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MOSFET的魔力：環形振盪器如何巧妙利用延遲來生成信號？
在電子技術的領域中，環形振盪器被譽為一種巧妙且有效的信號生成器。這種設備由奇數個NOT閘（或稱為反相器）組成，這些閘以環狀結構排列，從而實現了輸出信號在兩個電壓層級之間的來回波動，代表著布爾邏輯中的真和假的狀態。由於每個反相器都計算其輸入的邏輯NOT，因此在一串奇數反相器的最終輸出可以被理解為第一個輸入的邏輯反結果。
環形振盪器的奧秘在於其延遲時間的運用，這使得信號可以循環不斷生成。
當第一個輸入被確定後，最後的輸出在經過一段有限的時間後得到確認，接著，最後的輸出會反饋到第一個反相器形成一個回路，最終導致振盪的發生。需要注意的是，若反相器的總數為偶數，則無法形成環形振盪器，因為最後的輸出與最初的輸入將會保持一致。
環形振盪器的結構和運作方式不僅在數字電路中十分重要，也在靜態隨機存取記憶體（SRAM）的基本構建塊中發揮著作用。不同的環形振盪器可以根據需要使用反相和非反相的組合，前提是反相器的數量必須為奇數，否則系統將無法正常作動。
在設計上，環形振盪器僅需電源供應即可運作，而在某些特定的電壓下，振盪可以在未達到MOSFET閥值電壓的情況下自發感應開始。此時，環形振盪器的振盪頻率可透過兩種方法進行提高：首先，減少反相器的數量可導致更高的振盪頻率，且功耗保持不變；其次，增加電源電壓可減少穿越每個反相器的延遲，進而提高振盪頻率並增加輸入的電流消耗。
環形振盪器的振盪週期傳達生生不息的信號，隨著反相器推進，時間成為信號生成的重要元素。
對於環形振盪器的運作原理，理解閘延遲的概念是至關重要的。在物理設備中，任何閘的切換都不是瞬時的。以MOSFET製作的裝置為例，閘極的電容必須充電，才能使電流在源與排之間流動。因此，每個反相器的輸出在其輸入改變後都需要一段時間才能發生改變。這種情況意味著，若鏈中的反相器數量增加，則總的閘延遲也隨之增加，從而降低振盪頻率。
這種環形振盪器的原理來自於時間延遲振盪器。該振盪器包含一個反相放大器和一個延遲元件，這兩者之間形成一個閉環。當放大器的輸入和輸出電壓短暫穩定時，任何的微小噪聲就可能導致輸出電壓的輕微上升。經過延遲元件後，這個微小的電壓變化再次傳遞回放大器輸入，因此會進一步放大和反轉。
通過這種序列循環，最終會產生一種方波信號，這也是環形振盪器的神奇之處。
環形振盪器的振盪波形最終將圍繞著放大器的輸出穩定，隨著時間的推移其波形將越發方正。然而，具體的電波形狀會根據放大器的極限而有所改變。
一旦我們進一步分析環形振盪器的運作，可以將其視為一種分散式的時間延遲振盪器。其每個反相器在環狀結構中共同提供了信號延遲的效果，每增加一對反相器，整體的延遲便會相應增加，並導致振盪頻率下降。供電電壓的變化則將影響單個反相器的延遲，隨著電壓的上升，延遲通常會減少，振盪頻率隨之增加。
在環形振盪器的實際應用中，由於其發生的抖動現象，常被利用於硬體隨機數生成器中。環形振盪器也會被用來演示新的硬體技術，與「Hello World」程式對於軟體技術的示範相當相似。在晶圓的測試中，環形振盪器作為llds測試結構的一部分，幫助人們測量製造過程變化對性能的影響。
透過對電子世界中這個小小結構的理解，我們能夠更深入地探討現代電路設計的奧秘，以及這些技術如何影響我們日常生活中使用的設備，那麼，未來的電子技術又將如何進一步演變呢？
