Oscylator pierścieniowy

tranzystorów MOSFET typu p o różnych rozmiarach.

Schemat prostego oscylatora pierścieniowego z 3 falownikami, którego częstotliwość wyjściowa wynosi 1/(6 × opóźnienie falownika).

Oscylator pierścieniowy to urządzenie składające się z nieparzystej liczby bramek NOT w pierścieniu, którego sygnał wyjściowy oscyluje pomiędzy dwoma poziomami napięcia, reprezentującymi prawdę i fałsz . Bramki NOT, czyli falowniki, są połączone w łańcuch, a wyjście ostatniego falownika jest przekazywane z powrotem do pierwszego.

Detale

Ponieważ pojedynczy falownik oblicza wartość logiczną NOT swojego wejścia, można wykazać, że ostatnie wyjście łańcucha nieparzystej liczby falowników jest logiczną wartością NOT pierwszego wejścia. Ostateczny sygnał wyjściowy jest zapewniany po upływie skończonego czasu po zatwierdzeniu pierwszego sygnału wejściowego, a sprzężenie zwrotne ostatniego sygnału wyjściowego z wejściem powoduje oscylacje.

Łańcuch kołowy składający się z parzystej liczby falowników nie może być używany jako oscylator pierścieniowy. Ostatnie wyjście w tym przypadku jest takie samo jak wejście. Jednakże ta konfiguracja sprzężenia zwrotnego falownika może zostać wykorzystana jako element pamięci i stanowi podstawowy element składowy statycznej pamięci o dostępie swobodnym, czyli SRAM.

Stopnie oscylatora pierścieniowego są często stopniami różnicowymi, które są bardziej odporne na zakłócenia zewnętrzne. Dzięki temu dostępne są także stopnie nieodwracające. Oscylator pierścieniowy można wykonać z połączenia stopni odwracających i nieodwracających, pod warunkiem, że całkowita liczba stopni odwracających jest nieparzysta. Okres oscylatora jest we wszystkich przypadkach równy dwukrotności sumy poszczególnych opóźnień wszystkich stopni.

Oscylator pierścieniowy wymaga jedynie zasilania do działania. Powyżej pewnego napięcia, typowo znacznie poniżej napięcia progowego stosowanych tranzystorów MOSFET, oscylacje rozpoczynają się samoistnie. Aby zwiększyć częstotliwość oscylacji, powszechnie stosuje się dwie metody. Po pierwsze, wykonanie pierścienia z mniejszej liczby falowników skutkuje wyższą częstotliwością oscylacji przy mniej więcej takim samym zużyciu energii. Po drugie, napięcie zasilania może zostać zwiększone. W obwodach, w których można zastosować tę metodę, zmniejsza ona opóźnienie propagacji w łańcuchu stopni, zwiększając zarówno częstotliwość oscylacji, jak i pobierany prąd.

Operacja

Schemat poziomu tranzystora trójstopniowego oscylatora pierścieniowego z opóźnieniem w procesie CMOS .25u. Ten konkretny obwód charakteryzuje się dużym poborem mocy w stosunku do swojej prędkości, ponieważ falowniki przesyłają duży prąd z zasilania do masy, gdy ich wejścia znajdują się pod napięciem pośrednim. Obwód z urządzeniami ograniczającymi prąd połączonymi szeregowo z przełącznikami falownika jest bardziej energooszczędny.

Aby zrozumieć działanie oscylatora pierścieniowego, należy najpierw zrozumieć opóźnienie bramki . W urządzeniu fizycznym żadna brama nie może się natychmiast przełączyć. Na przykład w urządzeniu wykonanym z tranzystorów MOSFET pojemność bramki musi zostać naładowana, zanim prąd będzie mógł przepływać między źródłem a drenem. Zatem moc wyjściowa każdego falownika w oscylatorze pierścieniowym zmienia się w skończonym czasie po zmianie sygnału wejściowego. Stąd można łatwo zauważyć, że dodanie większej liczby falowników do łańcucha zwiększa całkowite opóźnienie bramki, zmniejszając częstotliwość oscylacji.

