HUNAN UNIVERSITY
毕 业 论 文
论文题目 集成电路应用--基于施密特
学
学
专
学
指
学生生业院导院姓学班名老院 触发器的压控振荡器 名 李 文 号 [1**********] 级 电科一班 称 物理与微电子科学学院 师 陈 迪 平 长 文 双 春
2015 年 1 月 13 日
第一部分：综述类
问题：概述恒流源的基本概念以及设计思想、按照基本设计思想分析基本型镜像恒流源的工作原理、输出阻抗以及提高输出阻抗的措施
1.恒流源基本概念：
恒流源是输出电流保持恒定的电流源；
理想的恒流源应该具有以下特点：
a)不因负载(输出电压)变化而改变；
b)不因环境温度变化而改变；
c)内阻为无限大（以使其电流可以全部流出到外面）
2.基本恒流源的设计思想
基本的恒流源电路主要是由输入级和输出级构成，输入级提供参考电流，输出级输出需要的恒定电流。
①构成恒流源电路的基本原则：
恒流源电路就是要能够提供一个稳定的电流以保证其它电路稳定工作的基础。即要求恒流源电路输出恒定电流，因此作为输出级的器件应该是
具有饱和输出电流的伏安特性。这可以采用工作于输出电流饱和状态的BJT 或者MOSFET来实现。为了保证输出晶体管的电流稳定，就必须要满足两个条件：a）其输入电压要稳定——输入级需要是恒压源；b）输出晶体管的输出电阻尽量大（最好是无穷大）——输出级需要是恒流源。
②对于输入级器件的要求：
因为输入级需要是恒压源，所以可以采用具有电压饱和伏安特性的器件来作为输入级。一般的pn结二极管就具有这种特性——指数式上升的伏安特性；另外，把增强型MOSFET的源-漏极短接所构成的二极管，也具有类似的伏安特性——抛物线式上升的伏安特性。
在IC中采用二极管作为输入级器件时，一般都是利用三极管进行适当连接而成的集成二极管，因为这种二极管既能够适应IC工艺，又具有其特殊的优点。对于这些三极管，要求它具有一定的放大性能，这才能使得其对应的二极管具有较好的恒压性能。
③对于输出级器件的要求：
如果采用BJT，为了使其输出电阻增大，就需要设法减小Evarly效应（基区宽度调制效应），即要尽量提高Early电压。
如果采用MOSFET，为了使其输出电阻增大，就需要设法减小其沟道长度调制效应和衬偏效应。因此，这里一般是选用长沟道MOSFET ，而不用短沟道器件。
3.基本镜像恒流源的工作原理
如图所示为镜像恒流源的基本电路，其中VT1，VT2是匹配管。由图可知Ir=Ic2+IB1+IB2，由于VT1，VT2是对称的，它们的集电极电流与基极电流分别相等，所以有
当Ir确定后，该恒流源的输出电流Io也确定
了。当β足够大时，Io≈Ir，即输出电流近似等于
参考电流。
4.基本镜像恒流源的输出阻抗
理想恒流源的输出阻抗为无穷大，实际由于有效基区扩展效应达不到。
5.提高输出阻抗的措施
A.采用威尔逊恒流源
B.采用有源负载
C.采用铜扩散电阻
D.进行温度补偿
E.输出端采用射基跟随和电流负反馈
第二部分：设计类
基于施密特触发器的压控振荡器的设计
一、设计任务
试设计一个施密特触发器型压控振荡器，要求具有线性压控特性，频率范围：400khz-500khz。
1、设计分析
压控振荡器（voltage-controlled oscillator ,VCO）是一种频率随外加控制电压变化的振荡器，是频率产生源的重要部件。在许多现代通信系统中，VCO是可调信号源，用以实现锁相环（PLL）和其他频率合成源电路的快速频率调谐。VCO现已广泛用于手机、卫星通信终端、基站、雷达、导弹制导系统、军事通信系统、数字无线通信、光学多工器、光发射机和其他电子系统。VCO 对电子系统的性能、尺寸、重量和成本都有决定性的影响。相位噪声是VCO的一项关键参数。低相位噪声的VCO将提高通信系统的频带利用率、增加数据传输系统的数据传输速率。因此VCO对电子系统有着重要的影响。
