环形振荡器终极指南

2022-03-15

环形振荡器终极指南

在本文中，我们将讨论环形振荡器，它是数字世界中最流行的电路拓扑之一。环形振荡器提供宽调谐范围、小尺寸和多相输出。我们将讨论环形振荡器的基本概念，环形振荡器的功能描述，可以应用的不同拓扑，以及电路的许多应用。 

振荡器是电子产品中最重要和最通用的结构之一。从音频合成器到锁定放大器，它们在信号生成、波形合成和定时器中发挥着重要作用。在数字系统中，振荡器负责产生时序电路的核心：时钟。时钟信号允许电路执行顺序操作，并使其能够精确设置重要事件的时间。因此，不可能设计没有振荡器的数字处理电路。文献中描述了许多类型的振荡器，例如谐振振荡器和基于晶体的振荡器。

振荡器的基本原理

一般来说，振荡器的主要目标是产生特定频率的电压或电流信号。为了实现这一目标，该电路由一个正且不稳定的反馈网络组成。有两种主要类型的振荡电路：谐振线性振荡器和张弛振荡器。谐振振荡器在线性电路的反馈路径中使用 LC 谐振回路，以提供特定频率的正反馈（图 1）。基于晶体的振荡器也属于谐振电路的范畴，它用具有稳定谐振频率的晶体代替了 LC 电路。这些电路的设计遵循巴克豪森振荡标准，该标准规定环路增益必须等于 1，环路周围的相移等于 2π，以维持所需频率的振荡状态。

图 1：使用晶体的谐振振荡器 

另一方面，张弛振荡器使用非线性设备来创建不稳定的网络。该原理包括使用开关器件，例如比较器、运算放大器和晶体管，为电抗器件（电容器或电感器）充电，直到电压电平达到上限阈值。当达到阈值时，电抗器件被放电到较低水平的阈值，之后电路切换回初始状态，并重复该过程。张弛振荡器的幅度和频率由充电/放电网络的时间常数和开关器件的阈值电平定义。因为充放电状态可以使用不同的时间常数和阈值，张弛振荡器可以产生不同形状的不对称波形。

图 2：弛豫振荡器

环形振荡器 

环形振荡器是最简单、最有效、最可靠的振荡拓扑之一，在业界得到广泛应用。电路的工作原理类似于张弛振荡器，尽管技术文献经常将它们视为不同的东西。它由奇数个串联的反相器或非端口组成，最后一个反相器的输出信号被反馈到第一个反相器的输入端。该电路可以在图 3 中看到，在使用三个 NOT 端口的通用实现中。

图 3：三级环形振荡器

环形振荡器的第一个原理是逻辑不稳定性。通过查看图 4，我们可以看到信号被第一个 NOT 端口反相，因此第二个端口的输出等于 。该过程在第二个和第三个反相器中重复，导致总输出信号等于 。通过将该信号反馈到输入端，就变成了一个组合矛盾，因为 ，所以电路在逻辑上是不稳定的。

图 4：逻辑不稳定性 

环形振荡器的第二个原理是反相器引入的延迟，它由每一级输出的 RC 电路定义。这意味着在输入改变后，逆变器的输出将需要几秒钟的时间来更新值，因此电路可以将逻辑矛盾保持一段时间。每个逆变器的延迟计算为将电容器充电（和放电）向上（和向下）到逆变器逻辑阈值所需的时间。带有 RC 网络的电路如图 5 所示。

图 5：具有 RC 网络的三级环形振荡器 

在实际应用中，每个逆变器都被设计成相同的，因此时间常数、阈值和幅度都相同。这意味着输出信号的频率是延迟时间和反相器数量的函数。因此，可以通过改变 Tdelay 或级联逆变器的数量来控制振荡频率。

模拟 

为了更好地理解电路的功能，我们模拟了一个具有三个反相器级的简单环形振荡器。反相器是使用推挽 CMOS 电路实现的，每一级后面都有一个C = 10 pF和R = 1.0 kΩ的 RC 系列。电路如图 6 所示。

图 6：基于 CMOS 反相器的三级环形振荡器

通过在 LTSpice 上运行瞬态仿真，我们得到了图 7 所示的信号。可以看出，输出几乎是轨到轨的，幅度约为 4.4 V 峰到峰。此外，波形几乎是一个正弦函数，频率约为 888 kHz。这意味着反相器延迟约为 375.38 ns。

图 7：三级环形振荡器的输出信号

此外，通过获取每个逆变器输出端的信号，我们可以看到它们的相位相差2π/n弧度，在n = 3时等于 120° 。图 8 中的仿真证实了这一点，它显示了每个阶段的输出，它们之间有 120° 的相位步长。

图 8：各阶段的输出信号

如前所述，环形振荡器的频率可以由反相器级数来定义。然而，重要的是要确保反相器的数量是奇数，这样组合逻辑才会保持不稳定。通过向环形振荡器添加两个新级，我们得到了图 9 所示的电路。

图 9：五级环形振荡器 

五级环形振荡器的输出信号如图10所示。由于饱和，波形比三级情况下的失真明显更大，因此频率成分不太纯净。此外，频率等于 510.5 kHz，比三级情况低约 0.57 倍。这接近于 3/5 的级数比率，这是前面讨论所预期的。

图 10：五级环形振荡器的输出信号

优点和缺点

环形振荡器是一种非常简单且易于设计和实现的电路，非常适合各种设备和情况。然而，有几个限制使它在一些关键应用中望而却步，尤其是那些需要稳定和无抖动时序的应用。在本节中，我们将讨论环形振荡器的主要优点和缺点。

优点

与谐振振荡器相比，环形拓扑的占位面积要小得多，因为它不需要使用 LC 谐振回路或晶体。因此，环形振荡器是片上应用的绝佳选择，但在面积方面存在严重限制。此外，环形振荡器的频率成分比基于弛豫的电路要纯净得多，功率集中在基频上。此外，环形振荡器非常易于理解和设计，频率可以通过反相器级数轻松调整。最后，环形振荡器可以设计为低功耗。 

缺点

单端环形振荡器的主要缺点之一是没有电压控制，这限制了它在需要改变频率的系统中的应用。此外，这些环形振荡器过于依赖电源电压，如果电源不够稳定，可能会导致抖动和频率偏差。这两个问题的一种解决方案是使用差分逆变器，它具有提高抗噪能力的优势。环形振荡器也高度依赖芯片的温度，如果需要高精度频率，这是不可取的。最后，众所周知，环形振荡器比谐振振荡器具有最差的相位噪声和抖动性能。 

环形振荡器应用 

环形振荡器是非常通用的电路，在行业中有多种应用。第一个主要应用是锁相环 (PLL)，其中环形振荡器通常用作主压控振荡器 (VCO)。锁相环是数字系统中的关键组件，适用于信号解调、时钟恢复和倍频器。环形振荡器也广泛应用于测试，包括验证制造效果和新技术。此外，这种振荡器的固有抖动可用于生成随机数序列。最后，环形振荡器可用作温度传感器，因为频率会随芯片温度发生显着变化。