مذبذب الحلقة Ring Oscillators

يستخدم المذبذب لتوليد إشارة لها تردد محدد وهي مفيدة لمزامنة عملية الحساب في الأنظمة الرقمية كما إنّها دائرة إلكترونية تنتج أشكال موجية مستمرة بدون أي إشارة إدخال، حيث يقوم المذبذب بتحويل إشارة التيار المستمر إلى شكل إشارة متناوبة بالتردد المطلوب.

ما هو مذبذب الحلقة Ring Oscillators؟

مذبذب الحلقة “Ring Oscillators”: هو عبارة عن جهاز يتكون من عدد فردي من بوابات “NOT” التي يتأرجح خرجها بين مستويين من الجهد ويمثلان صواب وخطأ، وهو عبارة عن دائرة مدروسة بشكل كبير نظراً لاستخدامها الواسع في أنظمة الاتصالات السلكيةواللاسلكية.

بالإضافة إلى ذلك يُعد مذبذب الحلقة “Ring Oscillators” كتلة معتمدة على نطاق واسع في “PLLs” المستخدمة في مجالات “RF” والمعالجات الدقيقة، وسهولة التكامل ونطاق الضبط الكبير والطاقة المنخفضة ومنطقة القالب هي المعلمات التي تمكن من استخدام مذبذب الحلقة في التطبيقات المتعلقة باستعادة البيانات، والمزامنة وتوليف التردد.

• “RF” هي اختصار لـ “Radio-frequency”.

•  “PLL” هي اختصار لـ “Phase-locked loop”.

أساسيات مذبذب الحلقة Ring Oscillators:

تم تصميم المذبذب الحلقي لتوليد التردد المطلوب في أي حالة، كما يعتمد تواتر التذبذب على عدد المراحل ووقت التأخير لكل مرحلة من مراحل العاكس، ويمكن اختبار تأثير درجة الحرارة والجهد لهذا المذبذب في خمسة شروط، وفي جميع ظروف الاختبار المختلفة إذا زادت درجة الحرارة يمكن تقليل الفترة الزمنية للنواتج مقارنة بأقل قيمة لدرجة الحرارة، ويتم الحاجة إلى تحليل ضوضاء المرحلة وقيمة الاهتزاز إذا اختلفت درجة الحرارة.

حتى مع التحسن في الأداء مع تحجيم السيليكون وجد أنّ دوائر “CMOS” الحالية تواجه صعوبات أثناء إدارة متطلبات السرعة والطاقة، كما أنّه عندما يتعلق الأمر بتحليل ونمذجة مذبذب حلقي لا يزال المرء يواجه صعوبات وتحديات مختلفة، ومن الضروري ابتكار طريقة للتحديد الدقيق لتردد التذبذب “fosc” والسعة مع مراعاة هذه الصعوبات، كما يوفر استخدام محاكي التردد تقديراً للـ “fosc” والسعة، ولكن بالنسبة لمواصفات معينة نادراً ما يعرف المصمم التبعية مع معلمات الدائرة والعملية من أجل تحقيق “fosc” الأمثل.

بوابات “NOT” أو العاكسات متصلة في سلسلة، ويتم تغذية ناتج العاكس الأخير في الأول، ونظراً لأنّ العاكس الفردي يحسب المنطقي “NOT” لإدخاله، فيمكن عرض أنّ الناتج الأخير لسلسلة من عدد فردي من البوابة المنطقية “NOT” للإدخال الأول.

كما يتم التأكيد على هذا الناتج النهائي لفترة زمنية محدودة بعد تأكيد الإدخال الأول، وردود الفعل من هذا الناتج الأخير على المدخلات تسبب التذبذب، كما لا يتطلب مذبذب الحلقة الحقيقي سوى الطاقة للتشغيل وفوق جهد عتبة معين تبدأ التذبذبات تلقائياً، ولزيادة وتيرة التذبذب يمكن استخدام طريقتين ويمكن زيادة الجهد المطبق وهذا يزيد من وتيرة التذبذب والطاقة المستهلكة والتي تتبدد كحرارة.

• “CMOS” هي اختصار لـ “Complementary Metal Oxide Semiconductor”.

آلية عمل مذبذب الحلقة Ring Oscillators:

لفهم عمل مذبذب الحلقة يجب على الشخص أولاً فهم تأخر البوابة، وفي الجهاز المادي لا يمكن لأي بوابة التبديل على الفور، وفي جهاز مُصمم بدوائر “MOSFET” على سبيل المثال يجب شحن سعة البوابة قبل أن يتدفق التيار بين المصدر والمخرج.

وبالتالي فإنّ ناتج كل عاكس لمذبذب حلقة يبدل مقداراً معيناً من الوقت بعد تغيير الإدخال، كما يمكن أن تكون إضافة المزيد من المحولات إلى السلسلة يزيد من التأخير الكلي للبوابة، ممّا يقلل من وتيرة التذبذب ويتناسب تردد التبديل عند كل بوابة عكسياً مع كل من عدد البوابات في الحلقة وتأخير البوابة لكل بوابة على حدة.