2、设计方案
a、确定设计方案
能实现VCO功能的电路很多，常用的有分立器件构成的振荡器和集成压控振荡器。如串联谐振电容三点式电路、压控晶体振荡器，积分-施密特电路、射级耦合多谐振荡器、变容二极管调谐LC 振荡器和石英晶体振荡器等几种。它们之间各有优缺点，下面做简要分析，并选择合适的方案。
方案一：LC振荡器
这种振荡器有众多的集成电路存在，有与采用ECL工艺，所以最高工作频率可以达到几百兆，频率容量高，频谱纯度高，电路简单，稳定性好，调试方便。 方案二：石英晶体振荡器
由于石英晶体的串并联谐振频率非常接近；物理化学性质稳定；接入系数小，外界对其影响小。故又为高精度振荡器。
方案三：RC振荡器
要使频率增大则电阻和电容都要减小。电阻太小时，充电时间短；电容太小时，寄生结电容随外界变化对振荡器影响大，频率不稳定，放大器负载太大，相当于大功率放大器，不满足设计要求，故该振荡器的工作频率应小于1MHZ。RC振荡器起振容易，频率以及波形预测性好。
施密特触发器
施密特触发器也有两个稳定状态，但与一般触发器不同的是，施密特触发器采用电位触发方式，其状态由输入信号电位维持；对于负向递减和正向递增两种不同变化方向的输入信号，施密特触发器有不同的阈值电压。
综合考虑决定使用方案三来进行电路设计，查阅资料得知566（VCO的单片
集成电路）中的一个模块为一种施密特触发器型的压控振荡电路。其电路的原理图如下图所示：
b、施密特触发器的电路设计
1、确定施密特触发器方案
实现施密特触发器的方案有如下几种：
74LS18双四输入与非门（施密特触发）
74LS14六反相器（施密特触发）
74132、74LS132等四与非施密特触发器触发器
用555定时器可以构成施密特触发器
CD4093由四个2输入施密特触发器组成
本设计采用两级倒相器组成的施密特触发器，电路结构如下：
下面开始介绍设计软件orcad 16.3 操作步骤：
1、从库文件中取出电路所需器件（place/part）
2、使用连线工具连接电路、设置元件属性
3、建立一个新的仿真文件、设置仿真参数
4、设置观测节点、开始仿真
5、参数调整，反复多次得到理想波形
至此，施密特触发器设计完毕，可以从波形上看出该施密特触发器的门限电压大概在0.9V到1.0V之间。
c、压控振荡器电路设计
1、同之前步骤，取元件、连线、设置初始参数
2、同上建立仿真文件，调试仿真参数，略微修改电路，反复调试得到如下结果
四、调试中遇到的问题
1、参数调节过程中，因为直流工作点设置不合理等出现不起振。
2、最终结果由于未知原因出现起振延时。
3、疑似R、C等参数设置不合理导致的三角波幅度太小。
五、设计总结
压控振荡器，调节电阻或电容可以改变波形发生电路的振荡频率，其输出信号的频率受输入电压线性控制。
设计振荡器这种有源器件，第一步要做的就是管子的选取，设计前必须根据自己的指标确定管子的参数 ，选好所需要的管子；第二步是根据三极管的最佳噪音特性确定直流偏置电路的偏置电阻；第三步是确定二极管的VC特性，先由指标即设计的振荡器频率确定电容的值，然后根据VC曲线确定二极管两端直流电压；第四步是进行谐波仿真，分析相位噪音，生成压控曲线，观察设计的振荡器的压控线性度。
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毕 业 论 文
