CMOS正弦振荡器设计

1、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

2、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

3、. 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 c

4、rystal 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

5、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 simulati

6、on 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

7、 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; Ci

8、rcuit simulationIV目录摘要IAbstractII第一章 绪论11.1 振荡器的发展11.2课题研究的意义21.3课题研究的内容3第二章 振荡器简介42.1振荡器42.1.1 振荡器分类42.1.2 振荡器构成42.1.3 振荡器的应用42.2 正弦波振荡器52.2.1 正弦振荡器分类52.2.2 正弦振荡器的电路组成52.2.3 正弦振荡器的工作原理62.3 RC正弦波振荡器72.3.1 RC选频网络及其特性72.3.2 RC文氏电桥振荡电路92.4 LC正弦波振荡器102.4.1 LC并联电路的频率特性102.4.2 变压器反馈式振荡电路112.4.3三点式振荡电路122.

9、5 本章小结13第三章 振荡运放设计143.1 运放简介143.1.1 运放的基本结构143.1.2 运放主要参数153.1.3理想运算放大器163.2本设计运放结构173.3尺寸设计183.4 运放仿真结果203.5本章小结24第四章 正弦振荡器设计254.1 电路设计254.1.1电路图254.1.2参数确定264.2 仿真结果284.3 版图294.3.1版图设计的目标294.3.2版图设计的内容294.3.3版图设计294.4 本章小结31结论32参考文献33附录一34致谢38CMOS正弦振荡器设计第一章 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

10、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。第一代振荡器造就了钟表的出现，但是振荡器对人类的贡献还远远没有结束。几十年以后，人类又发明了电子振荡器。 电子振荡器可以称做第二代振荡器，它的出现，成就了无线电通信和有线通信，后来的广播电视，电报电话，都是在高频振荡频率上面加载了各种信号进行传送。 第一代振荡器属于机械振荡器，它有一个很大的缺点，就是频率很低，只能用作钟的基准。同样，第二代振荡器电子振荡器也有其致命的缺点，就是噪声非常大，而且是频率越高噪声越大，这一缺点是因为电路本身的特征所决定的，也是无法克服的。但

11、是，人类是不会因为这点困难而停止探索的步伐，振荡器的发展也依旧没有结束。随着材料科学的发展，一种叫做人工水晶的晶体材料诞生了。 近代，科学家发现，水晶有着一个奇异的电子特征压电效应，就是说，如果给水晶材料施加压力，在它的两端就会出生电压，相反，如果在它两端加上电压，水晶本身就会产生变形。如果这种电压按照一定的规律反复加减，水晶就会产生振荡。随着水晶的体形不同，产生振荡的频率也会不一样。将特殊切、磨好的水晶片焊上电极加入到电路当中，就成了一个高质量的振荡器。 石英振荡器的普及，使得人类的生活质量向前进了一大步。石英振荡器的特点是频率高、振荡稳定、噪声低、体积小、价格便宜，这使得它成为了推动电子产

12、品技术发展的重要基础。从各方面来说，石英振荡器都是一个非常优秀的振荡器，同时由于它的价格低廉，已经成为当今电子产品不可或缺的东西。 然而，人类对科技进步的要求总是那样贪得无厌，虽然我们已经享受到了电脑、手机、家用电器给我们带来的生活质量上的飞跃，可是我们依旧在抱怨计算机运算速度慢、上网的网速慢、手机信号不好等，这些要求都给石英振荡器出了难题，因为人类对石英振荡器的使用已经达到了极限。最重要的一点就是，石英振荡器的频率已经不能再高了。 石英振荡器的频率高低，是由它的晶体厚度来决定的，厚度越薄，频率越高。现在的高频石英振荡器已经薄得像纸一样不能再薄了。可是它提供的频率高度依然不能满足人类不断增长的

