1、目錄目錄1摘要2Abstract31 設計目的及任務要求41.1 設計目的41.2 任務要求41.3 軟件簡介42、工作原理52.1 CMOS反相器電路52.2靜態(tài)CMOS反相器電路52.3 CMOS反相器的特性62.4 電壓傳輸特性（VTC）62.5 開關閾值82.6 環(huán)形振蕩器的工作原理93、電路設計124仿真結(jié)果14心得體會16參考文獻17摘要振蕩器是用來產(chǎn)生重復電子訊號（通常是正弦波或方波）的電子元件。其構(gòu)成的電路叫振蕩電路，能將直流信號轉(zhuǎn)換為具有一定頻率的交流電信號輸出。振蕩器的種類很多，按振蕩激勵方式可分為自激振蕩器、他激振蕩器；按電路結(jié)構(gòu)可分為阻容振蕩器、電感電容振蕩器、晶體振蕩

2、器、音叉振蕩器等；按輸出波形可分為正弦波、方波、鋸齒波等振蕩器。廣泛用于電子工業(yè)、醫(yī)療、科學研究等方面。環(huán)形振蕩器由三個非門或更多奇數(shù)個非門輸出端和輸入端首尾相接，構(gòu)成環(huán)狀。以三個非門為例，即非門A輸出端連接到非門B輸入端，非門B輸出端連接到非門C輸入端，非門C輸出端到連接非門A輸入端，在其中任何一個連接的位置都可以引出輸出信號。本文將圍繞環(huán)形振蕩器進行具有具體功能的振蕩器的理論分析與設計。關鍵詞：集成電路 環(huán)形振蕩器 反相器Abstract Oscillator is used to generate repeated electrical signals (typically a sine

3、 wave or square wave) of the electronic components. Its circuit configuration is called an oscillation circuit, capable of DC into AC electrical output signal having a certain frequency. Many types of oscillators, according to the oscillation excitation can be divided into self-excited oscillator, h

4、e excited oscillator; according to the circuit structure can be divided RC-oscillator, LC oscillator, crystal oscillator, the tuning fork oscillators; according to output waveform can be divided into sine wave, square wave, sawtooth oscillator. Widely used in the electronics industry, medical and sc

5、ientific research.Ring oscillator consisting of three or more odd number of NAND gate NAND gate output and the input of the end to end to form a ring. In three of the NAND gate as an example, i.e., the output of NAND gate A is connected to the B input of the NAND gate, the NAND gate B output connect

6、ed to the input terminal of the NAND gate C, NAND gate C output to the A input of the NAND gate is connected, in which anywhere a connection can lead to the output signal. This article will focus on the ring oscillator oscillator has a specific function of the theoretical analysis and design.Keyword

7、s: IC inverter ring oscillator1 設計目的及任務要求1.1 設計目的培養(yǎng)較為扎實的電子電路的理論知識及較強的實踐能力；加深對電路器件的選型及電路形式的選擇的了解；提高集成電路的基本設計能力及基本調(diào)試能力；強化使用實驗儀器進行電路的調(diào)試檢測能力。1.2 任務要求（1）學習ORCAD軟件。（2）設計一個環(huán)形振蕩器電路。（3）利用orcad軟件對該電路進行系統(tǒng)設計、電路設計和版圖設計，并進行相應的設計、模擬和仿真工作。1.3 軟件簡介本次設計將主要使用ORCAD軟件進行仿真。ORCAD Capture (以下以Capture代稱)是一款基于Windows操作環(huán)境下的電路

8、設計工具。利用Capture軟件，能夠?qū)崿F(xiàn)繪制電路原理圖以及為制作PCB和可編程的邏輯設計提供連續(xù)性的仿真信息。OrCAD Capture作為行業(yè)標準的PCB原理圖輸入方式，是當今世界最流行的原理圖輸入工具之一，具有簡單直觀的用戶設計界面。OrCAD Capture CIS具有功能強大的元件信息系統(tǒng)，可以在線和集中管理元件數(shù)據(jù)庫，從而大幅提升電路設計的效率。OrCAD Capture提供了完整的、可調(diào)整的原理圖設計方法，能夠有效應用于PCB的設計創(chuàng)建、管理和重用。將原理圖設計技術(shù)和PCB布局布線技術(shù)相結(jié)合，OrCAD能夠幫助設計師從一開始就抓住設計意圖。不管是用于設計模擬電路、復雜的PCB、F

