CMOS模拟集成电路设计-理论、方法与工程实现 课件 第10章张弛振荡器

第10章张弛振荡器主讲：110.1预备知识 10.1.1比较器 10.1.2SR触发器 10.2张弛振荡器的分析和设计10.2.1张弛振荡器的工作原理10.2.2张弛振荡器的设计10.3制约张弛振荡器频率稳定性的因素及解决方案10.3.1电阻和电容的制造误差 10.3.2比较器的延时变化10.3.3直流失调电压10.4张弛振荡器的仿真10.5本章总结 2主要内容学习目标【目标10-1】掌握张弛振荡器的工作原理和设计方法。【目标10-2】理解制约张弛振荡器频率稳定性的各种因素，并了解相应的解决策略。图10.0-1张弛振荡器设计

310.1预备知识图10.1-1比较器

410.1预备知识图10.1-2SR触发器

510.2张弛振荡器的分析和设计VR！！！接下来描述张弛振荡器的两个阶段能够使Q持续输出不断的方波时钟信号

610.2张弛振荡器的分析和设计VR第一阶段

710.2张弛振荡器的分析和设计VR第二阶段

810.2张弛振荡器的分析和设计VR三个公式不仅定量地描述了电路参数与振荡周期、频率之间的关系，使得工程师能够根据具体的设计需求精确计算和选择合适的电阻、电容值，以实现所需的振荡频率。910.2张弛振荡器的分析和设计10.2.2张弛振荡器的设计比较器电路结构的选择：在输入信号的频率较低，对比较器的传输延迟要求不高时，可以采用贯穿项目中的放大器结构。

1010.2张弛振荡器的分析和设计10.2.2张弛振荡器的设计（比较器的设计）

图10.2-2比较器的传输延迟

1110.2张弛振荡器的分析和设计图10.2-3比较器的电路图

10.2.2张弛振荡器的设计（比较器的设计）

1210.2张弛振荡器的分析和设计10.2.2张弛振荡器的设计（比较器的设计）比较器设计方法总结：主要包括电流、增益、传输延迟、共模输入范围、输出范围。

第一步：合理设定比较器的设计目标电流可根据张弛振荡器的总电流要求来合理设定；增益可设定为两级放大器通常能够达到的值，例如60dB；传输延时可根据“传输延时不大于时钟周期的1/20”的设计经验来设定；共模输入范围可以设定为既容易使MP2、MINN和MINP满足饱和条件又尽量宽的范围，例如0.2V至VDD-0.7V；输出范围VOH

和VOL

可根据驱动逻辑门所需的电压来确定。1310.2张弛振荡器的分析和设计10.2.2张弛振荡器的设计（比较器的设计）

1410.2张弛振荡器的分析和设计10.2.2张弛振荡器的设计（比较器的设计）

第三步：预估负载电容并计算电流

1510.2张弛振荡器的分析和设计10.2.2张弛振荡器的设计（比较器的设计）

第四步：分配支路电流

1610.2张弛振荡器的分析和设计10.2.2张弛振荡器的设计（比较器的设计）

1710.2张弛振荡器的分析和设计10.2.2张弛振荡器的设计（比较器的设计）

1810.2张弛振荡器的分析和设计工程问题10.2-1

1910.2张弛振荡器的分析和设计工程问题10.2-1

接下来代入仿真和优化！！！2010.2张弛振荡器的分析和设计工程问题10.2-1

大家可以动手试一下仿真！2110.2张弛振荡器的分析和设计工程问题10.2-1

2210.2张弛振荡器的分析和设计10.2.2张弛振荡器的设计（其他部分的设计）

第一步：确定电容C

的值；第二步：计算出满足时钟频率要求的R；

按照公式计算：2310.2张弛振荡器的分析和设计10.2.2张弛振荡器的设计（其他部分的设计）其他部分设计方法总结：

第四步：设计合理的开关尺寸

2410.2张弛振荡器的分析和设计10.2.2张弛振荡器的设计（其他部分的设计）其他部分设计方法总结：

第五步：设计SR触发器2510.2张弛振荡器的分析和设计工程问题10.2-2设计一款张弛振荡器：设计一款张弛振荡器，要求满足表10.2-1中的性能指标。电路结构采用图10.2-1中的结构，比较器采用工程问题10.2-1中所设计的比较器。设计：

2610.2张弛振荡器的分析和设计工程问题10.2-2仿真与优化

2710.2张弛振荡器的分析和设计工程问题10.2-2仿真与优化

2810.3制约张弛振荡器频率稳定性的因素及解决方案10.3.1电阻和电容的制造误差减小频率误差：

对于一般的CMOS工艺而言，电阻和电容的制造误差分别在±15%左右，这意味着所设计的张弛振荡器的频率误差可能高达±22.5%。为了减小这种频率误差，通常会在测试过程中对电阻进行修调（trim），将频率调整到距目标频率最近的状态。因此在设计张弛振荡器时，应该将电阻部分设计为可修调的模式。如图所示，是一个8段的可修调电阻的设计方案。

2910.3制约张弛振荡器频率稳定性的因素及解决方案10.3.2比较器的延时变化

比较器的延时会受到PVT变化的影响，其中制造工艺所引起的延时变化可以通过电阻修调的方式去补偿，电源电压和温度所造成的变化则会直接影响张弛振荡器的时钟频率，造成频率误差。

3010.3制约张弛振荡器频率稳定性的因素及解决方案10.3.3比较器的直流失调电压

3110.3制约张弛振荡器频率稳定性的因素及解决方案10.3.3比较器的直流失调电压

3210.4张弛振荡器的仿真10.4.1比较器的仿真

3310.4张弛振荡器的仿真10.4.1比较器的仿真

比较器的DC和STB的工艺角设置如图3410.4张弛振荡器的仿真10.4.1比较器的TRAN仿真

3510.4张弛振荡器的仿真10.4.1比较器的仿真

在延时达到最大值的条件下进行的TRAN仿真得出的波形结果呈现于图10.4-6。在张弛振荡器的应用案例中，比较器的传