13、使用要求。 终于，在上世纪九十年代，工作于美国宇航局喷气动力实验室的华裔科学家姚晓天博士发明了光电振荡器，打破了人类振荡器开发进步的僵局。这种振荡器频率比最快的石英振荡器高近一千倍，而噪声却比石英振荡器还低，且振荡频率不受外界环境影响，成本也能够降得很低。 那么，什么是光电振荡器呢？这要从前面所说的几种振荡器的工作原理谈起。 如果总结一下上面振荡器产生振荡的原理你会发现，振荡器的振荡，就是两种能量形式之间的有规律地相互转换。 对于电子振荡器来说，因为它是由电容和电感构成，所以它的振荡是通过电场能量和磁场能量之间的不断转换而形成振荡。 石英振荡器的工作原理和上面两种振荡器有较大区别，上面的两种振

14、荡器只是同一种能量的不同能量形式之间的转换，而石英振荡器是电能和机械能之间的转换，给石英晶体压力，它两端就产生了电压，机械能变成了电能。给它加电压，它就产生形变，电能变成了机械能，这样周而复始，形成了振荡。 光电振荡器是一种全新的能量转换方式，它是通过光能和电能之间的不断转换而产生振荡。 光电振荡器基本构成为激光光源、电光调制晶体、光存储单元，激光通过电光调制进入光存储单元，在光存储单元传播一段路径以后再由电光调制器转换成电能，通过电能存储后再次转换为光进入光存储单元，如此周而复始实现振荡。 光电振荡器因为使用了光能作为振荡能量转换媒介，所以噪声低，频率高，不受外界环境变化的影响。成为当今振荡

15、器中综合性能最好的振荡。 纵观振荡器的发展历程，机械振荡器的出现让人类有了准确的时间概念。电子振荡器的出现给人类带来了远程通讯。石英振荡器的出现带来了数字电信号的实现，使得电子技术和人类的生活息息相关。现在，一个性能更加优良的振荡器问世了1。1.2课题研究的意义振荡器主要适用于各大中院校、医疗、石油化工、卫生防疫、环境监测等科研部门作生物、生化、细胞、菌种等各种液态、固态化合物的振荡培养。振荡器的作用是将直流电变交流电。正弦波振荡器是模拟集成电路中的一种基本电路，它在生物医学、地球物理和控制仪表系统中，以及在超声波探伤、无线广播信号的发送和接收中,都有较为广泛的应用，而且在伺服装置、测试设备及

16、通讯系统中也经常需要性能稳定且频率精确的正弦波源。人们已经对正弦波振荡器做了大量的研究，尤其对用单个运放，改变一个电阻的阻值就能调频的正弦波振荡器，并提出了很多结构的振荡电路。正弦波振荡器的硬件多以模拟电路为主，无论是RC振荡器还是LC振荡器，其精度还有体积都难以满足越来越高的要求。本课题即为顺应市场对振荡器的微型化、集成化的需求，采用较容易实现的RC正弦波发生电路进行集成化的设计，从而对于正弦振荡器的集成方面进行有益的尝试。1.3课题研究的内容本课题的主要研究内容是在充分调研目前存在的各种正弦波振荡器的原理和性能的基础上，选择其中适合集成的电路结构，设计一种集成的正弦波振荡器，利用电路设计和

17、仿真软件进行电路的设计和仿真，改进电路参数，最终实现电路的优化设计。本课题的主要研究内容：1、查阅国内外相关资料，了解国内外正弦波振荡电路的发展状况、性能要求和指标，在深入分析正弦波振荡电路的工作原理，掌握正弦波振荡电路设计思想的基础上确定集成正弦波振荡器的最优方案。2、根据电路的具体要求和正弦波振荡电路的性能要求的参数和指标，确定具有高增益，高输入输出摆幅，高驱动能力的运算放大器的CMOS电路结构，并利用Tanner EDA工具软件进行设计和模拟，进而对整个正弦波振荡电路并进行设计和模拟。3、在确定电路结构的基础上，对于电路的各部分参数进行计算和仿真验证，对电路参数进行反复的分析和调整，优化

