一种频率稳定的改进型CMOS环形振荡器
第２８卷第２期２０】１年２月
机电
工
程
Ｖ０１．２８Ｎｏ．２Ｆｅｂ．２０Ｉｌ
ＪｏｕｍａｌｏｆＭ卵ｈａｎｉｃａｌ＆ＥＪｅｃｔ—ｃａＪＥｎ舀ｎｅｅ—ｎｇ
一种频率稳定的改进型ＣＭＯＳ环形振荡器
吕洁如，秦会斌＋，黄海云
（杭州电子科技大学电子信息学院，浙江杭州３１００１８）
摘要：介绍了一种频率为１．２ＭＨｚ的ｃＭＯＳ环形振荡器的设计，工作电压范嗣是３
Ｖ～６
Ｖ，工作温度范围是一４０℃～８５℃。ｃＭＯＳ
振荡器使用了ｃａｎｄｅｎｃｅ软件仿真工具设计，并采用无锡上华（ｃｓＭｃ）的标准０．５斗ｍ双多晶硅、ｉ层金属ｃＭ０ｓＴ艺制作。为解决振荡频率随电压电源变化较大的问题，在分析传统的环形振荡器的基础上，提出了一种改进型的环形振荡器；然后使用ｃ卸ｄｅｎｃｅ软件，在不同工艺角下，对电路进行仿真和分析，得到了电源电压和振荡频率的对应关系。研究结果表明，电源电压从３Ｖ变化到
６
Ｖ，振荡器输出频率最大变化范嗣为±５％。
关键词：ＣＭ０ｓ集成电路；振荡器；环形振荡器中图分类号：ＴＭｌ３；ＴＮ４３２．１
文献标志码：Ａ
文章编号：１００ｌ一４５５ｌ（２０１１）０２一０２５ｌ—０４
ＩｍｐｒｏＶｅｄＣＭｏＳｒｉｎｇｏｓｃｉｌｌａｔｏｒｗｉｔｈｓｔａｂｌｅｆｒｅｑｕｅｎｃｙ
ＬＶ
Ｊｉｅ—ｍ，ＱＩＮ
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ＤｉａｎｚｉＵｎｉｖｅｒｓｔｙ，Ｈａｎｇｚｈｏｕ３ｌ００ｌ
（Ｃｏｌｌｅｇｅ
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ｌｎｆｏ瑚ａｔｉｏｎ，Ｈａｎｇｚｈｏｕ
８，Ｃｈｉｎａ）
Ａｂｓｔ阳ｃｔ：１．２ＭＨｚＣＭＯＳｒｉｎｇｏｓｃｉＩｌａｔｏｆｏｐｅｒａｔｅｓｕｎｄｅｒｖｏｌｔａｇｅｒ锄ｇｅ３Ｖ～６ＶａｎｄｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｒａＩｌｇｅ一４０℃一８５℃ｗ鹤ｐｒｅｓｅｎｔｅｄ．
Ｔｈｉｓｏｓｃｉｌｌａｔｏｒｃｉｒｃｕｉｔ
ｗ鸹ｄｅｓｉ印ｅｄ诵ｔｈＣａｎｄｅｎｃｅ∞ｆｔｗａｒｅ，ａｎｄｗ船ｆａｂｒｉｃ砒ｅｄ
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５％ｆｂｍｔｈｅｎｏｍｉｎａｌｆＩ．ｅｑｕｅｎｃｙｉｎｔｈｅｗｈｏｌｅｐｏｗｅｒｓｕｐｐｌｙｖｏｌｔａｇｅｒａｎｇｅ３Ｖ一６Ｖ．
Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ＣＭＯＳＩＣ；ｏｓｃｉｕａｔｏｒ；一ｎｇ
ｏｓｃｉｕａｔｏｒ
的开关速度，就要提高振荡的频率，逻辑控制的时钟信
Ｏ
引言
号也是由振荡电路产生。所以，高频高性能的振荡器
设计，是芯片至关重要的环节之一。环形振荡器由于
ＬＥＤ具有寿命长、节能、环保等显著的特点，被誉
为２１世纪的新型绿色照明光源，其市场规模正在逐年扩大。据市场调查公司ＳｔｒａｔｅｇｉｅｓＵｎｌｉｍｉｔｅｄ预测，在２０１０年，ＬＥＤ市场份额将猛增５３％，达到８２亿美元；到２０１４年，ＬＥＤ市场的复合年均增长率（ｃＡＧＲ）将增至３０．６％，达到２０２亿美元…。巨大的市场需求推动
