在這篇文章中，我們將介紹振蕩器（OSC）的工作原理。

在介紹鎖相環(huán)中的壓控振蕩器之前，我們需要先對(duì)振蕩器進(jìn)行學(xué)習(xí)和理解。

振蕩器是什么？顧名思義，就是通電后能自發(fā)發(fā)出周期性振蕩信號(hào)的裝置，我們不需要對(duì)這樣的裝置進(jìn)行信號(hào)輸入，只需要給裝置接入電源就行。

從理論上來講，振蕩器的邏輯就是，系統(tǒng)中存在一個(gè)噪聲（在物理專業(yè)里這樣的信號(hào)叫做“漲落”），然后我們對(duì)其進(jìn)行操作。所以在Cadence中模擬振蕩器時(shí)我需要設(shè)立初值：設(shè)置初值方法

一般的振蕩器都是如下兩種原理：

1. 系統(tǒng)選擇某個(gè)特定頻率的信號(hào)，對(duì)他不斷地進(jìn)行放大，而其他頻率的信號(hào)則是一直是以噪聲存在的小信號(hào)，于是輸出了這個(gè)特定頻率信號(hào)，由此產(chǎn)生特定頻率的振蕩信號(hào)。
2. 系統(tǒng)中存在低頻噪聲，由于系統(tǒng)在信號(hào)傳輸?shù)倪^程中存在延時(shí)，而且過了特定的時(shí)間后，這些信號(hào)會(huì)發(fā)現(xiàn)翻轉(zhuǎn)，并且翻轉(zhuǎn)信號(hào)會(huì)穿回最開始的器件裝置，由此確定了系統(tǒng)每經(jīng)過一個(gè)特定的時(shí)間信號(hào)就會(huì)發(fā)現(xiàn)翻轉(zhuǎn)，且由于裝置的MOS管存在寄生電容，裝置的輸出電壓始終是連續(xù)地從0升到電源電壓，或者是從電源電壓降到0，由此實(shí)現(xiàn)了對(duì)輸出信號(hào)頻率地篩選，保證能輸出特定頻率的振蕩信號(hào)。

1.三個(gè)反相器組成的振蕩器

首先我們來理解如下圖最直觀的振蕩器。這里我們的振蕩器主干部分由三個(gè)反相器組成，后面的一個(gè)反相器是一個(gè)穩(wěn)定輸出信號(hào)的buffer。假設(shè)每一個(gè)反相器的延時(shí)是Ti，可以看到，當(dāng)有一個(gè)噪聲信號(hào)產(chǎn)生后，從最左端反相器輸入到整個(gè)環(huán)路系統(tǒng)，可見信號(hào)經(jīng)過三個(gè)反相器延時(shí)3Ti后會(huì)發(fā)生反相，信號(hào)有高電平翻轉(zhuǎn)為低電平，或者由低電平翻轉(zhuǎn)為高電平。通過振蕩信號(hào)可見，每經(jīng)過兩次信號(hào)翻轉(zhuǎn)，系統(tǒng)就經(jīng)歷了一個(gè)周期，由此產(chǎn)生了一個(gè)周期為6Ti的振蕩信號(hào)。

三個(gè)反相器組成的振蕩器

仿真結(jié)果

不過這個(gè)建議裝置很難設(shè)計(jì)出我們想要的頻率的振蕩信號(hào)，因?yàn)檫@個(gè)裝置里的延時(shí)都來自于MOS管中的寄生電容。不過有個(gè)意思的事是，我們能看到每個(gè)周期的時(shí)長是0.3ns，那么就是說這里我們用到的MOS管的延時(shí)是0.05ns，由此每當(dāng)我們遇到MOS管的時(shí)候也能估算一下系統(tǒng)的延時(shí)，這樣的延時(shí)會(huì)直接影響到我們電子設(shè)備的處理數(shù)據(jù)、數(shù)據(jù)傳輸?shù)乃俣?。如果每個(gè)MOS都是固定的0.05ns，也就是說設(shè)備的頻率最高達(dá)到20G，這可能就會(huì)成為硬件傳輸數(shù)據(jù)的速度極限（當(dāng)然具體到信號(hào)傳輸?shù)臋C(jī)制，可能還要考慮頻分復(fù)用、時(shí)分復(fù)用等原理，速度會(huì)再快點(diǎn)）。

