振荡器的工作原理解析

在这篇文章中，我们将介绍振荡器（OSC）的工作原理。

在介绍锁相环中的压控振荡器之前，我们需要先对振荡器进行学习和理解。

振荡器是什么？顾名思义，就是通电后能自发发出周期性振荡信号的装置，我们不需要对这样的装置进行信号输入，只需要给装置接入电源就行。

从理论上来讲，振荡器的逻辑就是，系统中存在一个噪声（在物理专业里这样的信号叫做“涨落”），然后我们对其进行操作。所以在Cadence中模拟振荡器时我需要设立初值：设置初值方法

一般的振荡器都是如下两种原理：

1. 系统选择某个特定频率的信号，对他不断地进行放大，而其他频率的信号则是一直是以噪声存在的小信号，于是输出了这个特定频率信号，由此产生特定频率的振荡信号。
2. 系统中存在低频噪声，由于系统在信号传输的过程中存在延时，而且过了特定的时间后，这些信号会发现翻转，并且翻转信号会穿回最开始的器件装置，由此确定了系统每经过一个特定的时间信号就会发现翻转，且由于装置的MOS管存在寄生电容，装置的输出电压始终是连续地从0升到电源电压，或者是从电源电压降到0，由此实现了对输出信号频率地筛选，保证能输出特定频率的振荡信号。

1.三个反相器组成的振荡器

首先我们来理解如下图最直观的振荡器。这里我们的振荡器主干部分由三个反相器组成，后面的一个反相器是一个稳定输出信号的buffer。假设每一个反相器的延时是Ti，可以看到，当有一个噪声信号产生后，从最左端反相器输入到整个环路系统，可见信号经过三个反相器延时3Ti后会发生反相，信号有高电平翻转为低电平，或者由低电平翻转为高电平。通过振荡信号可见，每经过两次信号翻转，系统就经历了一个周期，由此产生了一个周期为6Ti的振荡信号。

三个反相器组成的振荡器

仿真结果

不过这个建议装置很难设计出我们想要的频率的振荡信号，因为这个装置里的延时都来自于MOS管中的寄生电容。不过有个意思的事是，我们能看到每个周期的时长是0.3ns，那么就是说这里我们用到的MOS管的延时是0.05ns，由此每当我们遇到MOS管的时候也能估算一下系统的延时，这样的延时会直接影响到我们电子设备的处理数据、数据传输的速度。如果每个MOS都是固定的0.05ns，也就是说设备的频率最高达到20G，这可能就会成为硬件传输数据的速度极限（当然具体到信号传输的机制，可能还要考虑频分复用、时分复用等原理，速度会再快点）。

2.三级环形振荡器：共源级运放+RC

了解了三个反相器组成的振荡器，我们就能很容易地理解这一类振荡器了，它也是经过特定延时后，系统信号发生一次翻转，然后再传输回最开始的装置，由此循环往复。不过不同的是，在这里我们是用共源级运放实现信号翻转（信号反相），而且还加入了人为设定的RC电路来做延时，由此能保证输出振荡信号频率可控，我们就能设置输出特定频率信号的振荡器了。（RC电路的延时要求远大于MOS管内部的寄生电容带来的延时。） 通过模拟出来的振荡信号可见，振荡信号的周期在微妙量级，而上一个由三个反相器组成的振荡器的延时在纳秒量级。

三级环形振荡器：共源级运放+RC

仿真结果

3.运放+带通滤波器

在振荡器原理里，还有一条是：系统选择某个特定频率的信号，对他不断地进行放大，而其他频率的信号则是一直是以噪声存在的小信号，于是输出了这个特定频率信号，由此产生特定频率的振荡信号。下面我们来展示通过这个原理设计出来的振荡器。

如下图，左下角的1图，是一个带通滤波器，右上角2图是一个运放。通过电路分析可以看出，运放会把噪声方法，让后通过带通滤波器的选择后，只留下我们想要的频率的振荡信号，并且做输出。

运放+带通滤波器

仿真结果

由于运放并非理想运放，所以我在这里加了一个buffer。

buffer

4.交叉耦合 LC 振荡器

对LC振荡进行学习，我们会接触到石英晶振的等效电路图，品质因子Q因子，而且把这个电路中的电容器换成可变电容器，这个电路就会变成一个压控振荡器。

电感的 Q 值也叫作品质因数，其为无用功功率除以有用功功率。简单理解的话，就是在一个信号周期内，无用功功率为电感存储的能量，有用功功率为电感消耗的能量。电感在一个充放电周期内，储存并释放的能量为无用功能量，而因为这个过程额外损耗的能量就是有用功能量，损耗的能量主要作为热量耗散。在自谐振频率处，电感与其寄生电容谐振了，相当于一个电阻。或者从微观上看，进入电感的能量在其内部电容和电感中来回倒腾，并不能释放出来，只能通过 Rs 慢慢消耗掉,Q=0。Q 值越高，电感的性能越接近于理想的无损电感，这也说明了它在谐振电路中的选择性更好，因此，谐振电路要选择高 Q 值电感。

石英晶振等效电路图

大概原理就是每过一段时间信号翻转，且LC电路会对信号进行筛选，由此产生了振荡信号。我们能通过设计R,L,C的值来设置输出振荡信号的频率。这里面还有一个概念叫做负阻，是分析RLC电路用的一种理论，在这里就不做详细叙述了，可以参考学习拉扎维的模拟CMOS集成电路设计。

交叉耦合 LC 振荡器

不过在我实际模拟的过程中，使用工艺库中的电感，输出的信号都会是这种不断衰减的信号。

选择工艺库中的电感带来的输出信号

当我把电感换成理想电感时，才会输出特定频率的振荡信号。

选择理想电感带来的输出信号

窗口比较式振荡器

最后放一个我在文献上学来的一个振荡器，等到有时间后在对这个模型做详细讲解。为了讲清它我们需要使用到恒流源、电荷泵、迟滞比较器、寄存器等知识，这是一个综合性的话题，可以留到下下次再水一篇文章。

窗口比较式振荡器