电子可调正弦振荡电路

抽象

本文提出了一种新的电子可调谐三阶正弦振荡器，由一个简单的拓扑合成，采用电流模块。该电路是利用有源元件实现的:电流控制传送带(CCCIIs)和接地无源元件。该电路具有振荡频率非交互电子可调、采用接地无源器件和三个正弦波电压输出同时可用的优点。给出了有源器件的偏置电流产生方案。该电路具有良好的高频性能。非理想和寄生的研究也进行了。宽范围调频显示与偏置电流。利用0.25进行了广泛的PSPICE仿真，验证了所提出的理论μ米CMOS工艺参数。

1.介绍

正弦振荡器构成的重要构建块，其发现在模拟信号处理许多应用。 This electronic function provides standard test and carrier signals for communication and instrumentation circuits and also acts as the starting signal for generation of several other types of test signals. Similarly, the multiphase oscillators also find interesting applications in communication and instrumentation systems. For these highly precise processes, third-order sinusoidal oscillators are best suited because they enjoy lower harmonic distortions as compared to the second-order sinusoidal oscillators [1]。

当技术文献的所有组成成分调查，许多振荡电路基于一种或另一种类型的有源器件的[可2- - - - - -4]，但第三次振荡器不是丛生可用。三阶振荡器首先在文献[5使用]运算跨导放大器（在线旅行社），但基于在线旅行社的电路的动态范围是非常有限的[6]。此外，在不影响振荡条件的情况下，不能控制振荡的频率。[中报道的三阶振荡器]7]提供了四个正交电流输出，都具有高阻抗，这使得它适合于电流模式模拟信号处理。[]中提出了两种电流型三阶正弦振荡器。8]其中需要三个在线旅行社和三个接地电容。在第二振荡电路，振荡频率不能在不影响振动的条件来控制。此外，在偏置电流的大的变化，它给在振荡的频率具有相对较小的变化。在[9由于外接电阻端部在x端，因此上限频率有限，当电阻降低时，会增加频率误差，因为寄生的x电阻与外接电阻相比变得明显。在[10]提供两个正交电流输出和所需更少的组件。在提出的第三次振荡器[11]提供了四个正交电压输出，但它需要三个浮动电阻。所报电路在[12]采用CMOS CCCIIs和接地电容器，提供交流和电压输出，并享有电子可调性。最后，在[]中报道的正交振荡器。13]需要三个CDTAs和三个接地电容。这种正交振荡器，尽管是第三次，面授非常高的THD值。基于两个多输出DVCCs和两个接地电容之一工作提供高阻抗电流输出，但在第二级类别落在[14]。最近，对于使用新的有源元件（DO-CIBA）和接地电容电压输出新颖振荡器电路已经报道，这也需要许多浮动电阻[15]。另一个非常新颖工作报告当前模式操作多相振荡器电路，并基于对数域方法[16]。

本文采用级联一阶低通滤波器与增益反馈相结合的简单拓扑合成了一个三阶正弦振荡器。使用的有源元件是CMOS电流控制传送带(CCCIIs)。振荡的频率可以电子调谐，而与振荡的条件无关。该电路提供了同时可用的三个正弦波电压输出和使用接地无源元件使其适合集成电路的优点。

2.提出了电路

新提出的三阶正弦振荡器是基于级联电流型一阶低通滤波器和反馈增益块的使用。此拓扑的基本框图如图所示1。为实现正弦波振荡器的，所述电流模式低通滤波器被用于和“K”的值取为负;这可以使用一个电流模式反转放大器来实现。基本框图显示于图1。图的基本块1采用CCCIIs和接地器件实现。CCCII是在[17]并且由于其介绍过，它已被用于实现许多有用和高性能模拟电路的[17- - - - - -21]。该器件通过在X端出现寄生电阻具有电子可调性，具有良好的动态范围和较大的线性度。至于在多相振荡器中使用低通滤波器的基本方案，它首先被引入并用于基于ota的实现[22,23]。CCCII的CMOS实现如图所示2和所使用的所有的MOS晶体管的纵横比在表中列出1。

该CCCII由以下的电流和电压关系描述： 在这里, 哪里μ,,w ^,l晶体管的表面迁移率、氧化物电容、通道宽度和长度分别为M₉和M₁₀所示，假设两晶体管都匹配。

新提出的三阶正弦振荡器的电路图，基于图中所示的拓扑1，如图所示3.。该电路需要四个CCCIIs，三个电容器，和电阻器。上进行使用CCCII的中定义的属性中的常规分析（1)，所提出的三阶正弦振荡器的特征方程如图所示3.是（谁）给的 哪里,,,。

假设一种简单的设计是可能的和， 那是，。代，并在双方等同实部和虚部（3.),  we get the frequency and condition of oscillation a

距离明显（4），其能独立于振荡条件的变化而变化吗。值得注意的是，通过使用CCCII(1-3)中附加的Z+级，可以进一步获得三个电流输出。在每一个输送器中加入Z级将进一步增加另外三个输出，作为它们的反相版本，从而产生六个不同的电流输出。值得一提的是，新提出的电路不同于基于ccci的工作[21]也提出了多相振荡器，通过使用接地X端子，与可用工作相反，其中每个X端子有电容端子。众所周知，目前在x端口有电容端的传输电路的频率性能有限，这一点从[21], where maximum oscillation frequency is well below 1 MHz. The proposed work, in contrast, can provide signal frequencies in tens of MHz, as would be evident from the later sections.

