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低功耗低频高精度RC振荡器设计

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rc正弦波振荡电路设计

rc正弦波振荡电路设计

rc正弦波振荡电路设计
RC正弦波振荡电路的设计过程可以按照以下步骤进行：
1.确定振荡频率：根据需要，选择合适的振荡频率。

2.确定电路参数：根据振荡频率，计算RC电路的参数，即电阻R和电容C 的值。

对于正弦波振荡电路，振荡频率f与R和C的关系为f=1/2πRC。

因此，已知振荡频率f，可以求出R和C的值。

3.设计电路：根据计算出的R和C的值，设计RC正弦波振荡电路。

电路一般由放大器、RC电路和正反馈网络组成。

放大器可以选择合适的运放或比较器等器件，RC电路选择相应的电阻和电容器件，正反馈网络可以选择相应的电阻或电容元件。

4.调整电路：在实际应用中，可能需要根据实际情况对电路进行调整，以获得更好的性能。

例如，可以通过调整放大器的反馈系数、RC电路的元件值等来调整振荡频率和幅度。

5.测试电路：在调整完成后，对电路进行测试，观察是否能够正常工作并产生稳定的正弦波输出。

总之，RC正弦波振荡电路的设计需要综合考虑电路参数、元件选择、电路结构等因素，并经过调整和测试来获得最佳性能。

《模拟电子线路实验》实验四 RC低频振荡器

《模拟电子线路实验》实验四 RC低频振荡器

模拟电子线路实验 实验四 RC 低频振荡器【实验名称】RC 低频振荡器【实验目的】1. 掌握桥式RC 正弦波振荡器的电路及其工作原理；2. 学习RC 正弦波振荡器的设计、调试方法；3. 观察RC 参数对振荡频率的影响，学习振荡频率的测定方法。

【预习要点】1. 复习课件中有关RC 振荡器结构与工作原理的内容。

2. 若想改变实验电路的振荡频率，可以通过调整电路中的哪些元件的参数来实现？【实验仪器设备】【实验原理】oR f图4-1 RC 正弦波振荡器图4－1为RC 桥式正弦波振荡器。

RC 低频振荡器在一个在没有外接输入信号的条件下，就可以产生正弦波信号的低频放大器。

它由基本放大器、选频网络和稳幅环节组成。

其中RC 串、并联电路构成正反馈支路，同时兼作选频网络，引入正反馈是为了满足振荡的相位条件，形成振荡。

3R 、w R 及二极管等元件构成负反馈和稳幅环节。

引入负反馈是为了改善振荡器的性能。

调节电位器w R ，可以改变负反馈深度，以满足振荡的振幅条件和改善波形，利用两个反向并联二极管D 1、D 2正向电阻的非线性特性来实现稳幅。

D 1、D 2采用硅管(温度稳定性好)，且要求特性匹配，才能保证输出波形正、负半周对称。

4R 的接入是为了削弱二极管非线性的影响，以改善波形失真。

电路的振荡频率为：012f RC π=起振的幅值条件为：ff 313R A R =+≥ 式中f w 4d //r R R R =+（），d r ——二极管正向导通电阻。

