環形振蕩器的分析與仿真研究

熊熙烈， 涂 虬

(上饒師范學院 物理與電子信息學院， 江西 上饒 334001)

環形振蕩器的分析與仿真研究

熊熙烈， 涂 虬

(上饒師范學院 物理與電子信息學院， 江西 上饒 334001)

在分析環形振蕩器電路的基礎上，提出了基于Multisim的環形振蕩器仿真實驗方法。通過修改仿真設置，使帶RC延遲電路的環形振蕩器仿真實驗可行，仿真結果與理論值和實際電路實驗結果也較為吻合。進一步對變形的帶RC延遲電路的環形振蕩器(oscillator RC)進行了理論分析和實驗設計，使Multisim仿真實驗可不修改仿真設置，并經過仿真實驗和實際電路實驗，驗證了該電路仿真實驗的可行性。

環形振蕩器； 仿真實驗； Multisim

環形振蕩器以其低功耗、高集成度以及寬頻率調節范圍等顯著優點，越來越成為通信系統不可或缺的功能模塊。特別是壓控振蕩器(VCO)電路，已廣泛應用于時鐘信號發生器、集成頻率綜合器、時鐘恢復電路等。目前，關于低功耗，低相位噪聲環形振蕩器的設計和研究十分活躍[1-3]。在環形振蕩器的實驗教學中，有些內容對實驗設備要求較高或不易實現，而Multisim仿真軟件則為仿真實驗提供了豐富的元器件庫供學生進行仿真實驗，使學生加深對理論的理解，提高電子電路教學效果、鍛煉學生的實踐能力[4-7]。本文在總結環形振蕩器實驗內容的基礎上，分析了Multisim中帶RC延遲電路的環形振蕩器，并通過實物實驗和仿真驗證了實驗結果和該電路的可行性。

1 環形振蕩器

利用反相器的延時特性，將奇數個反相器環形串聯，便可以構成一個基本環形振蕩器。作為數字系統的時鐘信號源，由CMOS反相器構成的環形振蕩器具有結構簡單、集成度高、功耗低的優點，因此得到了廣泛的應用。隨著CMOS集成電路工藝技術的發展，環形振蕩器的振蕩頻率已達到數十GHz。在數字電路實驗中，常用門電路串接為環形振蕩器的方法測量門電路的傳輸延遲時間。門電路的傳輸延遲時間一般很短，該實驗方法對示波器的要求較高，且很難測量到準確的結果；而用仿真的方法進行實驗，操作方便、實驗結果直觀明了[8]。仿真電路和仿真輸出波形見圖1。

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

圖1 測量門電路傳輸延遲時間的仿真實驗

2 帶RC延遲電路的環形振蕩器

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

圖2 帶RC延遲電路的環形振蕩器仿真實驗

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、放電的持續時間很短，還不能明顯地增加信號從U2B的輸出端到U3C輸入端的傳輸延遲時間。另外，當R或C增大到一定數值后周期并沒有明顯改變，仿真效果不佳。而在實際電路實驗中則得不到任何結果，所以圖2(a)不是一個實用電路。為了進一步加大RC電路的充、放電時間，筆者使用如圖3(a)所示的電路[9]，圖3(b)是其仿真實驗輸出波形。

圖3 實用的環形振蕩器的仿真實驗

圖3(a)實驗電路在Multisim中也不易得到較好的仿真結果。為了得到較好的仿真實驗效果，還需在Simulate選單中點擊混合模式仿真設置(Mixed-mode simulation settings)，出現使用理想模型(Use Ideal pin models)和使用實際模型(Use real pin models)兩個選項。系統默認為使用理想模型，應將其改為使用實際模型[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，可見仿真效果很好。改變R1和C1的數值，即可改變振蕩周期，但仿真結果隨著R1和C1數值的增大，誤差也增加。在實際電路實驗中測得T=3.38 μs，也驗證了仿真實驗結果的正確性。

3 變形的環形振蕩器

為使帶RC延遲電路的環形振蕩器在Multisim中的仿真得以順利進行，而不需要修改仿真設置，筆者使用在Multisim的仿真實例中的另外一種門電路組成的RC振蕩器(oscillator RC)。這種電路結構在國內資料中還很少見，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延遲電路的環形振蕩器的變形電路(見圖4)。

圖4 變形的環形振蕩器的仿真實驗電路

通常RC電路產生的延遲時間遠遠大于門電路本身的傳輸延遲時間，所以在計算振蕩周期時可以只考慮RC電路的作用，而將門電路固有的傳輸延遲時間忽略不計。

對該電路的工作原理分析如下：當輸入電壓Ui發生負跳變時，輸出電壓Uo為高電平，它通過R1對C1充電，Ui上升；當Ui升至閾值電壓Uth時狀態轉換，Uo輸出低電平，C1又通過R1放電，放至Uth時電路狀態又發生跳變，C1充電，如此往復產生自激振蕩。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，由此可求出充電時間T1和放電時間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字模型，不存在輸入保護電路，且門電路輸出電阻Ron(p)(P溝道MOS管導通電阻)和Ron(n)(N溝道MOS管導通電阻)可以忽略，因而根據電路分析理論，在RC電路中充、放電時間可用下式計算：

充電時間

放電時間

圖7 變形的環形振蕩器仿真實驗輸出波形

4 結束語

通過修改仿真設置，較好地解決了用門電路構成環形振蕩器的Multisim仿真實驗中存在的一些問題，仿真過程簡單、直觀，結果比較準確，與實物實驗結果也基本吻合。而Multisim中所提出的RC振蕩器使得仿真更易進行，通過理論分析、仿真和實物實驗證明該電路可行。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，相對誤差也會發生變化，但通過合理選擇R、C的值，相對誤差基本可控制在10%左右。另外，由CMOS門電路構成的振蕩器，振蕩頻率還與工作電壓有關，這點可由實際電路實驗加以驗證，這也是CMOS門電路構成的振蕩器工作不穩定的原因之一。

References)

[1] 劉皓,景為平.一種頻率可調CMOS環形振蕩器的分析與設計[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形壓控振蕩器設計[J].微電子學與計算機,2008,25(5):69-72.

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[4] 王爾申,李軒,王相海，等.基于Multisim的電工及工業電子學課程仿真實驗設計[J].實驗技術與管理，2014，31(10):128-131，140.

[5] 王香婷,劉濤,張曉春,等.電工技術與電子技術實驗教學改革[J].實驗技術與管理,2013,30(4):112-114.

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

[9] 閻石.數字電子技術基礎[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設計[M].北京：電子工業出版社,2008.

[11] 黃智偉.基于NI Multisim的電子電路計算機仿真設計與分析[M].修訂版.北京:電子工業出版社,2011.

[12] 熊熙烈,涂虬.基于Multisim12的多諧振蕩器仿真研究[J].上饒師范學院學報,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

江西省省級教學改革項目(JXJG-14-16-10)；上饒師范學院教學改革課題“數字電路與電子線路CAD教學改革”

熊熙烈(1957—)，男，江西南城，本科，副教授，電子技術教研室主任，主要研究方向為電子技術應用.

E-mail：470948253@qq.com

TN752

A

1002-4956(2015)10- 0115- 04