高频环形振荡器的研究及版图设计(附件)【字数：8867】
摘 要振荡器很大范围应用在时钟信号发生器、压控振荡器等模拟电路及其振荡电路中。由于拥有电路简单、频率调节范围广、较高的集成度和较低的价格这些特点，我们一般使用CMOS环形振荡器来实现。本篇文章面向CMOS环形振荡器速度低的缺点,首先介绍了传统的环形振荡器的工作原理，了解它的结构，针对其设计一个中心频率数量级为GHZ的低功耗高频率CMOS环形振荡器的改进方法，设计了一种新的延迟单元，使其拥有起振快线性范围好的优点，最后完成版图设计及后仿来验证本次设计的可行性。
目 录
第一章 绪论 1
1.1研究背景以及意义 1
1.2国内外的研究发展动向 2
1.3功能需求 3
1.4论文主要内容及章节安排 3
第二章 环形振荡器的基本原理 4
2.1 起振原理 4
2.2环形振荡器的工作原理 6
2.2.1环形振荡器的基本结构 7
2.3环形振荡器的频率与功耗 9
2.4本章小结 10
第三章 环形振荡器设计重点 11
3.1单元延迟电路分析 11
3.1.2延迟单元的设计 12
3.2起振电路的设计 13
3.5本章小结 14
第四章 高速数控环形振荡器设计 15
4.1传统的数控环形振荡器 15
4.2 基于三态反相器的高速DCO 16
4.3高速DCO电路设计及仿真 18
4.4本章小结 20
结束语 21
致 谢 22
参考文献 23 第一章 绪论
1.1研究背景以及意义
振荡器在各大领域都占有着较高的作用空间，譬如通信类、医学类、电子类，以至于多年以来科学家们一直都在继续着对其的研究。早期无线电技术发展时，VCO是发射和接收设备的基本设施，其一般在超外差接收机的本振方面以及高频载波电压方面有所体现。
CMOS工艺随着半导体工业的逐渐成熟也开始小有成就，芯片各模块的要求越来越高，芯片的面积也变得更加小。由于振荡器模块在产生系统时钟中是个主要的部件，在许多工业系统里都占有一定 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: ￥351916072$
的地位，尤其处于锁相环与频率综合电路内，所以CMOS环形振荡器一直以来都拥有很大的研究热度[1]。VCO和数字技术也可以相互结合且其线性度优秀、占地面积小，还拥有频率调谐范围广的优点，在各类科研以及通信与电子工业方面的研究都有很大范围的体现。但是，COMS环形振荡器在功耗需求、频率调谐范围、线性范围等方面还需要更深入的研究。VCO在模拟电路设计里作用了不少的年数，并且取得了很大的进步，作为一种重要的时钟产生电路，它可以应用于许多方面。我们将各类振荡器如LC振荡器、陶瓷振荡器等与差分结构的环形振荡相比较，后者属于普通的时钟电路，但是拥有相较而言更高的集成度，且占有的面积不大，结构简单，能够符合GHZ时钟频率的需求，它也拥有稳定性好，应用范围广的特点。能够在锁相环中应用于固定频率时钟源与振荡器核心元件，但它对于频率与电压的线性关系方面要求严格，并且在稳定性与抑制噪声的能力方面也有所需求。
电压控制振荡器属于周期信号产生电路，在科技信息发展以及电子工业方面都是不能够忽视的位置。比如，振荡器在锁相环中属于一个重要的模块，在各类电子系统如雷达、收发机、手机种种都有良好的体现。伴随着科研方面的发展，在工作频率方面的有了更强的需求,这些电路的运作频率普遍高于GHZ。
