基于CMOS反相器对的高速混沌振荡器设计方法和电路

摘要

本发明公开了一种基于CMOS反相器对的高速混沌振荡器设计方法和电路。使用CMOS反相器对构成的负阻电路替代蔡氏电路中基于运算放大器的负阻电路，产生混沌振荡。CMOS反相器电路采用芯片CD4069或由两个PMOS管和两个NMOS管组成。该电路继承了传统蔡氏电路的特性，产生混沌振荡信号。使用CMOS反相器对，即两个反接的反相器作为振荡器的负阻子电路，可以克服传统蔡氏电路工作频率较低的缺点，工作于较高的频率，所以可以产生高速的混沌振荡，工作频率达到/MHz。该电路既可以使用分立器件进行设计与实现，也可以使用标准的CMOS工艺进行高速混沌振荡器的芯片设计与实现，有利于小成本大批量混沌信号源的制造和生产。

说明书

技术领域

本发明涉及一种高速混沌振荡器的设计方法和电路，尤其涉及一种基于CMOS反相器对的高速混沌振荡器设计方法和电路。

背景技术

混沌在通信系统中的应用是混沌电路研究的一个巨大推动力。随着扩频通信越来越广泛的应用，混沌扩频通信在商业无线通信中的应用潜力备受关注。目前混沌扩频通信的一个热点研究方向就是利用混沌信号自身的扩频特性，以混沌信号为载波进行一些创新体制的混沌载波扩频通信研究。在这些研究中，高速混沌振荡器的设计与实现至关重要。

蔡氏电路是最经典的混沌振荡器之一，很多学者对它进行了较为深入的研究。传统的蔡氏电路中的负阻子电路多是基于运算放大器构建的，运算放大器的速度限制了蔡氏电路的振荡频率，使得传统蔡氏电路产生的混沌信号基频多在kHz量级。为了使蔡氏电路产生1MHz甚至更高频率的混沌振荡信号以满足宽带混沌通信的要求，一个可能的方法就是使用具有负阻特性的高速器件替代传统蔡氏电路中的负阻子电路。

发明内容

为了提高蔡氏电路产生的混沌振荡信号的频率，本发明的目的在于提供了一种基于CMOS反相器对的高速混沌振荡器设计方法和电路，使用具有负阻特性的CMOS反相器对替代传统蔡氏电路中的负阻电路进行高速混沌电路设计的方法和电路，使蔡氏电路产生高速混沌振荡信号。

本发明采用的技术方案是：

一.基于CMOS反相器对的高速混沌振荡器设计方法：

1)使用CMOS反相器对构成的负阻电路替代蔡氏电路中基于运算放大器的负阻电路，产生混沌振荡。

2)电路参数的设计方法为：首先计算由两个差分对构成的负阻电路的“电流-电压”特性，取负阻段中心点的阻抗的绝对值的1.1倍作为电阻R的取值，然后，电感L，电容C₁，电容C₂需要满足条件：

C₁＝C₂/α             (1)

L＝C₂R²/β            (2)

其中：α，β为蔡氏电路混沌振荡的特征参数，设计时在蔡氏电路混沌特性α-β分叉图中混沌振荡区域中心部分取值，α，β取定之后，再取定电容C₂后，由公式(1)，(2)得到电容C₁和电感L的取值。

二.一种基于CMOS反相器对的高速混沌振荡器设计方法的电路：

电感L的一端和电容C₂的一端连接于电阻R的一端，电阻R的另一端和电容C₁的一端与CMOS反相器对电路的一端连接，电感L的另一端、电容C₂的另一端和电容C₁的另一端与CMOS反相器对电路的另一端连接。

所述的CMOS反相器对电路为芯片CD4069，它的第一管脚、第四管脚和电阻R的一端、电容C₁的一端连接，第二管脚、第三管脚和电容C₁的另一端连接，第七管脚接地，第八管脚接电源。

所述的CMOS反相器对电路包括两个PMOS管和两个NMOS管；第一PMOS管和第二PMOS管的源极连接电源，第一PMOS管的栅极、第一NMOS管的栅极、第二PMOS管的漏极、第二NMOS管漏极与电阻R和电容C₂的一端连接，第一NMOS管的源极和第二NMOS管的源极接地，第一PMOS管的漏极、第一NMOS管的漏极、第二PMOS管的栅极与第二NMOS管的栅极和电容C₂的另一端连接。

本发明具有的有益效果是：

该电路继承了传统蔡氏电路的特性，可以产生混沌振荡信号。使用CMOS反相器对，即两个反接的反相器，作为振荡器的负阻子电路，因为CMOS反相器对可以克服传统蔡氏电路工作频率较低的缺点，工作于较高的频率，所以可以产生高速的混沌振荡，工作频率达到1MHz及以上。该电路既可以使用分立器件进行设计与实现，也可以使用标准的CMOS工艺进行高速混沌振荡器的芯片设计与实现，有利于小成本大批量混沌信号源的制造和生产。

