Cos'è l'oscillatore ad anello: funzionamento e sue applicazioni

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Un oscillatore viene utilizzato per generare un segnale che ha una frequenza specifica, e questi sono utili per sincronizzare il processo di calcolo nei sistemi digitali. È un circuito elettronico che produce forme d'onda continue senza alcun segnale in ingresso. L'oscillatore converte un segnale cc in una forma di segnale alternato alla frequenza desiderata. Esistono vari tipi di oscillatori a seconda dei componenti che vengono utilizzati nei circuiti elettronici. I diversi tipi di oscillatori sono Oscillatore a ponte di Vienna, Oscillatore a sfasamento RC, Oscillatore Hartley , oscillatore controllato in tensione, Oscillatore Colpitts , oscillatore ad anello, oscillatore Gunn e oscillatore a cristallo , ecc. Alla fine di questo articolo, sapremo cos'è l'oscillatore ad anello, derivazione , layout, formula di frequenza e applicazioni.

Cos'è un oscillatore ad anello?

La definizione dell'oscillatore ad anello è 'un numero dispari di inverter è collegato in una forma in serie con feedback positivo e l'uscita oscilla tra due livelli di tensione 1 o zero per misurare la velocità del processo. Al posto degli inverter, possiamo definirlo anche con NOT gates. Questi oscillatori hanno un numero dispari di inverter 'n'. Ad esempio, se questo oscillatore ha 3 inverter quindi è chiamato un oscillatore ad anello a tre stadi. Se il conteggio dell'inverter è sette, allora è un oscillatore ad anello a sette stadi. Il numero di stadi dell'inverter in questo oscillatore dipende principalmente dalla frequenza che vogliamo generare da questo oscillatore.




anello-oscillatore-diagramma

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La progettazione dell'oscillatore ad anello può essere eseguita utilizzando tre inverter. Se l'oscillatore viene utilizzato con un singolo stadio, le oscillazioni e il guadagno non sono sufficienti. Se l'oscillatore ha due inverter, l'oscillazione e il guadagno del sistema sono leggermente maggiori rispetto all'oscillatore ad anello monostadio. Quindi questo oscillatore a tre stadi ha tre inverter collegati in serie con un sistema di feedback positivo. Quindi le oscillazioni e il guadagno del sistema sono sufficienti. Questo è il motivo per scegliere l'oscillatore a tre stadi.



“L'oscillatore ad anello utilizza un numero dispari di inverter per ottenere più guadagno di un singolo amplificatore invertente. L'inverter dà un ritardo al segnale di ingresso e se il numero di inverter aumenta, la frequenza dell'oscillatore verrà ridotta. Quindi la frequenza dell'oscillatore desiderata dipende dal numero di stadi dell'inverter dell'oscillatore '.

La frequenza della formula di oscillazione per questo oscillatore è

anello-oscillatore-frequenza

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Qui T = ritardo per singolo inverter


n = numero di inverter nell'oscillatore

Layout oscillatore ad anello

I due diagrammi sopra mostrano le forme d'onda schematiche e di uscita per l'oscillatore ad anello a 3 stadi. Qui, la dimensione del PMOS è doppia rispetto a quella del NMOS. Il NMOS la dimensione è 1.05 e PMOS è 2.1

anello-oscilatore-layout

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Da questi valori, il periodo di tempo dell'oscillatore ad anello a tre stadi è di 1,52 ns. In questo periodo di tempo, possiamo dire che questo oscillatore può produrre segnali con una gamma di frequenza di 657,8 MHz. Per generare il segnale che è inferiore a questa frequenza significa che dovremmo aggiungere più stadi inverter a questo oscillatore. In questo modo, il ritardo aumenterà e la frequenza operativa diminuirà. Ad esempio, per generare segnali a 100 MHz o inferiori ai segnali di frequenza, è necessario aggiungere 20 stadi inverter a questo oscillatore.

anello-oscillatore -uscita2

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La figura seguente mostra il layout dell'oscillatore ad anello. Questo è un oscillatore a 71 stadi per produrre il segnale a frequenze di 27 MHz. Gli inverter utilizzati in questo oscillatore sono collegati utilizzando il contatto L1M1 e PYL1. Con questo contatto, gli ingressi e le uscite degli inverter sono collegati insieme. E il pin Vdd serve per la connessione della sorgente.

