링 발진기

섬네일|right|300px|서로 다른 크기의 p형 MOSFET을 사용하여 실리콘에 제작된 링 발진기 테스트 구조.
right|섬네일|300px|출력 주파수가 인 간단한 3단 인버터 링 발진기의 회로도

링 발진기(Ring oscillator)는 인버터(논리 NOT 게이트)의 종속 체인으로 구성된 회로이며, 체인의 끝에 있는 인버터의 출력이 첫 번째 인버터로 다시 공급되어 각 인버터의 출력에서 참과 거짓을 나타내는 두 전압 레벨 사이에서 진동하는 출력을 생성하도록 링 형태로 배열된다.

사용되는 인버터가 버퍼링된 경우 홀수 개의 인버터를 사용할 수 있다. 그러나 사용되는 인버터가 버퍼링되지 않은 경우 최소 3개의 홀수 인버터를 사용해야 한다. (간단히 말해, 이 문서에서는 "홀수 개"라고만 말하며 이 주의사항은 무시할 수 있다.) 이는 자체 루프에 있는 단일 버퍼링되지 않은 인버터의 출력 전압이 입력 전압과 단순히 같아지기 때문이다. 단일 버퍼링되지 않은 인버터가 작동하지 않는 이유에 대한 또 다른 형식적 증명: 단일 버퍼링되지 않은 인버터의 전달 함수 위상이 0°(또는 360°의 정수 배수)를 통과하지 않으므로 바르크하우젠 안정성의 필요 조건을 만족하지 못한다.

 세부 정보 
단일 인버터가 입력의 논리적 NOT을 계산하기 때문에 홀수 개의 인버터 체인의 마지막 출력이 첫 번째 입력의 논리적 NOT임이 입증될 수 있다. 최종 출력은 첫 번째 입력이 주장된 후 유한한 시간 동안 주장되며 마지막 출력이 입력으로 피드백되어 진동을 유발한다.

짝수 개의 인버터로 구성된 원형 체인은 링 발진기로 사용될 수 없다. 이 경우 마지막 출력은 입력과 동일하다. 그러나 이 인버터 피드백 구성은 저장 요소로 사용될 수 있으며 정적 랜덤 액세스 메모리 또는 SRAM의 기본 빌딩 블록이다.

링 발진기의 단계는 종종 외부 방해에 더 강한 차동 단계이다. 이를 통해 비반전 단계도 사용할 수 있다. 링 발진기는 전체 반전 단계 수가 홀수인 경우 반전 및 비반전 단계의 혼합으로 만들 수 있다. 발진기 주기는 모든 경우에 모든 단계의 개별 지연 합계의 두 배와 같다.

링 발진기는 작동하는 데 전원만 필요하다. 특정 전압(일반적으로 사용되는 MOSFET의 문턱 전압보다 훨씬 낮음) 이상에서 진동이 자발적으로 시작된다. 발진 주파수를 높이기 위해 두 가지 방법이 일반적으로 사용된다. 첫째, 더 적은 수의 인버터로 링을 만들면 거의 동일한 전력 소비로 더 높은 발진 주파수를 얻을 수 있다. 둘째, 공급 전압을 높일 수 있다. 이 방법을 적용할 수 있는 회로에서는 단계 체인을 통한 전파 지연을 줄여 발진 주파수와 소비 전류를 모두 증가시킨다.

 작동 
섬네일|right|450px|0.25u CMOS 공정에서 지연이 있는 3단 링 발진기의 트랜지스터 수준 회로도. 이 특정 회로는 인버터의 입력이 중간 전압일 때 전원과 접지 사이에 큰 전류가 흐르므로 속도에 비해 높은 전력 소비를 갖는다. 인버터 스위치와 직렬로 전류 제한 장치가 있는 회로가 더 에너지 효율적이다.

링 발진기의 작동을 이해하려면 먼저 게이트 지연을 이해해야 한다. 물리적 장치에서는 어떤 게이트도 즉시 전환될 수 없다. 예를 들어 MOSFET로 제작된 장치에서는 게이트 커패시턴스가 충전되어야 소스와 드레인 사이에 전류가 흐를 수 있다. 따라서 링 발진기의 모든 인버터 출력은 입력이 변경된 후 유한한 시간 내에 변경된다. 여기서 체인에 더 많은 인버터를 추가하면 총 게이트 지연이 증가하여 발진 주파수가 감소함을 쉽게 알 수 있다.