调整反馈电阻f R (调w R )，使电路起振，且波形失真最小。

如不能起振，说明负反馈太强，应适当加大w R ，使f R 增大；如果电路起振过度，产生非线性失真，则应适当减小w R 。

改变选频网络的参数C 或R ，即可调节振荡频率。

一般采用改变电容C 作频率量程切换，而调节R 作量程内的频率细调。

RC 振荡器的设计步骤：1.根据已知的指标，选择电路形式；2.计算并确定电路中的元件参数，选择器件；3.安装调试电路，使电路满足指标要求。

一种低功耗高稳定性晶体振荡器芯片的设计

一种低功耗高稳定性晶体振荡器芯片的设计

1 引言
在现代电子电路系统中, 石英晶体振荡器具有 高的品质因 素, 能 精确 的定义 谐振 频率 ( resonant frequency ) , 提 供 系 统 标 准 参 考 源 ( ref erence source) , 因而扮演了极其重要的角色[ 1] . 晶体振荡 器常常作为系统时钟, 低功耗、高稳定性成为设计时 要考虑的重点因素.
XT AL 和 XT ALN 端的信号 均为非标 准的正 弦信号, 特别是 XT AL N 的振幅范围有可能超过电 源电压的范围, 因此, 在振荡器输出端设计了图 4 所 示的反相器缓冲电路, 对振荡器输出信号进行差分 放大整形. 同时, 利用 XT AL 和 XT AL N 的相位差 为 180! 的 特 性, 保 证 整 形 输 出 的 方 波 占 空 比 为 50% .
图 4 振荡器输出缓冲电路
图 4 中 CB 和 C 为互补使能控制信号. 当 CB 为 低时, C 为高, M 23 和 M24 均截止, 差分电路的偏置 电流被关断, 输出为低功耗模式的高阻态; 当 CB 为 高时, C 为低, 则 M23 和 M24 快速导通, 为放大器
第12 期
陈红梅, 等: 一种低功耗高 稳定性晶体振荡器芯片的设计
107
电路提供偏置电流, 此时, XT AL 和 XT AL N 信号 进行差分放大比较. 当 XT AL 比 XT AL N 高时, 差 分输出节点 A 和 B 的电位均为高, M13 截止, M 14 导通, 节点 P 输出为低, 则缓冲后输出信号 DIV 为 低; 当 XT A L 比 XT AL N 低时, 差分输出节点 A 和 B 的电位均为低, M I13 导通, M I22 截止, 节点 P 输 出为高, 缓冲后输出信号 DIV 为高. 如此循环进行, 输出方波信号 DIV. 由于 XT AL 和 XT AL N 为相位 差为 180!, 可 以 保 证 输 出 的 方 波 信 号 占 空 比 为 50% . 3. 3 使能控制电路

低压低功耗CMOS振荡器的研究与设计

低压低功耗CMOS振荡器的研究与设计

摘要21世纪被称为信息时代，信息和通信技术革命从上世纪开始方兴未艾，以电子技术为基础的无线电通信技术和信息技术已经逐步走向成熟，电子工业的进步给人类生活方式带来了天翻地覆的变化。

新一代的通信技术需要更大带宽的基带芯片，大数据时代处理更多的数据需要更强运算能力的处理芯片，这对集成电路的发展提出了新的要求。

作为电子设备中时钟源信号产生的重要模块，低压低功耗的高精度振荡器一直是国内外学者研究的重点之一。

本论文对工艺、电源电压和温度波动如何影响振荡器输出频率展开研究并提出提高时钟精度的方法,提出了两种不同结构的低功耗的张弛振荡器，在-40-80℃的温度范围内产生32.768kHz目标频率，两种振荡器输出时钟具有较小的温漂和较高的电源线性。

振荡器的性能如下：(1)基于反相器方案的张弛振荡器提出了一种全MOS(Metal Oxide Semiconductor)管PTAT(Proportional to Absolute Temperature)电流源，利用多级反相器和RC延迟单元构成反馈回路作为振荡器核心电路，通过局部电压调整电路为振荡器核心电路供电，实现电源与振荡器核心电路隔离，降低了电源电压波动对振荡器输出频率的影响，此外偏置电路中使用MOS管阈值电压的温度特性对反相器延迟时间的温度波动进行补偿，降低了温度对振荡器温漂特性的影响。

室温下，振荡器输出频率33.769kHz，相对频率变化在-0.049%-0.353%之间，在-40-40℃温度范围内，相对频率变化不超过±0.62‰；(2)基于比较器方案的张弛振荡器使用14nA低功耗PTAT电流源提供偏置，为提高时钟信号精度，对核心电路中电阻进行微调，并进行正负温度系数电阻匹配以降低电阻温漂，同时采用温度系数较小的MOM电容。

为了改善振荡器输出波形，比较器输出级后加入数字逻辑单元，对振荡器波形进行整形和分频，产生我们需要的目标频率。

室温下，PTAT偏置电流源输出14nA，振荡器在1V电源电压下功耗约130nW，产生32.768kHz稳定的时钟信号输出，在-40-80℃范围内温漂为0.14%/℃；电源电压在0.9-1.5V电压范围内稳定输出。