3.偏置电流的一代

从明显（4),  the circuit requires frequency control through，而这又需要控制。在实践中，可以使用晶体管化的电路来产生，例如对于三个传送带相等的偏置电流。对于代相同的偏置电流的方案对于CCCII(1-3)如图所示4。偏置电流通过NMOS电流镜的镜像，然后三个电流源所使用的PMOS电流镜和导引晶体管实现。可以注意到的是，电流镜晶体管使用配对的纵横比。图的电路4允许振荡的频率的通过单个偏置电流的变化。

4.非理想分析

任何当前基于传送带电路的性能可从理想的，由于有源元件的非理想偏离。非理想CCCII由以下电流及电压的关系描述： 哪里。

在这里,(≪1)和(«1）代表选自Y末端至X-终端和当前跟踪误差从X端子上的电压跟踪误差Z-终端的第k个CCCII的，分别。 Generally, these tracking factors remain constant and frequency independent in low- to-medium frequency range. But, at higher frequencies, these tracking factors become frequency dependent.

上重新分析在图中示出的电路3.使用CCCII的中给出的非理想方程（5），用于振荡的频率（FO）和振荡（CO的条件简化表达式），假设匹配CCCIIs表现出相同的电流和电压传输增益（表示为α和β， resp.)由 显然，振荡频率被修改由于CCCII的非理想特性，但作为的值α和β保持接近unity直到数十兆赫，电路性能不会受到严重影响。还值得一提的是，由于在偏置电流产生电路中使用的电流镜像传输误差，一些频率偏差也将是预期的。

5.寄生虫研究

任何电路的性能也受到设备终端上各种寄生虫的影响。在存在CCCII寄生虫的情况下，电路如图所示3.修改图5哪里,,,,。

在分析图中示出的电路5考虑上面概述的寄生虫，如下面给出的用于振荡的频率的表达式： 哪里,,

这里可以明确，如在章节中使用的上述定义的变量是不一样的2。

从分析中可以看出，尽管包括了寄生效应，但振荡器的特征方程的阶数并没有改变。这是因为所有CCCIIs的x端都是接地的。这导致了高阶畸变的解释，即没有引入在期望的频率内的电路操作。这是这个电路的另一个优点。对…的仔细调查7）揭示了各种寄生虫的效果可以通过从他们的计算值选择所述输入偏置电流的小偏离值来补偿。

6.模拟结果

为了证明所提出电路的实用性，PSPICE使用TSMC mosas0.25的3级模型进行了仿真μm CMOS工艺参数[24)执行。所使用的电源电压为1.25 V。基于图中电路的三阶正弦振荡器3.是为10兆赫频率而设计的吗,,。振荡器电路的三个输出正弦波波形示于图6。模拟的振荡频率在9.78 MHz左右，误差为0.2%，误差很小，可以接受。可以注意到，由于基本结构基于低通滤波器，三个输出具有不同的振幅。此外，众所周知，振荡器可以通过二极管和电阻网络来实现自动振幅控制，这也被称为限制器电路[25]。模拟得到THD值为2.9%，略低。电压输出的傅里叶频谱如图所示7，其中所述第二谐波似乎是主要贡献者的扭曲，而高次谐波是几乎可以忽略。振荡的频率可以通过改变输入偏置电流而改变的，独立的振荡的条件的。示出与偏置电流的变化在振荡频率的变化的曲线为电容的不同的值“C”在图中给出8。的振荡显示了几乎2和10中的偏置电流的半倍变化为变化的频率 μA到80 μ一个。

7.结论

本文提出了一种新颖的电子可调谐三阶正弦波振荡器。这个新电路是由一个简单的拓扑合成，采用级联一阶低通滤波器和增益反馈相结合。该电路提供了同时可用的三个正弦波电压输出和使用接地无源元件使其适合集成电路的优点。振荡的频率可以通过有源元件的偏置电流通过电子调谐而不受振荡条件的影响。给出了振荡器合适偏置电流的产生电路。非理想和寄生考虑也包括在内。该电路具有较高的高频性能和较宽的电子频率调谐范围。提出的电路是一个新的增加到已经大量的文献在这个主题和它的集成电路实现是一个自然的未来的问题。

承认

作者感谢审稿人的推荐，并提出了一些有趣的建议，使文章更加优雅。作者也感谢副主编Winai Jaikla博士推荐了这篇论文。

参考

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