링 발진기는 시간 지연 발진기 유형에 속한다. 시간 지연 발진기는 증폭기 출력과 입력 사이에 지연 요소가 있는 반전 증폭기로 구성된다. 증폭기는 의도하는 발진 주파수에서 1보다 큰 이득을 가져야 한다. 증폭기 입력 및 출력 전압이 일시적으로 안정된 지점에서 균형을 이루는 초기 경우를 고려해 보자. 약간의 노이즈로 인해 증폭기 출력이 약간 상승할 수 있다. 시간 지연 요소를 통과한 후 이 작은 출력 전압 변화는 증폭기 입력에 제공된다. 증폭기는 1보다 큰 음의 이득을 가지므로 출력은 이 입력 전압과 반대 방향으로 변경된다. 이득이 1보다 크기 때문에 입력 값보다 더 많이 변경될 것이다. 이 증폭되고 반전된 신호는 출력에서 시간 지연을 통해 다시 입력으로 전파되어 다시 증폭되고 반전된다. 이 순차 루프의 결과는 증폭기 출력에서 각 구형파 절반의 주기가 시간 지연과 동일한 구형파 신호이다. 구형파는 증폭기 출력 전압이 한계에 도달할 때까지 증가하며, 그곳에서 안정화된다. 더 정확한 분석은 초기 노이즈에서 성장하는 파형이 성장할 때 구형이 아닐 수 있지만 증폭기가 출력 한계에 도달하면 구형이 될 것임을 보여줄 것이다.

링 발진기는 시간 지연 발진기의 분산 버전이다. 링 발진기는 홀수 개의 인버터를 사용하여 1보다 큰 이득을 가진 단일 반전 증폭기의 효과를 준다. 단일 지연 요소를 갖는 대신 각 인버터는 인버터 링 주위의 신호 지연에 기여하며, 따라서 링 발진기라는 이름이 붙었다. 링에 인버터 쌍을 추가하면 총 지연이 증가하여 발진기 주파수가 감소한다. 공급 전압을 변경하면 각 인버터를 통한 지연이 변경되며, 일반적으로 전압이 높을수록 지연이 감소하고 발진기 주파수가 증가한다. 브라티슬라프(Vratislav)는 CMOS 링 발진기의 주파수 안정성 및 전력 소비 개선 방법에 대해 설명한다.

t가 단일 인버터의 시간 지연을 나타내고 n이 인버터 체인의 인버터 수를 나타낼 때, 발진 주파수는 다음과 같이 주어진다.

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 지터 
링 발진기의 주기는 T+T'로 무작위로 변하며 여기서 T'는 무작위 값이다. 고품질 회로에서는 T'의 범위가 평균 주기 T에 비해 상대적으로 작다. 발진기 주기의 이러한 변화를 지터라고 한다.

국부 온도 효과는 링 발진기의 주기가 장기 평균 주기보다 높거나 낮게 변동하게 한다.
국부 실리콘이 차가우면 전파 지연이 약간 짧아져 링 발진기가 약간 더 높은 주파수에서 작동하게 되며, 이는 결국 국부 온도를 높인다. 국부 실리콘이 뜨거우면 전파 지연이 약간 길어져 링 발진기가 약간 더 낮은 주파수에서 작동하게 되며, 이는 결국 국부 온도를 낮춘다. 따라서 실리콘 링 발진기의 주파수는 주변 온도가 일정하고 장치에서 주변 환경으로의 열 전달 요인이 변하지 않을 때 일반적으로 안정적이다.

 응용 분야 

 링 발진기는 온칩 발진기를 구현하는 한 가지 방법이지만, 어떤 종류의 완화 발진기도 또 다른 인기 있는 구현 방법이다.
 일부 위상동기회로의 전압 제어 발진기는 링 발진기로 만들어진다.
 링 발진기의 지터는 일반적으로 하드웨어 난수 발생기에 사용된다.
 링 발진기는 새로운 소프트웨어 기술을 시연하는 데 헬로 월드 프로그램이 자주 사용되는 방식과 유사하게 새로운 하드웨어 기술을 시연하는 데 사용되기도 한다.
 많은 웨이퍼는 스크라이브 라인 테스트 구조의 일부로 링 발진기를 포함한다. 이는 웨이퍼 테스트 중에 제조 공정 변동의 영향을 측정하는 데 사용된다.
 링 발진기는 칩의 전압 및 온도 영향을 측정하는 데 사용될 수도 있다.

 같이 보기 
 보드 선도
 위상 여유
 링 카운터
 교차 결합 LC 발진기

 각주 

 외부 링크 
 

분류:디지털 회로