一种新型的rc振荡器电路分析与设计

一种新型的rc振荡器电路分析与设计
这种电路的工作电压极大地影响着它的频率的稳定。本
电极，分别称为漏端 Drain 和源端 Source，在两极中间的
绝缘层上制作一层铝制导电层，从该导电层上引出的电极称
为 G 极。
■■1.2 MOS 管 I-V 特性
当 Vgs 的大小发生变化时，NMOS 管分别有三个工作区：
截止区，线性区，饱和区和击穿区。
Q=Cu I=dq/dt=Cdu/dt 电容 C 放电过程分析：电容 C 在开关闭合前，已经充 有电荷，电容两端电压为 Uc。
图3 RC*（duc/dt）+uc=0 uc=U0*e^(-t/τ) i=(U0/R)*e^(-t/τ) RC 的乘积称为为时间常数，单位是秒 s 它反映了电容 放电的速度。 电容充电过程分析在开关闭合前，电容初始电压为 0。
4 逻辑门概念及应用
逻 辑 门 (Logic Gates) 是 在 数 字 集 成 电 路 (Integrated Circuit) 中基本的单元。简单的逻辑门，例如与门，或门， 非门，均可由晶体管组成来实现。这些晶体管的组合可以使 代表两种信号的高低电平在通过它们之后产生高电平或者 低电平的信号。逻辑门的高、低电平可以分别代表逻辑上的” 真”与”假”，同时，也可以表示二进制当中的 1 和 0，从 而实现逻辑运算。常见的逻辑门包括”与”门，”或”门，” 非”门，”异或”门等等。简单的逻辑门可以组合成为复杂 的逻辑电路，从而实现更为复杂的逻辑运算，达到特殊的应 用目的。
实ห้องสมุดไป่ตู้研究
一种新型的 RC 振荡器电路分析与设计
裴可怡 （郸城县第一高级中学，河南周口，477150）
摘要：基于RC充放电的基本原理和实际运用于电路所存在的问题，本文提出了一种新型的RC振荡器电路结构。该振荡器的最低工作电压 可小于1V，工作频率为500kHz，通过改变电阻阻值可以调节振荡器的工作频率。RC振荡电路主要由MOS管，电容，电阻等元器件组成， 结构简单，便于集成。本文设计的RC振荡器的动作过程具有电容器充电和放电两个阶段，充电阶段可使电容线性充电，充电时间可控；放 电阶段由开关管控制，瞬间放电。本文设计的RC振荡器具有工作电压低，偏置电流不受电压波动的影响，工作功率低等优点，电流只需几 微安就能完成动作过程，可在实际设计中广泛应用，具有现实意义。

一种高精度RC振荡器的设计

一种高精度RC振荡器的设计

一种高精度RC振荡器的设计邓玉清;葛兴杰;宣志斌【摘要】提出了一种基于CSMC 0.25 μm CMOS工艺、输出高精度方波信号的低成本RC振荡器.采用正负温度系数电阻的线性叠加,产生不受温度影响的充电电流,消除了温度对精度的影响.增加修调电容,补偿工艺偏差对精度的影响,实现高精度的振荡输出.采用Spectre对电路进行温度扫描和电压变化仿真,结果表明在宽温度范围(-55～125℃)和宽电源电压范围(2.7～5.5 V)得到了非常稳定的振荡输出,受温度影响的频偏最大为1％,受电源电压变化的频偏仅为0.26％,适合电源管理芯片应用.【期刊名称】《电子与封装》【年(卷),期】2019(019)001【总页数】4页(P28-31)【关键词】高精度;RC振荡器;CMOS工艺【作者】邓玉清;葛兴杰;宣志斌【作者单位】中国电子科技集团公司第五十八研究所,江苏无锡214072;中国电子科技集团公司第五十八研究所,江苏无锡214072;中国电子科技集团公司第五十八研究所,江苏无锡214072【正文语种】中文【中图分类】TN4021 引言电源管理芯片中，需要一种能产生几乎不随环境温度、电源电压和工艺变化的时钟信号发生电路。