结构简单，广泛用于多种集成电路芯片的设计。但传
统环形振荡器的振荡频率受电源电压变化的影响很大，当电源电压降低５０％时，频率降低５０％以上。
本研究采用新方法设计ＣＭＯＳ环形振荡器，可以
进一步改善冈电源电压变化而引起振荡器输出频率变
化较大的问题（约５％），更利于电子系统的稳定工作，在芯片设计中有相当广阔的应用前景。
了ＬＥＤ驱动ＩＣ的发展，而振荡器是驱动芯片中一个
重要的模块。ＬＥＤ驱动芯片中控制开关的信号频率是由振荡器产生的方波信号频率所决定，要提高芯片
收稿日期：２０ｌＯ一０８一１３
作者简介：吕洁如（１９８７一），女．浙江永康人，主要从事ＣＭ０ｓ模拟集成电路设计方面的研究．Ｅ—ｍｉｌ：ｌｖｊｉｅｍ＠１６３．ｃ咖
通信联系人：秦会斌。男，教授，博士生导师．Ｅ—ｍａｉｌ：ｑｈｂ＠ｈｄｕ．ｅｄｕ．ｃｎ．
・２５２・
机
电
１
ＣＭＯＳ环形振荡器的原理
环形振荡器是由奇数个反向增益级电路首尾相
连构成的，基本的环形振荡器结构如图ｌ所示，设计的振荡器电路采用了５级反相器。根据巴克豪森准则，如果一个负反馈电路的环路增益满足两个条件‘２ｌ：
（１）１日（如ｏ）ｌ≥ｌ；（２）乞日（如。）＝１８００。
那么电路就会在频率∞。处振荡，这两个条件是必要条件，而不是充分条件。反相器的延时就是通过对图１中电容的充放电完成的。
图ｌ
基本的环形振荡器结构
＝
图２基本的带负载的反相器结构
基本的反相器结构如图２所示，ＣＭＯＳ反相器对电容进行充放电造成的时延。可分成上升时延和下降时延来分析，令反相器传输时延为￡。，输出上升时延为ｆ，，输出下降时延为￡，，则振荡器的输出波形周期‘３引：
丁＝，ｌ・ｌ。＝几・（ｔ，＋￡ｒ）／２
（１）
１．１传统的环形振荡器
首先分析ｆ，，假定％对电容ｃ。充电时，ＰＭＯｓ管
都处于饱和状态，则充电饱和电流为：
‘讥一
匕：址卫掣
，’
（２）
、●，
式中：屏＝≮詈，Ｋ一与工艺材料有关的参数，彤卜
ＰＭｏｓ管的宽长比，吃一栅源电压，％一阈值电压。
将匕看作恒流，则输出电压为：
工程第２８卷
‰＝警
（３）
ｆ即为￡，，并且・‰。最大值等于％，因此上升时延
为：
仁者鼍‰
～一戽・（屹＿二１％Ｉ）２
同理可得下降时延为：
■，一
。＝蒲
㈤¨７
．’
、．，，、。
７口。・（屹一Ｉ。）。
（５）
式中：卢。＝Ｋ孚，Ｋ一与工艺材料有关的参数，∥卜
ＮＭＯＳ管的宽长比，Ｋ。一阈值电压。
将式（４）和式（５）代入式（１），可得凡级反相器的环形振荡器的振荡周期：
ｒ＝昔学（击＋壶）‘
（％一Ｋ）２＼卢。‘戽／
㈩…７
其中，假设Ｅ＝Ｋ。＝Ｉ吃ｌ。
因此，振荡器频率／＝１／ｒ，振荡频率可以通过改变反相器的级数或反相器的时延来改变。通过式（６）可知，当
Ｋ一定时，随％减小振荡周期７１增大，频率，减小。
１．２改进的环形振荡器
本研究采用在ＮＭＯｓ管下面串联一个耗尽型
ＮＭＯＳ管的方法来降低％对电路的影响‘７圳。根据上
面的计算方法可以分析出，反相器的上升时延不变，仍为式（４），随电源电压增大，上升时延减小。下降时延发生了变化，由耗尽型管子决定，在放电过程中，耗尽
型始终处于饱和状态，相当于一个电流源，跨导相当大。其漏源饱和电流为：
匕：堕掣掣丛：氅粤
ｏ