2.三級(jí)環(huán)形振蕩器：共源級(jí)運(yùn)放+RC

了解了三個(gè)反相器組成的振蕩器，我們就能很容易地理解這一類振蕩器了，它也是經(jīng)過特定延時(shí)后，系統(tǒng)信號(hào)發(fā)生一次翻轉(zhuǎn)，然后再傳輸回最開始的裝置，由此循環(huán)往復(fù)。不過不同的是，在這里我們是用共源級(jí)運(yùn)放實(shí)現(xiàn)信號(hào)翻轉(zhuǎn)（信號(hào)反相），而且還加入了人為設(shè)定的RC電路來做延時(shí)，由此能保證輸出振蕩信號(hào)頻率可控，我們就能設(shè)置輸出特定頻率信號(hào)的振蕩器了。（RC電路的延時(shí)要求遠(yuǎn)大于MOS管內(nèi)部的寄生電容帶來的延時(shí)。） 通過模擬出來的振蕩信號(hào)可見，振蕩信號(hào)的周期在微妙量級(jí)，而上一個(gè)由三個(gè)反相器組成的振蕩器的延時(shí)在納秒量級(jí)。

三級(jí)環(huán)形振蕩器：共源級(jí)運(yùn)放+RC

仿真結(jié)果

3.運(yùn)放+帶通濾波器

在振蕩器原理里，還有一條是：系統(tǒng)選擇某個(gè)特定頻率的信號(hào)，對(duì)他不斷地進(jìn)行放大，而其他頻率的信號(hào)則是一直是以噪聲存在的小信號(hào)，于是輸出了這個(gè)特定頻率信號(hào)，由此產(chǎn)生特定頻率的振蕩信號(hào)。下面我們來展示通過這個(gè)原理設(shè)計(jì)出來的振蕩器。

如下圖，左下角的1圖，是一個(gè)帶通濾波器，右上角2圖是一個(gè)運(yùn)放。通過電路分析可以看出，運(yùn)放會(huì)把噪聲方法，讓后通過帶通濾波器的選擇后，只留下我們想要的頻率的振蕩信號(hào)，并且做輸出。

運(yùn)放+帶通濾波器

仿真結(jié)果

由于運(yùn)放并非理想運(yùn)放，所以我在這里加了一個(gè)buffer。

buffer

4.交叉耦合 LC 振蕩器

對(duì)LC振蕩進(jìn)行學(xué)習(xí)，我們會(huì)接觸到石英晶振的等效電路圖，品質(zhì)因子Q因子，而且把這個(gè)電路中的電容器換成可變電容器，這個(gè)電路就會(huì)變成一個(gè)壓控振蕩器。

電感的 Q 值也叫作品質(zhì)因數(shù)，其為無用功功率除以有用功功率。簡單理解的話，就是在一個(gè)信號(hào)周期內(nèi)，無用功功率為電感存儲(chǔ)的能量，有用功功率為電感消耗的能量。電感在一個(gè)充放電周期內(nèi)，儲(chǔ)存并釋放的能量為無用功能量，而因?yàn)檫@個(gè)過程額外損耗的能量就是有用功能量，損耗的能量主要作為熱量耗散。在自諧振頻率處，電感與其寄生電容諧振了，相當(dāng)于一個(gè)電阻?；蛘邚奈⒂^上看，進(jìn)入電感的能量在其內(nèi)部電容和電感中來回倒騰，并不能釋放出來，只能通過 Rs 慢慢消耗掉,Q=0。Q 值越高，電感的性能越接近于理想的無損電感，這也說明了它在諧振電路中的選擇性更好，因此，諧振電路要選擇高 Q 值電感。

石英晶振等效電路圖

大概原理就是每過一段時(shí)間信號(hào)翻轉(zhuǎn)，且LC電路會(huì)對(duì)信號(hào)進(jìn)行篩選，由此產(chǎn)生了振蕩信號(hào)。我們能通過設(shè)計(jì)R,L,C的值來設(shè)置輸出振蕩信號(hào)的頻率。這里面還有一個(gè)概念叫做負(fù)阻，是分析RLC電路用的一種理論，在這里就不做詳細(xì)敘述了，可以參考學(xué)習(xí)拉扎維的模擬CMOS集成電路設(shè)計(jì)。

交叉耦合 LC 振蕩器

不過在我實(shí)際模擬的過程中，使用工藝庫中的電感，輸出的信號(hào)都會(huì)是這種不斷衰減的信號(hào)。

選擇工藝庫中的電感帶來的輸出信號(hào)

當(dāng)我把電感換成理想電感時(shí)，才會(huì)輸出特定頻率的振蕩信號(hào)。

選擇理想電感帶來的輸出信號(hào)

窗口比較式振蕩器

最后放一個(gè)我在文獻(xiàn)上學(xué)來的一個(gè)振蕩器，等到有時(shí)間后在對(duì)這個(gè)模型做詳細(xì)講解。為了講清它我們需要使用到恒流源、電荷泵、遲滯比較器、寄存器等知識(shí)，這是一個(gè)綜合性的話題，可以留到下下次再水一篇文章。

窗口比較式振蕩器