Un oscilador de anillo es un dispositivo compuesto por un número impar de puertas NOT en un anillo, cuya salida oscila entre dos niveles de voltaje, que representan verdadero y falso . Las puertas NOT, o inversores, se conectan en una cadena y la salida del último inversor se retroalimenta al primero.
Detalles
Debido a que un solo inversor calcula el NO lógico de su entrada, se puede demostrar que la última salida de una cadena de un número impar de inversores es el NO lógico de la primera entrada. La salida final se afirma una cantidad finita de tiempo después de que se afirma la primera entrada y la retroalimentación de la última salida a la entrada causa la oscilación.
Una cadena circular compuesta por un número par de inversores no se puede utilizar como oscilador de anillo. La última salida en este caso es la misma que la entrada. Sin embargo, esta configuración de retroalimentación del inversor se puede utilizar como un elemento de almacenamiento y es el bloque de construcción básico de la memoria estática de acceso aleatorio o SRAM.
Las etapas del oscilador de anillo son a menudo etapas diferenciales, que son más inmunes a las perturbaciones externas. Esto hace que estén disponibles también las etapas no inversoras. Se puede hacer un oscilador de anillo con una combinación de etapas inversoras y no inversoras, siempre que el número total de etapas inversoras sea impar. El período del oscilador es en todos los casos igual al doble de la suma de los retardos individuales de todas las etapas.
Un oscilador de anillo solo requiere energía para funcionar. Por encima de un cierto voltaje, típico muy por debajo del voltaje umbral de los MOSFET utilizados, las oscilaciones comienzan espontáneamente. Para aumentar la frecuencia de oscilación, se utilizan comúnmente dos métodos. Primero, hacer el anillo a partir de un número menor de inversores da como resultado una frecuencia de oscilación más alta, con aproximadamente el mismo consumo de energía. En segundo lugar, se puede aumentar la tensión de alimentación. En los circuitos donde se puede aplicar este método, reduce el retardo de propagación a través de la cadena de etapas, aumentando tanto la frecuencia de oscilación como la corriente consumida.
Operación
Para comprender el funcionamiento de un oscilador de anillo, primero se debe comprender el retardo de la puerta . En un dispositivo físico, ninguna puerta puede cambiar instantáneamente. En un dispositivo fabricado con MOSFET , por ejemplo, la capacitancia de la puerta debe cargarse antes de que la corriente pueda fluir entre la fuente y el drenaje. Por lo tanto, la salida de cada inversor en un oscilador de anillo cambia dentro de una cantidad finita de tiempo después de que la entrada ha cambiado. A partir de aquí, se puede ver fácilmente que agregar más inversores a la cadena aumenta el retardo total de la puerta, reduciendo la frecuencia de oscilación.
El oscilador de anillo es un miembro de la clase de osciladores de retardo de tiempo. Un oscilador de retardo de tiempo consiste en un amplificador inversor con un elemento de retardo entre la salida del amplificador y su entrada. El amplificador debe tener una ganancia superior a 1 en la frecuencia de oscilación prevista. Considere el caso inicial en el que los voltajes de entrada y salida del amplificador se equilibran momentáneamente en un punto estable. Una pequeña cantidad de ruido puede hacer que la salida del amplificador aumente ligeramente. Después de pasar por el elemento de retardo de tiempo, este pequeño cambio de voltaje de salida se presentará a la entrada del amplificador. El amplificador tiene una ganancia negativa mayor que 1, por lo que la salida cambiará en la dirección opuesta a este voltaje de entrada. Cambiará en una cantidad mayor que el valor de entrada, para una ganancia mayor que 1. Esta señal amplificada e invertida se propaga desde la salida a través del retardo de tiempo y de regreso a la entrada donde se amplifica e invierte nuevamente. El resultado de este bucle secuencial es una señal de onda cuadrada en la salida del amplificador con el período de cada mitad de la onda cuadrada igual al retardo de tiempo. La onda cuadrada crecerá hasta que el voltaje de salida del amplificador alcance sus límites, donde se estabilizará. Un análisis más exacto mostrará que la onda que crece a partir del ruido inicial puede no ser cuadrada a medida que crece, pero se volverá cuadrada cuando el amplificador alcance sus límites de salida.