Oscylator pierścieniowy należy do klasy oscylatorów opóźnionych czasowo. Oscylator opóźniający składa się ze wzmacniacza odwracającego z elementem opóźniającym pomiędzy wyjściem wzmacniacza a jego wejściem. Wzmacniacz musi mieć wzmocnienie większe niż 1 przy zamierzonej częstotliwości oscylacji. Rozważmy początkowy przypadek, w którym napięcia wejściowe i wyjściowe wzmacniacza są chwilowo zrównoważone w stabilnym punkcie. Niewielka ilość szumu może spowodować nieznaczny wzrost mocy wyjściowej wzmacniacza. Po przejściu przez element opóźniający ta niewielka zmiana napięcia wyjściowego zostanie przedstawiona na wejściu wzmacniacza. Wzmacniacz ma ujemne wzmocnienie większe niż 1, więc sygnał wyjściowy zmieni się w kierunku przeciwnym do tego napięcia wejściowego. Zmieni się o wartość większą niż wartość wejściowa, dla wzmocnienia większego niż 1. Ten wzmocniony i odwrócony sygnał rozchodzi się od wyjścia przez układ opóźnienia czasowego i z powrotem do wejścia, gdzie jest ponownie wzmacniany i odwracany. Wynikiem tej pętli sekwencyjnej jest sygnał prostokątny na wyjściu wzmacniacza, którego okres każdej połowy fali prostokątnej jest równy opóźnieniu. Fala prostokątna będzie rosła, aż napięcie wyjściowe wzmacniacza osiągnie swoje granice, gdzie się ustabilizuje. Dokładniejsza analiza pokaże, że fala powstająca z początkowego szumu może nie być kwadratowa w miarę jej wzrostu, ale stanie się kwadratowa, gdy wzmacniacz osiągnie swoje granice wyjściowe.

Oscylator pierścieniowy jest rozproszoną wersją oscylatora opóźnionego. Oscylator pierścieniowy wykorzystuje nieparzystą liczbę falowników, aby uzyskać efekt pojedynczego wzmacniacza odwracającego o wzmocnieniu większym niż jeden (chociaż pojedynczy falownik w pętli jest stabilny, a oscylator pierścieniowy z nieparzystą liczbą falowników w pętli jest nie). Zamiast mieć pojedynczy element opóźniający, każdy falownik przyczynia się do opóźnienia sygnału wokół pierścienia falowników, stąd nazwa oscylatora pierścieniowego. Dodanie par falowników do pierścienia zwiększa całkowite opóźnienie, a tym samym zmniejsza częstotliwość oscylatora. Zmiana napięcia zasilania powoduje zmianę opóźnienia w każdym falowniku, przy czym wyższe napięcia zwykle zmniejszają opóźnienie i zwiększają częstotliwość oscylatora. Vratislav opisuje niektóre metody poprawy stabilności częstotliwości i zużycia energii oscylatora pierścieniowego CMOS.

Jeśli t oznacza opóźnienie pojedynczego falownika, a n oznacza liczbę falowników w łańcuchu falowników, wówczas częstotliwość oscylacji wyraża się wzorem:

{\ displaystyle f = {\ Frac {1} {2tn}}}

.

Drganie

Okres oscylatora pierścieniowego zmienia się losowo jako T+T', gdzie T' jest wartością losową. W obwodach wysokiej jakości zakres T' jest stosunkowo mały w porównaniu ze średnim okresem T. Ta zmiana okresu oscylatora nazywana jest jitterem .

Lokalne skutki temperatury powodują, że okres oscylatora pierścieniowego waha się powyżej i poniżej długoterminowego średniego okresu. Kiedy lokalny krzem jest zimny, opóźnienie propagacji jest nieco krótsze, co powoduje, że oscylator pierścieniowy pracuje z nieco wyższą częstotliwością, co ostatecznie podnosi lokalną temperaturę. Kiedy lokalny krzem jest gorący, opóźnienie propagacji jest nieco dłuższe, co powoduje, że oscylator pierścieniowy pracuje z nieco niższą częstotliwością, co ostatecznie obniża lokalną temperaturę. Zatem częstotliwość oscylatora z pierścieniem krzemowym będzie na ogół stabilna, gdy temperatura otoczenia jest stała, a współczynniki przenoszenia ciepła z urządzenia do otoczenia nie zmieniają się.

Aplikacje

Oscylator sterowany napięciem w większości pętli synchronizacji fazowej zbudowany jest z oscylatora pierścieniowego.
Jitter oscylatorów pierścieniowych jest powszechnie stosowany w sprzętowych generatorach liczb losowych .
Oscylator pierścieniowy jest czasami używany do demonstracji nowej technologii sprzętowej, analogicznie do sposobu, w jaki program hello world jest często używany do demonstracji nowej technologii oprogramowania.
Wiele płytek zawiera oscylator pierścieniowy jako część struktur testowych linii rysującej. Stosuje się je podczas testowania płytek w celu pomiaru wpływu zmian w procesie produkcyjnym.
Oscylatory pierścieniowe można również wykorzystać do pomiaru wpływu napięcia i temperatury na chip.

Zobacz też

Notatki