ｄ，一，＇
一
，＇
（７）
、’，
式中：几，Ｋ以一耗尽型管子的跨导参数和阈值电压。
因此可得下降时延为：
ｏ
。＝等昔
２有
㈩‘８）
由式（７）可知，随电源电压增大，下降时延增大。
振荡器包含５级反相器，则振荡周期为：
硝中５・字＝订若‰＋糟＝
５心【码＋赢ｊ
５．ｃ．［才骑＋丧］
（９）
式（９）中括号内两项有相互抵消趋势，前一项随
电源电压变化是２阶的，后一项则是１阶的，因此只在
一定的电源电压下才能得到零变化率。
第２期吕洁如，等：一种频率稳定的改进型ｃＭ０ｓ环形振荡器
・２５３・
２
仿真结果
２弘ｍ，Ｃｌ—Ｃ５的肜￡为６０
２．３仿真结果
环形振荡器在３
Ｖ一６
ｐｍ／３４斗ｍ。
２．１仿真模型及工具
本研究采用的ＳＰＩＣＥ模型为无锡上华（ＣＳＭＣ）的标准０．５斗ｍ双多晶硅、三层金属ｃＭＯＳ工艺库，其中，增强型ＮＭＯＳ和ＰＭＯＳ的阀值电压分别为一Ｏ．９５
Ｖ
Ｖ宽输入电源电压范围内，
在ｔｔ、ｓｓ、ｆｆ工艺角下振荡频率的仿真图如图４一图６所示。从图中可以看出，在ｔｔ工艺角下，随电压变化，振荡频率，的变化范围为１．１８５
ＭＨｚ—１．２１
ＭＨｚ；黯工
和０．７０Ｖ，耗尽型ＮＭＯｓ阀值电压为一０．５３Ｖ，仿真工具采用Ｃａｄｅｎｃｅ的Ｓｐｅｃｔｒｅ软件【１０】。２．２元件参数
环形振荡器的完整电路图如图３所示，振荡器核心电路中第一级和最后一级的输出分别接到Ｒｓ触发器的Ｓ端和Ｒ端，产生占空比为８５％的波形，右边为两级反相器整形电路，将输出振荡波形整形平滑，消除
艺角下，振荡频率．厂的变化范围为３７１ｋＨｚ一３８３．５ｋＨｚ；伍
ＭＨｚ一
工艺角下，振荡频率．厂的变化范围为２．８８ｌ
２．９１５
ＭＨｚ。可看出，各工艺角下频率偏移量非常小，
都在５％以下，符合要求；但各工艺角之间／之间差别较大，这与制造工艺和误差有关，制造工艺导致管子的卢。发生较大偏移，使得芯片流片后，各芯片间的振荡频率存在较大差异。这也为后续的逻辑模块设计提出较高要求，即需设计出符合各工艺角下振荡频率的逻辑控制模块。
电路在４．２Ｖ典型电源电压下，环形振荡器输出占空比为８５％的波形如图７所示。从波形上看，平滑整齐，占空比均匀，符合要求。
毛刺。ｐｍｌ一ｐｎｌ５的宽长比肜￡为４０Ⅳｎ／１岬，ｐｎｌ６～
ｐｍ９的肜￡为６斗∥ｌ斗ｍ，ｐｍｌ０和ｐｍｌｌ的肜￡为４０斗ｍ／ｌ¨ｍ，ｎｍｌ一ｎｌＩｌ５的彤￡为ｌＯ“ｍ／１斗ｍ，
ｎｍ６一ｎｍ９的肜￡为３斗ｍ／ｌ斗ｍ，ｎｍｌ０和ｎｍｌｌ的肜
￡为２０斗∥ｌ斗ｍ，ｄｎｍｌ～ｄｎＩＩｌ５的肜￡为２“ｍ／
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一触发器电路
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士印。
振动器核心电路
一
．反相整形Ｉ乜路一
图３振荡器结构图
矿，Ｖ
肌
图６仃工艺角下振荡频率随电源电压变化情况
图４
ｔｔ工艺角下振荡频率随电源电压变化情况
Ｐ，Ｖ
ｔ“坞
图５
ｓｓ工艺角下振荡频率随电源电压变化情况
图７电源电压４．２Ｖ时振荡器输出波形
・２５４・
机电工程第２８卷
Ｊ，ＨＡＲＲＹｗｕ，ＢＯＹｃＥＤＥ．ＣＭ０ｓｃｉｒｃｕｉｔ
