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以雙介面電晶體差動放大器為設計基礎之振盪器

以雙介面電晶體差動放大器為設計基礎之振盪器. Reporter ：廖俊傑 指導教授：蔡澈雄. Outlines. 摘要 介紹 電路理論 電路 模擬與實測 實驗結果（數值表） 結論. 摘要.

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以雙介面電晶體差動放大器為設計基礎之振盪器

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  1. 以雙介面電晶體差動放大器為設計基礎之振盪器以雙介面電晶體差動放大器為設計基礎之振盪器 Reporter：廖俊傑 指導教授：蔡澈雄

  2. Outlines • 摘要 • 介紹 • 電路理論 • 電路模擬與實測 • 實驗結果（數值表） • 結論

  3. 摘要 • 在這篇論文裡，我們提出主要透過一個BJT差動放大器組成的一個振盪器。我們使用H-spice在CIC 0.18um-Si製程參數下,成功的在900 MHz證實此差動放大振盪器。我們也使用麵包板來證明這個電路是一個振盪器電路。而實驗顯示這個振盪器能在0.9Ｖ至5.0Ｖ的電壓穩定工作。當電壓比5Ｖ大時，輸出頻率將超過24MHz。而且當電壓在0.9Ｖ時頻率是 166.5KHz。同時我們使用FFT(傅立葉級數快速轉換)圖分析振盪器並且顯示此振盪器有低雜訊特性。最後實驗結果顯示此振盪器是一電壓控制振盪器(VCO)。

  4. 介紹 • 我們使用BJT差動放大器的高輸入阻抗，高輸出阻抗和高電壓增益特性建立一個振盪器。這樣的振盪器基於差動放大器有兩輸出，第一個輸出high ，另一個就會是low 。所以我們在兩不同的輸出上分別連結一個CMOSinverter和兩個CMOSinverters。它是一個非對稱的架構，大多數產生的波形傾向於像方形一樣波形而不是正弦波。而電阻值、電晶體hFE和CMOSinverter的時間延遲決定振盪器頻率。在這篇論文裡，我們提出這一個不同的類型振盪器並且用實驗結果證明這樣的振盪器是有用的。

  5. 電路理論 R1 R1 CMOSINV2 CMOS INV1 H/L OUTPUT OP1 L/H OP2 H/L B1 H/L CMOS INV3 H/L B2 * L/H/L Q1 Q2 • 圖中假設Q1導通Q2截止,所以OP1 的電位是低電位,OP2 電位是高電位.在此同時B1是高電位,B2是低電位.經過CMOS反相器(INV1)之時間延遲, B2變成高電位而導通電晶體Q2,使得OP2電位變成低電位,經過CMOS反相器(INV2,INV3)之時間延遲, B1電位變成低電位把電晶體Q1關掉(截止).依據相同分析,在下一時段Q2 將會截止而Q1將會導通,經過相同的週期, Q1和Q2會再改變其目前的狀態,如此截止/導通互換的持續現象將產生振盪. 圖中也顯示節點之高電位或低電位的狀態. *: Change state R3 The BJT differential amplifier oscillator

  6. 電路模擬 Output waveform by H-spice simulation fosc = 900 MHz R1=1.2 KΩR3=0.22 KΩVcc=2 VoltCIC0.18um

  7. 電路實測 Tektronix TDS3034B　示波器量測 R1=3.56 KΩ, R3=0.856 KΩ, Vcc=0.9 Volt, Q1 Q2 hFE=423 Oscillator output waveform under 0.9 volts supply voltage

  8. 電路實測 Tektronix TDS3034B　示波器量測 R1=3.56 KΩ, R3=0.856 KΩ, Vcc=2.0 Volt, Q1 Q2 hFE=423 Oscillator output waveform under 2.0 volts supply voltage

  9. 電路實測（fft) Tektronix TDS3034B　示波器量測 R1=3.56 KΩ R3=0.856 KΩ Vcc=2.0 Volt, Q1 Q2 hFE=423 振盪器有低的雜訊特性,從0MHz到15MHz,主要signal在圖中跟其它signals差了40 dB以上,顯示振盪信號比其他signals強100倍(1040/20=100),如果主信號是1.5伏特那麼其它信號將比0.015伏特小。

  10. 實驗結果(數值表） R3 和電晶體不變 而R1變化

  11. 實驗結果(數值表） R3 變化 電晶體和R1不變

  12. 實驗結果(數值表） R3 和R1不變 電晶體變化 Rid=(hFE+1)(2re+2RE)

  13. 結論 • BJT差動放大器振盪電路產生像方形一樣的波形而不與傳統的振盪器一樣，例如石英振盪器或者環形振盪器能產生正弦波。 但是BJT差動放大振盪器仍然有低的雜訊和VCO特性。在我們的實驗過程中，改變R1、R3或者電晶體Q1(Q2)hFE參數值不能明顯改變或增加頻率,我們思考CMOS inverter (MM74HC04N) 的時間延遲是主要的因素(tpd=8ns)。 我們將用IC來實現此振盪器。電阻R1、R3 將分別用PMOS 和NMOS取代，CMOS inverters (MM74HC04N)將在CIC製程裡產生較少的時間延遲。如果我們能將BJT差動放大器振盪電路製成IC，之後我們將在頻率響應裡和VCO以及雜訊表現中實現更好的成果。

  14. Thanks for your attention!! • Good Bye !!

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