Qué es el oscilador de anillo : Funcionamiento y sus aplicaciones

Un oscilador se utiliza para generar una señal que tiene una frecuencia determinada, y son útiles para sincronizar el proceso de cálculo en los sistemas digitales. Es un circuito electrónico que produce formas de onda continuas sin ninguna señal de entrada. El oscilador convierte una señal de corriente continua en una forma de señal alterna a la frecuencia deseada. Hay varios tipos de osciladores en función de los componentes que se utilizan en los circuitos electrónicos. Los distintos tipos de osciladores son el oscilador de puente de Wien, el oscilador de desplazamiento de fase RC, el oscilador Hartley, el oscilador controlado por tensión, el oscilador Colpitts, el oscilador de anillo, el oscilador Gunn y el oscilador de cristal, etc. Al final de este artículo, sabremos qué es un oscilador de anillo, derivación, diseño, fórmula de frecuencia y aplicaciones.


¿Qué es un oscilador de anillo?

La definición del oscilador en anillo es «un número impar de inversores se conectan en serie con retroalimentación positiva y la salida oscila entre dos niveles de tensión, ya sea 1 o cero, para medir la velocidad del proceso. En lugar de inversores, podemos definirlo también con puertas NOT. Estos osciladores tienen un número «n» impar de inversores. Por ejemplo, si este oscilador tiene 3 inversores, se denomina oscilador en anillo de tres etapas. Si el número de inversores es siete, se trata de un oscilador en anillo de siete etapas. El número de etapas inversoras de este oscilador depende principalmente de la frecuencia que queramos generar con él.

diagrama del anillo oscilante

El diseño del oscilador en anillo puede realizarse con tres inversores. Si el oscilador se emplea con una sola etapa, entonces las oscilaciones y la ganancia no son suficientes. Si el oscilador tiene dos inversores, entonces las oscilaciones y la ganancia del sistema son un poco mayores que las del oscilador en anillo de una sola etapa. Así que este oscilador de tres etapas tiene tres inversores conectados en serie con un sistema de retroalimentación positiva. Así, las oscilaciones y la ganancia del sistema son suficientes. Esta es la razón para elegir el oscilador de tres etapas.

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«El oscilador en anillo utiliza un número impar de inversores para conseguir más ganancia que un único amplificador inversor. El inversor da un retardo a la señal de entrada y si el número de inversores aumenta, la frecuencia del oscilador disminuirá. Así que la frecuencia deseada del oscilador depende del número de etapas inversoras del oscilador»

La fórmula de la frecuencia de oscilación de este oscilador es

frecuencia del oscilador anular
anillo-oscilador-frecuencia

Aquí T = tiempo de retardo para un solo inversor

n = número de inversores en el oscilador

Disposición del oscilador en anillo

Los dos diagramas anteriores muestran el esquema y las formas de onda de salida del oscilador en anillo de 3 etapas. Aquí, el tamaño del PMOS es el doble que el del NMOS. El tamaño del NMOS es de 1,05 y el del PMOS es de 2,1

diseño del oscilador anular
anillo-oscilador-disposición

A partir de estos valores, el periodo de tiempo del oscilador de anillo de tres etapas es de 1,52ns. Por este periodo de tiempo, podemos decir que este oscilador puede producir señales con una frecuencia del orden de 657,8MHz. Para generar una señal inferior a esta frecuencia, debemos añadir más etapas inversoras a este oscilador. De este modo, el retardo aumentará y la frecuencia de funcionamiento disminuirá. Por ejemplo, para generar señales de 100MHz o menores que la frecuencia, hay que añadir 20 etapas inversoras a este oscilador.

oscilador anular -salida2
anillo-oscilador -salida2

La siguiente figura muestra el diseño del oscilador de anillo. Se trata de un oscilador de 71 etapas para producir la señal a frecuencias de 27MHz. Los inversores que se utilizan en este oscilador se conectan mediante el contacto L1M1 y PYL1. Con este contacto se conectan la entrada y las salidas de los inversores. Y el pin Vdd es para la conexión de la fuente.

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diseño del oscilador de anillo-71 etapas
anillo-oscilador-disposición-71-etapas

Oscilador en anillo con transistor

El oscilador en anillo es una combinación de inversores conectados en serie con una conexión de retroalimentación. Y la salida de la etapa final se conecta de nuevo a la etapa inicial del oscilador. Esto también puede hacerse mediante la implementación de transistores. La siguiente figura muestra la implantación del oscilador en anillo con un transistor CMOS.

oscilador-anillo-usando-transistores
anillo-oscilador-usando-transistores
  • Se puede dar entrada a este oscilador a través del pin 6 y el pin 14 conectados a Vdd y el pin 7 conectado a tierra.
  • C1, C2 y C3 son los condensadores que tienen un valor de 0,1uF.
  • Aquí el pin 14, es decir, debe recibir la tensión de alimentación de 3,3V.
  • La salida de este oscilador puede tomarse después del puerto del pin 12.
  • Ajusta el valor de Vdd a los 3,3V y ajusta la frecuencia a 250Hz. Y los condensadores C1, C2 y C3 miden el tiempo de subida y de bajada en cada etapa de salida del inversor. Observa la frecuencia de oscilación.
  • A continuación, conecta la patilla Vdd a 5V y repite el proceso anterior y anota los tiempos de retardo de propagación y la frecuencia de las oscilaciones.
  • Repite el proceso con varios niveles de tensión, entonces podremos entender que si la tensión de alimentación aumenta el retardo de las puertas (tiempo de subida y de bajada) disminuye. Si la tensión de alimentación disminuye, el retardo de las compuertas aumenta.

Fórmula de la frecuencia

Basado en el uso del número de etapas del inversor en frecuencia de los osciladores de anillo puede derivarse mediante la siguiente fórmula. Aquí también es importante el tiempo de retardo de cada inversor. La frecuencia de oscilación estable final de este oscilador es

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Aquí, n indica el número de etapas inversoras utilizadas en este oscilador. T es el tiempo de retardo de cada etapa inversora.

La frecuencia del oscilador depende sólo de las etapas del tiempo de retardo y del número de etapas utilizadas en este oscilador. Por tanto, el tiempo de retardo es el parámetro más importante para encontrar la frecuencia del oscilador.

Aplicaciones

Algunas aplicaciones de este oscilador se discutirán aquí. Son,

  • Se utilizan para medir el efecto de la tensión y la temperatura en un chip integrado.
  • Durante las pruebas de obleas, se prefieren estos osciladores.
  • En los sintetizadores de frecuencia son aplicables estos osciladores.
  • Para la recuperación de datos en las comunicaciones de datos en serie, estos osciladores son útiles.
  • En el bucle de bloqueo de fase (PLL), los VCO pueden diseñarse utilizando este oscilador.

A oscilador de anillo se ha diseñado para generar la frecuencia deseada en cualquier condición. La frecuencia de oscilación depende del número de etapas y del tiempo de retardo de cada etapa del inversor. Y el efecto de la temperatura y la tensión de este oscilador se puede probar en cinco condiciones. En todas las condiciones de prueba diferentes, si la temperatura aumenta, el periodo de tiempo de la salida puede disminuir en comparación con el valor mínimo de la temperatura. Debemos analizar el ruido de fase y el valor de jitter si la temperatura varía.

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