9、PGA和CPLD、PCB改版的原理圖修改，還是用于設計層次模塊，OrCAD Capture都能為設計師提供快速的設計輸入工具。此外，OrCAD Capture原理圖輸入技術(shù)讓設計師可以隨時輸入、修改和檢驗PCB設計。Cadence OrCAD Capture是一款多功能的PCB原理圖輸入工具。2、工作原理2.1 CMOS反相器電路圖1顯示了一個CMOS反相器的電路圖，它由兩只增強型MOSFET組成，其中TN為N溝道結(jié)構(gòu)，TP為P溝道結(jié)構(gòu)。兩只MOS管的柵極連在一起作為輸入端；漏極連在一起作為輸出端。按照圖1標明的電壓與電流方向，=,=,并設=。為了能使電路正常工作，要求電源電壓大于兩只MOS管

10、的開啟電壓的絕對值之和，即（+）。2.2靜態(tài)CMOS反相器電路圖2顯示了一個靜態(tài)CMOS反相器的電路圖。它的工作原理是，當為高并等于時，NMOS管導通而PMOS管截止。此時在和接地點之間存在一個直接通路，形成一個穩(wěn)態(tài)值0V。相反，當輸入電壓為低時，NMOS和PMOS管分別關斷和導通。在和之間存在一條通路，產(chǎn)生了一個高電平輸出電壓。2.3 CMOS反相器的特性CMOS反相器是所有復雜電路的基本構(gòu)建模塊，比如邏輯門、加法器、乘法器等一些比較復雜的電路的電氣特性幾乎完全可以由反相器的工作和性質(zhì)推斷出來。下面分析CMOS反相器的幾種重要特性。（1） 輸出高電平和低電平分別為和。換言之，電壓擺幅等于電源

11、電壓。（2） 邏輯電平與器件的相對尺寸無關，所以晶體管可以采用最小尺寸。（3） 穩(wěn)態(tài)時在輸出和或之間總存在一條具有有線電阻的通路。因此一個設計良好的CMOS反相器具有低輸出阻抗，輸出電阻的典型值在的范圍內(nèi)。（4） CMOS反相器的輸入電阻極高，因為一個MOS管的柵實際上是一個完全的絕緣體，因此不取任何直流輸入電流。由于反相器的輸入節(jié)點只連到晶體管的柵上，所以穩(wěn)態(tài)輸入電流幾乎為零。（5） 在穩(wěn)態(tài)工作的情況下電源線和地線之間沒有直接通路（即此時輸入和輸出保持不變）。沒有電流存在（忽略漏電流）意味著該門并不消耗任何靜態(tài)功率。2.4 電壓傳輸特性（VTC） 電壓傳輸特性的性質(zhì)和形狀可以通過圖解法迭加N

12、MOS和PMOS器件的電流特性來得到。以輸入電壓、輸出電壓和NMOS漏電流作為選擇的變量，可以將PMOS器件的曲線通過以下關系轉(zhuǎn)換到一組公共坐標上。=；=-=；=- PMOS器件的負載曲線可以通過對x軸求鏡像并向右平移來得到。這一過程概括在圖3中，它顯示了將原先的PMOS曲線調(diào)整至公共坐標系、和的一系列步驟。所得到的負載線畫在圖4中，為使一個dc工作點成立，通過NMOS和PMOS器件的電流必須相等。用圖解法時這意味著dc工作點必須出在兩條相應負載線的交點上。圖上標記了許多這樣的點（對=0，0.5,1,1.5,2和2.5）?？梢钥吹?，所有的工作點不是在高輸出電平就是在低輸出電平上。因此反相器的V

13、TC顯示出具有非常窄的過渡區(qū)。這是由于在開關過渡期間的高增益造成的，此時NMOS和PMOS同時導通且處于飽和狀態(tài)。在這一工作區(qū)，輸入電壓的一個很小變化就會引起輸出的很大變化。2.5 開關閾值開關閾值定義為=的點，其值可以用圖解法由VTC與直線=的交點求得（見圖5）。在這一區(qū)域由于=，PMOS和NMOS總是飽和的。使通過兩個晶體管的電流相等就可以得到的解析表達式。 （1）求解得到： 其中 （2）這里，假設PMOS和NMOS管的柵氧厚度相同。當值較大時（與晶體管閾值電壓及飽和電亞相比），公式（2）可以簡化為： （3）公式（3）表明開關閾值取決于比值r，它是PMOS和NMOS管相對驅(qū)動強度的比。一般