比较常见的有RC振荡器、环形振荡器和晶体振荡器。

RC振荡器结构简单、成本低廉，因而受到非常广泛的应用，但其振荡频率一方面受电压的影响，电阻和电容与工艺也有关系，因此精度和振荡频率较低[1]。

环形振荡器结构简单，振荡频率较高，但对电源噪声比较敏感，版图布局面积较大[2]。

晶体振荡器的频率比较稳定，但不能集成到芯片内部，而且精度只与所选择的晶体器件的固有频率有关[3]。

本文提出了一种新型的RC振荡电路，稳定性高，输出可调节，电压范围宽(2.7～5.5 V)，适用温度范围广(-55～125℃)，可广泛应用在电源管理芯片电路中。

2 传统RC振荡器结构与原理图1是一种传统的RC振荡器，由反相器INV1、INV2以及电阻R1、电容C1构成。

一种带有自动校准机制的超低功耗RC振荡器设计

一种带有自动校准机制的超低功耗RC振荡器设计钟翔宇;沈婧雯;王宁;陈运生;李彦武【摘要】本文采用TSMC 0.18 μmCMOS工艺设计了一种起振快速、超低功耗、带有自动校准电路的RC振荡器.本次设计的振荡器内部MOS管工作在亚阈值区域以达到降低芯片功耗的目的,最终芯片总电流消耗为0.15 μA.同时,采用自动校准电路补偿了温度差异、工艺偏差、电压波动对于振荡器输出频率的影响.校准后,输出频率偏差控制在1％以内.该振荡器能够实现精准的频率输出,满足高精度、高稳定度的频率要求.%An ultra low power 、fast start-up RC oscillator with auto-calibration is implemented using 0.18um CMOS process.The RC oscillator operates in the subthreshold region in order to reduce the current consumption.The total current consumption is 0.2 μA.The output frequency of thte RC oscillator is very weakly dependent on process 、temperature variation and voltage fluctuation using autocalibration.After calibration,the output frequency is 32 kHz with 1％ frequency offset.The RC oscilator can meets the requirements of high precision,high stability.【期刊名称】《电子设计工程》【年(卷),期】2018(026)007【总页数】5页(P156-159,164)【关键词】RC振荡器;超低功耗;自动校准;高精度【作者】钟翔宇;沈婧雯;王宁;陈运生;李彦武【作者单位】国网湖南省电力公司信息通信公司,湖南长沙410007;国网湖南省电力公司长沙供电分公司,湖南长沙410002;国家电网公司信息通信分公司,北京100761;国网湖南省电力公司信息通信公司,湖南长沙410007;国网湖南省电力公司信息通信公司,湖南长沙410007【正文语种】中文【中图分类】TN99随着电子科技水平的高速发展，集成电路芯片已广泛应用于医疗、金融、消费等各个领域。

一种新型可修调高精度低功耗rc振荡器设计

1引言随着半导体行业发展，CMOS 工艺的不断提高，芯片的尺寸越来越小。

对芯片内部的各个功能模块低功耗、高稳定、高精度等要求越来越高[1]。

在集成电路领域，无论是数字集成电路中还是混合集成电路中，都使用振荡器电路，如半桥驱动器、MCU 等电路。

振荡器模块作为系统时钟产生的关键部件，广泛应用于电子及通信系统中，尤其在锁相环电路、时钟恢复电路中更是重中之重[2]。

所以，以CMOS 工艺为基础的可修调RC 振荡器[3-5]成为近年的研究重点。

一般的RC 振荡器输出频率容易受环境温度影响，温度特性较差。

为了得到更好的温度特性，提出一种新型可修调高精度RC 振荡器，通过修调手段提高温度特性，使输出频率变化控制在0.5%以内。

2现有技术中的一种振荡器振荡器通过逻辑控制器使能可控开关对电容器一种新型可修调高精度低功耗RC 振荡器设计林雨佳，范超（中国电子科技集团公司第四十七研究所，沈阳110032）摘要:针对传统RC 振荡器速度慢，精度低等问题，提出了一种新型可修调高精度RC 振荡器，振荡器由两个比较器、控制单元、可控开关、电容和电阻组成。

