模拟集成电路的分析与设计：Chapter 14-Oscillators.ppt

《模拟集成电路的分析与设计——振荡器》 在模拟集成电路设计中，振荡器是至关重要的组件，它能够产生持续的周期性信号。本章节主要讨论了振荡器的工作原理，特别是巴克豪森准则（Barkhausen criteria）以及环形振荡器（Ring Oscillators）的设计和分析。 巴克豪森准则（Barkhausen criteria）是判断负反馈电路能否产生振荡的关键条件。在这样的电路中，当开环增益ojH在频率ω0处满足两个条件时，电路可能产生振荡：一是ojH乘以相位差为180度（即0°到180°）。为了确保在温度和工艺变化下仍能保持振荡，通常选择环路增益至少为所需值的两倍或三倍。 接着，我们转向环形振荡器。环形振荡器的频率依赖相移对振荡行为有直接影响。例如，一个单级系统中，最大频率依赖相移为90度，导致总相移小于360度，因此无法产生振荡。而两级系统，虽然最大频率相移可达180度，看似满足振荡条件，但由于电路只会“锁存”而非振荡，如VE上升导致VF下降，最终M1关断，VE继续上升直到等于VDD，所以也不会形成持续振荡。然而，三阶段系统由于每个阶段提供270度的相移，很容易满足振荡要求。 对于环形振荡器的数学分析，每个阶段贡献60度相移，若每个阶段的传输函数为SAA(ω) = 1/(3 + 2ω^2)，则总传输函数H(ω) = SAA(ω)^n，其中n为阶段数。当A0 = 2时，电路在频率ω = 0.3时开始振荡。如果A0大于2，我们可以利用图14.10所示的模型和反馈概念进行进一步分析。 环形振荡器的传递函数的分母可以展开，展现出三个极点。对于A0大于2的情况，有两个复数极点具有正实部，这意味着它们会导致振幅增长的正弦波形。忽略s1的影响，输出波形可以表示为Vout(t) = A2 * cos(2 * ω0 * t - 2 * ω0 * exp(-α * t))，其中α是与A0相关的衰减常数，ω0是小信号振荡频率。 不同A0值对应极点的位置会有所不同。当A0大于2时，这两个复数极点会导致振荡，但忽略s1的影响，实际振荡频率将由其他因素决定，包括电路的具体参数和环境条件。 总结起来，模拟集成电路中的振荡器设计涉及到复杂的理论和实践问题，如巴克豪森准则的满足、环形振荡器的级联相移分析以及电路稳定性与频率选择。理解和掌握这些知识点对于设计高效、稳定的振荡器至关重要，也是模拟集成电路设计者必备的专业技能。