Halka salınıcı

Halka salınıcı (Ring Oscillator), çıkışı mantık doğru (true) ve yanlış (false) arasında salınan, bir halkadaki tek sayıda DEĞİL (NOT) kapılarından oluşan aygıttır. DEĞİL kapıları veya eviriciler, bir zincire eklenmiştir ve son eviricinin çıkışı ilkinin girişine geri beslenmiş şekildedir.

Ayrıntıları

Tek bir evirici, girişinin mantıksal DEĞİL'ini hesapladığı için, tek sayıda evirici zincirinin son çıkışı, ilk girişin mantıksal DEĞİL'i olarak gösterilebilir. Son çıkış, ilk girişin sürülmesinden sınırlı bir süre sonra sürülür ve son çıktının girişe geri beslemesi salınıma neden olur.

Çift sayıda eviriciden oluşan dairesel bir zincir halka salınıcı olarak kullanılamaz. Bu durumda, son çıkış giriş ile aynıdır. Ancak, bu evirici geri besleme konfigürasyonu bir depolama elemanı olarak kullanılabilir ve bu statik rastgele erişim belleği veya SRAM'ın temel yapı taşıdır.

Halka salınıcının katları genellikle dış bozucu etkilere karşı daha bağışıklığı olan diferansiyel katlardır. Bu, aynı zamanda evirmeyen (tersine çevirmeyen) katları mevcut hale getirir. Bir halka salınıcı, evirici (ters çeviren) katların tek sayı olması koşuluyla, evirici (tersine çeviren) ve evirmeyen (tersine çevirmeyen) katların bir karışımı şeklinde yapılabilir. Salınım periyodu her durumda tüm katların bireysel gecikmelerinin toplamının iki katına eşittir.

Gerçek bir halka salınıcının çalışması yalnızca güç gerektirir. Belli bir eşik voltajının üstünde salınımlar kendiliğinden başlar. Salınım frekansını artırmak için iki yöntem yaygın olarak kullanılır. İlk olarak, uygulanan voltaj artırılabilir. Bu, hem salınımın frekansını hem de tüketilen akımı arttırır. Devrelere uygulanan maksimum izin verilen voltaj, belirli bir salınıcının hızını limitler. İkinci olarak, halkayı daha az sayıda eviriciden yapmak, belirli bir güç tüketimi göz önüne alındığında daha yüksek bir salınım frekansı ile sonuçlanır.

Çalışması

Bir halka salınıcının çalışmasını anlamak için, önce Kapı (Gate) gecikmesini anlamak gerekir. Fiziksel bir cihazda, hiçbir kapı anında anahtarlayamaz. Örneğin; MOSFET'lerle tasarlanan bir cihazda, Kaynak (Source) ve Kanal (Drain) arasında akım akmadan önce, Kapı (Gate) kapasitansı şarj edilmelidir. Böylece, bir halka salınıcıdaki her eviricinin çıkışı, giriş değiştikten sonra sınırlı bir süre değişir. Buradan, zincire daha fazla evirici eklenmesinin, toplam kapı gecikmesini artırarak salınım sıklığını azalttığı kolayca görülebilir.

Gecikmeli üç katlı bir halka salınıcının .25u CMOS işleme teknolojisindeki transistör seviyesi şeması.

Halka salınıcı, zaman gecikmeli salınım üreteci sınıfının bir üyesidir. Zaman gecikmeli bir salınım üreteci, amplifikatör çıkışı ve girişi arasında bir geciktirme elemanına sahip bir evirici amplifikatöründen oluşur. Amplifikatör istenilen salınım frekansında 1'den büyük bir kazanca sahip olmalıdır. Amplifikatör giriş ve çıkış voltajlarının sabit bir noktada anlık olarak dengelendiği ilk durumu değerlendirin. Az miktarda gürültü amplifikatör çıkışının biraz yükselmesine neden olabilir. Zaman geciktirme elemanından geçtikten sonra, bu küçük çıkış voltaj değişimi amplifikatör girişine sunulacaktır. Amplifikatörün 1'den büyük bir negatif kazancı vardır, bu nedenle çıkış bu giriş voltajının tersi yönde değişecektir. Çıkış, 1'den büyük bir kazanç için giriş değerinden daha büyük bir miktarda değişecektir. Bu yükseltilmiş ve tersine çevrilmiş sinyal, çıkıştan zaman gecikmesi boyunca ve tekrar güçlendirildiği ve tersine çevrildiği girişe doğru yayılır. Bu ardışık döngünün sonucu, zaman gecikmesine eşit olan kare dalganın her bir yarısının periyodu ile amplifikatör çıktısında bir kare dalga sinyalidir. Amplifikatör çıkış voltajı, stabilize edeceği sınırlara ulaşana kadar kare dalga büyür. Daha kesin bir analiz, başlangıç gürültüsünden çıkan dalganın büyüdükçe kare olmayabileceğini, ancak amplifikatörün çıkış sınırlarına ulaşmasıyla kare hale geleceğini gösterecektir.

