링 오실레이터

Ring oscillator
크기가 다른 p-type MOSFET를 사용하여 실리콘에서 제작된 링 오실레이터 테스트 구조
출력 주파수가 1/(6×인버터 지연)인 단순 3인버터 링 오실레이터의 개략도.

링 오실레이터는 링에 있는 NOT 게이트의 홀수 수로 구성된 장치로 출력은 두 전압 레벨 사이에서 진동하며 참과 거짓을 나타낸다. NOT 게이트 또는 인버터는 체인에 부착되며 마지막 인버터의 출력은 다시 첫 번째 인버터로 공급된다.

세부 사항

단일 인버터는 입력의 논리적 NOT를 계산하기 때문에 홀수 인버터 수의 체인의 마지막 출력이 첫 번째 입력의 논리적 NOT임을 보여줄 수 있다. 최종 출력은 첫 번째 입력이 주장되고 마지막 출력이 입력에 대한 피드백이 진동을 일으킨 후 한정된 시간이라고 가정한다.

짝수 인버터로 구성된 원형 체인은 링 오실레이터로 사용할 수 없다. 이 경우의 마지막 출력은 입력과 동일하다. 단, 인버터 피드백의 이 구성은 저장 요소로 사용할 수 있으며, 정적 랜덤 액세스 메모리 또는 SRAM의 기본 구성 블록이다.

링 오실레이터의 단계는 종종 외부 장애에 더 면역이 되는 미분 단계들이다. 이 렌더는 또한 비반복적인 단계도 이용할 수 있다. 링 오실레이터는 전체 인버팅 스테이지 수가 홀수일 경우 인버팅 스테이지와 비인버팅 스테이지가 혼합되어 만들어질 수 있다. 오실레이터 기간은 모든 경우에 모든 스테이지의 개별 지연 합계의 2배에 해당한다.

링 오실레이터는 전원만 작동하면 된다. 일반적으로 사용된 MOSFET의 임계 전압보다 훨씬 낮은 특정 전압 이상에서 진동은 자연적으로 시작된다. 진동 빈도를 높이기 위해 일반적으로 두 가지 방법이 사용된다. 첫째, 적은 수의 인버터로부터 고리를 만들면 진동 빈도가 높아져 약 동일한 전력 소비량이 발생한다. 둘째, 공급 전압이 증가할 수 있다. 이 방법을 적용할 수 있는 회로에서는 스테이지 체인을 통한 전파 지연을 줄여 진동 주파수와 소비 전류를 모두 증가시킨다.

작전

.25u CMOS 프로세스에서 지연이 있는 3단계 링 오실레이터의 트랜지스터 레벨 도식. 이 특정 회로는 인버터가 입력이 중간 전압일 때 전력에서 접지까지 큰 전류를 흐르기 때문에 속도 대비 전력 소비량이 높다. 인버터 스위치와 직렬로 전류 제한 장치가 있는 회로는 더 에너지 효율적이다.

링 오실레이터의 작동을 이해하려면 먼저 게이트 지연을 이해해야 한다. 물리적 장치에서는 어떤 게이트도 즉시 전환할 수 없다. 예를 들어 MOSFET로 제조된 장치에서는 전류가 소스와 배수관 사이에서 흐르기 전에 게이트 캐패시턴스를 충전해야 한다. 따라서 링 오실레이터의 모든 인버터의 출력은 입력이 변경된 후 유한한 시간 내에 변화한다. 여기서 체인에 인버터를 더 추가하면 총 게이트 지연이 증가해 진동 주파수가 감소한다는 것을 쉽게 알 수 있다.

링 오실레이터는 시간 지연 오실레이터 클래스의 멤버다. 시간 지연 오실레이터는 앰프 출력과 그 입력 사이에 지연 요소가 있는 인버팅 앰프로 구성된다. 앰프는 의도된 진동 주파수에서 1 이상의 이득이 있어야 한다. 앰프 입력 및 출력 전압이 안정적인 지점에서 순간적으로 균형을 이루는 초기 경우를 고려하십시오. 소량의 노이즈는 앰프 출력을 약간 상승시킬 수 있다. 시간 지연 요소를 통과한 후 이 작은 출력 전압 변화가 앰프 입력에 나타난다. 앰프는 음극 게인이 1보다 크므로 출력은 이 입력 전압과 반대 방향으로 변경된다. 1보다 큰 이득에 대해 입력값보다 큰 금액으로 변경된다. 이 증폭 및 역전 신호는 출력에서 시간 지연을 거쳐 다시 증폭 및 반전되는 입력으로 전파된다. 이 순차 루프의 결과는 증폭기 출력에서 각 사각파의 절반의 주기가 시간 지연과 동일한 사각파 신호다. 사각파는 증폭기 출력 전압이 한계에 도달하여 안정될 때까지 자란다. 좀 더 정확한 분석을 해 보면 초기 잡음에서 자라는 파동이 자라면서 사각형이 아니라 증폭기가 출력 한계에 도달하면 사각형이 된다는 것을 알 수 있을 것이다.

