環(huán)形振蕩器的分析與仿真研究

熊熙烈， 涂 虬

(上饒師范學(xué)院 物理與電子信息學(xué)院， 江西 上饒 334001)

環(huán)形振蕩器的分析與仿真研究

熊熙烈， 涂 虬

(上饒師范學(xué)院 物理與電子信息學(xué)院， 江西 上饒 334001)

在分析環(huán)形振蕩器電路的基礎(chǔ)上，提出了基于Multisim的環(huán)形振蕩器仿真實(shí)驗(yàn)方法。通過(guò)修改仿真設(shè)置，使帶RC延遲電路的環(huán)形振蕩器仿真實(shí)驗(yàn)可行，仿真結(jié)果與理論值和實(shí)際電路實(shí)驗(yàn)結(jié)果也較為吻合。進(jìn)一步對(duì)變形的帶RC延遲電路的環(huán)形振蕩器(oscillator RC)進(jìn)行了理論分析和實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)，使Multisim仿真實(shí)驗(yàn)可不修改仿真設(shè)置，并經(jīng)過(guò)仿真實(shí)驗(yàn)和實(shí)際電路實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證了該電路仿真實(shí)驗(yàn)的可行性。

環(huán)形振蕩器； 仿真實(shí)驗(yàn)； Multisim

環(huán)形振蕩器以其低功耗、高集成度以及寬頻率調(diào)節(jié)范圍等顯著優(yōu)點(diǎn)，越來(lái)越成為通信系統(tǒng)不可或缺的功能模塊。特別是壓控振蕩器(VCO)電路，已廣泛應(yīng)用于時(shí)鐘信號(hào)發(fā)生器、集成頻率綜合器、時(shí)鐘恢復(fù)電路等。目前，關(guān)于低功耗，低相位噪聲環(huán)形振蕩器的設(shè)計(jì)和研究十分活躍[1-3]。在環(huán)形振蕩器的實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，有些內(nèi)容對(duì)實(shí)驗(yàn)設(shè)備要求較高或不易實(shí)現(xiàn)，而Multisim仿真軟件則為仿真實(shí)驗(yàn)提供了豐富的元器件庫(kù)供學(xué)生進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)，使學(xué)生加深對(duì)理論的理解，提高電子電路教學(xué)效果、鍛煉學(xué)生的實(shí)踐能力[4-7]。本文在總結(jié)環(huán)形振蕩器實(shí)驗(yàn)內(nèi)容的基礎(chǔ)上，分析了Multisim中帶RC延遲電路的環(huán)形振蕩器，并通過(guò)實(shí)物實(shí)驗(yàn)和仿真驗(yàn)證了實(shí)驗(yàn)結(jié)果和該電路的可行性。

1 環(huán)形振蕩器

利用反相器的延時(shí)特性，將奇數(shù)個(gè)反相器環(huán)形串聯(lián)，便可以構(gòu)成一個(gè)基本環(huán)形振蕩器。作為數(shù)字系統(tǒng)的時(shí)鐘信號(hào)源，由CMOS反相器構(gòu)成的環(huán)形振蕩器具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、集成度高、功耗低的優(yōu)點(diǎn)，因此得到了廣泛的應(yīng)用。隨著CMOS集成電路工藝技術(shù)的發(fā)展，環(huán)形振蕩器的振蕩頻率已達(dá)到數(shù)十GHz。在數(shù)字電路實(shí)驗(yàn)中，常用門電路串接為環(huán)形振蕩器的方法測(cè)量門電路的傳輸延遲時(shí)間。門電路的傳輸延遲時(shí)間一般很短，該實(shí)驗(yàn)方法對(duì)示波器的要求較高，且很難測(cè)量到準(zhǔn)確的結(jié)果；而用仿真的方法進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，操作方便、實(shí)驗(yàn)結(jié)果直觀明了[8]。仿真電路和仿真輸出波形見(jiàn)圖1。

由圖1(b)可知，三個(gè)反相器構(gòu)成的環(huán)形振蕩器其振蕩周期T=123.106 ns，根據(jù)T=2ntpd，當(dāng)n=3時(shí)，可計(jì)算出門電路的傳輸延遲時(shí)間tpd≈20 ns，顯然與實(shí)際74HC04的平均傳輸延遲時(shí)間9～10 ns相差較大[9]。究其原因，是由于Multisim中設(shè)置的上升延遲時(shí)間(rise_delay)tPLH=20 ns，下降延遲時(shí)間(fall_delay)tPHL=20 ns，因此若要得到正確結(jié)果，只要將3個(gè)反相器的上升延遲和下降延遲修改為10 ns即可[10]。

圖1 測(cè)量門電路傳輸延遲時(shí)間的仿真實(shí)驗(yàn)