Halka salınıcı, gecikmeli salınım üretecinin dağıtılmış bir versiyonudur. Halka salınıcı, kazancı 1’den fazla olan tek bir eviren amplifikatörün etkisini elde etmek için tek sayıda evirici kullanır. Tek bir geciktirme elemanına sahip olmak yerine, her evirici, evirici halkası etrafındaki sinyalin gecikmesine katkıda bulunur ve dolayısıyla halkası salınıcı ismini alır. Evirici çiftlerini halkaya eklemek toplam gecikmeyi arttırır ve böylece salınım frekansını azaltır. Besleme voltajının değiştirilmesi, her eviricideki gecikmeyi değiştirir, daha yüksek voltajlar genellikle gecikmeyi azaltır ve salınım frekansını arttırır. Vratislav, CMOS halka-salınıcının frekans stabilite ve güç tüketimini geliştiren bazı yöntemleri açıklar.^[1]

Eğer 't' tek bir Evirici için zaman gecikmesini temsil ediyorsa ve 'n' Evirici zincirindeki Evirici sayısını temsil ediyorsa, salınım sıklığı şu formülle ifade edilebilir:

$f={\frac {1}{2*t*n}}$ .^[2]

Seğirme (Jitter)

Halka salınıcının periyodu T = T + T' olacak şekilde rastgele titreşir. Burada T' rassal bir değerdir. Yüksek kaliteli devrelerde, T' aralığı T'ye kıyasla nispeten küçüktür. Salınım periyodundaki bu değişiklik seğirme (jitter) olarak adlandırılır. Lokal sıcaklık etkileri, bir halka salınıcı periyodunun, uzun vadeli ortalama periyodun üstünde ve altında dolaşmasına neden olur. Lokal silikon soğuk olduğunda, yayılma gecikmesi biraz daha kısadır ve halka salınıcının biraz daha yüksek bir frekansta çalışmasına neden olur, bu da sonuçta yerel sıcaklığı yükseltir. Lokal silikon sıcak olduğunda, yayılma gecikmesi biraz daha uzar, bu da halka salınıcının biraz daha düşük bir frekansta çalışmasına neden olur, bu da sonuçta yerel sıcaklığı düşürür.

Uygulamalar

Faz-kilitlemeli döngülerin çoğundaki voltaj kontrollü salınım üreteçleri bir halka salınıcıdan yapılmıştır.^[3]
Halka salınıcı seğirmesi, rassal sayı üreteç donanımlarında yaygın olarak kullanılmaktadır.^[4]^[5]^[6]
Yeni bir yazılım teknolojisini göstermek için sıkça kullanılan “Merhaba Dünya Programı (Hello World Program)"na benzer şekilde yeni bir donanım teknolojisini göstermek için de genellikle bir halka salınıcı kullanılır.^[7]^[8]
Birçok yonga plakası, çizme eğrileri (scribe line) test yapılarının bir parçası olarak bir halka salınıcı içerir. Bunlar, üretim süreci değişikliklerinin etkilerini ölçmek için yonga plakası testi sırasında kullanılırlar.^[9]
Halka salınıcılar, gerilim ve sıcaklığın çip üzerindeki etkilerini ölçmek için de kullanılabilir.^[10]

