CMOS模拟集成电路设计-ch14振荡器
CMOS 模拟集成电路课件完整
VTHN VTHN0
2qsi Na Cox
VGS 1 0 1.0 VDS 2 0 5
.op .dc vds 0 5 .2 Vgs 1 3 0.5 .plot dc -I(vds) .probe
*model .MODEL MNMOS NMOS VTO=0.7 KP=110U +LAMBDA=0.04 GAMMA=0.4 PHI=0.7
.end
Systems
Ch13 开关电容电路
Ch14 DAC/ADC
complex Ch10 运算放大器 Ch7 频率响应
Ch11 稳定性和频 率补偿
Ch8 噪声
Ch12 比较器 Ch9 反馈
Ch3 电流源电流镜 simple Ch4 基准源 Circuits
Devices
Ch5 单级放大器 ch2 MOS器件
*Output Characteristics for NMOS M1 2 1 0 0 MNMOS w=5u l=1.0u
VGS 1 0 1.0 VDS 2 0 5
设计
属性/规范
系统/电路1
系统/电路2 系统/电路3
……
一般产品描述、想法 系统规范要求的定义
系统设计 电路模块规范定义
电路实现 电路仿真
否
是否满足系统规范
是 物理（版图）设计
物理（版图）验证
寄生参数提取及后仿真
否
是否满足系统规范
一种与比较器延迟无关的高精度CMOS振荡器
一种与比较器延迟无关的高精度CMOS振荡器秦松;王磊【摘要】提出了一种采用0.18 μm CMOS工艺制作的浮动初始电压(FIV)型高精度振荡器电路.浮动初始电压(FIV)技术用以消除比较器延迟对振荡器频率的影响,同时利用器件的匹配特性使得振荡频率仅和RC相关.此外通过适当的温度系数补偿,此振荡器可以在-40 ～125℃达到+0.5％的精度,并且仅占0.035 mm2的芯片面积.【期刊名称】《电子科技》【年(卷),期】2017(030)005【总页数】4页(P94-97)【关键词】浮动初始电压;RC振荡器;CMOS;比较器延迟【作者】秦松;王磊【作者单位】帝奥微电子有限公司研发部,上海201103;帝奥微电子有限公司研发部,上海201103【正文语种】中文【中图分类】TN432当前，片上基准振荡器被广泛应用于各种集成电路中，如生物医学传感器、MCU、无线传感器网络、DDR接口、SoC等[1-2]。
阻容型振荡器，包括张弛振荡器，通常可以通过标准CMOS工艺实现。
晶体振荡器能够达到10 ppm的精度级别，然而由于晶体无法集成，所以晶体振荡器的体积大，成本高并且起振慢。
LC振荡器可以实现和晶振相近的精度和相位噪声，然而其功耗却在数百mW以上，并不适合当前大部分设备对低功耗的要求。
此外，传统的补偿型RC振荡器，如环形振荡器或含反馈环路的张弛振荡器，尽管也可以实现约1%的精度，但其电路结构比较复杂，导致功耗和面积较大[3-7]。
本文对传统张弛振荡器进行了改进，提出了浮动初始电压(FIV)技术，用简单的电路结构实现了高精度的振荡器，同时兼具低功耗和占用较小芯片面积的优点。
讨论了传统张弛振荡器存在的问题，同时分析了浮动初始电压振荡器的工作原理以及各种非理想因素对振荡器精度的影响。
1.1 传统张弛振荡器图1是一种常用的传统张弛振荡器结构[8-9]。
该振荡器通过给电容充放电实现振荡：(1)t1阶段，电容C通过Iref充电；(2)当VC电压超过Vref时，比较器翻转并使放电开关导通，给电容C放电；(3)当电容C放电到Vref以下，比较器再次翻转，放电开关关闭，电容开始充电。
模拟cmos集成电路设计研究生课程实验报告
模拟CMOS集成电路设计研究生课程实验报告一、概述在现代集成电路设计领域，模拟CMOS集成电路设计一直是一个备受关注的课题。
本实验旨在通过对模拟CMOS集成电路设计相关内容的学习和实践，加深对该领域的理解，并提升设计实践能力。
本文将介绍实验内容、实验过程和实验结果，并结合个人观点对模拟CMOS集成电路设计进行探讨。
二、实验内容1. 实验名称：基于CMOS工艺的运算放大器设计与仿真2. 实验目的：通过对基本运算放大器的设计与仿真，理解模拟CMOS 集成电路设计的基本原理和方法。
3. 实验要求：设计一个基于CMOS工艺的运算放大器电路，并进行仿真验证。
4. 实验器材与软件：PSPICE仿真软件、计算机、基本电路元件。
三、实验过程1. 设计基本运算放大器电路a. 根据理论知识，选择合适的CMOS工艺器件，并进行电路拓扑设计。
b. 计算电路的主要参数，如增益、带宽、输入输出阻抗等。
c. 优化设计，满足实际应用需求。
2. 运算放大器电路仿真a. 在PSPICE软件中建立电路模型。
b. 分析仿真结果，验证设计参数是否符合预期。
c. 优化设计，使得电路性能达到最佳状态。
四、实验结果经过反复设计与仿真，最终得到了一个基于CMOS工艺的运算放大器电路。