18、电路，使之满足性能要求。第二章 振荡器简介2.1振荡器振荡器是一种不需外加信号激励而能自动将直流能量变换为周期性交变能量的装置。从能量的观点看，放大器是一种在输入信号控制下，将直流电源提供的能量转变为按输入信号规律变化的交变能量的电路，而振荡器是不需要输入信号控制，就能自动地将直流电源的能量转变为特定频率和幅度的交变能量的电路2。2.1.1 振荡器分类振荡器：按振荡波形分类：正弦波振荡器、非正弦波振荡器。按工作机理分类：反馈振荡器、负阻振荡器。按选频网络分类：LC振荡器、RC振荡器、晶体振荡器、压控振荡器、压控晶体振荡器、集成振荡器、开关电容振荡器。2.1.2 振荡器构成振荡器正常工作，必须有

19、以下四个部分3（1）放大器：至少有一个有放大作用的有源器件（2）正反馈通路或负阻：必须有一个能够补充元器件能量损耗的正反馈通路或负阻器件，以保证有稳定的振荡（3）频率决定元件或回路：振荡器必须有频率决定元件或回路，如电阻、电容、电感、和晶体，以及它们构成的选频回路、相移网络、或延时网络（4）电源：为振荡器提供能源2.1.3 振荡器的应用通信系统中有广泛的应用：混频器的本振信号，调制的载波信号、解调的本地载波信号，时钟、定时电路、电子测量设备的基准信号。工业生产部门广泛应用的高频电加热设备：微波炉，电疗设备等。2.2 正弦波振荡器正弦振荡器是一个没有输入信号的带选频网络的正反馈放大器。利用具有选

20、频特性的电路来选择某一个频率的信号使其满足振荡条件，则振荡器输出信号的频率即决定于选频网络的特性，且在没有激励信号的情况下，能自动的将直流电源能量转换为周期性交流信号输出的电子电路4。正弦波振荡器广泛用于各种电子设备中。此类应用中，对振荡器提出的要求是振荡频率和振荡振幅的准确性和稳定性。正弦波振荡器的另一类用途是作为高频加热设备和医用电疗仪器中的正弦交变能源。这类应用中，对振荡器提出的要求主要是高效率地产生足够大的正弦交变功率，而对振荡频率的准确性和稳定性的要求一般不作苛求。2.2.1 正弦振荡器分类正弦波振荡器分为正反馈型振荡器和负阻振荡器 (1)正反馈型振荡器：凡是将放大器的输出信号经过正

21、反馈网络回授到输入端作为输入信号来控制能量转换，从而产生等幅持续的振荡电路称正反馈振荡器。正反馈型振荡器又分为：RC正弦波振荡器，LC正弦波振荡器，石英晶体振荡器。(2)负阻振荡器凡是将负阻器件接到谐振回路用来抵消回路的损耗，从而产生等幅持续的振 荡电路称负阻振荡器。2.2.2 正弦振荡器的电路组成 (1)放大电路：保证放大信号，并向电路提供能量。 (2)反馈网络：引入正反馈，使之满足相位和幅度平衡条件。 (3)选频网络：选择某一频率，满足起振条件，保证输出为单一频率的正弦波信号。(4)稳幅措施的电路：保证正弦波振荡器输出具有稳定幅度的正弦波信号。2.2.3 正弦振荡器的工作原理正弦波振荡器的

22、工作原理包括起振条件,平衡条件和稳定条件。三者缺一不可5。 (1)起振条件：为使振荡过程中输出幅度不断增加，应使反馈回来的信号比输入到放大器的信号大，即振荡开始时应为增幅振荡，即 （2-1）式（2-1）称为自激振荡的起振条件。与平衡条件相应的，振荡器的起振条件又可细分为起振的振幅条件： （2-2）相位条件： （2-3）其中起振的相位条件即为正反馈条件。 (2) 平衡条件：自激振荡的条件就是环路增益为1，即 （2-4）通常又称为振荡器的平衡条件。   振荡器的平衡条件又可细分为振幅平衡条件： （2-5）相位平衡条件： （2-6）值得说明的是：当，形成增幅电路振荡；当时，形成减