تتكون دائرة المذبذب من سبع مراحل تأخير وعاكس ناتج، كما يُظهر عاكس العنصر كسب جهد أعلى من “6V” وتأرجح ناتج عريض قريب من “85%” من نطاق التأرجح الكامل، كما يتم تقييم الأداء الديناميكي لمذبذبات الحلقة كدالة لجهد الإمداد وبأطوال بوابة مختلفة، ويتم الحصول على تردد تذبذب أقصى قدره “0.88 ميجاهرتز” لجهد إمداد قدره “50 فولت”، وهو ما يقابل تأخير انتشار أقل من “85 نانوثانية / مرحلة”.

• “MOSFET” هي اختصار لـ “Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor”.

مخطط مذبذب الحلقة Ring Oscillators:

يُظهر المخططان الشكل الموجي التخطيطي والناتج لمذبذب حلقة 3 مراحل، وحجم “PMOS” هو ضعف حجم “NMOS”، وحجم “NMOS” هو “1.05” و”PMOS” هو “2.1”.

من هذه القيم تكون الفترة الزمنية لمذبذب الحلقة ثلاثي المراحل “1.52ns”، وبحلول هذه الفترة الزمنية يمكن للمذبذب إنتاج إشارات بتردد “657.8 ميجاهرتز”، ولتوليد إشارة أقل من هذا التردد يعني أنّه يجب إضافة المزيد من مراحل العاكس إلى هذا المذبذب، ومن خلال هذا سيرتفع التأخير وسينخفض تردد التشغيل فعلى سبيل المثال لتوليد إشارات “100 ميجاهرتز” أو أقل من إشارات التردد يجب زيادة “20 عدداً” من مراحل العاكس إلى هذا المذبذب.

يوضح الشكل تخطيط مذبذب الحلقة، وهذا مذبذب “71 مرحلة” لإنتاج إشارة بترددات “27 ميجا هرتز”، كما يتم توصيل المحولات المستخدمة في هذا المذبذب باستخدام ملامس “L1M1″ و”PYL1″، ومع هذا الاتصال يتم ربط مدخلات ومخرجات المحولات مع بعضهم البعض، و”Vdd pin” معين لأهداف الاتصال بالمصدر.

• “PMOS” هي اختصار لـ ” P-channel metal–oxide–semiconductor”.

• “NMOS” هي اختصار لـ “N-channel metal-oxide semiconductor”.

المذبذب الحلقي باستخدام الترانزستور:

المذبذب الحلقي عبارة عن مجموعة من المحولات المتصلة في شكل تسلسلي مع اتصال تغذية مرتدة ويتم توصيل ناتج المرحلة النهائية مرة أخرى بالمرحلة الأولية للمذبذب، كما يمكن القيام بذلك من خلال تنفيذ الترانزستور أيضاً.

• يمكن إتاحة المدخلات لهذا المذبذب من خلال الدبوس 6 والدبوس 14 المرتبط بـ “Vdd” والدبوس 7 المتصل بالأرض.

• C1 وC2 وC3 هي المكثفات التي لها قيمة “0.1” فائق التوهج.

• دبوس 14 يجب أن يحصل على جهد إمداد 3.3 فولت.

• يمكن أخذ ناتج هذا المذبذب من بعد منفذ 12.

• اضبط قيمة “Vdd” على “3.3 فولت” واضبط التردد على “250 هرتز”، وتقيس المكثفات C1 وC2 وC3 وقت الصعود ووقت الهبوط في كل مرحلة من مراحل ناتج العاكس.

• قم بتوصيل دبوس “Vdd” بـ “5V” وكرر العملية السابقة ولاحظ أوقات تأخير الانتشار وتواتر التذبذبات.

• كرر العملية بعدة مستويات للجهد، حيث إذا زاد جهد الإمداد من تأخير البوابة أي وقت الصعود ووقت السقوط، وإذا انخفض جهد الإمداد فإنّ تأخير البوابات يزيد.

صيغة التردد في المذبذب الحلقي:

بناءً على استخدام عدد مراحل العاكس في تردد مذبذبات الحلقة يمكن اشتقاق الصيغة التالية، كما أنّ تأخير وقت كل عاكس مهم أيضاً، وتردد التذبذب المستقر النهائي لهذا المذبذب هو:

F = 1/ 2Π n

حيث يُشير “n” إلى عدد مراحل العاكس المستعملة في المذبذب، و”T” هو وقت التأخير “Delay” لكل مرحلة من مراحل العاكس، كما يعتمد تردد المذبذب هذا فقط على مراحل وقت التأخير وعدد المراحل المستخدمة في هذا المذبذب، لذا فإنً وقت التأخير هو أهم عامل في إيجاد تردد المذبذب.

تطبيقات مذبذب الحلقة Ring Oscillators:

• تستخدم هذه لقياس تأثير الجهد ودرجة الحرارة على شريحة متكاملة.

• أثناء اختبار الرقاقة، يفضل استخدام هذه المذبذبات.

• هذه المذبذبات قابلة للتطبيق في أجهزة توليف التردد.

• لأغراض استعادة البيانات في اتصالات البيانات التسلسلية تُعد هذه المذبذبات مفيدة.

• في الحلقة المغلقة بالطور “PLL” يمكن تصميم “VCO” باستخدام هذا المذبذب.

ملاحظة:“VCO” هي اختصار لـ “Voltage Controlled Oscillator”.