论文题目 集成电路应用--基于施密特
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专
学
指
学生生业院导院姓学班名老院 触发器的压控振荡器 名 李 文 号 [1**********] 级 电科一班 称 物理与微电子科学学院 师 陈 迪 平 长 文 双 春
2015 年 1 月 13 日
第一部分：综述类
问题：概述恒流源的基本概念以及设计思想、按照基本设计思想分析基本型镜像恒流源的工作原理、输出阻抗以及提高输出阻抗的措施
1.恒流源基本概念：
恒流源是输出电流保持恒定的电流源；
理想的恒流源应该具有以下特点：
a)不因负载(输出电压)变化而改变；
b)不因环境温度变化而改变；
c)内阻为无限大（以使其电流可以全部流出到外面）
2.基本恒流源的设计思想
基本的恒流源电路主要是由输入级和输出级构成，输入级提供参考电流，输出级输出需要的恒定电流。
①构成恒流源电路的基本原则：
恒流源电路就是要能够提供一个稳定的电流以保证其它电路稳定工作的基础。即要求恒流源电路输出恒定电流，因此作为输出级的器件应该是
具有饱和输出电流的伏安特性。这可以采用工作于输出电流饱和状态的BJT 或者MOSFET来实现。为了保证输出晶体管的电流稳定，就必须要满足两个条件：a）其输入电压要稳定——输入级需要是恒压源；b）输出晶体管的输出电阻尽量大（最好是无穷大）——输出级需要是恒流源。
②对于输入级器件的要求：
因为输入级需要是恒压源，所以可以采用具有电压饱和伏安特性的器件来作为输入级。一般的pn结二极管就具有这种特性——指数式上升的伏安特性；另外，把增强型MOSFET的源-漏极短接所构成的二极管，也具有类似的伏安特性——抛物线式上升的伏安特性。
在IC中采用二极管作为输入级器件时，一般都是利用三极管进行适当连接而成的集成二极管，因为这种二极管既能够适应IC工艺，又具有其特殊的优点。对于这些三极管，要求它具有一定的放大性能，这才能使得其对应的二极管具有较好的恒压性能。
③对于输出级器件的要求：
如果采用BJT，为了使其输出电阻增大，就需要设法减小Evarly效应（基区宽度调制效应），即要尽量提高Early电压。
如果采用MOSFET，为了使其输出电阻增大，就需要设法减小其沟道长度调制效应和衬偏效应。因此，这里一般是选用长沟道MOSFET ，而不用短沟道器件。
3.基本镜像恒流源的工作原理
如图所示为镜像恒流源的基本电路，其中VT1，VT2是匹配管。由图可知Ir=Ic2+IB1+IB2，由于VT1，VT2是对称的，它们的集电极电流与基极电流分别相等，所以有
当Ir确定后，该恒流源的输出电流Io也确定
了。当β足够大时，Io≈Ir，即输出电流近似等于
参考电流。
4.基本镜像恒流源的输出阻抗
理想恒流源的输出阻抗为无穷大，实际由于有效基区扩展效应达不到。
5.提高输出阻抗的措施
A.采用威尔逊恒流源
B.采用有源负载
C.采用铜扩散电阻
D.进行温度补偿
E.输出端采用射基跟随和电流负反馈
第二部分：设计类
基于施密特触发器的压控振荡器的设计
一、设计任务
试设计一个施密特触发器型压控振荡器，要求具有线性压控特性，频率范围：400khz-500khz。
1、设计分析