23、幅振荡。平衡时电源供给的能量等于环路消耗的能量；通常的环路只在某一特定才满足相位条件。 (3)稳定条件:振荡器的稳定条件相应地可分为振幅稳定条件和相位稳定条件。 振幅稳定条件要使振幅稳定，振荡器在其平衡点必须具有阻止振幅变化的能力。具体来说，就是在平衡点附近，当不稳定因素使振幅增大时，环路增益将减小，从而使振幅减小。 相位稳定条件同理，要使相位稳定，振荡器在其平衡点必须具有阻止相位变化的能力。 振幅稳定条件：  （2-7）相位稳定条件： （2-8）因为正弦波振荡器的起振条件是 ，从幅频特性曲线可得，当时，所以当时，即RC串并联选频网络匹配一个电压放大倍数略大于3的正反馈放大器时，就可

24、构成正弦波振荡器。 从理论上讲，任何满足放大倍数要求的放大电路与RC串并联选频网络都可组成正弦波振荡电路；但是，实际上，所选用的放大电路应具有尽可能大的输入电阻和尽可能小的输出电阻，以减小放大电路对选频特性的影响，使振荡频率几乎仅仅决定于选频网络。因此，通常选用引入电压串联负反馈的放大电路，如同相比例运算电路。2.3 RC正弦波振荡器2.3.1 RC选频网络及其特性RC串并联网络的电路如图2-1所示。RC串联臂的阻抗用Z1表示，RC并联臂阻抗用Z2表示6。其频率响应如下： （2-9） （2-10） 图2-1 RC串并联网络反馈网络的反馈系数为：（2-11）谐振频率为： （2-12）当R1 =

25、R2，C1 = C2时，谐振角频率和谐振频率分别为： （2-13） （2-14）幅频特性： （2-15） 相频特性： （2-16） 幅频特性曲线:如图2-2 由上式：时：(最大)，时：当,，时： 当，。 图2-2 幅频相频特性曲线由上图可见,当时,F达到最大值并等于1/3,相位移为0,输出电压与输入电压同相,对于该频率,所取的输出电压即幅度是最大的,所以RC串并联网络具有选频作用.相频特性曲线:如图2-2当时（减小)则：超前相位（0时,+/2)，当时（增大)则：滞后相位-(时，-/2)，当时，与同相。2.3.2 RC文氏电桥振荡电路RC文氏电桥振荡电路是以RC选频网络为负载的振荡器，其模型框图

26、如图2-3所示7。 RC选频网络+ 放大_ RC选频网络 图2-3 RC振荡器框图电路图如图2-4所示：图2-4 RC文氏桥振荡器这个电路由两部分组成，即放大电路和选频网络。放大电路由集成运放所组成的电压串联负反馈放大电路，取其输入阻抗高和输出阻抗低的特点。而选频网络则由Z1、Z2组成，同时兼做正反馈网络。由图2-4可知，Z1、Z2和R3、R4正好形成一个四臂电桥电桥的对角线顶点接到放大电路的两个输入端，桥式振荡电路由此得来。当C1 =C2、R1 =R2时： (2-17) (2-18) (2-19)为满足振荡的幅度条件，所以Af3。加入R3R4支路，构成串联电压负反馈： (2-20)RC文氏桥

27、振荡电路的稳幅作用是靠热敏电阻R4实现的。R4是正温度系数热敏电阻，当输出电压升高，R4上所加的电压升高，即温度升高，R4的阻值增加，负反馈增强，输出幅度下降。若热敏电阻是负温度系数，应放置在R3的位置，如图2-4。2.4 LC正弦波振荡器LC正弦波振荡电路可产生频率高达1000MHz以上的正弦波信号。由于普通集成运放的频带较窄，而高速集成运放比较贵，所以LC正弦波振荡电路一般由分立元件组成。常见的LC正弦波振荡电路有变压器反馈式、电感三点式和电容三点式三种。它们的共同特点是用LC谐振回路作为选频网络，而且一般采用LC并联回路。LC常用来产生频率比较高的振荡。2.4.1 LC并联电路的频率特性

