Ringoscillator

Ringoscillatorteststrukturer tillverkade på kisel med användning av MOSFETs av p-typ av olika storlekar.

Ett schema över en enkel ringoscillator med 3 växelriktare vars utfrekvens är 1/(6× inverterfördröjning).

En ringoscillator är en enhet som består av ett udda antal NOT-grindar i en ring, vars utgång oscillerar mellan två spänningsnivåer, som representerar sant och falskt . NOT-grindarna, eller växelriktarna, är fästa i en kedja och utgången från den sista växelriktaren matas tillbaka till den första.

Detaljer

Eftersom en enskild växelriktare beräknar det logiska NOT för sin ingång, kan det visas att den sista utsignalen från en kedja med ett udda antal växelriktare är den logiska NOT för den första ingången. Den slutliga utsignalen hävdas en begränsad tid efter att den första ingången har bekräftats och återkopplingen från den sista utsignalen till ingången orsakar oscillation.

En cirkulär kedja som består av ett jämnt antal växelriktare kan inte användas som ringoscillator. Den sista utgången i detta fall är densamma som ingången. Denna konfiguration av växelriktaråterkoppling kan emellertid användas som ett lagringselement och det är den grundläggande byggstenen för statiskt direktminne eller SRAM.

Ringoscillatorns stadier är ofta differentialsteg, som är mer immuna mot yttre störningar. Detta gör även icke-inverterande steg tillgängliga. En ringoscillator kan göras med en blandning av inverterande och icke-inverterande steg, förutsatt att det totala antalet inverterande steg är udda. Oscillatorperioden är i alla fall lika med två gånger summan av de individuella fördröjningarna för alla steg.

En ringoscillator kräver bara ström för att fungera. Över en viss spänning, typiskt långt under tröskelspänningen för de använda MOSFET:erna, börjar svängningar spontant. För att öka svängningsfrekvensen används vanligtvis två metoder. För det första, att göra ringen från ett mindre antal växelriktare resulterar i en högre oscillationsfrekvens, med ungefär samma strömförbrukning. För det andra kan matningsspänningen ökas. I kretsar där denna metod kan tillämpas, minskar den utbredningsfördröjningen genom kedjan av steg, vilket ökar både svängningsfrekvensen och den förbrukade strömmen.

Drift

Ett transistornivåschema över en trestegs ringoscillator med fördröjning i en .25u CMOS-process. Denna speciella krets har hög strömförbrukning för sin hastighet, eftersom växelriktarna kör en stor ström från ström till jord när deras ingångar har en mellanspänning. En krets med strömbegränsande enheter i serie med växelriktarbrytarna är mer energieffektiv.

För att förstå funktionen hos en ringoscillator måste man först förstå gate delay . I en fysisk enhet kan ingen grind växla omedelbart. I en enhet tillverkad med MOSFETs , till exempel, måste gate-kapacitansen laddas innan ström kan flyta mellan source och drain. Sålunda ändras utsignalen från varje växelriktare i en ringoscillator inom en begränsad tid efter att ingången har ändrats. Härifrån kan det enkelt ses att om man lägger till fler växelriktare i kedjan ökar den totala gate-fördröjningen, vilket minskar oscillationsfrekvensen.

Ringoscillatorn är en medlem av klassen av tidsfördröjningsoscillatorer. En tidsfördröjningsoscillator består av en inverterande förstärkare med ett fördröjningselement mellan förstärkarutgången och dess ingång. Förstärkaren måste ha en förstärkning större än 1 vid den avsedda svängningsfrekvensen. Betrakta det initiala fallet där förstärkarens in- och utgångsspänningar är momentant balanserade vid en stabil punkt. En liten mängd brus kan göra att förstärkarens utsignal stiger något. Efter att ha passerat genom tidsfördröjningselementet kommer denna lilla utspänningsändring att presenteras på förstärkarens ingång. Förstärkaren har en negativ förstärkning som är större än 1, så utsignalen kommer att ändras i motsatt riktning mot denna inspänning. Den kommer att ändras med en mängd större än ingångsvärdet, för en förstärkning större än 1. Denna förstärkta och omvända signal fortplantar sig från utgången genom tidsfördröjningen och tillbaka till ingången där den förstärks och inverteras igen. Resultatet av denna sekventiella slinga är en fyrkantsvågsignal vid förstärkarens utgång med perioden för varje halva av fyrkantvågen lika med tidsfördröjningen. Fyrkantsvågen kommer att växa tills förstärkarens utspänning når sina gränser, där den kommer att stabiliseras. En mer exakt analys kommer att visa att vågen som växer från det initiala bruset kanske inte är kvadratisk när den växer, men den kommer att bli kvadratisk när förstärkaren når sina uteffektgränser.

Ringoscillatorn är en distribuerad version av tidsfördröjningsoscillatorn. Ringoscillatorn använder ett udda antal växelriktare för att ge effekten av en enda inverterande förstärkare med en förstärkning som är större än en (även om en enkel växelriktare i en slinga är stabil och en ringoscillator med udda nummer eller växelriktare i en slinga är inte). Istället för att ha ett enda fördröjningselement bidrar varje växelriktare till fördröjningen av signalen runt växelriktarringen, därav namnet ringoscillator. Att lägga till par av växelriktare till ringen ökar den totala fördröjningen och minskar därmed oscillatorfrekvensen. Ändring av matningsspänningen ändrar fördröjningen genom varje växelriktare, med högre spänningar som vanligtvis minskar fördröjningen och ökar oscillatorfrekvensen. Vratislav beskriver några metoder för att förbättra frekvensstabilitet och strömförbrukning för CMOS-ringoscillatorn.

Om t representerar tidsfördröjningen för en enskild växelriktare och n representerar antalet växelriktare i växelriktarkedjan, så ges oscillationsfrekvensen av:

f={\frac {1}{2tn}}

.

Jitter

Perioden för en ringoscillator varierar på ett slumpmässigt sätt som T+T' där T' är ett slumpmässigt värde. I högkvalitativa kretsar är intervallet för T' relativt litet jämfört med medelperioden T. Denna variation i oscillatorperioden kallas jitter .

Lokala temperatureffekter gör att perioden för en ringoscillator vandrar över och under långtidsgenomsnittsperioden. När det lokala kislet är kallt är utbredningsfördröjningen något kortare, vilket gör att ringoscillatorn körs med en något högre frekvens, vilket så småningom höjer den lokala temperaturen. När det lokala kislet är varmt är utbredningsfördröjningen något längre, vilket gör att ringoscillatorn körs med en något lägre frekvens, vilket så småningom sänker den lokala temperaturen. Så frekvensen för en kiselringoscillator kommer i allmänhet att vara stabil när omgivningstemperaturen är konstant och faktorer för värmeöverföring från enheten till den omgivande miljön inte varierar.

Ansökningar

Den spänningsstyrda oscillatorn i de flesta faslåsta slingorna är byggd av en ringoscillator.
Jitter av ringoscillatorer används vanligtvis i hårdvarugeneratorer för slumptal .
En ringoscillator används ibland för att demonstrera en ny hårdvaruteknik, analogt med hur ett hello world-program ofta används för att demonstrera en ny mjukvaruteknik.
Många wafers inkluderar en ringoscillator som en del av ritslinjeteststrukturerna. De används under wafertestning för att mäta effekterna av tillverkningsprocessvariationer.
Ringoscillatorer kan också användas för att mäta effekterna av spänning och temperatur på ett chip.

Se även

Anteckningar