比较器通过比较电容电压值和基准电压值，产生信号控制开关状态使电容完成循环充放电的过程，产生连续不断的振荡波形。

采用双斜坡与偏置电压轮流比较的工作方式实现高频时钟。

这种做法的优势是振荡频率只与充电时间有关，而与放电时间无关，不考虑放电时间延迟对频率的影响。

本论文通过调节放大器输出阻抗，引入一部分输入失调电压，通过调节比较器延迟的绝对值，改变其温度系数，补偿后级数字逻辑延迟时间的温度特性。

关键词：可修调；高精度；失调；RC 振荡器；低功耗；补偿；温度系数DOI ：10.3969/j.issn.1002-2279.2020.01.003中图分类号:TN402文献标识码:A 文章编号：1002-2279（2020）01-0010-04A New Design of Adjustable High Precision Low Power RC OscillatorLIN Yujia,FAN Chao(The 47th Institute of China Electronics Technology Group Corporation,Shenyang 110032,China )Abstract:Aiming at the problems of slow speed and low precision of the traditional RC oscillator,a new type of high-precision RC oscillator can be repaired.The oscillator consists of two comparators,a control unit,a controllable switch,a capacitor and a resistor.By comparing the capacitor voltage value with the reference voltage value,the comparator generates a signal to control the switching state to complete the cycle of charging and discharging of the capacitor,and generates a continuous oscillation waveform.The high frequency clock is realized by a working mode in which the double ramp is compared with the bias voltage.The advantage of this approach is that the oscillation frequency is only related to the charging time,and is independent of the discharge time,regardless of the effect of the discharge time delay on the frequency.In this paper,by adjusting the output impedance of the amplifier,a part of the input offset voltage is introduced.By adjusting the absolute value of the delay of the comparator,the temperature coefficient is changed to compensate the temperature characteristic of the digital logic delay time of the latter stage.Key words:Adjustable;High precision;Offset;RC oscillator;Low power consumption;Compensation;Temperature coefficient作者简介：林雨佳（1987—），男，辽宁省沈阳市人，工程师，理学硕士，主研方向：模拟集成电路设计。

一种新型高精度的RC振荡器设计

在 分 析 传 统 RC 振 荡 器 的 基 础 上 提 出 了 一 种 改 进 型 的 RC 振 荡 器 袁使 其 克 服 了 频 率 不 稳 定 尧易 受 工 艺 偏 差 和 比 较 器 失 调 尧延 时 影 响 等 问 题 遥
1 传统的 RC 振荡器及其工作原理
图 1 传统 RC 振荡器及其时序图 Figure 1 Traditional RC oscillator and its timing diagram
收稿日期院2018-10-12 基金项目院福 建 省 中 青 年 教 师 科 研 项 目 渊JAT170589冤曰武
夷 学 院 校 科 研 基 金 渊XD201513冤遥 作者简介院张 明 文 渊1986-冤袁男 袁汉 族 袁讲 师 袁主 要 研 究 方
向 院混 合 信 号 集 成 电 路 设 计 遥
传 统 的 RC 振 荡 器 结 构 和 时 序 图 [5]如 图 1 所 示 遥主 要 利 用 电 流 源 在 电 阻 R 和 电 容 C 上 产 生 电 压 袁利 用 比 较 器 比 较 其 电 压 袁并 周 期 性 对 电 容 进 行 充 放 电 来 实 现 遥 具 体 工 作 原 理 如 下 院电 路 刚 开 始 工 作 时 假 定 V O 为 低 电 平 袁此 时 M1 截 止 袁电 流 I1 在 电 阻 R 上 产 生 VR= R*I1 的 电 压 袁 电 流 I2 对 电 容 C 充 电 产 生 V C 电 压 袁当 VC 电 压 超 过 VR 后 比 较 器 翻 转 袁输 出 VO 变 为 高 袁开 关 管 M1 导 通 袁电 容 C 通 过 M1 开 始 放 电 袁由 于 比 较 器 失 调 和 延 时 [6]的 存 在 袁输 出 V O 并 不 是 立 即 翻 转 袁电 容 C 会 持 续 放 电 一 段 时 间 袁V C 电 压 趋 近 于 0袁此 时 V O 变 为 低 电 平 袁开 关 管 M1 关 断 袁电 流 I2 开 始 对 电 容 C 充 电 遥 以 上 过 程 不 断 重 复 袁电 路 就 是 在 这 样 的 循 环 中 产 生 出 振 荡 的 V O遥 其 时 序 图 也 见 图 1袁V R=R*I1 为 定 值 袁电 容 电 压 VC 慢 慢 线 性 增 加 袁 在 VC 等 于 VR 时 由 于 比 较 器 存 在 失 调 和 延 时 袁V O 并 不 是 立 即 翻 转 袁 而 是 保 持 原 状 态 袁直 到 V C 电 压 上 升 到 V C=R*I1+V OS袁其 中 为 V OS 比 较 器 的 失 调 电 压 袁这 个 时 候 VO 才 翻 转 袁比 较 器 的 失 调 电 压 最 终 会 转 化 成 总 的 延 时 时 间 袁充 电 时 间 主 要 取 决 于 电 阻 R尧电 容 C 的 大 小 尧电 流 I1 和 I2 的 比 例 和 延 时 时 间 遥 V O 翻 转 后 袁M1 开 启 袁电 容 C 开 始 放 电 袁放 电 时 间 取 决 于 电 容 C 的 大 小 和 M1 晶 体 管 所 允 许 流 过 的 电 流 大 小 遥在 一 个 振 荡 周 期 中 袁其 周 期 时 间 由 充 电 时 间 tCharge 尧 延 时 时 间 tdelay 和 放 电 时 间 t 组 disCharge Байду номын сангаас [7]袁其 中 为 了 表 示 方 便 袁将 tCharge 表 示 为 t1尧延 迟 时 间 tdelay 表 示 为 t2 和 放 电