28、谐振时回路等效阻抗呈现纯阻抗性质，且达到最大值,称为谐振阻抗Z。 (2-21) Q值称为品质因数，它是LC并联回路的重要指标。(2-22) 称为谐振频率： (2-23) (2-24)谐振时|Z|值最大, j=0。Q值越大，|Z|曲线越尖，曲线在o附近越陡，选频特性越好，组成振荡器时，频率稳定性越好。利用LC并联谐振回路组成的振荡器,其选频网络常常就是放大器的负载。放大电路的增益具有选频特性。在谐振时,LC电路呈现纯电阻性,对放大电路相移的分析与电阻负载时相同。2.4.2 变压器反馈式振荡电路振荡电路的放大环节采用特征频率高的分立的晶体管来实现，避免采用运放组件。产生频率较高的正弦波。 变压器的

29、原边绕组L1和副边绕组L2各有一端交流接地，其它两端的相位关系是：若互为同名端，则相位相同。若互为异名端，则相位相反。这个电路的反馈是通过L1和L2之间的变压器耦合来实现的。图2-5 变压器反馈式振荡电路图起振的振幅条件： ，只要变压器的匝数比设计恰当，一般都可满足。振荡频率： （2-25） 稳幅措施：LC正弦波振荡电路的稳幅措施是利用放大电路的非线性实现的。2.4.3三点式振荡电路LC并联谐振电路三个端子分别接至晶体管的e, b, c上，满足相位平衡条件和振幅平衡条件，这样组成的振荡电路称为三点式振荡电路。 (2-26)1. 电感三点式分析相位条件：瞬时极性法若电感的中间抽头交流接地，则首端

30、与尾端的相位相反。若电感的首端与尾端交流接地，则电感其他两个端点的相位相同。图2-6 电感三点式振荡电路图2.电容三点式由瞬时极性法判断可见满足相位条件。电路参数合适，便可满足幅值条件。图2-7 电容三点式振荡电路图振荡频率为： (2-27) (2-28)2.5 本章小结本章主要分析了正弦波发生电路的组成、正弦振荡器工作原理包括：起振条件、平衡条件、稳定条件。产生正弦波的条件以及几种RC正弦波电路和LC正弦波电路的原理。振荡电路初始信号的由来：电路中出现微小的扰动，例如接通电源所产生的电流冲击，或者电子元件内部产生的噪声电压，都可以成为振荡电路的初始信号。这些扰动信号包含有很宽的频率成分，但只

31、有的频率满足相位平衡条件。判断能否产生正弦振荡的方法：（1）是否可能振荡首先看电路供电是否正确；二是看是否满足相位平衡条件；（2）是否起振看是否满足振幅起振条件；（3）是否产生正弦波看是否有正弦选频网络。第三章 振荡运放设计运算放大器是许多模拟及混合信号系统中的重要的组成部分。运放在各种功能电路中得到广泛的应用，比如直流偏置的产生和高速放大、滤波电路。随着CMOS工艺的进步，电源电压和器件沟道长度都在减小，对于运放的设计提出越来越多的难题8。3.1 运放简介运算放大器（Operational Amplifier,简称OP、OPA、OPAMP）是一种直流耦合差模（差动模式）输入、通常为单端输出（

32、Differential-in, single-ended output）的高增益（gain）电压放大器，因为刚开始主要用于加法，乘法等运算电路中，因而得名。一个理想的运算放大器必须具备下列特性：无限大的 输入阻抗、等于零的输出阻抗、无限大的开回路增益、无限大的共模排斥比的部分、无限大的频宽。最基本的运算放大器如图3-1。一个运算放大器模组一般包括 一个正输入端(OP_P)、一个负输入端(OP_N)和一个输出端(OP_O)。3.1.1 运放的基本结构运放一般由4部分组成，结构如图3-1所示9。输入级输出级中间级 偏置电路图3-1 运放结构方框图其中：输入级常用双端输入的差动放大电路组成，一般要

