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提供的一些振荡器

MASSIVE X 实验室(二):
走进波形振荡器的新世界!

Formant(或Formant Capture)模式可能就是大家所期望的那种合成器效果 – 它允许您以不同的音高播放波形,同时不影响共振峰频率的幅度,从而避免“Chipmunk”效应。且无论音高如何,您都手动引入此效果。为了实现这一点,所有波表都印上了一层新的元数据—— Formant Center,它能让波表合成引擎知晓原始波表的音高。当然,当源声音具有复杂的共振峰数据时,共振峰操作才真正明显,因此 Formant Capture 模式是少数几种不能深度操纵正弦波,锯齿波和方波的模式之一。

ART 模式(Artificial Resonance Technology Mode-人工共振技术模式)可能是最有趣的一种模式了:ART 使用 Hardsync 以及一些巧妙的处理来创建非常类似于高谐振带通滤波器的东西。它的目的不是要复制一个超逼真的模拟滤波器,相反,它会推入模拟滤波器无法达到的人工滤波器领域。同时,Body 控制(Body Control)可以让你重新调入低音,让高度共鸣的声音不会失去低音能量。

基于CPLD的片内振荡器设计

环形振荡器是最简单的振荡器设计方法,在分立器件和专用集成电路(ASIC)设计中一直受到关注[1,2,3]。但是在这类设计中,振荡频率随电压变化的特性使其应用受到限制,所以要在工艺或电路设计方面考虑振荡频率的稳定问题[2][3]。随着电路制造技术的发展,稳压电路已经物美价廉;另外,FPGA/CPLD厂商为用户在片内预设了一些特定模块,为振荡器的片内实现提供了方便。如Altera公司的MaxII系列CPLD芯片,允许用户通过软件Quartus II的MegaWizard Plug-in Manager功能来调用系统提供的参数化模块库(LPM)。其中的IO/MAXII Oscillator[4]模块即是一个能在芯片内部实现片内振荡器的软核,其工作频率范围为3.33MHz~5.56MHz,用户不可以调整工作频率。在做仿真应用时,可选择3.33或5.56MHz;在实际应用中,会自动给出3.33~5.56MHz范围内的振荡频率。该片上振荡器模块只能下载在MaxII系列芯片内的用户闪存存储器(UFM)上,振荡输出可以驱动芯片引脚和内部逻辑,该UFM资源一旦作为振荡器使用,便不能再实现并联接口(PIO)、串连接口(SPI)和IIC接口等其他功能。

1 基于CPLD的片内环形振荡器

图1所示的环形振荡器即使采用电路原理图输入,经电子设计自动化(EDA)软件综合后,也得不到对应的电路结构。实际上,EDA综合工具不是从电路结构出发,而是从电路输入和输出的逻辑关系出发给出综合结果,所以,奇数个非门的级联将被综合为一个非门,而偶数个非门的级联被综合为一个缓冲或一条联线。为能在CPLD器件中实现图1的环形振荡器结构,本文将图1中单端口输入元件改成二端口输入元件,即用二输入与非门代替图1的第一个非门,其余偶数个非门则用二输入与门代替,二端口元件的一个输入端口连接上级输出,另一输入端口作为控制端引出。振荡器正常工作时控制端全部置高电平。采用Synplify Pro 7.7综合后的原理图如图2所示。该电路完全可实现图1的功能。

2 CPLD片内振荡器的实现和优化

基于上述方法的片内环形振荡器设计有很大的通用性,可在不同CPLD芯片间方便地移植。本文以Altera公司的MAX7000S系列CPLD芯片的实现和测试为例说明。MAX7000S系列基于先进的多矩阵构架设计,采用CMOS工艺制造,容量高达256个逻辑单元LE(Logic Element),每16个宏单元组成一个逻辑阵列块LAB(Logic Array Block),速度达3.5ns的管脚到管脚延时,同时支持多种I/O电压标准。

通过EDA软件对设计做优化有可能提高所设计的振荡器的性能,减少对CPLD片内资源的占用。当采用MAX+plusII10.2软件设计时,软件优化开关设置为:(1)本设计选用MAX系列芯片,故选择对该芯片的多层综合选项(Multi-Level Synthesis for Max5000/7000/9000Device)。(2)提供的一些振荡器 在面积和速度优化选项中,选择对面积的优化,使振荡器部分尽可能分配到同一个LAB中。(3)提供的一些振荡器 打开“Slow Slew Rate”以降低开关噪声,打开“XOR Synthesis”以减少芯片面积的占用。