在PSPICE软件中进行仿真测试，结果表明设计的运算放大器电路性能良好，能够满足设计要求。
在输入端加入正弦波信号，输出端得到经过放大和处理的信号，验证了电路的正常工作。
五、总结与回顾通过本次实验，我深刻理解了模拟CMOS集成电路设计的基本原理和方法。
从初步设计到最终仿真，我逐步掌握了电路设计与优化的过程，并将理论知识应用到实践中。
在今后的学习和工作中，我将继续深入研究模拟CMOS集成电路设计，不断提升自己的技能。
六、个人观点与理解模拟CMOS集成电路设计是一个复杂而又具有挑战性的领域。
在实验过程中，我深刻意识到了理论知识与实际应用的紧密通联，只有不断实践与探索，才能够更好地理解与掌握。
CMOS正弦振荡器设计
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. 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 crystal 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 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 simulation 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 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; Circuit simulation目录摘要 .......................................................................................................................................... II Abstract .................................................................................................................................. III第一章绪论 (1)1.1 振荡器的发展 (1)1.2课题研究的意义 (2)1.3课题研究的内容 (3)第二章振荡器简介 (4)2.1振荡器 (4)2.1.1 振荡器分类 (4)2.1.2 振荡器构成 (4)2.1.3 振荡器的应用 (4)2.2 正弦波振荡器 (5)2.2.1 正弦振荡器分类 (5)2.2.2 正弦振荡器的电路组成 (5)2.2.3 正弦振荡器的工作原理 (6)2.3 RC正弦波振荡器 (7)2.3.1 RC选频网络及其特性 (7)2.3.2 RC文氏电桥振荡电路 (9)2.4 LC正弦波振荡器 (10)2.4.1 LC并联电路的频率特性 (10)2.4.2 变压器反馈式振荡电路 (11)2.4.3三点式振荡电路 (12)2.5 本章小结 (13)第三章振荡运放设计 (14)3.1 运放简介 (14)3.1.1 运放的基本结构 (14)3.1.2 运放主要参数 (15)3.1.3理想运算放大器 (16)3.2本设计运放结构 (17)3.3尺寸设计 (18)3.4 运放仿真结果 (20)3.5本章小结 (24)第四章正弦振荡器设计 (25)4.1 电路设计 (25)4.1.1电路图 (25)4.1.2参数确定 (26)4.2 仿真结果 (28)4.3 版图 (29)4.3.1版图设计的目标 (29)4.3.2版图设计的内容 (29)4.3.3版图设计 (29)4.4 本章小结 (31)结论 (32)参考文献 (33)附录一 (34)致谢 (38)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。
CMOS模拟集成电路设计_ch6放大器的频率特性
半边等效
18.08.2021
24
编辑课件
• 共模信号的频率响应
考虑M1和M2失配，根据低频差动对共模响 应（第四章4.43公式），
这里，RSS＝rO3 以rO3||[1/(CPs)代替rO3，以RD||[1/(CLs)代 替RD，
共模输入等效电路
此电路存在电压余度与共模抑制比的折中问题，欲
高频时的共模抑制比，要求CP，即M3尺寸，但
如果
，则第二极点值
和估算方法得到的结果相同
18.08.2021
14
编辑课件
• 关于传输函数的讨论（续）
[*]
根据公式[*](教材中的公式6.23)可以计算得到零点
18.08.源跟随器的频率特性
• 传输函数
– 由于X点和Y点通过CGS有很强的相互作 用，很难把一个极点和结点进行关联。
18.08.2021
18
编辑课件
4、共栅级的频率特性
• 传输函数