링 오실레이터는 시간 지연 오실레이터의 분산 버전이다. 링 오실레이터는 홀수 개수의 인버터를 사용하여 1개 이상의 이득으로 단일 인버팅 앰프의 효과를 제공한다. 각 인버터는 단일 지연 요소를 가지기보다는 인버터의 링 주변에서 신호 지연에 기여하므로 링 오실레이터라는 이름이 붙는다. 링에 인버터 쌍을 추가하면 총 지연 시간이 증가하여 오실레이터 주파수가 감소한다. 공급 전압을 변경하면 각 인버터를 통한 지연이 변경되며, 일반적으로 전압이 높을수록 지연이 감소하고 오실레이터 주파수가 증가한다. Vratislav는 CMOS 링-오실레이터의 주파수 안정성과 전력 소비 개선의 몇 가지 방법을 설명한다.[1]

t가 단일 인버터의 시간 지연을 나타내고 n이 인버터 체인의 인버터 수를 나타내는 경우, 진동 주파수는 다음과 같이 주어진다.

= [2].

지터

링 오실레이터의 주기는 T+T'로 랜덤하게 변화하며 여기서 T'는 랜덤 값이다. 고품질 회로에서 T'의 범위는 평균 주기 T에 비해 상대적으로 작다. 오실레이터 주기의 이러한 변화를 지터라고 한다.[3]

국소 온도 효과는 링 오실레이터의 기간이 장기 평균 기간 위와 아래로 떠돌게 한다.[4] 국소 실리콘이 차가우면 전파 지연이 약간 짧아져 링 오실레이터가 조금 더 높은 주파수로 가동돼 결국 국소 온도를 높인다. 국소 실리콘이 뜨거울 때는 전파 지연이 약간 길어져 링 오실레이터가 약간 낮은 주파수로 작동하게 되어 결국 국소 온도를 낮춘다. 따라서 실리콘 링 오실레이터의 주파수는 일반적으로 안정적일 것이며, 주변 온도가 일정하고 장치에서 주변 환경으로의 열 전달 요인은 다양하지 않다.

적용들

  • 대부분의 위상 잠금 루프의 전압 제어 오실레이터는 링 오실레이터에서 제작된다.[5]
  • 링 오실레이터 지터는 일반적으로 하드웨어 난수 생성기에 사용된다.[3][4][6]
  • 링 오실레이터는 헬로 월드 프로그램이 새로운 소프트웨어 기술을 시연하는 데 종종 사용되는 방식과 유사하게 새로운 하드웨어 기술을 시연하기 위해 사용되기도 한다.[7][8]
  • 많은 웨이퍼에는 스크리브 라인 테스트 구조의 일부로 링 오실레이터가 포함된다. 그것들은 제조 공정 변동의 영향을 측정하기 위해 웨이퍼 시험 중에 사용된다.[9]
  • 링 오실레이터는 또한 칩에 대한 전압과 온도의 영향을 측정하는 데 사용될 수 있다.[10]

참고 항목

메모들

  1. ^ Vratislav MICHAL. "2012년 CMOS 링 오실레이터의 저전력 설계, 안정성 향상 및 주파수 추정"
  2. ^ 만달, M.K. & Sarkar, B.C."링 오실레이터: 특성 및 응용 프로그램"
  3. ^ a b 능동 공격에 대한 내성이 내장된 안전한 실제 난수 생성기
  4. ^ a b 앤디 그린. 휘리기가 GPL 하드웨어 RNG. 2010
  5. ^ 타카히토 미야자키 마사노리 하시모토 히데토시 오노데라. "클록 생성 PLL의 성능예측 : 링 오실레이터 기반 PLL과 LC 오실레이터 기반 PLL"[dubious – discuss] [1]
  6. ^ 인텔 무작위 번호 생성기. 암호연구, INC
  7. ^ 슬래시닷 사이언스: "IBM, 단일 나노튜브에 링 오실레이터 생성"
  8. ^ Slashdot 하드웨어: "세계 최초로 완전히 투명한 IC"
  9. ^ BHUSHAN Manjul; GATTIKER Anne; KETHEN Mark B.; DAS Koushik K의 "CMOS 프로세스 조정 및 가변성 제어용 링 오실레이터"
  10. ^ "칩형 열센서 기반 링 오실레이터 분석" 웨이백 기계에 2014-03-28 보관