一种新的电压模式正弦波振荡器设计

田 丰

（重庆科创职业学院 信息与机电工程学院，重庆 永川　402160）

一种新的电压模式正弦波振荡器设计

田 丰

（重庆科创职业学院 信息与机电工程学院，重庆 永川402160）

设计一种新的使用电压差分跨导放大器（VDTA）构建的电子控制电压模式正弦波振荡器（VMSO），电路可对振荡频率ω0和振荡条件进行独立电子控制。通过PSPICE仿真，验证电路的基本理论结果，由结果可知，振荡器能够输出理想的正弦波波形.

VDTA；电压模式电路；振荡器

近年来，各种应用电路都是以先进模拟电路块的构建为核心的.正弦波振荡器在通信工程、电子仪器仪表和控制系统中得到了广泛应用［1］.电压差分跨导放大器（VDTA）在模拟信号处理电路和模拟波形生成应用中，是一个常用的多功能电路块.VDTA由于其调整输出电流增益的能力较强，备受应用者喜爱.

一般的模拟信号处理电路和模拟波形生成电路具有以下缺点:缺乏电子适应性；过多使用无源元件，尤其是外部电阻器:使用可调电容器，不便于进一步的集成电路制造；振荡频率和振荡条件不能独立控制［2］.

目前，各种滤波器和振荡器设计均使用电路构建模块（如CFTA、CDTA、VDTA CFA、CC-II等）.本文采用两块VDTA和两个接地电容以及接地电阻，设计一种新的电压模式正弦波振荡器.设计电路通过PSPICE仿真，验证电路的可行性.仿真结果显示电路的功耗低，并可实现振荡频率和振荡条件的独立控制.设计电路中所使用的VDTA模块在振荡器、过滤器、电感器和FDNR（频率相关负电阻）的多个不同应用中，能够呈现不同的跨导值，这是VDTA模块的优势所在.VDTA 模块的另一个重要特点是电路输入端电压和电流输出端子可以很容易进入跨导应用模式［3］.本文所设计的电路采用最小数量的无源和有源元件，此外电路使用附加VDTA模块，可以对ω0进行有效控制.

1　电路描述

VDTA的原理图符号如图1所示，模块包含一个输入电流跟随器（能够将输入电流转移到z终端）和一个输出跨导放大器（用于将z终端的电压转换成输出电流），其中VDTA各个端子之间的关系为

VDTA内部模拟结构如图2所示.电路采用两个跨导放大器，VDTA电路的输入和输出跨导参数由输出晶体管的跨导确定，可以近似表示为

式中:ui（i=n，p）为NMOS（n）和PMOS（p）晶体管载流子迁移率；Cox为每单位面积的栅极氧化物电容；W为有效沟道宽度；L为有效信道长度［4］；IBi为第i个晶体管的偏置电流.电压模式正弦波振荡器（VMSO）由2个VDTA和2个接地电容及电阻组成.

图1　VDTA原理图符号

图2　VDTA内部模拟结构

2　电压模式正弦波振荡器电路实现

VMSO通过级联一个反相的二阶低通滤波器和无损积分器来设计［5］，其设计电路如图3所示.根据设计电路得到的正弦波振荡器特征方程为

由方程（5），可以将振荡条件和振荡频率写为

从方程（5）可以看出，如果a=c，则振荡条件和振荡频率就可独立调节，即振荡条件可以由b和k进行控制，而振荡频率可以由a来进行调整.使用VDTA设计的VMSO电路如图4所示.

根据电路可以写出其振荡频率为

如果c1=c2=c，则

图3　VMSO电路

图4　使用VDTA设计的VMSO电路

从式（9）与式（10）可以看出，振荡条件可以由R1，gm2，gm4设定，同时，振荡频率由独立于振荡条件的gm1进行控制.由图4可以得到电压传递函数为

因此，电路在输出时提供了两种电压模式的正弦振荡信号.

3　电路敏感性分析

振荡器在旁路电容影响下的非理想等效电路如图5所示.电路的振荡频率和振荡条件表示为

从图5可以看出，旁路电容Cp和Cz分别与外部电容C1和C2并联.因此，旁路电容所受的影响可以通过减少外部电容的值消除.如果R-是无限的，即使在旁路电容有影响的情况下，VDTA的振荡频率和振荡条件依然可以独立调节.有源和无源元件的值的变化对系统的影响可以用灵敏度系数来表示，分别为

由各灵敏度系数可以看出，系统中所有的有源和无源元件灵敏度较低［6］，对ω0的影响均较小.

4　模拟结果

为了检验如图4所示设计的正弦波振荡器的性能，通过PSPICE对其进行仿真测试，仿真时PMOS 和NMOS晶体管分别采用0.18 μm TSMC CMOS工艺参数进行模拟，PMOS和NMOS晶体管尺寸如表1所示.电路采用偏置电压为0.9 V的电源电压，VEE=-0.55 V，IB1=IB2=IB3=IB4=150 µA，VDTA的跨导值为gm1=gm2=gm3=gm4=636.3 µA/V，在z端子的旁路电容Cp=0.15 pF，此外，C1=C2=1 nF，R=1.5kΩ，图6为电路在PSPICE16.3中的时域响应仿真图，可以看出电路性能稳定，其振荡频率f0=15.56 MHz.

表1　晶体管尺寸表

图6　VMSO的时域响应仿真图

5　结论

本文利用电压差分放大器设计一款新的电压模式正弦波振荡器，设计电路包括了两个电压差分跨导放大器和两个接地电容及接地电阻，为了验证其基本性能，利用PSPICE进行仿真，由仿真的结果可以看出，电路工作稳定，性能良好，并且具有设计成本低、带宽较大、电源电压低、输入阻抗高以及电子可控性强等特点.

［1］ 霍然，叶建芳. 基于集成压控振荡器的调频电路仿真分析［J］. 微型电脑应用，2014（4）:51-54.

［2］ 刘超，李昌红，于臻，等. 一种低电源电压灵敏度RC振荡器的设计［J］. 微电子学，2012（2）:30-33.

［3］ 程梦璋，景为平. CMOS环型压控振荡器的设计［J］. 电子科技大学学报，2009（3）:305-308.

［4］ 张立. RC相移振荡器频率与起振条件微分方程法分析［J］. 电气电子教学学报，2011（2）:37-39.

［5］ 王俭，潘欣裕，毕自强. RC桥式正弦振荡电路输出信号幅值特性研究［J］. 电子设计工程，2015（7）:152-154.

［6］ 陈亮，施智兴. 三极管RC移项振荡器浅析［J］. 电子技术与软件工程，2015（4）:140-141.

（责任编辑:沈凤英）

Design of a New Voltage Mode Sinusoidal Oscillator

TIAN Feng
（School of Information and Mechano-electrical Engineering，Chongqi Creation Vocational College，Yongchuan 402160，China）

The purpose of this paper is to design a new electronically controlled voltage mode sinusoidal oscillator （VMSO） using Voltage Differencing Transconductance Amplifiers （VDTA）. The proposed circuit provides independent electronic control of ω0and the condition of oscillation. The basic work condition of the circuit is verified by PSPICE software simulation， and the result shows that the generator can output ideal sinusoidal waveform.

VDTA；voltage-mode circuit；oscillator

10.16219/j.cnki.szxbzk.2016.03.003

TN92

A

1008-5475（2016）03-0021-04

2016-03-31；

2016-04-26

田 丰（1983-），男，陕西宝鸡人，讲师，硕士，主要从事信号采集与处理、智能控制研究.

田丰.一种新的电压模式正弦波振荡器设计［J］.苏州市职业大学学报，2016，27（3）：21-24.