Ringoszillator

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Ein Ringoszillator ist eine elektronische Oszillatorschaltung, die auf der Laufzeit von zu einem Ring zusammengeschalteter Verstärker-Bauelemente beruht.

Der Ringoszillator schwingt selbständig an und benötigt keine Blindwiderstandkomponenten wie Kondensatoren oder Spulen. Seine Frequenz ist spannungs- und temperaturabhängig.

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 aus drei Bipolartransistoren

Prinzip[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Eine geschlossene Reihenschaltung einer ungeraden Anzahl von Invertern hat theoretisch keinen definierten oder erlaubten Zustand, bei einer geraden Anzahl erhält man hingegen ein Flipflop, welches immer einen stabilen logischen Zustand einnimmt. Berücksichtigt man jedoch die Laufzeit der invertierenden Bauteile, ergibt sich bei ungerader Anzahl ein schwingungsfähiges und selbst erregendes Gebilde.

Im nebenstehenden Schaltbild dienen Bipolartransistoren in Emitterschaltung als Inverter für einen Ringoszillator, jede andere größere ungerade Anzahl schwingt ebenfalls. Der vierte Bipolartransistor im Schaltbild dient lediglich als Trennstufe zur Auskopplung des Signals. Diese Schaltung schwingt aufgrund der Sättigung der Bipolartransistoren auch ohne Kondensatoren deutlich langsamer als eine Schaltung aus MOSFETs oder Logikgatter-Invertern.

Damit die Schaltung überhaupt schwingt, muss ihre Schleifenverstärkung größer gleich eins sein. Ihre Schwingfrequenz entspricht dann jener Frequenz, bei der die Schleifenverstärkung gleich eins ist. Da die Schaltung im Schaltbetrieb arbeitet, haben die Transistoren keine konstante Stromverstärkung. Bei fünf Transistoren sieht die Schwingung rechteckiger aus als bei drei Stufen.

Die Phasenverzögerung jeder Einzelstufe stellt sich bei 3 Stufen zu 360°/3 = 120° ein, d. h. die Frequenz ist genau so groß, dass diese Phasenbeziehung besteht. Für mehr als drei Stufen entsprechend weniger, bis mehr als eine Periode in den Oszillator passt. Aufgrund der Invertierung ist der tatsächliche Phasenversatz zwischen den Stufen 240°=60°+180° wegen . Die zwei entspricht zwei Schaltvorgängen pro Periode.

Berechnung der Frequenz[Bearbeiten | Quelltext 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]

und die Frequenz

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

Anwendungen[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Integrierte Testschaltungen mit Ringoszillatoren werden gefertigt um Fertigungsprozesse und Technologien zu bewerten und zu optimieren.

Ringoszillatoren werden in Sensoren eingesetzt, um eine Änderung der Kapazität in eine Änderung der Frequenz umzusetzen. Hierzu gehören Sensoren für Beschleunigung[2], Druck, Feuchtigkeit und Temperatur.

Da die erzeugte Frequenz von der Temperatur abhängt, werden Ringoszillatoren auch als Thermometer auf Prozessorchips eingesetzt.[3]

Siehe auch[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Weblinks[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

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

Einzelnachweise[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

  1. Ringoszillator: Messung der Verzögerungszeit (Memento des Originals vom 28. März 2014 im Internet Archive)  Info: Der Archivlink wurde automatisch eingesetzt und noch nicht geprüft. Bitte prüfe Original- und Archivlink gemäß Anleitung und entferne dann diesen Hinweis.@1@2Vorlage:Webachiv/IABot/mikro.ee.tu-berlin.de
  2. Beschleunigungssensorsystem (PDF; 7,9 MB)
  3. ANALYSIS OF A RING OSCILLATOR BASED ON CHIP THERMAL SENSOR IN 65nm TECHNOLOGY, auf archive.org