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Oscillatore ad anello con transistor

L'oscillatore ad anello è una combinazione di inverter collegati in serie con una connessione di feedback. E l'uscita dello stadio finale è nuovamente collegata allo stadio iniziale dell'oscillatore. Questo può essere fatto anche attraverso l'implementazione del transistor. La figura seguente mostra l'impianto dell'oscillatore ad anello con a Transistor CMOS .

anello-oscillatore-utilizzando-transistor

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  • L'ingresso può essere fornito a questo oscillatore tramite il pin 6 e il pin 14 collegati a Vdd e il pin 7 collegato a massa.
  • C1, C2 e C3 sono i condensatori con un valore di 0.1uF.
  • Qui il pin 14, vale a dire, dovrebbe ricevere la tensione di alimentazione di 3,3 V.
  • L'uscita di questo oscillatore può essere presa dopo la porta del pin 12.
  • Impostare il valore Vdd su 3,3 V e impostare la frequenza su 250 Hz. Inoltre, i condensatori C1, C2 e C3 misurano il tempo di salita e il tempo di discesa in ogni stadio di uscita dell'inverter. Notare la frequenza di oscillazione.
  • Quindi collegare il pin Vdd a 5V e ripetere il processo di cui sopra e annotare i tempi di ritardo di propagazione e la frequenza delle oscillazioni.
  • Ripetere il processo con diversi livelli di tensione, quindi possiamo capire se la tensione di alimentazione aumenta il ritardo del gate (tempo di salita e tempo di discesa) diminuisce. Se la tensione di alimentazione diminuisce il ritardo dei cancelli aumenta.

Formula di frequenza

Basato sull'utilizzo del numero di stadi dell'inverter in frequenza degli oscillatori ad anello può essere derivato dalla seguente formula. Anche qui è importante il tempo di ritardo di ogni inverter. La frequenza di oscillazione stabile finale di questo oscillatore è,

Qui, n indica il numero di stadi dell'inverter utilizzati in questo oscillatore. T è il tempo di ritardo di ogni stadio dell'inverter.

Questa frequenza dell'oscillatore dipende solo dagli stadi del tempo di ritardo e dal numero di stadi utilizzati in questo oscillatore. Quindi, il tempo di ritardo è il parametro più importante per trovare la frequenza dell'oscillatore.

Applicazioni

Alcune applicazioni di questo oscillatore sarà discusso qui. Sono,

  • Questi sono usati per misurare l'effetto della tensione e della temperatura su un chip integrato .
  • Durante il test del wafer, questi oscillatori sono preferiti.
  • Nei sintetizzatori di frequenza questi oscillatori sono applicabili.
  • Per scopi di recupero dati nelle comunicazioni dati seriali, questi oscillatori sono utili.
  • Nel anello ad aggancio di fase (PLL) i VCO possono essere progettati utilizzando questo oscillatore.

PER oscillatore ad anello è stato progettato per generare la frequenza desiderata in qualsiasi condizione. La frequenza di oscillazione dipende dal numero di stadi e dal tempo di ritardo di ogni stadio dell'inverter. E l'effetto della temperatura e della tensione di questo oscillatore può essere testato in cinque condizioni. In tutte le diverse condizioni di prova se la temperatura aumenta il periodo di tempo dell'uscita può essere diminuito rispetto al valore minimo di temperatura. Dobbiamo analizzare il rumore di fase e il valore del jitter se la temperatura varia.