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環形振盪器的奧秘：為什麼奇數的閘門能創造持續的震盪？
環形振盪器是一種由奇數個反相器組成的裝置，其輸出在兩個電壓水平之間震盪，代表真與假。這些反相器以鏈狀相連，最後一個反相器的輸出會回饋到第一個反相器。這種配置的特點是，當輸入被設置時，電路能在有限的時間內產生變化，而反饋機制則導致了震盪的產生。
單個反相器計算輸入的邏輯非，因此在奇數個反相器鏈條的最後輸出是第一個輸入的邏輯非。
註明一點，環形振盪器的工作依賴於反相器的數量。使用偶數個反相器構成的圓形鏈路將不能作為環形振盪器。這是因為在這樣的配置中，最後的輸出與輸入相同。然而，這一組合的反相器反饋可以作為存儲元件，成為靜態隨機存取記憶體（SRAM）的基本構件。震盪器的階段通常是差分階段，這些階段對外部干擾更具免疫力。
增強頻率的兩種常見方法是：首先，使用較少的反相器來形成環，這會導致較高的震盪頻率；其次，提升供電電壓。
環形振盪器的運作原理中，理解閘延遲是至關重要的。在實體設備中，沒有任何閘可以瞬間切換。舉個例子，在用MOSFET製作的設備中，閘的電容必須被充電，電流才能在源與漏極之間流動。因此，環形振盪器中每個反相器的輸出在輸入變化後會在有限的時間內改變。隨著反相器數量的增加，整體閘延遲也隨之增加，震盪頻率自然會降低。
環形振盪器屬於時間延遲振盪器的一類。這類振盪器由一個反相放大器和放大器輸出與其輸入之間的延遲元件組成。當放大器的增益在計劃震盪頻率下大於1時，便能產生震盪信號。假設初始情況下，放大器的輸入與輸出電壓在一個穩定點上平衡，此時一點噪聲的加入會使得放大器的輸出輕微上升，經過延遲元件之後，這一小幅的變化會向放大器的輸入呈現。
小的輸出電壓變化經過時間延遲元件後，再對輸入進行放大和反相，最終會形成方波信號。
環形振盪器用偶數個反相器增加整體延遲，從而降低震盪頻率，增強供電電壓也能改變每個反相器的延遲。在某些電路中，這種方法能降低經過各階段的延遲，增加震盪頻率，同時也消耗較多的電流。至於頻率的穩定性和功耗，Vratislav則描述了一些CMOS環形振盪器的改進方法。
環形振盪器的頻率可以由公式表示，其中f代表頻率，t則是單個反相器的延遲，n則是反相器的數量，公式為：f = 1 / (2tn)。
環形振盪器的頻率變化是隨機的，叫做抖動（jitter），高品質電路中，抖動的範圍相對於平均周期較小。局部溫度效應會造成環形振盪器的周期在長期平均周期附近波動。當局部硅晶片較冷時，傳播延遲略短，使得環形振盪器的頻率略高，隨後提升當地溫度，反之則降低頻率並減少當地的溫度。因此，當環境溫度恆定時，矽環形振盪器的頻率通常會保持穩定。
環形振盪器的抖動常被用於硬體隨機數生成器。環形振盪器有時也用來展示新型硬體技術，類似於新軟體技術中常用的「Hello World」程序。許多晶圓會在劃線測試結構中包含環形振盪器，並在晶圓測試過程中測量製造過程變化的影響。此外，環形振盪器也可用來測量芯片上電壓和溫度的效應。
這些技術的發展使得環形振盪器成為現代電子系統中不可或缺的組件。您是否好奇，未來的技術創新將如何進一步影響這些基礎概念？
