CMOS模拟集成电路第14章—振荡器

CMOS模拟集成电路设计CMOS模拟集成电路是一种基于互补金属氧化物半导体(CMOS)技术实现的集成电路，主要用于设计和制造各种模拟电路，如运放、滤波器、振荡器、功率放大器等。

本文将介绍CMOS模拟集成电路设计的原理、方法和相关技术。

CMOS模拟集成电路的设计原理是基于CMOS技术中的n型和p型金属氧化物半导体场效应晶体管(NMOS和PMOS)。

这两种晶体管互补工作在导通和截止之间，通过改变栅极电压来控制电流的流动。

此外，CMOS技术还使用了源沟道结构和金属氧化物半导体(MOS)的结构特性，以提供可靠的电流和电压增益。

CMOS模拟集成电路设计的方法涉及到几个关键的步骤。

首先，设计师需要进行电路架构设计，确定电路所需的功能和性能指标。

然后，根据电路的需求，设计师需要选择和设计适当的基本电路单元，如差分放大器、共源共极放大器等。

接下来，设计师需要利用各种仿真工具对电路进行模拟和验证，以确保电路的稳定性和可靠性。

最后，设计师需要进行版图设计和布线，生成最终的集成电路布局。

在CMOS模拟集成电路设计过程中，设计师需要考虑到多种因素。

首先，设计师需要选择适当的工艺和器件参数，以满足电路性能和功率需求。

其次，设计师需要进行功耗和噪声分析，以优化电路的能耗和信号质量。

此外，设计师还需要考虑温度和工作条件下电路的性能稳定性。

CMOS模拟集成电路设计中的一项重要任务是电路的性能评估和优化。

设计师可以使用各种技术和工具来提高电路的性能，如电流镜设计、电源抑制技术、反相器结构优化等。

此外，设计师还可以通过器件和工艺的改进来提高电路的性能。

总结起来，CMOS模拟集成电路设计是一项复杂的任务，需要设计师具备深厚的电路和器件知识，以及熟练的仿真和设计工具的使用。

通过深入理解电路原理和方法，设计师可以设计出高性能和可靠的模拟集成电路。

在未来，随着CMOS技术的不断发展和改进，CMOS模拟集成电路将在各种应用领域发挥越来越重要的作用。

模拟电路振荡器振荡器是一种电子设备，能够产生连续的周期信号。

它在无线通信、计算机科学、音频设备等众多领域中起到重要作用。

本文将介绍模拟电路振荡器的原理、分类以及应用。

一、振荡器原理振荡器的基本原理是通过正反馈回路实现信号的自激振荡。

它包括振荡电路和反馈网络两部分组成。

振荡电路是指产生振荡信号的核心部分，常用的有RC振荡器、LC振荡器和晶体振荡器等。

其中，RC振荡器利用电容和电阻的组合构建振荡回路，LC振荡器则利用电感和电容的组合实现振荡。

晶体振荡器则借助石英晶体的特性来产生稳定的振荡信号。

反馈网络则是将一部分输出信号返回到振荡电路的输入端，以增强信号的幅度并使振荡持续下去。

常见的反馈网络包括电阻反馈、电感反馈和晶体反馈等。

二、振荡器分类根据振荡器输出信号的波形，振荡器可以分为正弦波振荡器、方波振荡器和脉冲振荡器等不同类型。

1. 正弦波振荡器正弦波振荡器能够产生幅度恒定、频率稳定的正弦波信号。

常见的正弦波振荡器有Wien桥振荡器、Colpitts振荡器和Hartley振荡器等。

它们的不同之处在于反馈网络的构成和工作原理。

2. 方波振荡器方波振荡器能够产生占空比为50%的方波信号。

其中，多谐振荡器和施密特触发器是常见的方波振荡器，它们利用多谐波分析和触发器的特性来生成方波信号。

3. 脉冲振荡器脉冲振荡器能够生成宽度小于周期的脉冲信号。

常用的脉冲振荡器有双稳态多谐振荡器和单稳态多谐振荡器等。

它们通过电容充放电的方式来生成脉冲信号。

三、振荡器应用振荡器在各个领域中都有广泛的应用。

以下是一些常见的应用示例：1. 通信系统中的局部振荡器：在无线电、电视和手机等通信系统中，振荡器被用于产生高频信号，以实现信号的调频和解调。

2. 时钟电路：计算机、数字电子设备和集成电路中都需要时钟信号来同步各个部件的工作。