初步的振荡器由于不够成熟，有很多的缺点，体积较大且需要花费的资金较高难以普遍生产，它的内部结构主要是分立的电子元件。再逐渐半导体技术也慢慢走上正轨，单片机具有面积小且性能优秀的特点，符合它原有的需求。在单片集成电路里，比较优秀的两种属于双极工艺与MOS工艺[2]。使用前者技术产生的芯片速度快，缺点在于需要更大的功耗。而后者技术的芯片优点更多，其集成度高所需资源资金以及功耗较小，且所占用的空间也小，所以当前MOS工艺普遍应用于市场上。在我们国家电子通信拥有广阔的市场。对于研究制造出开发具有电路简单、频率调节范围广、较高的集成度和较低的价格的VCO有很大的发展前途与意义。
1.2国内外的研究发展动向
如今我们处于一个全球化信息急剧增长的时期，人们对信息的需求呈指数级增长。在各种通信系统中，无论是信号源还是终端设备，都离不开芯片来处理信号。只有使用高性能芯片，才能实现高性能的通信系统。由于时代信息行业在不断地进步，我们队芯片也有了更多的需求，并针对其设计进行相互的促进与补充。
随着信息技术的不停的发展进步和，终端产品开始变得更便捷、更小，同时要求价格低能够适应于大批量生产，主流CMOS技术让这些要求变得更容易实现，越来越多的通信电路通过单片集成来实现。在大多数的通信系统电路中，VCO处于一个重要的位置，尤其是在PLL以及频率合成电路中，VCO的性能几乎决定了电路的性能和高性能单片机的整体振动。摆幅电路也是一个研究热点。
自从上个世纪初国外科学家发明了电子管振荡器，就掀起了一阵振荡电路研究的热潮，并且有所成就。接着，晶体管与电容二极管横空出现，其他无源器件构成独立的晶体管电压控制振荡器。同早期的振荡器比较，它各方面的优点譬如功耗频率等更加突出。所以在接下来代替了早期发明的振荡器的位置，且提高了各大电子系统设计中普遍使用率。一直到20世纪80年代，无源器件的体积变小逐渐促使了VCO元件的出世。VCO元件的作用下让电路更加简洁，降低了外部状况导致的不客观因素的发生，在此之后振荡器的技术研究变得现代化，在20世纪90年代，出现了一种规模较小的VCO技术，即单片机集成VCO技术，单片机集成VCO的原理是把各种要用的设施总和在一块芯片里。早期单片机集成VCO技术，工作频率大多处于几千兆赫兹，所需的资源资金较多，所以在民用领域并不普遍，但是基于硅芯片IC技术的VCO工作频率特别低。硅片集成技术的发力，
目 录
第一章 绪论 1
1.1研究背景以及意义 1
1.2国内外的研究发展动向 2
1.3功能需求 3
1.4论文主要内容及章节安排 3
第二章 环形振荡器的基本原理 4
2.1 起振原理 4
2.2环形振荡器的工作原理 6
2.2.1环形振荡器的基本结构 7
2.3环形振荡器的频率与功耗 9
2.4本章小结 10
第三章 环形振荡器设计重点 11
3.1单元延迟电路分析 11
3.1.2延迟单元的设计 12
3.2起振电路的设计 13
3.5本章小结 14
第四章 高速数控环形振荡器设计 15
4.1传统的数控环形振荡器 15
4.2 基于三态反相器的高速DCO 16
4.3高速DCO电路设计及仿真 18
4.4本章小结 20
结束语 21
致 谢 22
参考文献 23 第一章 绪论
1.1研究背景以及意义
振荡器在各大领域都占有着较高的作用空间，譬如通信类、医学类、电子类，以至于多年以来科学家们一直都在继续着对其的研究。早期无线电技术发展时，VCO是发射和接收设备的基本设施，其一般在超外差接收机的本振方面以及高频载波电压方面有所体现。
CMOS工艺随着半导体工业的逐渐成熟也开始小有成就，芯片各模块的要求越来越高，芯片的面积也变得更加小。由于振荡器模块在产生系统时钟中是个主要的部件，在许多工业系统里都占有一定 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: ￥351916072$