El oscilador de anillo es una versión distribuida del oscilador de retardo de tiempo. El oscilador de anillo utiliza un número impar de inversores para producir el efecto de un solo amplificador inversor con una ganancia superior a uno. En lugar de tener un solo elemento de retardo, cada inversor contribuye al retardo de la señal alrededor del anillo de inversores, de ahí el nombre de oscilador de anillo. Agregar pares de inversores al anillo aumenta el retardo total y, por lo tanto, disminuye la frecuencia del oscilador. El cambio de la tensión de alimentación cambia el retardo a través de cada inversor, y los voltajes más altos suelen disminuir el retardo y aumentar la frecuencia del oscilador. Vratislav describe algunos métodos para mejorar la estabilidad de frecuencia y el consumo de energía del oscilador de anillo CMOS. [1]
Si t representa el retardo de tiempo para un solo inversor yn representa el número de inversores en la cadena de inversores, entonces la frecuencia de oscilación viene dada por:
- . [2]
Estar nervioso
El período de un oscilador de anillo varía de forma aleatoria como T + T 'donde T' es un valor aleatorio. En los circuitos de alta calidad, el rango de T 'es relativamente pequeño en comparación con el período promedio T. Esta variación en el período del oscilador se llama jitter . [3]
Los efectos de la temperatura local hacen que el período de un oscilador de anillo se desvíe por encima y por debajo del período promedio a largo plazo. [4] Cuando el silicio local está frío, el retardo de propagación es ligeramente más corto, lo que hace que el oscilador de anillo funcione a una frecuencia ligeramente más alta, lo que finalmente eleva la temperatura local. Cuando el silicio local está caliente, el retardo de propagación es un poco más largo, lo que hace que el oscilador de anillo funcione a una frecuencia ligeramente más baja, lo que finalmente reduce la temperatura local. Por lo tanto, la frecuencia de un oscilador de anillo de silicio generalmente será estable, cuando la temperatura ambiente sea constante y los factores de transferencia de calor del dispositivo al entorno ambiental no varíen.
Aplicaciones
- El oscilador controlado por voltaje en la mayoría de los bucles de fase bloqueada se construye a partir de un oscilador de anillo. [5]
- La fluctuación de los osciladores de anillo se usa comúnmente en generadores de números aleatorios de hardware . [3] [4] [6]
- Un oscilador de anillo se usa a veces para demostrar una nueva tecnología de hardware, de manera análoga a la forma en que se usa a menudo un programa de saludo mundial para demostrar una nueva tecnología de software. [7] [8]
- Muchas obleas incluyen un oscilador de anillo como parte de las estructuras de prueba de la línea trazada. Se utilizan durante las pruebas de obleas para medir los efectos de las variaciones del proceso de fabricación. [9]
- Los osciladores de anillo también se pueden usar para medir los efectos del voltaje y la temperatura en un chip. [10]
Ver también
Notas
- ^ Vratislav MICHAL. "Sobre el diseño de baja potencia, mejora de la estabilidad y estimación de frecuencia del oscilador de anillo CMOS" . 2012.
- ^ Mandal, MK & Sarkar, BC "Osciladores de anillo: características y aplicaciones"
- ^ a b Un generador de números aleatorios verdaderos comprobadamente seguro con tolerancia incorporada a los ataques activos
- ^ a b Andy Green. Whirlygig GPL Hardware RNG . 2010
- ^ Takahito MIYAZAKI Masanori HASHIMOTO Hidetoshi ONODERA. "Una predicción del rendimiento de los PLL de generación de reloj: un PLL basado en un oscilador de anillo y un PLL basado en un oscilador LC" [ dudoso ] [1]
- ^ EL GENERADOR DE NÚMEROS ALEATORIOS DE INTEL. INVESTIGACIÓN DE CRIPTOGRAFÍA, INC
- ^ Ciencia de Slashdot: "IBM crea un oscilador de anillo en un solo nanotubo"
- ^ Slashdot Hardware: "Primer IC completamente transparente del mundo"
- ^ "Osciladores de anillo para control de variabilidad y ajuste de procesos CMOS" por BHUSHAN Manjul; GATTIKER Anne; COCINA Mark B .; DAS Koushik K.
- ^ "Análisis de un oscilador de anillo basado en sensor térmico en chip" Archivado el 28 de marzo de 2014 en la Wayback Machine.