震盪器電路設計

為了方便使用者進行校正動作以及提高晶片校正範圍的彈性，圖3.22 中所輸入的參考訊號可考慮由晶片內建的震盪電路[21]搭配晶體震盪器所 產生。如圖 3.25 所示，使用者只要透過更換外接的晶體震盪器（XTAL）

即可選擇送入訊號的參考頻率。圖3.25 中的電路主要是由波形產生器與單 端輸入轉雙端輸出的轉換器所構成，基本上圖中左半部的波形產生器工作 原理是根據負電阻理論而來，因此電路中反相器的功能在於形成等效負電

+

- +

-2.5V

Vout

+

-C₁ XTAL C₂

-g

VDD VDD

1

圖3.25 震盪器電路圖

圖3.26 波形產生器之等效電路圖

阻值-gm。為了分析此電路的工作情況，可參考文獻[22]的做法在不同頻率 下帶入晶體震盪器與周邊電路的等效模型以得到圖3.26，再將其進一步簡 化後便可畫出純粹由被動元件所構成的等效電路圖3.27，其中電阻 Ri與電 容Ci經過推導後可分別表示為

2 1 2C C g

R_i =− _m ω （3.35）

1

2 1

1

1 ⁻

⎟⎟⎠

⎜⎜ ⎞

⎝

⎛ +

= C C

C_i （3.36）

由式（3.35）中可看出 Ri會隨頻率變化而變動，因此如果電路位於震盪頻 率時，負電阻Ri與正電阻Rx便會相互抵銷，此時電路就會以Lx與Ci組成 LC 震盪器，最後會在圖 3.25 的節點 1 得到一接近全擺幅（Full swing）之 震盪訊號，並且該震盪頻率會由外部晶體震盪器所決定。

C

R

R

L

圖3.27 波形產生器之簡化電路圖

另外電路本身為了確保開機時震盪現象能逐漸增強，在震盪訊號振幅 並不大時｜Ri｜必須大於晶體震盪器等效電阻Rx，亦即必須滿足

|R_i |_{small_signal}>R_x （3.37）

然後隨著震盪訊號振幅逐步加大，Ri阻抗值便會因電晶體本身的非線性效 應而減小，最終電路會進入到穩定狀態，此時

x

i R

R |=

| （3.38）

而輸出的震盪訊號振幅亦會到達穩定大小而持續。此外由於校正電路所需 要的參考訊號必須是具有 2.5V 共模電壓的差動式輸入，所以需要將波形 產生器所產生的單端震盪訊號轉為差動式雙端輸出，因此使用了全差動式 放大器以完成此功能。如圖 3.25 所示先將震盪訊號經過振幅與位準調整 後，再送入至全差動式放大器輸入端並利用迴授電阻設定最後輸出波形 Vout 所需的振幅大小。至於全差動式放大器的設計因為在許多參考文獻中 都有說明，所以在此不再贅述其詳細電路，只需確定該輸入漂移電壓（Input offset voltage）與頻寬（Bandwidth）滿足需求即可。至於圖 3.28 與圖 3.29 則分別為圖3.26 中節點 1 與 Vout+,-的電壓波形，可看出由波形產生器所產 生的單端震盪訊號，經過全差動式放大器作用後即轉為適當的雙端差動震 盪訊號，所以可滿足頻率校正電路所需要的輸入參考訊號。

時間(Sec)

單端震盪訊號電壓(V)

圖3.28 單端震盪訊號電壓圖

時間(Sec)

雙端震盪訊號電壓(V)

圖3.29 雙端震盪訊號電壓圖