Ringoszillator

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Ein Ringoszillator ist eine elektronische Oszillatorschaltung. Er schwingt selbständig an und benötigt keine externen Komponenten wie Kondensatoren oder Spulen. Dafür kann man den Wert der erzeugten Frequenz nur ungenau vorhersagen.

Schaltdiagramm eines dreistufigen Ringoszillators
Versuchsaufbau von vier Ringoszillatoren aus p-type MOSFETs auf einem Siliziumchip. Damit kann der Einfluss der Transistorgröße auf die Frequenz untersucht werden.
Ringoszillator mit drei Transistoren; alle Widerstände 3300 Ω
Verkürzter Ringoszillator mit Schmitt-Trigger und RC-Verzögerungsglied

Prinzip[Bearbeiten]

Ein Inverter oder Transistor in Emitterschaltung zeigt an seinem Ausgang das Signal des Eingangs, mit umgekehrtem Pegel (Phasenumkehr 180°). Das Gleiche gilt für die Reihenschaltung einer ungeraden Anzahl 2n+1 gekoppelter Invertern; dadurch wird gleichspannungsmäßig der Arbeitspunkt festgelegt (Gegenkopplung). Bei einer geraden Anzahl erhält man ein Flipflop-ähnliches Verhalten mit zwei stabilen Zuständen.

Koppelt man den Ausgang auf den Eingang, schwingt der Schaltkreis, da die Schwingungsbedingung erfüllt ist:

  • Aufgrund einer Phasendrehung jeder Stufe, von 120° in der Nähe der Grenzfrequenz der drei fest eingebauten Inverter (siehe Bild) wird die Gesamt-Phasendrehung von 0° erreicht. Die Stufen verhalten sich hierbei als RC-Tiefpässe.
  • Die Schleifenverstärkung übersteigt bei allen Stufen deutlich den kritischen Wert 1. Deshalb erzeugt dieser stark übersteuerte Oszillator keine sinus- sondern rechteckähnliche Schwingungen.

Im oberen Schaltbild bilden drei Inverter den Oszillator, aber jede andere ungerade Anzahl ist ebenfalls geeignet, die Phasendrehungen der Einzelstufen können dann kleiner ausfallen als 120°. Der vierte dient als Treiber zur Auskopplung des Signals.

Die Schaltung darunter arbeitet mit drei NF-Transistoren, deren innere Kapazität sehr stark vom Betriebsstrom abhängt. Deshalb ändert sich die Frequenz zwischen 0,5 MHz bei UB = 0,5V und etwa 15 MHz bei UB = 5V. Die Schaltung lässt sich als Spannungsgesteuerter Oszillator einsetzen. Ursache für diese relativ tiefe Frequenz ist der Millereffekt.

Die Schleifenverstärkung ist bei drei oder mehr Invertern viel zu groß, es genügt im Prinzip ein einziger Verstärker mit Hysterese (Schmitt-Trigger). Die Laufzeit der beiden eingesparten Verstärker kann durch ein RC-Glied nachgebildet werden, mit dem sich die Frequenz sehr weit absenken lässt.

Berechnung der Frequenz[Bearbeiten]

Wegen der endlichen Verarbeitungsgeschwindigkeit eines Inverters erscheint das Eingangssignal nach der Laufzeit tD am Ausgang. Bei n gleichartigen Invertern ergibt sich für die Schwingungsdauer[1]

T=2n \cdot t_D

und die Frequenz

f=\frac{1}{T}=\frac{1}{2n \cdot t_D}

Wenn der Ring drei übliche Logikbausteine mit tD ≈ 2 ns verwendet, ist f ≈ 83 MHz.

Anwendungen[Bearbeiten]

Aus der Frequenzmessung einer Kette von Invertern kann die Grenzfrequenz eines Elements bestimmt werden. Das wird oft zur Bestimmung der Laufzeit von Signalen in neu entwickelten Logikbausteinen oder der Grenzfrequenzbestimmung von neu entwickelten Transistoren ausgenutzt.

Wesentlich häufiger werden Ringoszillatoren in Sensoren eingesetzt, um ein analoges Signal wie Druck, Feuchtigkeit oder Temperatur in eine dazu (fast) proportionale Frequenz umzusetzen. Grund dafür ist, dass ihre Frequenz sehr stark von der Geschwindigkeit der Signalverarbeitung in den Invertern abhängt. Diese lässt sich bereits durch sehr geringe Variation der Schaltkapazitäten zwischen Ein- und Ausgang eines oder aller Inverter beeinflussen[2]. Dazu wird ein Kapazitiver Sensor parallel zur Kollektor-Emitter-Strecke eines Transistors gelegt.

Da die erzeugte Frequenz stark von der Sperrschichtkapazität abhängt und diese sich mit der Temperatur ändert, werden Ringoszillatoren auch als Thermometer auf Prozessorchips verwendet[3]. Als VCO werden Ringoszillatoren selten verwendet, weil sie zu großes Phasenrauschen aufweisen.

Siehe auch[Bearbeiten]

Weblinks[Bearbeiten]

 Commons: Ring oscillators – Sammlung von Bildern, Videos und Audiodateien

Einzelnachweise[Bearbeiten]

  1. Ringoszillator: Messung der Verzögerungszeit
  2. Beschleunigungssensorsystem (PDF; 7,9 MB)
  3. . ANALYSIS OF A RING OSCILLATOR BASED ON CHIP THERMAL SENSOR IN 65nm TECHNOLOGY