Кольцевой генератор

Тестовые структуры кольцевых генераторов, изготовленные на кремнии с использованием МОП-транзисторов p-типа разных размеров.

Схема простого кольцевого генератора с тремя инверторами, выходная частота которого равна 1/(6×задержка инвертора).

Кольцевой генератор — это устройство, состоящее из нечетного числа вентилей НЕ в кольце, выходной сигнал которого колеблется между двумя уровнями напряжения, представляющими истину и ложь . НЕ-вентили, или инверторы, соединяются в цепочку, и выходной сигнал последнего инвертора подается обратно на первый.

Подробности

Поскольку один инвертор вычисляет логическое НЕ своего входа, можно показать, что последний выход цепочки из нечетного числа инверторов является логическим НЕ первого входа. Окончательный выходной сигнал утверждается через конечное время после утверждения первого входного сигнала, а обратная связь последнего выходного сигнала со входным вызывает колебания.

Круговую цепь, состоящую из четного числа инверторов, нельзя использовать в качестве кольцевого генератора. Последний вывод в этом случае аналогичен входу. Однако эта конфигурация обратной связи инвертора может использоваться в качестве элемента хранения и является основным строительным блоком статической оперативной памяти или SRAM.

Ступени кольцевого генератора часто представляют собой дифференциальные ступени, более устойчивые к внешним возмущениям. Это делает доступными также неинвертирующие этапы. Кольцевой генератор может состоять из комбинации инвертирующих и неинвертирующих каскадов при условии, что общее количество инвертирующих каскадов нечетное. Период генератора во всех случаях равен удвоенной сумме отдельных задержек всех каскадов.

Для работы кольцевого генератора требуется только питание. Выше определенного напряжения, обычно значительно ниже порогового напряжения используемых МОП-транзисторов, колебания начинаются самопроизвольно. Для увеличения частоты колебаний обычно используют два метода. Во-первых, изготовление кольца из меньшего количества инверторов приводит к более высокой частоте колебаний при примерно том же энергопотреблении. Во-вторых, напряжение питания может быть увеличено. В схемах, где можно применить этот метод, он уменьшает задержку распространения по цепочке каскадов, увеличивая как частоту колебаний, так и потребляемый ток.

Операция

Схема транзисторного уровня трехкаскадного кольцевого генератора с задержкой в ​​КМОП-процессе 0,25u. Эта конкретная схема имеет высокое энергопотребление для своей скорости, поскольку инверторы пропускают большой ток от источника питания к земле, когда на их входах находится промежуточное напряжение. Схема с токоограничивающими устройствами, включенными последовательно с инверторными ключами, более энергоэффективна.

Чтобы понять работу кольцевого генератора, нужно сначала понять задержку вентиля . В физическом устройстве ни один вентиль не может переключиться мгновенно. в устройстве, изготовленном из МОП-транзисторов Например, , емкость затвора должна быть заряжена, прежде чем ток сможет течь между истоком и стоком. Таким образом, выходной сигнал каждого инвертора в кольцевом генераторе изменяется в течение конечного промежутка времени после изменения входного сигнала. Отсюда легко увидеть, что добавление большего количества инверторов в цепь увеличивает общую задержку вентиля, уменьшая частоту колебаний.

Кольцевой генератор относится к классу генераторов с задержкой. Генератор с задержкой состоит из инвертирующего усилителя с элементом задержки между выходом усилителя и его входом. Усилитель должен иметь коэффициент усиления более 1 на заданной частоте колебаний. Рассмотрим начальный случай, когда входное и выходное напряжения усилителя на мгновение уравновешиваются в стабильной точке. Небольшое количество шума может привести к небольшому повышению выходной мощности усилителя. После прохождения элемента задержки это небольшое изменение выходного напряжения будет подано на вход усилителя. Усилитель имеет отрицательное усиление больше 1, поэтому выходной сигнал будет меняться в направлении, противоположном этому входному напряжению. Он изменится на величину, большую, чем входное значение, при коэффициенте усиления больше 1. Этот усиленный и обращенный сигнал распространяется от выхода через задержку и обратно на вход, где он снова усиливается и инвертируется. Результатом этого последовательного цикла является прямоугольный сигнал на выходе усилителя с периодом каждой половины прямоугольного сигнала, равным временной задержке. Прямоугольная волна будет расти до тех пор, пока выходное напряжение усилителя не достигнет предела, где оно стабилизируется. Более точный анализ покажет, что волна, возникающая из-за начального шума, может не быть прямоугольной по мере роста, но она станет прямоугольной по мере того, как усилитель достигнет своих выходных пределов.

Кольцевой генератор представляет собой распределенную версию генератора с задержкой. В кольцевом генераторе используется нечетное количество инверторов, чтобы создать эффект одного инвертирующего усилителя с коэффициентом усиления больше единицы (хотя один инвертор в контуре стабилен, а кольцевой генератор с нечетным числом или инверторами в контуре является стабильным). нет). Вместо того, чтобы иметь один элемент задержки, каждый инвертор способствует задержке сигнала по кольцу инверторов, отсюда и название кольцевого генератора. Добавление в кольцо пар инверторов увеличивает общую задержку и тем самым уменьшает частоту генератора. Изменение напряжения питания изменяет задержку каждого инвертора, причем более высокие напряжения обычно уменьшают задержку и увеличивают частоту генератора. Вратислав описывает некоторые методы повышения стабильности частоты и энергопотребления КМОП кольцевого генератора.

Если t представляет собой временную задержку для одного инвертора, а n представляет количество инверторов в цепи инверторов, то частота колебаний определяется выражением:

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

Джиттер

Период кольцевого осциллятора изменяется случайным образом по закону T+T', где T' — случайная величина. В высококачественных схемах диапазон T' относительно невелик по сравнению со средним периодом T. Такое изменение периода генератора называется джиттером .

Локальные температурные эффекты заставляют период кольцевого осциллятора колебаться выше и ниже долгосрочного среднего периода. Когда локальный кремний холодный, задержка распространения немного короче, в результате чего кольцевой генератор работает на немного более высокой частоте, что в конечном итоге повышает локальную температуру. Когда локальный кремний горячий, задержка распространения немного увеличивается, в результате чего кольцевой генератор работает на немного более низкой частоте, что в конечном итоге снижает локальную температуру. Итак, частота кремниевого кольцевого генератора, как правило, будет стабильной, когда температура окружающей среды постоянна и коэффициенты теплопередачи от устройства к окружающей среде не меняются.

Приложения

• в Управляемый напряжением генератор большинстве систем фазовой автоподстройки частоты построен на основе кольцевого генератора.
• Джиттер кольцевых генераторов обычно используется в аппаратных генераторах случайных чисел .
• Кольцевой генератор иногда используется для демонстрации новой аппаратной технологии, аналогично тому, как программа hello world часто используется для демонстрации новой программной технологии.
• Многие пластины включают в себя кольцевой генератор как часть тестовых структур разметочной линии. Они используются во время тестирования пластин для измерения влияния изменений производственного процесса.
• Кольцевые генераторы также можно использовать для измерения влияния напряжения и температуры на чип.

См. также

• График Боде
• Запас по фазе
• Счетчик звонков