忽略沟道长度调制效应 根据极点和结点的关联
输入极点
输出极点
18.08.2021没有电容的密勒乘积项，可达到宽带。
22
编辑课件
5、共源共栅级的频率特性
• 极点分析
忽略沟道长度调制效应
从X点向上看的电阻，即共栅级的输入电 阻为： (RD+ rO2 )/[1+(gm2+gmb2)rO2] 当RD较小时，约为1/(gm2+gmb2)，则A点到 X的增益为- gm1 /(gm2+gmb2)
18.08.2021
9
编辑课件
– 说明
• 通常电路很难等效成上述简化电路的形式，很计算 电路的极点。例如下面的电路
• 同密勒效应一起对电路简化时，常常丢掉传输函数 的零点。
拉扎维模拟CMOS集成电路设计(前十章全部课件)
重邮光电工程学院
考虑沟道调制效应后的跨导gm
λ ∝1/L ∂ID/∂VDS∝ λ /L∝1/L2
W gm nCox (VGS VTH )(1 VDS) L gm 2nCox W L I D
(1 VDS)
2 ID , (unchanged) gm VGS VTH
重邮光电工程学院
模拟CMOS集成电路设计
[美] 理查德· 拉扎维 著
西安交通大学出版社
©2003
重邮光电工程学院
第一章
模拟集成电路设计绪论
模拟集成电路设计绪论 Ch.1# 2
重邮光电工程学院
自然界信号的处理
高速、高精度、低功耗ADC的设 计是模拟电路设计中的难题之一
高性能放大器和滤波器 设计也是热点研究课题
沟道未夹断条件
边界条件:V(x)|x=0=0, V(x)|x=L=VDS
模拟集成电路设计绪论 Ch. 1 # 9
重邮光电工程学院
NMOS沟道电势示意图（2）
dq(x) CoxWdx[vGS v (x) VTH ]
边界条件:V(x)|x=0=0, V(x)|x=L=VDS
模拟集成电路设计绪论 Ch. 1 # 10
传送端 接收端
模拟集成电路设计绪论 Ch.1# 5
重邮光电工程学院
磁盘驱动电子学
存储数据
恢复数据
硬盘存储和读出后的数据
模拟集成电路设计绪论 Ch.1# 6
重邮光电工程学院
无线接受机
无线接收天线接收到的信号(幅度只有几微伏)和噪声频谱 接收机放大低电平信号时必须具有极小噪 声、工作在高频并能抑制大的有害成分
模拟设计困难的原因是什么（1）？
基于标准CMOS工艺压控振荡器(VCO)设计
基于标准CMOS工艺压控振荡器（VCO）设计作者：南志坚刘鸿旗来源：《科技资讯》2014年第02期摘要：近年来随着无线通信系统的迅猛发展和CMOS工艺的不断进步，对CMOS 无线射频收发机要求越来越高。
低成本、小型化、宽频带、低噪声、更高的工作频段是未来射频收发机设计所要努力的方向。
压控振荡器（voltage-controlled oscillator， VCO）作为频率综合器的关键组成部分，对频率综合器的频率覆盖范围、相位噪声、功耗等重要性能都有直接影响，文章经过对VCO性能参数的分析，介绍了一些压控振荡器性能优化方法。
关键词：振荡器施密特触发器环形振荡器 CSA中图分类号：TD61 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2014）01（b）-0123-02压控振荡器（voltage-controlled oscillator， VCO）是一种以电压输入来控制振荡频率的电子振荡电路，是现代无线电通信系统的重要组成部分。
在当今集成电路向尺寸更小、频率更高、功耗更少、价格更低发展的趋势下，应用标准工艺设计生产高性能的压控振荡器已是射频集成电路中的一个重要课题。
尤其在通信系统电路中，压控振荡器（VCO）是其关键部件，可以毫不夸张地说在电子通信技术领域，VCO几乎与电流源和运放具有同等重要地位。
1 压控振荡器（VCO）原理1.1 概述压控振荡器是在振荡器的基础上引入控制端，实现电压控制振荡频率的功能。
振荡器是通过自激方式把直流电能变换为交流电能的一种电子线路。
构成VCO的第一步，是实现一个振荡器，然后添加一个中间级使输入电压可以控制振荡频率（但在有些情况，控制信号可能为电流）。
人们通常把压控振荡器称为调频器，用以产生调频信号。
1.2 压控振荡器基本架构和原理压控振荡器主要有环形振荡器和负阻型振荡器两种结构，环形振荡器具有线性度好，功耗小，成本低，易于集成，调节范围宽，结构简单易于实现等优点，因此在时钟类型的应用和低中频通信系统中得到了广泛的应用。
CMOS模拟集成电路设计拉扎维课件
.endHIT Microelectronics
25
王永生
2009-1-16
MOS SPICE模型
例：采样spice进行TRAN分析
* TRAN analysis for AMP M1 2 1 0 0 MOSN w=5u l=1.0u M2 2 3 4 5 MOSP w=5u l=1.0u M3 3 3 4 4 MOSP w=5u l=1.0u R1 3 0 100K *CL 2 0 5p
