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 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 0.9 Ｖ至5.0 Ｖ的電壓穩定工作。當電壓比 5 Ｖ大時，輸出頻率將超過 24MHz 。而且當電壓在 0.9 Ｖ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) 。

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 CMOS 　 inverter 和兩個 CMOS 　 inverters 。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CMOS 　 inverter 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。

電路理論 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 .

R1 R1

CMOS INV1H/L OP1

L/HOP

2H/L

CMOS INV2

OU

TPU

T

CMOS INV3 H/L

Q2Q1 B2

* L/H/L

*: Change stateR3

B1

H/L

The BJT differential amplifier oscillator

電路模擬

fosc = 900 MHz 　 R1=1.2 KΩ 　 R3=0.22 KΩ 　 Vcc=2 Volt 　 CIC 　 0.18um

Output waveform by H-spice simulation

電路實測

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

Tektronix TDS3034B 　示波器量測

電路實測

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

Tektronix TDS3034B 　示波器量測

電路實測（ fft)

R1=3.56 KΩR3=0.856 KΩVcc=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。

Tektronix TDS3034B 　示波器量測

0 4 8 12 162 6 10 14

MHZ

-80

-60

-40

-20

0

db

FFT

實驗結果 (數值表）

R3 和電晶體不變而 R1 變化

2 2.4 2.8 3.2 3.6

V

5

6

7

8

9

10

11

5.5

6.5

7.5

8.5

9.5

10.5

MH Z

R1

R1 = 3.5K

R1 = 2K

R1 = 5.5K

實驗結果 (數值表）

R3 變化電晶體和 R1 不變

2 3 4 52.5 3.5 4.5

V

6

8

10

12

14

16

18

20

22

24

7

9

11

13

15

17

19

21

23

MH Z

R3

R3 = 2.86K

R3 = 1.89K

實驗結果 (數值表）

2 2.1 2.2 2.3 2.4 2.52.05 2.15 2.25 2.35 2.45

V

5.4

5.6

5.8

6

6.2

6.4

6.6

5.5

5.7

5.9

6.1

6.3

6.5

MH Z

BJT

B = 423

B = 286

R3 和 R1 不變電晶體變化

Rid=(hFE+1)(2re+2RE)

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。

Thanks for your attention!! Good Bye !!