Ayrıca bakınız

Bode Diyagramı

Notlar

^ Vratislav MICHAL. "On the Low-power Design, Stability Improvement and Frequency Estimation of the CMOS Ring Oscillator" (http://www.postreh.com/vmichal/papers/Stability-CMOS-ring-oscillator.pdf 13 Ekim 2017 tarihinde Wayback Machine sitesinde arşivlendi.). (? 2007 ?)
^ Mandal, M.K. & Sarkar, B.C."Ring oscillators: Characteristics and applications"(http://nopr.niscair.res.in/bitstream/123456789/7244/1/IJPAP%2048%282%29%20136-145.pdf 6 Nisan 2012 tarihinde Wayback Machine sitesinde arşivlendi.)
^ Takahito MIYAZAKI Masanori HASHIMOTO Hidetoshi ONODERA. "A Performance Prediction ofClock Generation PLLs: A Ring Oscillator Based PLL and an LC Oscillator Based PLL" (http://ietele.oxfordjournals.org/cgi/content/abstract/E88-C/3/437 4 Ekim 2006 tarihinde Wayback Machine sitesinde arşivlendi.) [1] (http://search.ieice.org/bin/summary.php?id=e88-c_3_437 6 Şubat 2017 tarihinde Wayback Machine sitesinde arşivlendi.)
^ A Provably Secure True Random Number Generator with Built-in Tolerance to Active Attacks (http://cacr.uwaterloo.ca/~dstinson/papers/rng-IEEE.pdf 4 Mart 2016 tarihinde Wayback Machine sitesinde arşivlendi.)
^ Andy Green. Whirlygig GPL Hardware RNG (http://warmcat.com/_wp/whirlygig-rng/ 15 Ocak 2013 tarihinde Wayback Machine sitesinde arşivlendi.). 2010.
^ THE INTEL RANDOM NUMBER GENERATOR. CRYPTOGRAPHY RESEARCH, INC (http://www.cryptography.com/public/pdf/IntelRNG.pdf 13 Şubat 2015 tarihinde Wayback Machine sitesinde arşivlendi.)
^ Slashdot Science: "IBM Creates Ring Oscillator on a Single Nanotube" (http://science.slashdot.org/article.pl?sid=06/03/24/015207 14 Mart 2020 tarihinde Wayback Machine sitesinde arşivlendi.)
^ Slashdot Hardware: "World's First Completely Transparent IC" (http://hardware.slashdot.org/article.pl?sid=06/03/20/223206 14 Mart 2020 tarihinde Wayback Machine sitesinde arşivlendi.)
^ "Ring oscillators for CMOS process tuning and variability control" (http://cat.inist.fr/?aModele=afficheN&cpsidt=17502322 3 Haziran 2012 tarihinde Wayback Machine sitesinde arşivlendi.) by BHUSHAN Manjul; GATTIKER Anne; KETCHEN Mark B.; DAS Koushik K.
^ "Analysis of a ring oscillator based on-chip thermal sensor" (http://wwwunix.ecs.umass.edu/~dkumar/lab4_658_report/lab4_report.htm^{[ölü/kırık bağlantı]})

[1] Vratislav MICHAL. "On the Low-power Design, Stability Improvement and Frequency Estimation of the CMOS Ring Oscillator" (http://www.postreh.com/vmichal/papers/Stability-CMOS-ring-oscillator.pdf 13 Ekim 2017 tarihinde Wayback Machine sitesinde arşivlendi.). (? 2007 ?)

[2] Mandal, M.K. & Sarkar, B.C."Ring oscillators: Characteristics and applications"(http://nopr.niscair.res.in/bitstream/123456789/7244/1/IJPAP%2048%282%29%20136-145.pdf 6 Nisan 2012 tarihinde Wayback Machine sitesinde arşivlendi.)

[3] Takahito MIYAZAKI Masanori HASHIMOTO Hidetoshi ONODERA. "A Performance Prediction ofClock Generation PLLs: A Ring Oscillator Based PLL and an LC Oscillator Based PLL" (http://ietele.oxfordjournals.org/cgi/content/abstract/E88-C/3/437 4 Ekim 2006 tarihinde Wayback Machine sitesinde arşivlendi.) [1] (http://search.ieice.org/bin/summary.php?id=e88-c_3_437 6 Şubat 2017 tarihinde Wayback Machine sitesinde arşivlendi.)

[4] A Provably Secure True Random Number Generator with Built-in Tolerance to Active Attacks (http://cacr.uwaterloo.ca/~dstinson/papers/rng-IEEE.pdf 4 Mart 2016 tarihinde Wayback Machine sitesinde arşivlendi.)

[5] Andy Green. Whirlygig GPL Hardware RNG (http://warmcat.com/_wp/whirlygig-rng/ 15 Ocak 2013 tarihinde Wayback Machine sitesinde arşivlendi.). 2010.

[6] THE INTEL RANDOM NUMBER GENERATOR. CRYPTOGRAPHY RESEARCH, INC (http://www.cryptography.com/public/pdf/IntelRNG.pdf 13 Şubat 2015 tarihinde Wayback Machine sitesinde arşivlendi.)

[7] Slashdot Science: "IBM Creates Ring Oscillator on a Single Nanotube" (http://science.slashdot.org/article.pl?sid=06/03/24/015207 14 Mart 2020 tarihinde Wayback Machine sitesinde arşivlendi.)

[8] Slashdot Hardware: "World's First Completely Transparent IC" (http://hardware.slashdot.org/article.pl?sid=06/03/20/223206 14 Mart 2020 tarihinde Wayback Machine sitesinde arşivlendi.)

[9] "Ring oscillators for CMOS process tuning and variability control" (http://cat.inist.fr/?aModele=afficheN&cpsidt=17502322 3 Haziran 2012 tarihinde Wayback Machine sitesinde arşivlendi.) by BHUSHAN Manjul; GATTIKER Anne; KETCHEN Mark B.; DAS Koushik K.

[10] "Analysis of a ring oscillator based on-chip thermal sensor" (http://wwwunix.ecs.umass.edu/~dkumar/lab4_658_report/lab4_report.htm^{[ölü/kırık bağlantı]})

[1]

[2]

[3]

[4]

[5]

[6]

[7]

[8]

[9]

[10]