33、求输入电阻高，差摸放大倍数大，抑制共模信号的能力强，静态电流小，输入级的好坏直接影响运放的输入电阻、共模抑制比等参数。中间级是一个高放大倍数的放大器，该级的放大倍数可达数千乃数万倍。输出级具有输出电压线性范围宽、输出电阻小的特点。偏置电路向各级提供静态工作点。3.1.2 运放主要参数1、输出摆幅V0 输出摆幅即输出信号的幅度范围。现在使用运放的系统要求大的电压摆幅以适应大范围的信号值。 所以对大摆幅的需求使全差分的运放使用相当普遍。但是，由于对于运算放大电路，最大的电压摆幅与器件尺寸、偏置电流、速度之间，其性能指标是相互制约，是一个很重要的课题、可以互换的。这对于运放设计而言，大的摆幅是一个很

34、重要的课题。2、建立时间t 建立时间是用来描述电路的输出信号的稳定状况，输入的信号经过工作电路后，输出信号经过一定时间内的起伏最后趋近稳定。对于阶跃响应信号，建立时间包括建立时间和保持时间。3、电源抑制比PSRR运算放大器的电源线上的噪声也会对输出信号造成影响，因此必须适当地“抑制”噪声。而电源抑制比就是测量运算放大器抑制这种偏差的程度的量。一般定义它为：从输入到输出的增益除以从电源到输出的增益。 因为现在的运算放大器逐渐出趋向于低压低功耗，对供电电源的要求也越来越高。4、转换速率SR (压摆率)转换速率SR 是指放大电路在电压放大倍数等于1的条件下，输入大信号（例如阶跃信号）时，放大电路输出

35、电压对时间的最大变化速率。它反映了运放对于快速变化的输入信号的响应能力。转换速率SR的表达式为 (3-1)转换速率SR是在大信号和高频信号工作时的一项重要指标，目前一般通用型运放压摆 率在110V/s左右。 5、开环带宽Bw开环带宽又称3dB带宽，是指运算放大器的差模电压放大倍数Aud在高频段下降 3dB所对应的频率fh。、共模抑制比KCMRR共模抑制比是用来说明差分式放大电路抑制共模信号的能力的一项技术指标，其定义为放大电路对差模信号的电压增益Add与对共模信号的电压增益Adc之比的绝对值， (3-2)差模电压增益越大，共模电压增益越小， 则共模抑制能力越强.放大电路的性能越优良，因此希望K

36、CMRR值越大越好。共模抑制比有时，也用分贝(dB)数来表示: (3-3)、 开环增益开环增益即开环差模电压增益，是指运算放大电路正常工作，接入规定负载，无反馈情况下的直流差模增益，它的测量电路如图 3-1。开环增益与输出电压有关，通常是在规定的输出电压幅度测得的值。 图3-1增益、相位裕量、摆幅测量电路图、单位增益带宽BWG单位增益带宽BWG是指信号频率增加，使Aud下降到1时所对应的频率ft， 即Aud为0dB时的信号频率ft。3.1.3理想运算放大器一个理想的运算放大器(ideal OPAMP）必须具备下列特性：无限大的输入阻抗(Zin=）：理想的运算放大器输入端不容许任何电流流入，亦即

37、输入阻抗无限大。趋近于零的输出阻抗（Zout=0）：理想运算放大器的输出端是一个完美的电压源，无论流至放大器负载的电流如何变化，放大器的输出电压恒为一定值，亦即输出阻抗为零。无限大的开回路增益（Ad=）：理想运算放大器的一个重要性质就是开回路的状态下，输入端的差动信号有无限大的电压增益，这个特性使得运算放大器十分适合在实际应用时加上负反馈组态。无限大的共模排斥比（CMRR=）：理想运算放大器只能对V+与V-两端点电压的差值有反应，亦即只放大V+ V- 的部份。对于两输入信号的相同的部分（即共模信号）将完全忽略不计。无限大的带宽：理想的运算放大器对于任何频率的输入信号都将以一样的差动增益放大之，

38、不因为信号频率的改变而改变10。 3.2本设计运放结构文氏电桥振荡电路中使用的运放为通用的CMOS运算放大器。由于本设计中激磁频率较低，对运放的单位增益带宽，以及转换速率的要求不是很高；但是为了尽可能获得较大的正弦波输出电压幅度，要求运算放大器有比较大的输出摆幅；同时为了尽量降低正弦信号的失真度，对运算放大器的开环增益有一定的要求，一般来说开环增益越高，波形失真度就越低11。图3-2所示为正弦信号发生器中使用的运算放大器，通过反复的仿真及调节宽长比使之达到性能要求。图3-2 运算放大器电路图二级运放的电路结构如图3-2所示.输入级放大电路由 M1M5 组成。M1 和M2 组成PMOS 差分输入