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ＢＡＫＥＲＲ
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从仿真结果可看出，所采用的改进型ＣＭＯＳ环形振荡器电路对电压具有较强的容忍度，其频率随电压的变化小于５％，满足了驱动芯片对振荡器的要求。不足之处在于，电路在不同的工艺角下，振荡频率值的变化比较大。总体而言，此振荡器完全可满足ＤＣ／ＤＣ转换器、充电器等电源管理芯片的振荡器要求，且线路简单，十分适合低成本电源管理芯片的应用。参考文献（Ｒｅｆｅｒｅ眦髑）：
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ｍＨ；
ＩＩｉｚｅ璐ｂａｓｅｄｌｏｃｋ
ｏｎ
ｃ删ｅｒ
ｐｈ够ｅ１０ｃｋＬｏｏｐａｎｄ
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［６］ｚＨＯｕＧｕｏ－ｌｉａｎｇ，ｓＨＩｔｉｏｎｏｆ
ａ
ｘｉｎ・ｃｈｕｎ，ＦＵｃｈａｏ，ｅｔ
ａ１．Ｏｐｅｍ－
Ｔｈｒｅｅ・ｐｈ∞ｅｓｏＲＰｈ晒ｅｋｌｃｋｅｄｋ耵ｐＵｎｄｅｒＤｉｓｔｏｒｔ—
ｅｄＶｏｌｔａｇｅｃｏｎｄｉｔｉｏｎｓＵｓｉＩＩｇＩｎｔｅｌｌｉｇｅｎｔＰｌｃｏｎｔｒ０１１ｅｒ【ｃ］／／
结束语
［７］
ｌＣＥＣＳ２００６．１３ｔｈＩＥＥＥ，２００６：３６８—３７７．ＢｏＹｓ
ＪＴ，ＧＲＥＥＮＡｗ．１ｎｄｕｃｔｉｖｅｌｙｃｏｕｐｌｅｄｐｏｗｅｒｔｍｎｓ－
本研究在分析谐振逆变器工作原理的基础上，给出了并联谐振网络的频率响应表达式，并针对谐振软开关逆变器输出波形过零点畸变问题，设计了频率跟踪电路，给出了频率跟踪芯片ＣＤ４０４６的外围连接图。
研究结果表明该频率跟踪电路能很好的实现输出信号与输入信号的零相位跟踪。针对外围的无源低通滤波器，做了详细的推导并给出了传递函数表达式。最后，通过实验验证了频率跟踪电路的跟踪效果达到了预期效果。
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ｗｉｎｄｉｎｇ［ｃ］／／Ｐｒｏｃｅｅｄ堍
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ｓｙｓｔｅｒ璐［ｃ］／／ｒ１１Ｉｅ
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３０ｔｌｌＡｎｎｕａｌｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅｏｆｔｈｅＩＥＥＥＩｎ．
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ａ１．ｓｙｎｃｈ肛
ＪＦ，ＧＡＭＥＩＲ０Ａｓ，ｅｔ
一种频率稳定的改进型CMOS环形振荡器
作者：作者单位：刊名：英文刊名：年，卷(期)：
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本文链接：http://d.g.wanfangdata.com.cn/Periodical_jdgc201102031.aspx