的地位，尤其处于锁相环与频率综合电路内，所以CMOS环形振荡器一直以来都拥有很大的研究热度[1]。VCO和数字技术也可以相互结合且其线性度优秀、占地面积小，还拥有频率调谐范围广的优点，在各类科研以及通信与电子工业方面的研究都有很大范围的体现。但是，COMS环形振荡器在功耗需求、频率调谐范围、线性范围等方面还需要更深入的研究。VCO在模拟电路设计里作用了不少的年数，并且取得了很大的进步，作为一种重要的时钟产生电路，它可以应用于许多方面。我们将各类振荡器如LC振荡器、陶瓷振荡器等与差分结构的环形振荡相比较，后者属于普通的时钟电路，但是拥有相较而言更高的集成度，且占有的面积不大，结构简单，能够符合GHZ时钟频率的需求，它也拥有稳定性好，应用范围广的特点。能够在锁相环中应用于固定频率时钟源与振荡器核心元件，但它对于频率与电压的线性关系方面要求严格，并且在稳定性与抑制噪声的能力方面也有所需求。
电压控制振荡器属于周期信号产生电路，在科技信息发展以及电子工业方面都是不能够忽视的位置。比如，振荡器在锁相环中属于一个重要的模块，在各类电子系统如雷达、收发机、手机种种都有良好的体现。伴随着科研方面的发展，在工作频率方面的有了更强的需求,这些电路的运作频率普遍高于GHZ。
初步的振荡器由于不够成熟，有很多的缺点，体积较大且需要花费的资金较高难以普遍生产，它的内部结构主要是分立的电子元件。再逐渐半导体技术也慢慢走上正轨，单片机具有面积小且性能优秀的特点，符合它原有的需求。在单片集成电路里，比较优秀的两种属于双极工艺与MOS工艺[2]。使用前者技术产生的芯片速度快，缺点在于需要更大的功耗。而后者技术的芯片优点更多，其集成度高所需资源资金以及功耗较小，且所占用的空间也小，所以当前MOS工艺普遍应用于市场上。在我们国家电子通信拥有广阔的市场。对于研究制造出开发具有电路简单、频率调节范围广、较高的集成度和较低的价格的VCO有很大的发展前途与意义。
1.2国内外的研究发展动向
如今我们处于一个全球化信息急剧增长的时期，人们对信息的需求呈指数级增长。在各种通信系统中，无论是信号源还是终端设备，都离不开芯片来处理信号。只有使用高性能芯片，才能实现高性能的通信系统。由于时代信息行业在不断地进步，我们队芯片也有了更多的需求，并针对其设计进行相互的促进与补充。
随着信息技术的不停的发展进步和，终端产品开始变得更便捷、更小，同时要求价格低能够适应于大批量生产，主流CMOS技术让这些要求变得更容易实现，越来越多的通信电路通过单片集成来实现。在大多数的通信系统电路中，VCO处于一个重要的位置，尤其是在PLL以及频率合成电路中，VCO的性能几乎决定了电路的性能和高性能单片机的整体振动。摆幅电路也是一个研究热点。
自从上个世纪初国外科学家发明了电子管振荡器，就掀起了一阵振荡电路研究的热潮，并且有所成就。接着，晶体管与电容二极管横空出现，其他无源器件构成独立的晶体管电压控制振荡器。同早期的振荡器比较，它各方面的优点譬如功耗频率等更加突出。所以在接下来代替了早期发明的振荡器的位置，且提高了各大电子系统设计中普遍使用率。一直到20世纪80年代，无源器件的体积变小逐渐促使了VCO元件的出世。VCO元件的作用下让电路更加简洁，降低了外部状况导致的不客观因素的发生，在此之后振荡器的技术研究变得现代化，在20世纪90年代，出现了一种规模较小的VCO技术，即单片机集成VCO技术，单片机集成VCO的原理是把各种要用的设施总和在一块芯片里。早期单片机集成VCO技术，工作频率大多处于几千兆赫兹，所需的资源资金较多，所以在民用领域并不普遍，但是基于硅芯片IC技术的VCO工作频率特别低。硅片集成技术的发力，
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