3 电路仿真及测试结果

本文以Altera公司的MAX+plus II 10.2为设计工具,在MAX7000S系列芯片上实现并测试。图3为选用EMP7128LC84-15芯片的时序仿真结果。其中 p0~p7分别为环形振荡电路中单个门之后的电路节点;oscena[7. 0]为各延时门电路的控制端(即所有二输入门中多余的输入端)。

Discera为网络、服务器、储存和视频应用推出全球效能最高的MEMS振荡器

中国深圳--( BUSINESS WIRE )--(美国商业资讯)-- 在微机电 (MEMS) 振荡器技术居于领先地位的 Discera, Inc. 宣布量产推出全球效能最高的MEMS振荡器,为网络、服务器、储存和视讯应用提供最佳精度及稳定性。DSC11XX硅振荡器的精度高达10 ppm,其最高工作温度可达摄氏125度。DSC11XX是迄今量产的性能最高的硅振荡器,在不同输出标准 (CMOS、LVPECL、LVDS和HCSL)下的均方根(RMS)相位抖动(phase jitter) 为 300 飞秒(femto-second)。

Discera首席执行官Bruce Diamond表示:“虽然市面上各种硅振荡器有不错的可编程性与灵活性,但直到今天它们仍未能提供高速通讯所需的超低抖动、频率稳定性以及噪声耐受性。”

独立的系统级测试也首次证实 Discera 的硅MEMS振荡器在储存和网络应用效能方面超越了晶体振荡器。GRL测试显示,LVPECL DSC1122超越了6G SAS兼容性要求,其传送过程中产生的抖动比SAS 2.1规格低59%。新罕布什尔大学互通性实验室(UNH Interoperability Labs)的测试显示,DSC1122超越了10 Gigabit以太网络的兼容性要求,其传送过程中产生的定时抖动比10GBASE-T规格低45%。

Granite 提供的一些振荡器 River Labs首席技术工程师Mike Engbretson表示:“我们使用DSC1122硅MEMS振荡器和三阶谐波(third overtone)石英晶体振荡器在同一批6G SAS HBA进行测试,结果发现使用DSC1122的系统有相同的性能,同时传送过程中我们测量到的系统随机抖动和总体抖动都要低一些。由于晶体振荡器在组件等级拥有稍低的RMS相位抖动规格,这些测试结果显示我们必须做系统兼容性测试。”

因为采用已通过数年产品验证的 Discera 硅MEMS技术,DSC11XX可以提供极出色的抖动效能,同时它也有比晶体振荡器产品更低的能耗,并在更大的温度范围内提供更高的频率稳定性。由于无需石英晶体或SAW技术,硅振荡器可显著提升稳定性并加快产品开发。凭借飞秒抖动和10ppm的频率精度,DSC11XX振荡器可满足DisplayPort、以太网络、光纤信道、PON、SAS和Wi-Gig等高速通讯对 10 Gbps及更高讯号速率的效能要求。

DSC11XX振荡器是标准晶体振荡器的引脚兼容替代品。主要功能包括:156.25 MHz(在200 kHz至20 MHz范围内进行整合)时300飞秒RMS的超低相位噪声抖动;更大的工作温度范围(摄氏125度),领先业界的高达10 ppm的频率精度;以及两周的生产交付期。

DSC11XX MEMS振荡器提供半导体稳定性、多功能性和较短的交付期,并且精度和价格均优于晶体振荡器。10000件LVPECL DSC1122和CMOS DSC1121产品的批量订购单价分别为3.80美元和不到1.00美元。

其他类型的振荡器

该振荡器再次使用LC槽来设置振荡频率,这些电感是平面螺旋电感,电容为二极管的电容,因此可以通过改变控制电压Vc来调谐它们,这就是为什么它们被称为压控振荡器 ( VCO, Voltage Control Oscillator ) 的原因;调谐范围必须足够大,以补偿电感的变化(20%)。例如,一个大约有三个绕组的电感,采用空心布局,长约 10 毫米, 其电感约为 10 nH。当二极管电容为1pF时,振荡频率约为1.6GHz。此外,对于线圈电阻RL为10Ω(Q=10),最小gmA约为1mS。对于0.5V的VGS−VT,这将需要0.25mA的晶体管电流。

