环形振荡器是什么？

 

环形振荡器（Ring Oscillator）是一种在通电时生成周期性电信号的设备，其输出信号呈方波形式。它由数字逻辑门的半导体技术制成，由多个非门（NOT gates）以链式连接组成，最后一个非门的输出连接到第一个非门的输入，形成一个环。输出信号在两个电平（低和高）之间振荡。输出信号被反馈到第一个非门的输入。需要记住的关键点是，为了使设备在高和低之间振荡，非门的数量必须是奇数。

 

Ring Oscillator

 

环形振荡器的构造

 

环形振荡器由奇数个非门组成，这些非门以环形方式连接。（非门是一种数字逻辑，也称为反相器。它由CMOS（互补金属氧化物半导体）制成，由P型和N型MOSFET的互补对组成。可以在输出和地之间连接电容器，以滤波和平滑输出信号波形。）第一个非门的输出连接到第二个非门的输入，依此类推，最后一个非门的输出反馈到第一个非门的输入。可以在输出和地之间连接电容器CL，以滤波和平滑输出信号波形。

 

 Construction of a common ring oscillator

 

Logical contradiction:

 

环形振荡器的基本原理是奇数个非门的 Logic 不稳定性。例如，如果第一个非门的输入为高电平（HIGH），其输出将为低电平（LOW）。这个低电平信号经过一系列非门后，最后一个非门的输出也将为低电平。当这个低电平信号反馈到第一个非门的输入时，就会产生矛盾，从而使电路不稳定而振荡。因此出现由于环路中包含奇数个反相器，最终的输出信号会与输入信号反相奇数次，从而形成正反馈。

 

Inverter delay:

 

环形振荡器的第二个基本原理是每个非门引起的延迟。这种延迟由每个阶段的寄生 RC 电路决定。输入变化后，非门的输出需要一定时间才能更新，这段时间允许电路暂时保持逻辑矛盾。信号在环路中不断循环，每次经过反相器都会反相和延迟，最终导致振荡信号的产生。

 

频率公式：

 

每个非门的设计都是相同的，以确保所有阶段具有相同的时间常数、阈值和振幅。因此，输出频率取决于延迟时间（Tdelay）和非门（Inverter）的数量（N）。通过改变 Tdelay 或 Inverter 的数量，可以调整振荡频率。

 

环形振荡器的频率（frequency）可以表示为：

 

功耗：

 

环形振荡器的功耗取决于以下两点：

 

交叉传导损耗，即当逆变器输入电压接近 VDD/2 时，使得同时导通 N 沟道和 P 沟道 MOS 管时产生的损耗。

 

电容损耗，即由 Inverter 电容的周期性充电/放电所引起的损耗。

 

在该公式中，N为 Inverter 数量，C 表示 Inverter 输入/输出节点中存在的电容总和，VDD 表示电源电压，Freqency 为振荡器的频率。功耗 Power 可能达到较高的数值，这取决于振荡器的设计。

 

应用

 

环形振荡器具有广泛的调谐范围、在集成电路中体积小巧以及多相输出的特点。广泛应用于无线通信、射频电路、音频处理等领域。

 

时钟信号源

 

频率源

 

定时器

 

FM 调制器

 

音频合成器

 

Reference:

1.On the low-power design, stability improvement and frequency estimation of the CMOS ring oscillator.

2.Analog Circuit Design.

 

 

来源：十二芯座

关键词： 振荡器 半导体