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环形振荡器的奥秘：为什么奇数的闸门能创造持续的震荡？
环形振荡器是一种由奇数个反相器组成的装置，其输出在两个电压水平之间震荡，代表真与假。这些反相器以链状相连，最后一个反相器的输出会回馈到第一个反相器。这种配置的特点是，当输入被设置时，电路能在有限的时间内产生变化，而反馈机制则导致了震荡的产生。
单个反相器计算输入的逻辑非，因此在奇数个反相器链条的最后输出是第一个输入的逻辑非。
注明一点，环形振荡器的工作依赖于反相器的数量。使用偶数个反相器构成的圆形链路将不能作为环形振荡器。这是因为在这样的配置中，最后的输出与输入相同。然而，这一组合的反相器反馈可以作为存储元件，成为静态随机存取记忆体（SRAM）的基本构件。震荡器的阶段通常是差分阶段，这些阶段对外部干扰更具免疫力。
增强频率的两种常见方法是：首先，使用较少的反相器来形成环，这会导致较高的震荡频率；其次，提升供电电压。
环形振荡器的运作原理中，理解闸延迟是至关重要的。在实体设备中，没有任何闸可以瞬间切换。举个例子，在用MOSFET制作的设备中，闸的电容必须被充电，电流才能在源与漏极之间流动。因此，环形振荡器中每个反相器的输出在输入变化后会在有限的时间内改变。随着反相器数量的增加，整体闸延迟也随之增加，震荡频率自然会降低。
环形振荡器属于时间延迟振荡器的一类。这类振荡器由一个反相放大器和放大器输出与其输入之间的延迟元件组成。当放大器的增益在计划震荡频率下大于1时，便能产生震荡信号。假设初始情况下，放大器的输入与输出电压在一个稳定点上平衡，此时一点噪声的加入会使得放大器的输出轻微上升，经过延迟元件之后，这一小幅的变化会向放大器的输入呈现。
小的输出电压变化经过时间延迟元件后，再对输入进行放大和反相，最终会形成方波信号。
环形振荡器用偶数个反相器增加整体延迟，从而降低震荡频率，增强供电电压也能改变每个反相器的延迟。在某些电路中，这种方法能降低经过各阶段的延迟，增加震荡频率，同时也消耗较多的电流。至于频率的稳定性和功耗，Vratislav则描述了一些CMOS环形振荡器的改进方法。
环形振荡器的频率可以由公式表示，其中f代表频率，t则是单个反相器的延迟，n则是反相器的数量，公式为：f = 1 / (2tn)。
环形振荡器的频率变化是随机的，叫做抖动（jitter），高品质电路中，抖动的范围相对于平均周期较小。局部温度效应会造成环形振荡器的周期在长期平均周期附近波动。当局部硅晶片较冷时，传播延迟略短，使得环形振荡器的频率略高，随后提升当地温度，反之则降低频率并减少当地的温度。因此，当环境温度恒定时，矽环形振荡器的频率通常会保持稳定。
环形振荡器的抖动常被用于硬体随机数生成器。环形振荡器有时也用来展示新型硬体技术，类似于新软体技术中常用的「Hello World」程序。许多晶圆会在划线测试结构中包含环形振荡器，并在晶圆测试过程中测量制造过程变化的影响。此外，环形振荡器也可用来测量芯片上电压和温度的效应。
这些技术的发展使得环形振荡器成为现代电子系统中不可或缺的组件。您是否好奇，未来的技术创新将如何进一步影响这些基础概念？