一种新型高精度RC振荡器电路设计

2005 年 2 月 JOURNAL OF CIRCUITS AND SYSTEMS February ， 2005 文章编号：1007-0249 (2005) 01-0147-04一种新型高精度RC 振荡器电路设计*刘帘曦， 杨银堂， 朱樟明， 雷晗（西安电子科技大学 微电子所，陕西 西安 710071）摘要：在对传统的振荡器电路的分析比较基础上，基于振荡器的基本工作原理，结合误差比较器技术，提出了一种新型高性能低功耗的RC 振荡器。

利用CSMC 的DPDM Bsim3模型和Cadence 的Spectre 仿真器对该电路进行了模拟和仿真，结果表明该电路与传统的振荡器相比具有精度高、功耗低的优点。

最后对该电路进行版图设计，版图面积为70.5×62.5µm 2。

关键词：RC 振荡器；高精度；周期；误差比较器中图分类号：TN402 文献标识码：A1 引言在VLSI CMOS 电路设计中常常要用到一类专门用于产生信号的电路。

即振荡电路。

它可以将直流功率转换成为周期性的波形信号。

在设计中，常用到的振荡器有三种[1~3]：RC 振荡器，环形振荡器和晶体振荡器。

RC 振荡器是应用最为普遍的一种振荡器电路，它的结构简单，成本较低，另外该电路功耗也较低。

但是这种电路的工作电压极大地影响着它的频率，工艺相关性比较差，精度较差。

环形振荡器的振荡频率范围很宽，稳定度较高。

但是对电源噪声很敏感，布局尺寸面积较大。

晶体振荡器频率很准，而且工作稳定，其精度只与所选择的晶体器件固有频率有关。

但是它的功耗较大，不能集成在芯片内部。

本文提出了一种新型的RC 振荡电路，该电路结构简单，能够在不增加功耗的条件下提高RC 振荡器的精度，并且克服了传统RC 振荡器波形占空比不易调节的缺点。

本文的第2部分介绍了两种比较常见的传统RC 振荡器；第3部分给出新型的高精度振荡器的原理图，并且对它的周期进行分析和仿真，并对电路进行了物理级的版图设计；第4部分是将仿真结果比较后得出的结论。