附图说明

图1是本发明的高速混沌振荡器原理图。

图2是使用分立器件设计的高速混沌振荡器电路图。

图3是使用示波器观测到的高速混沌振荡器混沌吸引子。

图4是使用示波器观测到的高速混沌振荡器时域信号。

图5是使用标准CMOS集成电路工艺设计的高速混沌振荡器电路图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。

如图1所示，本发明的混沌振荡器是在传统蔡氏电路的基础上，使用CMOS反相器对电路构成的负阻电路替代传统蔡氏电路中基于运算放大器的负阻电路，产生速度更快的混沌振荡。

如图1所示，本发明的电路结构为：电感L的一端和电容C₂的一端连接于电阻R的一端，电阻R的另一端和电容C₁的一端与CMOS反相器对电路的一端连接，电感L的另一端、电容C₂的另一端和电容C₁的另一端与CMOS反相器对电路的另一端连接。

在选定CMOS反相器对基础上，电路中的参数设计涉及到电容C1，C2，电感L，电阻R的取值。具体设计方法为：首先计算或仿真由CMOS反相器对构成的负阻电路的“电流-电压”关系，即计算或仿真图1中流过电阻R的一端，电容C₂的一端与CMOS反相器对电路的一端连接线路上的电流以及CMOS反相器对电路两端的电压的关系，这一“电流-电压”关系在偏置点处呈现负阻特性。取负阻段中心点的阻抗的绝对值的1.1倍作为电阻R的取值，然后，电感L，电容C₁，电容C₂需要满足条件：

C₁＝C₂/α(1)

L＝C₂R²/β(2)

其中，α，β为传统蔡氏电路混沌振荡的特征参数，设计时在传统蔡氏电路混沌特性α-β分叉图中混沌振荡区域中心部分取值，α，β取定之后，再根据振荡频率要求取定电容C₂，然后由公式(1)，(2)得到电容C₁和电感L的取值。

本发明的混沌振荡器电路一方面可以使用分立式电容，电感，电阻元件和反相器对芯片实现，另一方面也可以使用标准的CMOS工艺来实现。其中，反相器对电路包括反相器1和反相器2。

当使用分立式电容，电感，电阻元件和反相器对芯片来实现的时候，具体实施的一个示例电路图如图2所示，电容，电感，电阻使用市场上直接购买的分立元件，CMOS反相器对电路使用National Semiconductor公司的芯片CD4069，该芯片是一款基于CMOS工艺的反相器组电路，包含6个反相器，本示例电路中仅使用了其中反相器1和反相器2以构成CMOS反相器对电路，图2中CD4069的管脚1是反相器1的输入，管脚2是反相器1的输出，管脚3是反相器2的输入，管脚4是反相器对2的输出。此外，反相器管脚7接地，管脚8接电源VCC，电源电压根据芯片要求进行设置，本示例电路中使用5V直流供电。使用本发明技术方案中的电路参数设计方法，首先获得由两个反相器构成的反相器对的负阻特性，求得电阻R的取值为1k欧姆左右。在α-β分叉图中的双涡卷吸引子区域选定α取值为33.9，β取值为103。选定电容C2取值为6.8nF，根据公式可以计算得到电感L取值为66uH，电容C1取值为180pF。考虑到电路参数的误差，在调试时候可以通过调节电路R的取值来调整电路的状态以使之进入混沌状态。图3为电阻R调整到950欧姆时候使用示波器观测到的双涡卷吸引子。图4为对应双涡卷吸引子状态时候电阻R两端的电压时序波形。

当使用标准CMOS工艺设计实现本发明的混沌振荡器电路时，电感L使用片上螺旋电感实现，电容使用片上MIM(Metal-Insulator-Metal，金属-绝缘层-金属)电容，电阻使用Poly(多晶硅)电阻。如图5所示，所述的CMOS反相器对电路包括两个PMOS管和两个NMOS管；第一PMOS管和第二PMOS管的源极连接电源，第一PMOS管的栅极、第一NMOS管的栅极、第二PMOS管的漏极、第二NMOS管漏极与电阻R和电容C₂的一端连接，第一NMOS管的源极和第二NMOS管的源极接地，第一PMOS管的漏极、第一NMOS管的漏极、第二PMOS管的栅极与第二NMOS管的栅极和电容C₂的另一端连接。图5是使用上华0.6um标准CMOS工艺设计的混沌振荡器，其中参数的设计方法同前。图中AVDD为外接电源电压，AVSS接地。