2 帶RC延遲電路的環(huán)形振蕩器

圖1(a)電路的振蕩頻率很高，且頻率不易調(diào)節(jié)。為此，可以在圖1(a)電路中附加RC延遲電路，組成帶RC延遲電路的環(huán)形振蕩器[9](見(jiàn)圖2(a))。圖2(b)是仿真波形。

圖2 帶RC延遲電路的環(huán)形振蕩器仿真實(shí)驗(yàn)

從圖2(b)可看出，電路中增加RC延遲電路后，振蕩周期增加，但效果不明顯，這主要是由于RC電路每次充、放電的持續(xù)時(shí)間很短，還不能明顯地增加信號(hào)從U2B的輸出端到U3C輸入端的傳輸延遲時(shí)間。另外，當(dāng)R或C增大到一定數(shù)值后周期并沒(méi)有明顯改變，仿真效果不佳。而在實(shí)際電路實(shí)驗(yàn)中則得不到任何結(jié)果，所以圖2(a)不是一個(gè)實(shí)用電路。為了進(jìn)一步加大RC電路的充、放電時(shí)間，筆者使用如圖3(a)所示的電路[9]，圖3(b)是其仿真實(shí)驗(yàn)輸出波形。

圖3 實(shí)用的環(huán)形振蕩器的仿真實(shí)驗(yàn)

圖3(a)實(shí)驗(yàn)電路在Multisim中也不易得到較好的仿真結(jié)果。為了得到較好的仿真實(shí)驗(yàn)效果，還需在Simulate選單中點(diǎn)擊混合模式仿真設(shè)置(Mixed-mode simulation settings)，出現(xiàn)使用理想模型(Use Ideal pin models)和使用實(shí)際模型(Use real pin models)兩個(gè)選項(xiàng)。系統(tǒng)默認(rèn)為使用理想模型，應(yīng)將其改為使用實(shí)際模型[11-12]。理論上，電路的振蕩周期T≈2.2R1C1。由圖3(b)仿真結(jié)果的波形得到的振蕩周期T=3.485 μs，與理論值T≈3.3 μs相近，可見(jiàn)仿真效果很好。改變R1和C1的數(shù)值，即可改變振蕩周期，但仿真結(jié)果隨著R1和C1數(shù)值的增大，誤差也增加。在實(shí)際電路實(shí)驗(yàn)中測(cè)得T=3.38 μs，也驗(yàn)證了仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果的正確性。

3 變形的環(huán)形振蕩器

為使帶RC延遲電路的環(huán)形振蕩器在Multisim中的仿真得以順利進(jìn)行，而不需要修改仿真設(shè)置，筆者使用在Multisim的仿真實(shí)例中的另外一種門電路組成的RC振蕩器(oscillator RC)。這種電路結(jié)構(gòu)在國(guó)內(nèi)資料中還很少見(jiàn)，它與由門電路組成的多諧振蕩器有所不同，顯然它還是一種帶RC延遲電路的環(huán)形振蕩器的變形電路(見(jiàn)圖4)。

圖4 變形的環(huán)形振蕩器的仿真實(shí)驗(yàn)電路

通常RC電路產(chǎn)生的延遲時(shí)間遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于門電路本身的傳輸延遲時(shí)間，所以在計(jì)算振蕩周期時(shí)可以只考慮RC電路的作用，而將門電路固有的傳輸延遲時(shí)間忽略不計(jì)。

對(duì)該電路的工作原理分析如下：當(dāng)輸入電壓Ui發(fā)生負(fù)跳變時(shí)，輸出電壓Uo為高電平，它通過(guò)R1對(duì)C1充電，Ui上升；當(dāng)Ui升至閾值電壓Uth時(shí)狀態(tài)轉(zhuǎn)換，Uo輸出低電平，C1又通過(guò)R1放電，放至Uth時(shí)電路狀態(tài)又發(fā)生跳變，C1充電，如此往復(fù)產(chǎn)生自激振蕩。電路中Ui和Uo的電壓波形如圖5所示。圖6為電容C1的充、放電等效電路，由此可求出充電時(shí)間T1和放電時(shí)間T2，并得到振蕩周期T。

圖5 原理分析電路中的工作波形圖

圖6 充放電等效電路

由于仿真用的門電路采用數(shù)字模型，不存在輸入保護(hù)電路，且門電路輸出電阻Ron(p)(P溝道MOS管導(dǎo)通電阻)和Ron(n)(N溝道MOS管導(dǎo)通電阻)可以忽略，因而根據(jù)電路分析理論，在RC電路中充、放電時(shí)間可用下式計(jì)算：