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图10差分转单端输出以及波形整形电路
同时，利用XTAL和XTALN的相位差180°的特性，保证整形输出的方波占空比为50%。图8中CB和C为互补使能控制信号。当CB为低时，C为高，M23和M24均截止，差分电路的偏置电流被关断，输出为低功耗模式的高阻态；当CB为高时，C为低，则M23和M24快速导通，为放大器电路提供偏置电流，此时,XTAL和XTALN信号进行差分放大比较。当XTAL比XTALN高时，差分输出节点A和B的电位均为高，M13截止，M14导通，节点P输出为低,则缓冲后输出信号DIV为低;当XTAL比XTALN低时,差分输出节点A和B的电位均为低，MI13导通,MI22截止，节点P输出为高，缓冲后输出信号DIV为高，如此循环进行,输出方波信号DIV.由于XTAL和XTALN为相位差为180°,可以保证输出的方波信号占空比为50%。
对于N级环形振荡器的频率可以表示为： ，在本电路中N取3对于每一级环形振荡器，则其具体的电路如图5所示
图5单级环形振荡器电路
其原图模型为图6所示
图6单级环形振荡器电路原图模型
针对单级环形振荡器的分析如下：由:
而对与 可以由公式 求得，因此可以得到下面的结论：
带对称负载的差分延时单元如图6所示由源极耦合对和对称负载单元构成其中对称负载单元由一个二极管连接的PMOS管和相同尺寸、偏置于 的PMOS器件并联构成。研究表明对称负载单元的延时能够通过控制电压的精确控制,同时具有较高的电源噪声抑制能力器件构成的电流源动态的偏置于,用来补偿漏极和衬底电压的变化,实现等效于共源共栅电流源的特性因此带对称负载的差分延时单元能够实现较高的电源和衬底噪声抑制能力。
2.
根据图2所示，经过3级环形振荡器输出的波形为双端波形，因此需要加上相应的电路将双端转化为单端输出，即需要将相应的Vout+，以及Vout-转换为单端输出因此需要用到图9的差分转单端电路：
图9差分转单端电路
但是考虑到由于经过振荡器振荡得到的电路仍然是正弦波，而该电路的要求是需要输出占空比为50%的方波信号，即需要添加反相器实现该功能，而且正弦波变方波的最好方式也是利用差分对比较进行实现，故对图7进行改进设计，使其可以兼顾但端输出以及正弦波变方波功能，即实现一个电路两种功能的作用，环形振荡器的差分输出最后经过一个过零比较器之后,得到输出摆幅是满幅,占空比是1∶ 1的单端时钟信号VOUT，XTAL和XTALN端的信号均为非标准的正弦信号，特别是XTALN的振幅范围有可能超过电源电压的范围，因此，在振荡器输出端设计了图8所示的反相器缓冲电路，对振荡器输出信号进行差分放大整形，具体电路图10所示：
3
对于本次的电路设计，我们的设计方案经过了很多次大的变动，一开始我们打算利用我们所学的石英晶体振荡器进行设计，即结合图11，图12进行设计:
图11传统结构Pierce振荡器图12低功耗振荡电路
但是实际在设计电路时，我们却发现由于我们的工艺库并不支持石英晶体，因此这一方案只得放弃。
接下来留给我们的方案只有RC振荡器方案，以及LC振荡器方案两种可以选择。考虑到RC振荡器电阻R受到外界包括温度变化，电压变化，工艺条件不同等的影响，造成的结果变化值可以达到±30%，这样的结果是具有极大的不稳定性，而相应的LC振荡器则受这些因素的影响较小，故我们一开始的思路是使用LC电路，即利用LC振荡器，利用（1）LC振荡器（2）缓冲模块（整形模块，受信号控制）（3）控制模块（用于模式切换）这三个模块共同组成电路。
传统的Pierce振荡器如下图所示。M1作为放大器,R1为负载电阻，反馈电阻Rf用来稳定放大管的静态工作点,结构非常简单,得到了普遍的应用。但是如果使用电阻直接作为负载功耗太大,且电阻占用的版图面积大,不利于芯片集成；另外,振荡器电路没有对振荡电流的限制,很可能因为振荡能量过大而使晶振受损,功耗大大增加。针对这些不足,文中对传统Pierce结构进行了改进:(1)设计了带使能控制的、快速起振的振荡电路,以降低电路功耗；(2)设计了振荡器输出缓冲电路,对振荡器输出信号进行放大整形,调整输出信号占空比为50%,隔离负载电路的影响，以提高输出信号的稳定度；(3)设计了使能控制电路,不仅实现整体电路使能控制，还可以在电路不起振时关断部分电路,以进一步降低电路功耗。
将三级环形振荡器连接起来后得到图7的效果总图：
对比较器的单仿
图7三级环形振荡器
为了降低电源电压给振荡频率带来的影响，本设计在振荡器内部集成了一个线性稳压器。此线性稳压器一方面给振荡器电路提供电源VDD（在SoC系统中，其他模块的电源亦可由此线性稳压器提供），另一方面，该线性稳压器内部带隙电压源产生的基准电压VREF为温度补偿电路所需的的基准电压提供了来源。电路原理图如下图所示：
2.3
在现代电子电路系统中,石英晶体振荡器具有高的品质因素,能精确的定义谐振频率,提供系统标准参考源,因而扮演了极其重要的角色。晶体振荡器常常作为系统时钟,低功耗、高稳定性成为设计时要考虑的重点因素。
