一種新的電壓模式正弦波振蕩器設(shè)計

田 豐

（重慶科創(chuàng)職業(yè)學(xué)院 信息與機電工程學(xué)院，重慶 永川　402160）

一種新的電壓模式正弦波振蕩器設(shè)計

田 豐

（重慶科創(chuàng)職業(yè)學(xué)院 信息與機電工程學(xué)院，重慶 永川402160）

設(shè)計一種新的使用電壓差分跨導(dǎo)放大器（VDTA）構(gòu)建的電子控制電壓模式正弦波振蕩器（VMSO），電路可對振蕩頻率ω0和振蕩條件進行獨立電子控制。通過PSPICE仿真，驗證電路的基本理論結(jié)果，由結(jié)果可知，振蕩器能夠輸出理想的正弦波波形.

VDTA；電壓模式電路；振蕩器

近年來，各種應(yīng)用電路都是以先進模擬電路塊的構(gòu)建為核心的.正弦波振蕩器在通信工程、電子儀器儀表和控制系統(tǒng)中得到了廣泛應(yīng)用［1］.電壓差分跨導(dǎo)放大器（VDTA）在模擬信號處理電路和模擬波形生成應(yīng)用中，是一個常用的多功能電路塊.VDTA由于其調(diào)整輸出電流增益的能力較強，備受應(yīng)用者喜愛.

一般的模擬信號處理電路和模擬波形生成電路具有以下缺點:缺乏電子適應(yīng)性；過多使用無源元件，尤其是外部電阻器:使用可調(diào)電容器，不便于進一步的集成電路制造；振蕩頻率和振蕩條件不能獨立控制［2］.

目前，各種濾波器和振蕩器設(shè)計均使用電路構(gòu)建模塊（如CFTA、CDTA、VDTA CFA、CC-II等）.本文采用兩塊VDTA和兩個接地電容以及接地電阻，設(shè)計一種新的電壓模式正弦波振蕩器.設(shè)計電路通過PSPICE仿真，驗證電路的可行性.仿真結(jié)果顯示電路的功耗低，并可實現(xiàn)振蕩頻率和振蕩條件的獨立控制.設(shè)計電路中所使用的VDTA模塊在振蕩器、過濾器、電感器和FDNR（頻率相關(guān)負電阻）的多個不同應(yīng)用中，能夠呈現(xiàn)不同的跨導(dǎo)值，這是VDTA模塊的優(yōu)勢所在.VDTA 模塊的另一個重要特點是電路輸入端電壓和電流輸出端子可以很容易進入跨導(dǎo)應(yīng)用模式［3］.本文所設(shè)計的電路采用最小數(shù)量的無源和有源元件，此外電路使用附加VDTA模塊，可以對ω0進行有效控制.

1　電路描述

VDTA的原理圖符號如圖1所示，模塊包含一個輸入電流跟隨器（能夠?qū)⑤斎腚娏鬓D(zhuǎn)移到z終端）和一個輸出跨導(dǎo)放大器（用于將z終端的電壓轉(zhuǎn)換成輸出電流），其中VDTA各個端子之間的關(guān)系為

VDTA內(nèi)部模擬結(jié)構(gòu)如圖2所示.電路采用兩個跨導(dǎo)放大器，VDTA電路的輸入和輸出跨導(dǎo)參數(shù)由輸出晶體管的跨導(dǎo)確定，可以近似表示為

式中:ui（i=n，p）為NMOS（n）和PMOS（p）晶體管載流子遷移率；Cox為每單位面積的柵極氧化物電容；W為有效溝道寬度；L為有效信道長度［4］；IBi為第i個晶體管的偏置電流.電壓模式正弦波振蕩器（VMSO）由2個VDTA和2個接地電容及電阻組成.

圖1　VDTA原理圖符號

圖2　VDTA內(nèi)部模擬結(jié)構(gòu)

2　電壓模式正弦波振蕩器電路實現(xiàn)

VMSO通過級聯(lián)一個反相的二階低通濾波器和無損積分器來設(shè)計［5］，其設(shè)計電路如圖3所示.根據(jù)設(shè)計電路得到的正弦波振蕩器特征方程為

由方程（5），可以將振蕩條件和振蕩頻率寫為

從方程（5）可以看出，如果a=c，則振蕩條件和振蕩頻率就可獨立調(diào)節(jié)，即振蕩條件可以由b和k進行控制，而振蕩頻率可以由a來進行調(diào)整.使用VDTA設(shè)計的VMSO電路如圖4所示.

