不穩定。通過向環形振蕩器添加兩個新級，我們得到了圖 9 所示的電路。

圖 9：五級環形振蕩器 

五級環形振蕩器的輸出信號如圖10所示。由于飽和，波形比三級情況下的失真明顯更大，因此頻率成分不太純凈。此外，頻率等于 510.5 kHz，比三級情況低約 0.57 倍。這接近于 3/5 的級數比率，這是前面討論所預期的。

圖 10：五級環形振蕩器的輸出信號

優點和缺點

環形振蕩器是一種非常簡單且易于設計和實現的電路，非常適合各種設備和情況。然而，有幾個限制使它在一些關鍵應用中望而卻步，尤其是那些需要穩定和無抖動時序的應用。在本節中，我們將討論環形振蕩器的主要優點和缺點。

優點

與諧振振蕩器相比，環形拓撲的占位面積要小得多，因為它不需要使用 LC 諧振回路或晶體。因此，環形振蕩器是片上應用的絕佳選擇，但在面積方面存在嚴重限制。此外，環形振蕩器的頻率成分比基于弛豫的電路要純凈得多，功率集中在基頻上。此外，環形振蕩器非常易于理解和設計，頻率可以通過反相器級數輕松調整。最后，環形振蕩器可以設計為低功耗。 

缺點

單端環形振蕩器的主要缺點之一是沒有電壓控制，這限制了它在需要改變頻率的系統中的應用。此外，這些環形振蕩器過于依賴電源電壓，如果電源不夠穩定，可能會導致抖動和頻率偏差。這兩個問題的一種解決方案是使用差分逆變器，它具有提高抗噪能力的優勢。環形振蕩器也高度依賴芯片的溫度，如果需要高精度頻率，這是不可取的。最后，眾所周知，環形振蕩器比諧振振蕩器具有最差的相位噪聲和抖動性能。 

環形振蕩器應用 

環形振蕩器是非常通用的電路，在行業中有多種應用。第一個主要應用是鎖相環 (PLL)，其中環形振蕩器通常用作主壓控振蕩器 (VCO)。鎖相環是數字系統中的關鍵組件，適用于信號解調、時鐘恢復和倍頻器。環形振蕩器也廣泛應用于測試，包括驗證制造效果和新技術。此外，這種振蕩器的固有抖動可用于生成隨機數序列。最后，環形振蕩器可用作溫度傳感器，因為頻率會隨芯片溫度發生顯著變化。