Кольцевой генератор - Ring oscillator

Кольцевые генераторы на кремнии p-типа МОП-транзисторы.
Схема простого кольцевого генератора с 3 инверторами, выходная частота которого составляет 1 / (6-кратная задержка инвертора).

А кольцевой генератор это устройство, состоящее из нечетного числа НЕ ворота в кольцо, выход которого колеблется между двумя уровнями напряжения, представляющими истинный и ложный. Логические элементы НЕ, или инверторы, соединены в цепочку, и выход последнего инвертора возвращается в 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 конечный промежуток времени после подтверждения первого входа, и обратная связь последнего выхода со входом вызывает колебания.

Кольцевая цепь, состоящая из четного числа инверторов, не может использоваться в качестве кольцевого генератора. Последний выход в этом случае совпадает с входом. Однако эту конфигурацию обратной связи инвертора можно использовать в качестве элемента хранения, и это основной строительный блок статическая оперативная память или SRAM.

Стадии кольцевого генератора часто являются дифференциальными, которые более устойчивы к внешним воздействиям. Это делает доступными также неинвертирующие ступени. Кольцевой генератор может состоять из комбинации инвертирующих и неинвертирующих каскадов, при условии, что общее количество инвертирующих каскадов нечетное. Период осциллятора во всех случаях равен удвоенной сумме индивидуальных задержек всех ступеней.

Настоящему кольцевому генератору для работы требуется только питание. При превышении определенного порогового напряжения колебания начинаются самопроизвольно. Для увеличения частоты колебаний обычно используются два метода. Во-первых, создание кольца из меньшего количества инверторов приводит к более высокой частоте колебаний при примерно таком же энергопотреблении. Во-вторых, можно увеличить приложенное напряжение. В схемах, где может быть применен этот метод, он уменьшает задержку распространения через цепочку ступеней, увеличивая как частоту колебаний, так и потребляемый ток. Максимально допустимое напряжение, приложенное к цепям, ограничивает скорость данного генератора.

Операция

Чтобы понять работу кольцевого генератора, нужно сначала понять задержка ворот. В физическом устройстве ни один вентиль не может переключаться мгновенно. В устройстве, изготовленном с МОП-транзисторы, например, ворота емкость должен быть заряжен до Текущий может течь между источником и сливом. Таким образом, выход каждого инвертора в кольцевом генераторе изменяется в течение конечного промежутка времени после изменения входа. Отсюда можно легко увидеть, что добавление дополнительных инверторов в цепь увеличивает общую задержку затвора, уменьшая частоту колебаний.

Схема уровня транзистора трехкаскадного кольцевого генератора с задержкой в ​​процессе КМОП .25u.

Кольцевой генератор относится к классу генераторов с временной задержкой. Генератор с задержкой по времени состоит из инвертирующего усилителя с элементом задержки между выходом усилителя и его входом. Усилитель должен иметь коэффициент усиления больше 1 на заданной частоте колебаний. Рассмотрим начальный случай, когда входное и выходное напряжения усилителя на мгновение уравновешиваются в стабильной точке. Небольшой шум может вызвать небольшое повышение мощности усилителя. После прохождения через элемент временной задержки это небольшое изменение выходного напряжения будет представлено на входе усилителя. Усилитель имеет отрицательное усиление больше 1, поэтому выходной сигнал будет изменяться в направлении, противоположном этому входному напряжению. Он изменится на величину, превышающую входное значение, для усиления больше 1. Этот усиленный и обращенный сигнал распространяется от выхода через временную задержку и обратно на вход, где он усиливается и снова инвертируется. Результатом этого последовательного цикла является прямоугольный сигнал на выходе усилителя с периодом каждой половины прямоугольного сигнала, равным временной задержке. Прямоугольная волна будет нарастать, пока выходное напряжение усилителя не достигнет предела, где оно стабилизируется. Более точный анализ покажет, что волна, которая растет из начального шума, может не быть квадратной по мере роста, но она станет квадратной по мере того, как усилитель достигнет своих пределов выхода.

Кольцевой генератор - это распределенная версия генератора задержки. В кольцевом генераторе используется нечетное количество инверторов, чтобы получить эффект одного инвертирующего усилителя с коэффициентом усиления больше единицы. Вместо того, чтобы иметь один элемент задержки, каждый инвертор способствует задержке сигнала вокруг кольца инверторов, отсюда и название кольцевой генератор. Добавление пар инверторов в кольцо увеличивает общую задержку и тем самым снижает частоту генератора. Изменение напряжения питания изменяет задержку через каждый инвертор, при этом более высокие напряжения обычно уменьшают задержку и увеличивают частоту генератора. Вратислав описывает некоторые методы улучшения частотной стабильности и энергопотребления КМОП кольцевого генератора.[1]

Если «t» представляет собой задержку по времени для одного инвертора, а «n» представляет количество инверторов в цепи инвертора, тогда частота колебаний определяется как

.[2]

Джиттер

Период кольцевого генератора колеблется случайным образом T = T + T ', где T' - случайная величина. В высококачественных схемах диапазон T 'относительно мал по сравнению с T. Это изменение периода генератора называется дрожь.[3]Локальные температурные эффекты заставляют период кольцевого осциллятора блуждать выше и ниже долгосрочного среднего периода.[4]Когда локальный кремний холодный, задержка распространения немного короче, в результате чего кольцевой генератор работает на несколько более высокой частоте, что в конечном итоге повышает локальную температуру. Когда локальный кремний горячий, задержка распространения немного больше, в результате чего кольцевой генератор работает на несколько более низкой частоте, что в конечном итоге снижает локальную температуру. Таким образом, частота кремниевого кольцевого генератора обычно будет стабильной, когда температура окружающей среды постоянна и коэффициенты передачи тепла от устройства к окружающей среде не меняются. Обратите внимание, однако, что электронные материалы, отличные от кремния, могут не иметь такого же положительного отношения между температурой и задержкой распространения; если соотношение отрицательное, частота может быть нестабильной (и даже теоретически возможен тепловой пробой).

Приложения

Смотрите также

Примечания

  1. ^ Вратислав МИХАЛ.«О конструкции с низким энергопотреблением, повышении стабильности и оценке частоты кольцевого генератора CMOS».2012
  2. ^ Мандал, М. И Саркар, Б.«Кольцевые генераторы: характеристики и применение»
  3. ^ а б Надежный генератор истинных случайных чисел со встроенной устойчивостью к активным атакам
  4. ^ а б Энди Грин.Аппаратный ГСЧ Whirlygig GPL.2010.
  5. ^ Такахито МИЯДАКИ Масанори ХАСИМОТО Хидетоши ОНОДЕРА.«Прогнозирование характеристик ФАПЧ с тактовой генерацией: ФАПЧ на основе кольцевого генератора и ФАПЧ на основе LC-генератора»[сомнительный – обсуждать][1]
  6. ^ ГЕНЕРАТОР СЛУЧАЙНЫХ НОМЕРОВ INTEL. CRYPTOGRAPHY RESEARCH, INC.
  7. ^ Slashdot Science: «IBM создает кольцевой осциллятор на одной нанотрубке»
  8. ^ Оборудование Slashdot: «Первая в мире полностью прозрачная ИС»
  9. ^ «Кольцевые генераторы для настройки процесса CMOS и контроля вариабельности» БХУШАН Манджул; ГАТТИКЕР Энн; KETCHEN Mark B .; Д.А.С. Кушик К.
  10. ^ «Анализ работы кольцевого генератора на базе термодатчика на кристалле» В архиве 2014-03-28 в Wayback Machine