很明显,GHz的范围很容易实现,然而频率越低或越高都是一个问题。这种VCO最重要的参数之一是相位噪声,这主要是晶体管和线圈串联电阻RL的热噪声,转换为振荡频率的边带 ( Sidebands )。由于电阻RL与跨导gmA相关,因此它是相位噪声表达式的主要参数,实际上表达式中的项4/3是由于晶体管的gm。相位噪声的经验法则是在距离载波100kHz处的−100dBc/Hz。在本例中,它大约是在100kHz处的−120dBc/Hz。

一个差分版的单晶体管皮尔斯振荡器的显示在下图,在低频时,电容C的阻抗太大,不会产生振荡;在高频时,它充当短路,并为晶体提供负阻抗。电阻必须足够高,以免抑制振荡;当由电流源替换时它们会更好。电流源 提供的一些振荡器 IB 设置最好由测量输出电压的 AGC 环路驱动, 否则电流可能设置得太高,导致频率偏差或失真较大。

去掉晶体产生弛豫振荡器。 现在频率由电流 IB、电容 C 和限制电压设置,这里限制电压是双极晶体管的 VBE, 实际上它是 IB/(4CVBE)。 在输出端获得方波,但在时间设置电容 C 上获得三角波。

不用说,这个频率并不那么准确,而且非常依赖于温度。许多这样的弛豫振荡器已经设计出并发表,下图是早期的一个;它的主要优点是通过电流IB的可调性, 然而这个范围受到射随器晶体管基极电流的限制。用 MOST 源随器代替它们允许电流和频率范围超过 8 倍频程。

图 4 阻容振荡器,相移3x 60 = 180

带有运放的著名振荡器是维恩桥振荡器 ( Wien Bridge Oscillator ),如下图所示。 提供的一些振荡器 它由一个运算放大器和一个围绕反馈回路的串联和并联 RC 电路组成。 另外两个电阻 3R1 和 R1 提供的一些振荡器 确保电压增益约为 3

图 5 维恩振荡器,需要三倍的增益

同样的维恩桥振荡器可以用来搭建一个压控晶体振荡器 ( Voltage Controlled Crystal

Oscillator )。显然这是相互矛盾的, 通常晶体振荡器用于高精度地固定频率;另一方面,VCO用于在 20-30% 范围内改变频率。然而有时,特别是为了时序的目的,我们要将晶体频率设置为一个与晶体频率本身略有不同的精确值。在此示例中,使用类似于晶体但Q因子较低的谐振器,将频率精确地设置为460,00 kHz。该谐振器只有457 kHz。我们如何解决这个问题?

谐振器是维恩电桥的一部分,因此解决方案是向谐振器添加一个并联电容以使其失谐。 与串联谐振相比,振荡显然更接近于并联谐振。 改变并联电容现在是一种稍微改变振荡频率的简单方法。

如何实现通过电压或电流来改变的电容? 可以使用米勒效应,另一种选择是下图中的电路:将一个具有器件Rd和Cd的差分器插入到一个具有可变Gm块的反馈环路中。 输入导纳易于计算,它是电容Cd,乘以GmRd。在这个例子中,这个因素约为25,Cd为4pF,这允许约为100pF的电容变化 ΔC。如果Gm现在可以变成正和负,那么我们就有一个正和负的电容。电流 I2 将用于控制跨导 Gm 从正值、零值到负值。

为了实现从正值到负值的跨导Gm,我们使用了一个对称的运放,其中输入级增加了一倍。此外,这两个输入级是交叉耦合的。当两个输入对具有相同的偏置电流时,什么也不能输出,输出电流完全抵消。如果一个电流,例如通过 MI1 的电流 I1,大于通过 MI2 的 I2,则差分对 MT1/MT2 提供更大的输出电流 Io,该电流流入电路 ;另一方面,如果电流I2大于I1,则输出电流改变极性。因此我们可以通过允许 I2 相对于 I1 的变化来获得正负输出电流,如下图所示。

图 8 Gm 模块产生可变电容 +/-ΔC

差分器产生一个差分。 它只不过是一个伪差分对,电阻 Rd 和电容 Cd 应用于该对。 根据给定的 Rd 和 Cd 值,时间常数达到约 160 ns,小于 348 ns 的振荡周期。 然而,运算放大器本身的时间常数不可忽略,而且电路图稍微复杂一些。