压控振荡器（voltage-controlled oscillator ,VCO）是一种频率随外加控制电压变化的振荡器，是频率产生源的重要部件。在许多现代通信系统中，VCO是可调信号源，用以实现锁相环（PLL）和其他频率合成源电路的快速频率调谐。VCO现已广泛用于手机、卫星通信终端、基站、雷达、导弹制导系统、军事通信系统、数字无线通信、光学多工器、光发射机和其他电子系统。VCO 对电子系统的性能、尺寸、重量和成本都有决定性的影响。相位噪声是VCO的一项关键参数。低相位噪声的VCO将提高通信系统的频带利用率、增加数据传输系统的数据传输速率。因此VCO对电子系统有着重要的影响。
2、设计方案
a、确定设计方案
能实现VCO功能的电路很多，常用的有分立器件构成的振荡器和集成压控振荡器。如串联谐振电容三点式电路、压控晶体振荡器，积分-施密特电路、射级耦合多谐振荡器、变容二极管调谐LC 振荡器和石英晶体振荡器等几种。它们之间各有优缺点，下面做简要分析，并选择合适的方案。
方案一：LC振荡器
这种振荡器有众多的集成电路存在，有与采用ECL工艺，所以最高工作频率可以达到几百兆，频率容量高，频谱纯度高，电路简单，稳定性好，调试方便。 方案二：石英晶体振荡器
由于石英晶体的串并联谐振频率非常接近；物理化学性质稳定；接入系数小，外界对其影响小。故又为高精度振荡器。
方案三：RC振荡器
要使频率增大则电阻和电容都要减小。电阻太小时，充电时间短；电容太小时，寄生结电容随外界变化对振荡器影响大，频率不稳定，放大器负载太大，相当于大功率放大器，不满足设计要求，故该振荡器的工作频率应小于1MHZ。RC振荡器起振容易，频率以及波形预测性好。
施密特触发器
施密特触发器也有两个稳定状态，但与一般触发器不同的是，施密特触发器采用电位触发方式，其状态由输入信号电位维持；对于负向递减和正向递增两种不同变化方向的输入信号，施密特触发器有不同的阈值电压。
综合考虑决定使用方案三来进行电路设计，查阅资料得知566（VCO的单片
集成电路）中的一个模块为一种施密特触发器型的压控振荡电路。其电路的原理图如下图所示：
b、施密特触发器的电路设计
1、确定施密特触发器方案
实现施密特触发器的方案有如下几种：
74LS18双四输入与非门（施密特触发）
74LS14六反相器（施密特触发）
74132、74LS132等四与非施密特触发器触发器
用555定时器可以构成施密特触发器
CD4093由四个2输入施密特触发器组成
本设计采用两级倒相器组成的施密特触发器，电路结构如下：
下面开始介绍设计软件orcad 16.3 操作步骤：
1、从库文件中取出电路所需器件（place/part）
2、使用连线工具连接电路、设置元件属性
3、建立一个新的仿真文件、设置仿真参数
4、设置观测节点、开始仿真
5、参数调整，反复多次得到理想波形
至此，施密特触发器设计完毕，可以从波形上看出该施密特触发器的门限电压大概在0.9V到1.0V之间。
c、压控振荡器电路设计
1、同之前步骤，取元件、连线、设置初始参数
2、同上建立仿真文件，调试仿真参数，略微修改电路，反复调试得到如下结果
四、调试中遇到的问题
1、参数调节过程中，因为直流工作点设置不合理等出现不起振。
2、最终结果由于未知原因出现起振延时。
3、疑似R、C等参数设置不合理导致的三角波幅度太小。
五、设计总结
压控振荡器，调节电阻或电容可以改变波形发生电路的振荡频率，其输出信号的频率受输入电压线性控制。
设计振荡器这种有源器件，第一步要做的就是管子的选取，设计前必须根据自己的指标确定管子的参数 ，选好所需要的管子；第二步是根据三极管的最佳噪音特性确定直流偏置电路的偏置电阻；第三步是确定二极管的VC特性，先由指标即设计的振荡器频率确定电容的值，然后根据VC曲线确定二极管两端直流电压；第四步是进行谐波仿真，分析相位噪音，生成压控曲线，观察设计的振荡器的压控线性度。