14、希望處在電壓擺幅的重點（即處）附近，因為這可以使低電平噪聲容限和高電平噪聲容限具有相近的值。為此要求r接近1，這相當于使PMOS器件的尺寸為：。由公式（1）可以推導出使開關閾值等于所希望的值時所要求的PMOS和NMOS管的尺寸： （4）2.6 環(huán)形振蕩器的工作原理 環(huán)形振蕩器是利用門電路的固有傳輸延遲時間將奇數(shù)個反相器首尾相接而成，該電路沒有穩(wěn)態(tài)。因為在靜態(tài)（假定沒有振蕩時）下任何一個反相器的輸入和輸出都不可能穩(wěn)定在高電平或低電平，只能處于高、低電平之間，處于放大狀態(tài)。 假定由于某種原因v11產(chǎn)生了微小的正跳變，經(jīng)G1的傳輸延遲時間tpd后，v12產(chǎn)生了一個幅度更大的負跳變，在經(jīng)過G2的傳輸延

15、遲時間tpd后，使v13產(chǎn)生更大的正跳變，經(jīng)G3的傳輸延遲時間tpd后，在vo產(chǎn)生一個更大的負跳變并反饋到G1輸入端?？梢姡诮?jīng)過3tpd后，v11又自動跳變?yōu)榈碗娖?，再?jīng)過3tpd之后，v11又將跳變?yōu)楦唠娖?。如此周而復始，便產(chǎn)生自激振蕩。如圖7所示，可見振蕩周期為T=6tpd 圖6 環(huán)形振蕩器原理圖 圖7 環(huán)形振蕩器的工作波形環(huán)形振蕩器的突出優(yōu)點是電路極為簡單，但由于門電路的傳輸延遲時間極短，TTL門電路只有幾十納秒，CMOS電路也不過一二百納秒，難以獲得較低的振蕩頻率，而且頻率不易調(diào)節(jié)，為克服這個缺點，有幾種改進電路，下面給出對照圖。如圖8所示。 圖8 環(huán)形振蕩器的改進電路環(huán)形振蕩器的改

16、進原理 ：接入RC 電路以后，不僅增大了門G2的傳輸延遲時間tpd2有助于獲得較低的振蕩頻率。而且通過改變R和C 的數(shù)值可以很方便地實現(xiàn)對頻率的調(diào)節(jié)。環(huán)形振蕩器的改進原理 ：接入RC 電路以后，不僅增大了門G2的傳輸延遲時間tpd2有助于獲得較低的振蕩頻率。而且通過改變R和C 的數(shù)值可以很方便地實現(xiàn)對頻率的調(diào)節(jié)。 環(huán)形振蕩器的實用電路 ：如圖8，為了進一步加大RC和G2的傳輸延遲時間，在實用電路中將電容C 的接地端改接G1的輸出端。如圖,9所示。例如當v12處發(fā)生負跳變時，經(jīng)過電容C使v13首先跳變到一個負電平，然后再從這個負電平開始對電容C充電，這就加長了v13從 開始充電到上升為VTH的時

17、間，等于加大了v12到v13的傳輸延遲時間。 通常RC電路產(chǎn)生的延遲時間遠遠大于門電路本身的傳輸延遲時間，所以在計算振蕩周期時可以只考慮RC電路的作用而將門電路固有的傳輸延遲時間忽略不計。 另外，為防止v13發(fā)生負跳變時流過反 相器G3輸入端鉗位二極管的電流過大，還在G3輸入端串接了保護電阻RS。電路中各點的電壓波形如圖9所示。 圖9 電路中各點的工作波形 圖9中畫出了電容C充、放電的等效電路。環(huán)形振蕩器的周期 T2.2RC可用于近似估算振蕩周期。但使用時應注意它假定條件是否滿足。 3、電路設計3.1 CMOS反相器的原理圖設計 在CMOS反相器的電路圖設計，需要考慮電路的傳播延時，然后可以確

18、定PMOS 和NMOS 管的尺寸。至今一直使PMOS管較寬，以使它的電阻與下拉的NMOS管匹配。在設計中，PMOS與NMOS的寬長比為2。以反相器為基礎，依據(jù)邏輯門與反相器有相同的驅(qū)動能力設置復雜電路的PMOS和NMOS寬長比。 圖10 NMOSE反相器電路3.2 環(huán)形振蕩器的原理圖設計在實際的仿真時，由于各個MOSE管的參數(shù)都是一致的，而且仿真軟件不能模擬實際情況下的各種干擾，所以應當在電路圖中加一個激勵信號，使電路起振。圖中的rc是用于改變振蕩器的頻率，由于門電路的傳輸延遲時間極短，TTL門電路只有幾十納秒，CMOS電路也不過一二百納秒，難以獲得較低的振蕩頻率，加入RC后可以使振蕩器的頻率降低。圖11 環(huán)形振蕩器電路4仿真結(jié)果