为了保证可靠的起振，振荡器在开始起振时的环路增益T =AF要大于 1，一般情况下取T =AF的值为 5 到 10，于是依靠振荡器在接通电源的瞬间产生的电流突变以及电路内各种微弱的噪声通过振荡环路内的选频回路选频，循环的送入放大器放大和反馈而保证了幅度的不断增长，但是随后又必须限制其增长，使振荡器达到平衡T =AF =1。使振荡器的输出信号达到幅度平衡一般可分为外稳幅和内稳幅两种方法，由于内稳幅方法是利用晶体管本身固有的非线性来实现振荡平衡，其功耗和信号的非线性失真往往比较大，所以对于低功耗和低相位噪声的应用一般都是采用外稳幅方法，它是在电路设计上采取一些外界措施帮助振荡器在起振过程中，将自动调节为平衡时T =AF =1，从而减弱晶体管的非线性工作程度，以改善输出信号波形，减少相位失真，并可以控制输出信号幅度和电路功耗的大小。
图4三环形压控振荡器
该电路的基本工作原理为: OSC振荡电路以噪声作为起振的原始激励信号,输出稳定的正弦信号:BUFFER振荡输出缓冲电路对前一级输出的正弦信号进行放大整形,得到占空比为50%的方波信号;分频电路对输出的方波信号进行频率调整,以得到适合不同频率信号源;频率调整后的方波信号通过高性能的输出缓冲电路,提高芯片的带负载能力,为各种电子系统提供准确的频率基准源。然后将得到的Vout+，以及Vout-经过差分转换电路，得到单端输出结果。
2.
考虑的使用“武汉新芯标准55nm工艺”，因此需要首先对相应管子进行单仿，经过单仿发现，在该工艺条件下，个器件的特性与此前接触的工艺下，并没有太大变化，可以仍然按照以前的方式进行使用，即不需要在电路设计中进行特别设计。下图为NMOS的I-V特性曲线图1所示：
图1
2.3
为了实现低功耗，低驱动电压，高工作频率，高稳定性的要求。本文提出了一种解决环形振荡器温度漂移的高阶补偿方案，利用MOS管的I-V特性和双极型晶体管正向电压的负温度系数，产生补偿电压进而控制环形振荡器的振荡频率。同时利用线性稳压器对电压的波动进行抑制，使其具有良好的电压特性。因此本电路在设计环形振荡器时间将利用到环形振荡器模块，电压补偿模块，温度补偿模块，工艺补偿模块，延时模块，从而实现电路的高效，高稳定性工作。
4.3.3输出频率随工艺变化产生波动27
4.4起振时间分析30
5.性能总结31
6.心得体会32
7参考文献33
8附录33
1
Foundry: XMC
Process: 55lp
Supply Voltage: 1.08~1.32V
Die Temperature: -20~85C
Output swing: rail to rail
第三届“九同方”杯
大学生集成电路设计大赛
作品报告暨华中科技大学暑期生产实习报告
比赛题目：
A LowPower48MHz Oscillator usingXMC55lp Process
（本科生组）
队名：
姓 名:
学 号：
专 业：
目录
1.题目要求3
2.设计思路3
2.1引言3
2.2各个原件的参数特性单仿3
2.3电路设计4
具体的电路工作流程如图1所示：
图2振荡器体系结构
该体系结构的工作原理分析如下:
如图1电路所示，线性稳压器线性稳压器将片外的电源电压VBAT转换成内核电压VDD，提供给电压补偿电路，温度补偿电路，工艺补偿电路，振荡器主体电路和差分转单端电路，此外，补偿电路中的基准电压VREF由线性稳压器提供。环形振荡器是产生波形的主体电路，由差分延时单元组成，其输出通过一个差分转单端的电路，将差分信号转换成适用于标准方波信号输出，其占空比为50%。补偿电路根据环境的变化，产生适当的VCTRL电压，通过偏置电路来影响环形振荡器的振荡频率，使其保持在48MHz不变。
Output frequency: 48MHz; typical,
<+-2% with trimming across process; (15%)
<+-6% across supply voltage and temperature (30%)
Duty cycle: 50%+-10% (15%)
Operation current: typical 120uA (20%)
Disable current: typical 0.5uA (10%)
Startup time: typical 5us (10%)
2
振荡器广泛应用于医学、航空、通讯和电子等领域。尤其在集成锁相环中振荡器是必不可少的电路集成压控振荡器有几个重要的性能参数如低功耗、低相位噪声和小的版图面积。本文所提到的压控振荡器都是指集成压控振荡器对于振荡频率在48MHZ的振荡器。对于振荡频率在1GHZ以下的振荡器,LC型压控振荡器版图面积过大、品质因子较低,并且便于采用标准工型压控振荡器版图面积过大、品质因子较低。而环形压控振荡器能够提供相对较高的相位噪声、宽泛的震荡频率范围、较小的版图面积和较低的功耗。本文采用“武汉新芯标准55nm工艺”使用环形振荡器电路实现功能。