振荡器作为时钟电路的核心元件被广泛应用。

3. 音频设备：振荡器作为音频发生器被用于产生各种音调和声音效果，应用于音乐合成器、音频合成器等音频设备。

模拟cmos集成电路设计知识点总结模拟CMOS集成电路设计是一个涉及多个学科领域的复杂课题，包括电子工程、物理、材料科学和计算机科学等。

以下是一些关键知识点和概念的总结：1. 基础知识：半导体物理：理解半导体的基本性质，如本征半导体、n型和p型半导体等。

MOSFET（金属-氧化物-半导体场效应晶体管）工作原理：理解MOSFET的基本构造和如何通过电压控制电流。

2. CMOS工艺：了解基本的CMOS工艺流程，包括晶圆准备、热氧化、扩散、光刻、刻蚀、离子注入和退火等步骤。

理解各种工艺参数对器件性能的影响。

3. CMOS电路设计：了解基本的模拟CMOS电路，如放大器、比较器、振荡器等。

理解如何使用SPICE（Simulation Program with Integrated Circuit Emphasis）进行电路模拟。

4. 噪声：理解电子器件中的噪声来源，如热噪声、散粒噪声和闪烁噪声等。

了解如何减小这些噪声的影响。

5. 功耗：理解CMOS电路中的功耗来源，如静态功耗和动态功耗。

了解降低功耗的方法，如电源管理技术和低功耗设计技术。

6. 性能优化：理解如何优化CMOS电路的性能，如提高速度、减小失真和提高电源效率等。

7. 可靠性问题：了解CMOS电路中的可靠性问题，如闩锁效应和ESD（静电放电）等。

8. 版图设计：了解基本的版图设计规则和技巧，以及如何使用EDA（Electronic Design Automation）工具进行版图设计和验证。

9. 测试与验证：理解如何测试和验证CMOS集成电路的性能。

10. 发展趋势与挑战：随着技术的进步，模拟CMOS集成电路设计面临许多新的挑战和发展趋势，如缩小工艺尺寸、提高集成度、应对低功耗需求等。

持续关注最新的研究和技术进展是非常重要的。

以上是对模拟CMOS集成电路设计的一些关键知识点的总结，具体内容可能因实际应用需求和技术发展而有所变化。

深入学习这一领域需要广泛的知识基础和持续的研究与实践。

模拟CMOS集成电路设计1. 引言模拟CMOS集成电路设计是现代集成电路设计的重要领域之一。

随着电子技术的不断发展和进步，集成电路在各个领域都有着广泛的应用，尤其是模拟领域。

模拟CMOS集成电路设计是一门综合性学科，需要掌握深厚的电路理论知识和数理基础。

本文将介绍模拟CMOS集成电路设计的基本原理、常用工具和设计流程。

2. 模拟CMOS集成电路基本原理模拟CMOS集成电路是由大量的MOS晶体管和电阻电容等元件组成的电路。

它能够处理连续变化的电压信号，具有很高的放大和处理能力。

模拟CMOS集成电路设计的基本原理包括以下几个方面：2.1 MOSFET的基本原理模拟CMOS集成电路主要采用NMOS和PMOS两种类型的MOSFET。

NMOS晶体管工作在负电压下，电子流的导通；PMOS晶体管工作在正电压下，空穴流的导通。

MOSFET的基本原理和参数是设计模拟CMOS电路的基础。

2.2 CMOS反相放大器CMOS反相放大器是模拟CMOS电路的基本模块。

它能够将输入电压放大并反向输出。

通过设计合适的电路结构和参数，可以实现不同的放大倍数和频率响应。

2.3 模拟CMOS电路的环路增益模拟CMOS电路的环路增益是指电路反馈回路的增益。

环路增益对电路的稳定性和性能有重要影响。

通过选择合适的电路结构和控制参数，可以提高电路的稳定性和性能。

3. 模拟CMOS集成电路设计工具3.1 SPICE仿真工具SPICE（Simulation Program with Integrated Circuit Emphasis）是一种广泛使用的电路仿真工具。

