Prstenasti oscilator

Prstenasti oscilator napravljen od p-tipa MOSFETa.

Šematski prikaz prostog oscilatora sa 3 invertera čija je frekvencija 1/(6×kašnjenje kola).

Prstenasti oscilator je uređaj koji se sastoji od neparnog broja NE kola čiji izlaz oscilira između dva nivoa napona koji predstavljaju jedinicu i nulu. NE kola, ili inverteri, su prikačeni u lanac u kome se izlaz poslednjeg kola vraća u prvo.

Detalji

Zato što jedan inverter proizvodi logičko NE svog ulaza, može se primetiti da će izlaz poslednjeg kola u lancu neparnog broja invertera dati logičko NE prvog ulaza. Poslednji izlaz se pojavljuje konačno vreme nakon što je prvi ulaz ubačen; vrednost poslednjeg izlaza se ubacuje u prvi ulaz, i ovo prouzrokuje oscilaciju.

Kružni lanac koji se sastoji od parnog broja inverteri se ne može koristiti kao prstenasti oscilator, jer je izlaz poslednjeg identičan ulazu prvog. Ali se ova konfiguracija može koristiti kao element memorije; ona predstavlja osnovnu jedinicu građe statičke memorije nasumičnog pristupa ili SRAM.

Faze prstenastog oscilatora su često diferencijalne faze, koje imaju veći imunitet na spoljnje smetnje. Što znači da su moguće i faze ne invertovanja. Prstenasti oscilator se može napraviti i sa mešavinom invertnih i neinvertnih faza, ukoliko je ukupan broj invertnih faza neparan. Period oscilacije je u svim slučajevima jednak duploj sumi individualnih kašnjenja svih faza.

Pravom prstenastom oscilatoru je potrebna samo struja da bi radio; iznad određenog napona, oscilacije počinju spontano da se događaju. Da bi se povećala učestalost oscilacije, koriste se dva metoda. Prvo se povećava napon; ovo povećava i učestalost i potrošnju struje. Maksimalni dozvoljeni napon koji sme da se primeni na kola ograničava brzinu datog oscilatora. Drugo, praveći krug od manjeg broja invertera rezultuje u većoj učestalosti oscilacije za neku konstantnu potrošnju energije.

Funkcionisanje

Da bi razumeli kako kružni oscilator funkcioniše, moramo prvo da razumemo kašnjenje kola. U fizičkom uređaju ni jedno kolo se ne menja u trenutku; u uređaju napravljenom sa MOSFET, na primer, električni kapacitet kola mora da se napuni pre nego što struja može da prođe od izvora do uvira. Što znači da izlaz svakog invertera prstenastog oscilatora kasni konačno vreme nakon što je ulaz napunjen. Odavde se može lako primetiti da dodavanjem više invertera u lanac povećava ukupno kašnjenje i samim tim smanjuje učestalost oscilacije.

Šema na tranzistorskom nivou trofaznog prstenastog oscilatora sa kašnjenjem od .25u CMOS.

Kružni oscilator je član klase oscilatora sa zakašnjenjem. Oscilator sa zakašnjenjem se sastoji od invertnog pojačivača sa elementom zakašnjenja između pojačivača izlaza i njegovog ulaza. Pojačivač mora da ima priraštaj veći od 1.0 na određenoj učestalosti oscilacije. Razmotrimo početni slučaj gde su ulazni i izlazni napon pojačivača trenutno balansirani na stabilnoj vrednosti. Mala količina šuma može da prouzrokuje da se izlaz pojačivača poveća za malo. Nakon prolaženja kroz element vremenskog kašnjenja, ova mala izlazna promena u naponu se prezentuje ulazu pojačivača. Pojačivač ima negativni priraštaj veći od 1, što znači da će se izlaz promeniti u suprotnom smeru ulaznog napona. On će se promeniti za veću količinu od ulazne vrednosti, gde će se opet pojačati i invertovati. Rezultat ove sekvencijalne petlje je pravougaono talasni signal na izlazu pojačivača sa periodom od svake polovine pravougaonog talasa jednakom vremenskom kašnjenju. Kvadrat će se povećavati dok izlazni napon pojačivača ne dostigne svoje granice, nakon čega će se stabilizovati. Preciznija analiza će pokazati da talas koji raste od početnog šuma ne mora biti kvadrat dok raste, ali će postati kvadrat kada pojačivač dostigne granice izlaza.

Prstenasti oscilator je distribuirana verzija oscilatora odlaganja. Prstenasti oscilator koristi neparan broj invertera da da efekat jednog invertujućeg pojačivača sa priraštajem većeg od jedan. Umesto da ima jedan element kašnjenja, svaki invertor doprinosi kašnjenju signala oko prstena invertera, i tako je i dobio naziv prstenasti oscilator. Dodavanje parova inveretera prstenu povećava ukupno kašnjenje i tako smanjuje učestalost oscilacije. Menjajući napon menjamo i kašnjenje kroz svaki inverter; sa većim naponima uglavnom smanjujući kašnjenje i ubrzavajući učestalost oscilacije. Vratislav opisuje neke metode stabilnosti učestalosti i potrošnje energije poboljšavajući CMOS kružni oscilator.

Odstupanje

Period prstenastog oscilatora vibrira u nasumičnom stilu T=T+T' gde je T' nasumična vrednost. U visokokvalitetnim kolima, opseg T' je relativno mali u odnosu na T. Ovaj varijacija u oscilaciji se zove odstupanje. Lokalna temperatura utiče da se period oscilacije kružnog oscilatora menja iznad i ispod dugoročnog proseka. Kada je lokalni silikon hladan, kašnjenje je blago kraće, što čini oscilator da radi na većoj učestalosti i posle nekog vremena da poveća temperaturu. Kada je lokalni silikon topao, kašnjenje se povećava i samim tim oscilator radi na manjoj učestalosti, što posle nekog vremena snižava temperaturu.

Primene

• Naponski kontrolisan oscilator u većini fazno-zaključanih petlji se pravi od prstenastog oscilatora.
• Odstupanje prstenastog oscilatora se često koristi u hardverskim generatorima nasumičnih brojeva.
• Prstenasti oscilator se često koristi za demonstraciju novih hardverskih tehnologija, kao što se Zdravo svete program koristi za demonstraciju novih softverskih tehnologija.
• Mnogi vaferi sadrže prstenasti oscilator. Oni se koriste prilikom testiranja vafera za merenje različitih efekata proizvodnje.
• Prstenasti oscilator se mogu koristiti i za merenje efekta napona i temperature na čipu.