39、对，差分输入与单端输入相比可以有效抑制共模信号干扰；M3、M4 电流镜为有源负载；M5 为第一级提供恒定偏置电流。输出级放大电路由M6、M7 组成。M6 为共源放大器，M7 为其提供恒定偏置电流同时作为第二级输出负载。相位补偿电路由M14 和Cc 构成。M14 工作在线性区，可等效为一个电阻，与电容Cc一起跨接在第二级输入输出之间，构成RC密勒补偿12。3.3尺寸设计1、确定补偿电容值为保证运放有60度的相位裕量,要求系统的零点和第二极点满足以下条件: （3-4） （3-5）（3-6）故取。2、 确定直流电流根据静态功耗不超过2uA的要求，总电流不超过400uA。根据slew rate的决定条

40、件, （3-7） （3-8）于是，按照以上比例分配运放两级的电流：偏置电路10uA；差分级80uA;第二级280uA。3、等效输入噪声：粗略计算后发现热噪声的数量级远小于1/f噪声，所以后者可忽略不计。取，。平均噪声： （3-9）将噪声以300nV/us 代入，f取1K，求得 36u。4、带宽和极点根据单位增益带宽度要求，。考虑一定余量，取 （3-10）取。要使相位裕度达到最大，则， （3-11）根据 求得， 取。5、 失调根据 （3-12）取。6、动态范围要求输出0V 到4.5V变化，所以在这个范围内，M5，M7均在饱和区，则将这两个管的电压定为0.5V，取。 （3-13）取 （3-14）7

41、、 偏置电路 （3-15） 取8、相位补偿MOS管M14工作在线性区，作为线性电阻与起到相位补偿的作用。其线性电阻值为：= = （3-16）为使电路稳定工作，可以通过控制线性电阻值，将由补偿产生的零点移至左半平面，并使，于是有 （3-17）要求，则有 （3-18）取,于是,.根据（3-17）式，计算得到： （3-19）经计算与调试得到如下尺寸：表3-1 各mos管的宽长比MOS管序号W/L的值MOS管序号W/L的值M1 M260/1 M10 M11 M133/1M3 M4 50/4M1212/1M5 20/1M1416/1M6 90/1Cc1.5pFM7 70/1CL 3pFM8 M9 2.5

42、/1Rb12k3.4 运放仿真结果1、开环特性仿真 图3-3 开环特性增益曲线 在不具负反馈情况下(开环路状况下)，运算放大器的放大倍数称为开环增益，简称AVOL。AVOL的理想值为无限大，一般约为数千倍至数万倍的间，其表示法有使用dB及V/mV等。开环带宽描述了运算放放大器稳定工作的频率区间，即开环差模电压增益下降 3dB时对应的频率-3dB。通过此图，我们可以看到此电路达到了要求。图3-4 相位曲线从图中可以看出：开环增益为82dB ，单位增益带宽30MHz ，相位裕度69度 ，功耗1.8556mW（输出文件中得到）。运算放大电路工作在高频环境中，工作频率变化时，其开环增益也随之发生变化。

43、一般表现为工作频率增加，开环增益下降。图 3-5 输入输出特性曲线由图中看出输出电压摆幅为-2.49V-2.49V。现在使用运放的系统要求大的电压摆幅以适应大范围的信号值。所以对大摆幅的需求使全差分的运放使用相当普遍。但是，由于对于运算放大电路，最大的电压摆幅与器件尺寸、偏置电流、速度之间，其性能指标是相互制约13。 2、 闭环特性仿真图 3-6 共模抑制比曲线共模抑制比是用来说明差分式放大电路抑制共模信号的能力的一项技术指标，从图中可以看出运放的共模抑制比（CMRR）为80.1dB.图 3-7 单位增益瞬态响应从图中得到转换速率18.5V/us 建立时间为270ns。SR表示集成运放对信号变