它能够模拟和分析模拟CMOS电路的性能，帮助设计师进行电路参数优化和性能评估。

3.2 Cadence工具套件Cadence是一套综合性的集成电路设计工具套件。

它包括了原理图设计、布局设计、电路仿真和物理验证等模块，可以实现从概念到最终产品的全流程设计。

3.3 ADS高频仿真工具ADS（Advanced Design System）是一种专业的高频电路仿真工具。

基于集成电路构成的振荡器电路在电子线路中，脉冲振荡器产生的CP脉冲是作为标准信号和控制信号来使用的，它是一种频率稳定、脉冲宽度和幅度有一定要求的脉冲。

这种振荡器电路不需要外界的触发而能自动产生脉冲波，因此被称为自激振荡器。

一个脉冲波系列是和这个脉冲的基本频率相同的正炫波以及许多和这个脉冲基本频率成整数倍的正炫波谐波合成的，所以脉冲振荡器有时叫做多谐振荡器。

用集成电路构成的振荡器比用分立元件构成的工作要可靠的多，性能稳定。

本电路汇编了用各种集成电路构成的大量振荡器电路。

供读者在使用时参考。

-、门电路构成的振荡电路1、图1是用CMOS与非门构成的典型的振荡器。

当反相器F2输出正跳时，电容立即使F1输入为1，输出为0。

电阻RT为CT对反相器输出提供放通电路。

当CT放电达到F1的转折电压时，F1输出为1，F2输出为0。

电阻连接在F1的输出端对CT反方向充电。

当CT被充到F1的转折电压时，F1输出为0，F2为1，于是形成形成周期性多谐振荡。

其振荡周期T=2。

2RtCt。

电阻Rs是反相器输入保护电阻。

接入与否并不影响振荡频率。

2、图2是用TTL的非门构成的环形振荡器。

三个非门接成闭环形。

假定三个门的平均传输延迟时间都是t，从F1输入到F3输出共经过3t的延迟，Vo输出就是Vi的输入，所以输出端的振荡周期T=6t。

该电路简单，但t数值一般是几十毫微秒，所以振荡频率极高，最高可达8MHz。

3、图3是用TTL非门电路组成的带RC延时电路的RC环形振荡器。

当a点由高电平跳变为低电平时，b点电位由低边高，经门2使C点电位由高变低，同时又经耦合到d点，使d点电位上跳为高电平，所以门3输出即e点电位为低。

随着c充电电流减少，d点电位逐渐降低，低到关门电压时门3关闭，e点由低变高，再反馈到门1，使b点由高变低，d点下降到较负的电压值，保证门3输出为高。

当c放电使d点上升到开门电压时，门3打开，e点又由高变低，输出电压Vo又回复为低电平，如此交替循环变化形成连续的自激振荡。

CMOS门电路组成的多谐振荡器结构和原理一种由CMOS门电路组成的多谐振荡器如图1所示。

其原理图和工作波形分别如图2(a)、(b)所示。

图(a)中D1、D2、D3、D4均为保护二极管。

CMOS门电路组成的多谐振荡器结构图1 由CMOS门电路组成的多谐振荡器CMOS门电路组成的多谐振荡器原理为了讨论方便，在电路分析中，假定门电路的电压传输特性曲线为理想化的折线，即开门电平(V ON) 和关门电平(V OFF)相等，这个理想化的开门电平或关门电平称为门坎电平(或阈值电平)，记为V th且设V th=V DD/2。

(1)第一暂稳态及电路自动翻转的过程假定在t=0时接通电源，电容C尚未充电，电路初始状态为v O1=V OH，v1=v O2=V OL状态，即第一暂稳态。

此时，电源V DD经G1的T P管、R和G2的T N管给电容C充电，如图10.1.2(a)所示。

随着充电时间的增加，v1的值不断上升，当v1达到V th时，电路发生下述正反馈过程:这一正反馈过程瞬间完成，使v O1=V OL v O2=V OH，电路进入第二暂稳态。

(a)多谐振荡器原理图（b)多谐振荡器波形图图2 多谐振荡器原理图和波形(2)第二暂稳态及电路自动翻转的过程电路进入第二暂稳态瞬间，v02由0V上跳至V DD，由于电容两端电压不断突变，则v1也将上跳V DD，本应升至V DD+V th，但由于保护二极管的钳位作用，v1仅上跳至V DD+△V+。

随后，电容C通过G2的T P、电阻R 和G1的T N放电，使v1下降，当v1降至V th后，电路又产生如下正反馈过程：从而使电路又回到第一暂稳态，v O1=V OH，v O2=V OL。

