26. 如何理解模拟集成电路模块系列之十：振荡器？

    大家好！今天我聊聊一个常用于数模混合电路中的基本功能模块：振荡器。它的作用是产生一个周期的方波信号，作为一个时间基准的时钟信号。它一般用于需要时间尺度的电路，如积分型ADC、逐次比较型ADC等；当然有些振荡器的频率是固本的，而另外一些振荡器的频率是可以调整了，这就是振荡器中的一个类型：压控振荡器，VCO；当然在这一讲中，我不会讲解压控振荡器，因为只要我们了解了振荡器的基本原理，那么压控振荡器就比较好理解了。其实振荡器还是数模混合电路中数字电路所必须的模块，因为大部分数字电路都是同步数字电路，它们都需要时钟来进行同步控制，所以有时候振荡器的性能也决定了数模混合电路中数字电路的功能是否稳定。其实振荡器的电路结构有很多种，我这边不会将所有结构都进行讲解，我这边主要是讲解一下现在在集成电路中使用较多的环形振荡器的结构和性能，因为它结构简单、方便控制、可以比较容易的改造为压控振荡器，同时还可以通过对偏置的调节改造为和温度、工艺无关的振荡器。

为了能更好的对振荡器进行讲解，我从电路结构和性能参数两个方面对其进行分析；从电路结构方面看，振荡器分为偏置电路、反相器、数字控制单元、启动电路四个部分；其中偏置电路是为反相器，启动电路提供工作点，它主要决定振荡器工作直流点和工作频率；反相器是振荡器信号环路中的核心工作单元，一般反相器的数量为奇数，这样每个反相器在频率点的相移在小于180°时就在反相器环路上形成正反馈；数字控制单元是将振荡器信号环路的振荡模拟输出处理为数字输出信号，即时钟；启动电路主要是通过在振荡器的上电过程中通过产生一个瞬时激励小信号输入到振荡器信号环路，从而通过正反馈不断放大，从而形成振荡，产生一定频率的方波，时钟。

振荡器的性能参数也和其他功能模块一样，有四个类型：输入特性、输出特性、交流特性、极限特性；第一类型，输入特性是工作电压、工作电流，工作电压一般表现出振荡器电路对工作环境的适应程度，如果工作电压范围广，则适应性强；如果工作电压范围窄，则工作条件比较苛刻；工作电流决定了振荡器电路在各种不同工作电压下的功耗，对于振荡器而言，工作电压升高时，工作电流不能变化，因为反相器的工作电流决定了反相器的延时，从而间接决定了振荡器的振荡频率，同时由于振荡器工作时，反相器的器件处于大信号工作模式，电流变化也是周期性的，所以一般会采用平均工作电流来进行评估，但是在评估振荡器的工作稳定性时，就需要采用最大工作电流这个指标。

第二个类型，输出特性是振荡周期、抖动、启振时间、传输延时、上升/下降时间、温度系数。振荡周期是振荡器的核心指标，它是振荡器在正常工作条件下输出的方波信号的周期；抖动是衡量振荡器的振荡周期的性能指标，一般采用的是振荡周期变化的相对值，用百分比来表示，也可以采用振荡周期变化的绝对值来表示；启振时间是指从振荡器上电开始，到振荡器正常输出所经历的时间，它一般要求时间不能太长，比如s级，因为它决定了后面需要时钟的电路的工作延时，如果延时过长会使得整个数模混合电路的反映较慢；传输延时是指的振荡器中反相器的延时，它其实间接决定了振荡器的振荡周期，只不过它反映的是功能子模块的性能；上升/下降时间是振荡器的方波输出时波形好坏的一个重要指标，一般我们要求上升时间和下降时间一致，这样才有一个比较好的占空比；温度系数是在振荡器在温度每升高1℃时振荡周期变化的百分比。

第三个类型，交流特性是振荡频率。振荡频率其实是振荡周期的反函数，它主要是在进行数字电路的功率计算时比较方便，而对于评估电路性能一般我们还是采用振荡周期。

最后一个类型，极限特性是：最大工作电压、工作温度范围。这个最大工作电压和输入电压范围的区别在于，在最大工作电压下可能振荡器电路工作不正常了，但在输入电压范围的最大值时，振荡器电路必须是正常工作的。工作温度范围是指PN结温下的范围，它和振荡器的温度范围有些许区别，一般来说，极限特性下工作温度范围会比振荡器的温度范围宽。

好，总结一下，这一讲我从四个电路部分，偏置电路、反相器、数字控制单元、启动电路和十一个性能参数，工作电压、工作电流、振荡周期、抖动、启振时间、传输延时、上升/下降时间、温度系数、振荡频率、最大工作电压、工作温度范围，对振荡器电路进行了分析，希望对大家有所帮助！