44、化速度的适应能力，是衡量运放在大幅值信号作用时工作速度的参数，常用每微秒输出电压变化多少伏来表示。当输入信号变化斜率的绝对值小于SR时，输出电压才能按线性规律变化。信号幅值愈大、频率愈高，要求集成运放的SR也就愈大。建立时间(settling time) 就是对于一个振荡的信号稳定到指定的最终值所需要的时间14。 3、结果比较表3-2 结果比较表格性能参数单位要求指标达到指标 开环增益dB 8082单位增益带宽 MHz1030相位裕度 度6069输出摆幅 V-2-2-2.49-2.49建立时间 ns800 270压摆率 V/s1018.5从上面的对比表格可以看出仿真得出的参数优于设计要求，运放

45、要求得到满足。3.5本章小结本章主要对运算放大器进行了简单的概述，详细讲诉了运算放大器的主要参数指标，并对主要参数的理论值进行了计算，还进行了输出电压摆幅，摆率，共模抑制比幅频特性等关键参数的仿真。从仿真结果看出设计满足要求。第四章 正弦振荡器设计正弦振荡电路信号发生器电路种类较多，如RC振荡器、LC振荡器、晶体振荡器等。LC振荡器的缺点是，电感所占芯片面积过大，同时存在许多寄生效应，对整体电路产生不利影响。本文采用在集成电路中较容易实现的RC正弦波发生电路。对于RC正弦波振荡电路，分为桥式振荡电路、双T型网络式和移相式等类型。本文采用文氏电桥结构的振荡器。正弦振荡器设计部分主要是由选频网络设

46、计，限幅网络设计等组成。正弦振荡器的设计相对来说不是很复杂，但如果说要让信号幅值达到稳定、失真度小，那么设计的二极管限幅措施是整个系统能否正常工作的关键15。4.1 电路设计4.1.1电路图本设计采用的电路如图4-1所示：图4-1 振荡电路图41为RC桥式正弦波振荡器。RC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。R1、R2、R3、R6、R7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。调节电阻R2，可以

47、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D1、D2正向电阻的非线性特性来实现稳幅。D1、D2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。R3、R7的接入是为了削弱二极管非线性的影响，以改善波形失真16。电路的振荡频率为： （4-1）起振的幅值条件为： （4-2）式中，二极管正向导通电阻。调整反馈电阻 ，使电路起振，且波形失真最小。如不能起振，说明负反馈太强，应适当增大；如果电路起振过度，产生非线性失真，则应适当减小。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。4.1.2参数

48、确定（1）确定RC值根据设计所要求的振荡频率，先确定RC之积，即。为了使选频网络的选特性尽量不受集成运算放大器的输入电阻和输出电阻的影响，应使R满足下列关系式：。一般约为几百千欧以上，而仅为几百欧以下，初步选定R之后，由式算出电容C的值，然后再算出R取值能否满足振荡频率的要求。（2）确定、电阻和Rf应由起振的幅值条件来确定，由式可知通常取，这样既能保证起振，也不致产生严重的波形失真。此外，为了减小输入失调电流和漂移的影响，电路还应满足直流平衡条件，即:。（3）确定稳幅电路通常的稳幅方法是利用随输出电压振幅上升而下降的自动调节作用实现稳幅。图4-1中稳幅电路由两只正反向并联的二极管、和电阻、R6、R7组成，利用二极管正向动态电阻的非线性以实现稳幅，为了减小因二极管特性的非线性而引起的波形失真，在二极管两端并联小电阻17。表4-1 RC参数值MOS管序号W/L的值MOS管序号W/L的值R15.1k R610kR2 100kR710kR3 5.1kC123pFR4 10kC223pFR5 10k对于一个频率为的正弦波，如果没有转换速率的极限，输出电压应为: （4-3）它的变化速率是： （4-4）最大值为。为了防止出现失真，必须要求，也即： （4-5）上式表明在频率和幅度之间有一个权衡。如