此后，电路重复上述过程，周而复始的从一个暂稳态翻转到另一个暂稳态，在G2的输出端得到方波。

由上述分析不难看出，多谐振荡器的两个暂稳态的转换过程是通过电容C充、放电作用来实现的。

CMOS正弦振荡器设计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。

能将直流电转换为具有一定频率交流电信号输出的电子电路或装置。

种类很多，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。

本文旨在设计一种CMOS正弦波发生电路，并分析产生正弦波的条件和具体的振荡电路产生条件和原理以及关键部分的电路参数设计，并给出实验结果。

本课题的主要研究内容是设计了正弦波发生电路并对其进行了模拟仿真，最后经过模拟仿真的性能参数：开环增益80dB,单位增益带宽10MHz以上,相位裕度60度；共模抑制比80dB；输出范围-2V-2V；转换速率10V/us以上，建立时间800n以下。

满足以上性能参数的运放在振荡电路的应用中获得了良好的仿真效果。

此设计的驱动电压频率为120kHz和230kHz，输出正弦波幅度2V左右。

设计的电路基本满足本课题要求。

关键词振荡器；反馈网络；选频网络；运放电路；电路仿真AbstractOscillator are used to produce electronic signals repeat (usually is a sine wave or square wave) of electronic components. It consists of the circuit called oscillating circuit. Can convert dc frequency signal output has certain exchange of electronic circuit or device. Many species, according to the circuit structure can be divided into resistance and capacitance and inductance and capacitance oscillator oscillator crystal oscillator, tuning fork oscillator, etc.; The output waveform can be divided into sine wave, square wave, sawtooth wave oscillator, etc. Widely used in the electronics industry, medical, scientific research, etc.This paper aims to design a CMOS circuit happened sine wave, and the analysis of the specific conditions and the sine wave oscillator circuit produce conditions and principle and key parts of the circuit design parameters, and the experiment results are given.This topic is the main research contents design the circuit and its happened sine wave simulation, finally after simulation of performance parameters: open-loop gain 80 dB, units gain bandwidth 10 MHz above, the margin of the phase 60 degrees; Common mode rejection ratio 80 dB; Output-2 V-2 V; Conversion rate 10 V/us above, build time 800 n the following. Meet the performance parameters above the on the application of the oscillating circuit won the good simulation result. This design of driving voltage frequency for 120 kHz and 230 kHz, output sine wave amplitude around 2V. The circuit design basic meet this topic requirements.Key wordsOscillator; The feedback network; Frequency selective network; Amplifier; Circuit simulation目录摘要 (II)Abstract (III)第一章绪论 (1)1.1 振荡器的发展 (1)1.2课题研究的意义 (2)1.3课题研究的内容 (3)第二章振荡器简介 (4)2.1振荡器 (4)2.1.1 振荡器分类 (4)2.1.2 振荡器构成 (4)2.1.3 振荡器的应用 (4)2.2 正弦波振荡器 (5)2.2.1 正弦振荡器分类 (5)2.2.2 正弦振荡器的电路组成 (5)2.2.3 正弦振荡器的工作原理 (6)2.3 RC正弦波振荡器 (7)2.3.1 RC选频网络及其特性 (7)2.3.2 RC文氏电桥振荡电路 (9)2.4 LC正弦波振荡器 (10)2.4.1 LC并联电路的频率特性 (10)2.4.2 变压器反馈式振荡电路 (11)2.4.3三点式振荡电路 (12)2.5 本章小结 (13)第三章振荡运放设计 (14)3.1 运放简介 (14)3.1.1 运放的基本结构 (14)3.1.2 运放主要参数 (15)3.1.3理想运算放大器 (16)3.2本设计运放结构 (17)3.3尺寸设计 (18)3.4 运放仿真结果 (20)3.5本章小结 (24)第四章正弦振荡器设计 (25)4.1 电路设计 (25)4.1.1电路图 (25)4.1.2参数确定 (26)4.2 仿真结果 (28)4.3 版图 (29)4.3.1版图设计的目标 (29)4.3.2版图设计的内容 (29)4.3.3版图设计 (29)4.4 本章小结 (31)结论 (32)参考文献 (33)附录一 (34)致谢 (38)第一章绪论1.1 振荡器的发展“摆”可以说是人类历史上的第一代振荡器，这个时候的振荡器主要是用来记录时间，所以也有人把振荡器叫做时钟，第一代振荡器的出现，给人类的生活带来了质的飞跃，从此，人类有了统一的计时工具。