充電時(shí)間

放電時(shí)間

圖7 變形的環(huán)形振蕩器仿真實(shí)驗(yàn)輸出波形

4 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)修改仿真設(shè)置，較好地解決了用門電路構(gòu)成環(huán)形振蕩器的Multisim仿真實(shí)驗(yàn)中存在的一些問(wèn)題，仿真過(guò)程簡(jiǎn)單、直觀，結(jié)果比較準(zhǔn)確，與實(shí)物實(shí)驗(yàn)結(jié)果也基本吻合。而Multisim中所提出的RC振蕩器使得仿真更易進(jìn)行，通過(guò)理論分析、仿真和實(shí)物實(shí)驗(yàn)證明該電路可行。在上述各仿真電路中，改變R和C的值，振蕩周期也隨之改變，相對(duì)誤差也會(huì)發(fā)生變化，但通過(guò)合理選擇R、C的值，相對(duì)誤差基本可控制在10%左右。另外，由CMOS門電路構(gòu)成的振蕩器，振蕩頻率還與工作電壓有關(guān)，這點(diǎn)可由實(shí)際電路實(shí)驗(yàn)加以驗(yàn)證，這也是CMOS門電路構(gòu)成的振蕩器工作不穩(wěn)定的原因之一。

References)

[1] 劉皓,景為平.一種頻率可調(diào)CMOS環(huán)形振蕩器的分析與設(shè)計(jì)[J].電子器件,2006,29(4):1023-1026.

[2] 伍翠萍,何波,于奇,等.一種低電壓低功耗的環(huán)形壓控振蕩器設(shè)計(jì)[J].微電子學(xué)與計(jì)算機(jī),2008,25(5):69-72.

[3] 胡二虎,汪東旭.一種頻率穩(wěn)定的集成CMOS環(huán)形振蕩器[J].微電子學(xué),2003,33(3):259-261.

[4] 王爾申,李軒,王相海，等.基于Multisim的電工及工業(yè)電子學(xué)課程仿真實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)[J].實(shí)驗(yàn)技術(shù)與管理，2014，31(10):128-131，140.

[5] 王香婷,劉濤,張曉春,等.電工技術(shù)與電子技術(shù)實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革[J].實(shí)驗(yàn)技術(shù)與管理,2013,30(4):112-114.

[6] 王爾申,龐濤,李鵬,等.Multisim和Proteus仿真在數(shù)字電路課程教學(xué)中的應(yīng)用[J].實(shí)驗(yàn)技術(shù)與管理,2013,30(3):78-81.

[7] 李文,黃文,趙全友,等.Multisim仿真的數(shù)字邏輯工程素養(yǎng)培養(yǎng)[J].實(shí)驗(yàn)室研究與探索,2014,33(12):62-65,71.

[8] 周宦銀,馬果花,田彥軍.門電路環(huán)形振蕩器仿真研究[J].現(xiàn)代電子技術(shù),2008(2):43-45.

[9] 閻石.數(shù)字電子技術(shù)基礎(chǔ)[M].5版.北京:高等教育出版社,2006.

[10] 唐贛,吳翔,蘇建峰.Multisim 10 & Ultiboard 10原理圖仿真與PCB設(shè)計(jì)[M].北京：電子工業(yè)出版社,2008.

[11] 黃智偉.基于NI Multisim的電子電路計(jì)算機(jī)仿真設(shè)計(jì)與分析[M].修訂版.北京:電子工業(yè)出版社,2011.

[12] 熊熙烈,涂虬.基于Multisim12的多諧振蕩器仿真研究[J].上饒師范學(xué)院學(xué)報(bào),2013,33(6):26-30.

Analysis and simulation of ring oscillator

Xiong Xilie， Tu Qiu

(School of Physics and Electronic Information, Shangrao Normal Institute, Shangrao 334001, China)

A ring oscillator simulation experimental method with Multisim is presented based on the analysis of the ring oscillator circuit. The simulation of oscillator RC is feasible by modifying the simulation settings. The simulation results coincide with the theoretical analysis and the actual circuit experiment results. Further the oscillator RC in Multisim is analyzed theoretically and designed experimentally, and the actual circuit experiment results and simulation results show the feasibility of the circuit simulation.

ring oscillator; simulation; Multisim

2015- 04- 01 修改日期：2015- 06- 06

江西省省級(jí)教學(xué)改革項(xiàng)目(JXJG-14-16-10)；上饒師范學(xué)院教學(xué)改革課題“數(shù)字電路與電子線路CAD教學(xué)改革”

熊熙烈(1957—)，男，江西南城，本科，副教授，電子技術(shù)教研室主任，主要研究方向?yàn)殡娮蛹夹g(shù)應(yīng)用.

E-mail：470948253@qq.com

TN752

A

1002-4956(2015)10- 0115- 04