CMOS模拟集成电路设计
绪论、MOS器件物理基础
王永生 Harbin Institute of Technology Microelectronics Center
2009-1-16
提纲
2
提纲
1、绪论 2、MOS器件物理基础
HIT Microelectronics
王永生
2009-1-16
chapter11带隙基准
chapter6频率特性
chapter7噪声
chapter8反馈
chapter3单级放大器 simple Circuits
chapter4差动放大器
Devices
chapter2 MOS器件物理
chapter5电流源
HIT Microelectronics
chapter1绪论
2.2.1 阈值电压
（以N型FET为例）
耗尽（b）；反型开始（c）；反型（d）
HIT Microelectronics
王永生
2009-1-16
MOS器件物理基础
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
4.1 环形振荡器调节（续）
正反馈引起的延时变化
半边电路等效： I1↑→|-1/gm3,4|↓ →（ -1/gm3,4）||R1,2=R/(1-gm3,4R)↑ →fosc ↓
缺点：R1R2上的电流在控制过程 中会发生变化，输出摆幅在调节 范围内变化
-2/gm
半边等效
4.1 环形振荡器调节（续）
保证变容二极管反偏或正偏较弱
4.2 LC振荡器的调节（续）
变容二极管
N阱与衬底的电容 减小串连电阻
4.2 LC振荡器的调节（续）
变容二极管 消除N阱与衬底的电容的影响 采用PMOS器件电路
5、VCO的数学模型
相位与频率
d
dt
dt 0
VCO
Vout (t) Vm cos(out dt 0 ) Vm cos(0t KVCO Vcont dt 0 )
谐振时，Av gm1RP
接成反馈形式，谐振时，总相移 等于180，所以不能振荡
3.3 交叉耦合振荡器
起振条件： 谐振时，总相移为0
gm1RP1gm2 RP2 1
定义
4、压控振荡器
中心频率 调节范围ω2－ ω1
调节线性度 输出摆幅 功耗 电源与共模抑制
输出信号纯度： 信号抖动（Jitter）;相位噪声
剩余相位
ex KVCO Vcont dt
ex (s) KVCO
Vcont
s
积分器的传输函数
正反馈引起的延时变化（续） 利用差动对，使IT=ISS+I1， 保证输出振幅为2R1,2IT
为了避免M1M2没有电流通 过，在P点增加一个小恒流 源IH，以避免因此造成振 荡停止。 缺点：消耗了额外的电压余度
4.1 环形振荡器调节（续）
正反馈引起的延时变化（续）
为了避免消耗了额外的电压余度， 采用电流折叠结构
1
A0 s
0
三极点负反馈系统相移
环路增益
H
(s)
1
A03 s
0
3
arctan osc 60 0
A03
1
1
osc 0
2
3
பைடு நூலகம்
osc 30 A0＝2
振幅限制
三级环形振荡器的闭环增益
分母
振幅限制（续）
LC
实际（有损）并联LC回路含电阻成份
品质因数
Q L1
RS
阻抗
3.1 LC振荡回路（续）
串联→并联
在较窄的频率范围内ZS＝ZP
得到
LP
L1 1
RS2
L12 2
L1
RP
L12 2
RS
Q2RS
谐振频率
1
1 LPCP
3.2 “调谐”电路
LC回路作负载
4.1 环形振荡器调节（续）
插值法改变延迟
快路径导通，慢路径关断，产生最大振荡 频率； 快路径关断，慢路径导通，产生最小振荡 频率； Vcont落在两极中间时，产生中间振荡频率。
4.1 环形振荡器调节（续）
插值法改变延迟（续）
4.2 LC振荡器的调节 1
LC
反偏pn结可以当作变容二极管
三级环形振荡器中，A0不同时，极点情况
不起振 当A0>2时，
振荡
振荡，→∞，实 际上电路经历非
线性，最终达到 “饱和”
反相器构成的环形振荡器
大信号工作
X跳变 1个TD 1个TD Z跳变
Y跳变 1个TD
振荡周期2NTD＝6TD
3、LC振荡器
3.1 LC振荡回路
理想（无损）并联LC回路 1
4.1 环形振荡器调节
改变负载 每一级中，M3M4处于线性 区（三极管区），由Vcont控
制 1 Ron3,4CL
缺点：输出摆幅在调节范围内 变化大 改变电流源 控制ISS改变振荡频率
固定负载管的VDS，保证输出 摆幅（ISSRon）：M5工作在线 性区，通过A1反馈固定VDS， M3和M4跟随M5的导通电阻。
CMOS模拟集成电路设计
振荡器
提纲
1、概述 2、环形振荡器 3、LC振荡器 4、压控振荡器 5、VCO的数学模型
振荡条件
负反馈系统
1、概述
巴克豪森准则
2、环形振荡器
环形振荡器起振
单极点负反馈系统相移：max 270 ° 双极点负反馈系统相移：360°@∞
H
0
(s)