根據(jù)電路可以寫出其振蕩頻率為

如果c1=c2=c，則

圖3　VMSO電路

圖4　使用VDTA設(shè)計的VMSO電路

從式（9）與式（10）可以看出，振蕩條件可以由R1，gm2，gm4設(shè)定，同時，振蕩頻率由獨立于振蕩條件的gm1進行控制.由圖4可以得到電壓傳遞函數(shù)為

因此，電路在輸出時提供了兩種電壓模式的正弦振蕩信號.

3　電路敏感性分析

振蕩器在旁路電容影響下的非理想等效電路如圖5所示.電路的振蕩頻率和振蕩條件表示為

從圖5可以看出，旁路電容Cp和Cz分別與外部電容C1和C2并聯(lián).因此，旁路電容所受的影響可以通過減少外部電容的值消除.如果R-是無限的，即使在旁路電容有影響的情況下，VDTA的振蕩頻率和振蕩條件依然可以獨立調(diào)節(jié).有源和無源元件的值的變化對系統(tǒng)的影響可以用靈敏度系數(shù)來表示，分別為

由各靈敏度系數(shù)可以看出，系統(tǒng)中所有的有源和無源元件靈敏度較低［6］，對ω0的影響均較小.

4　模擬結(jié)果

為了檢驗如圖4所示設(shè)計的正弦波振蕩器的性能，通過PSPICE對其進行仿真測試，仿真時PMOS 和NMOS晶體管分別采用0.18 μm TSMC CMOS工藝參數(shù)進行模擬，PMOS和NMOS晶體管尺寸如表1所示.電路采用偏置電壓為0.9 V的電源電壓，VEE=-0.55 V，IB1=IB2=IB3=IB4=150 μA，VDTA的跨導(dǎo)值為gm1=gm2=gm3=gm4=636.3 μA/V，在z端子的旁路電容Cp=0.15 pF，此外，C1=C2=1 nF，R=1.5kΩ，圖6為電路在PSPICE16.3中的時域響應(yīng)仿真圖，可以看出電路性能穩(wěn)定，其振蕩頻率f0=15.56 MHz.

表1　晶體管尺寸表

圖6　VMSO的時域響應(yīng)仿真圖

5　結(jié)論

本文利用電壓差分放大器設(shè)計一款新的電壓模式正弦波振蕩器，設(shè)計電路包括了兩個電壓差分跨導(dǎo)放大器和兩個接地電容及接地電阻，為了驗證其基本性能，利用PSPICE進行仿真，由仿真的結(jié)果可以看出，電路工作穩(wěn)定，性能良好，并且具有設(shè)計成本低、帶寬較大、電源電壓低、輸入阻抗高以及電子可控性強等特點.

［1］ 霍然，葉建芳. 基于集成壓控振蕩器的調(diào)頻電路仿真分析［J］. 微型電腦應(yīng)用，2014（4）:51-54.

［2］ 劉超，李昌紅，于臻，等. 一種低電源電壓靈敏度RC振蕩器的設(shè)計［J］. 微電子學(xué)，2012（2）:30-33.

［3］ 程夢璋，景為平. CMOS環(huán)型壓控振蕩器的設(shè)計［J］. 電子科技大學(xué)學(xué)報，2009（3）:305-308.

［4］ 張立. RC相移振蕩器頻率與起振條件微分方程法分析［J］. 電氣電子教學(xué)學(xué)報，2011（2）:37-39.

［5］ 王儉，潘欣裕，畢自強. RC橋式正弦振蕩電路輸出信號幅值特性研究［J］. 電子設(shè)計工程，2015（7）:152-154.

［6］ 陳亮，施智興. 三極管RC移項振蕩器淺析［J］. 電子技術(shù)與軟件工程，2015（4）:140-141.

（責(zé)任編輯:沈鳳英）

Design of a New Voltage Mode Sinusoidal Oscillator

TIAN Feng
（School of Information and Mechano-electrical Engineering，Chongqi Creation Vocational College，Yongchuan 402160，China）

The purpose of this paper is to design a new electronically controlled voltage mode sinusoidal oscillator （VMSO） using Voltage Differencing Transconductance Amplifiers （VDTA）. The proposed circuit provides independent electronic control of ω0and the condition of oscillation. The basic work condition of the circuit is verified by PSPICE software simulation， and the result shows that the generator can output ideal sinusoidal waveform.

VDTA；voltage-mode circuit；oscillator

10.16219/j.cnki.szxbzk.2016.03.003

TN92

A

1008-5475（2016）03-0021-04

2016-03-31；

2016-04-26

田 豐（1983-），男，陜西寶雞人，講師，碩士，主要從事信號采集與處理、智能控制研究.

田豐.一種新的電壓模式正弦波振蕩器設(shè)計［J］.蘇州市職業(yè)大學(xué)學(xué)報，2016，27（3）：21-24.