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2025-03-25T19:01:17Z

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[[Datei:Ringoszillatorp.png|mini|Schaltdiagramm eines dreistufigen Ringoszillators aus Invertern]]
Ein '''Ringoszillator''' ist eine elektronische [[Relaxationsoszillator]]-Schaltung für nicht-sinusförmige Signale. Er beruht auf der [[Gatterlaufzeit|Laufzeit]] einer ungeraden Anzahl von invertierenden Verstärker-Bauelementen, die zu einem Ring zusammengeschaltet sind.
Der einfachste Fall ist eine Ringschaltung aus drei [[Nicht-Gatter|Invertern]].
Dieser Oszillator benötigt keine diskreten Blindwiderstandkomponenten wie [[Kondensator (Elektrotechnik)|Kondensatoren]] oder [[Spule (Elektrotechnik)|Spulen]] (vgl. [[Phasenschieber (Elektronik)|Phasenschieber]]) da seine Verzögerung auf Effekten in den Transistoren beruht. Seine Frequenz ist spannungs- und temperaturabhängig. Die Spannungsabhängigkeit ermöglicht seine Nutzung als [[Spannungsgesteuerter Oszillator]], [[Variable Frequency Oscillator]] engl.: VCO. Da die Eigenschaften der Schaltung von den parasitären Eigenschaften der Elemente bestimmt wird, ist sie gut geeignet, um auf diese zurückzuschließen.



== Prinzip ==
[[Datei:RingOszillator.png|mini|Ringoszillator aus drei Bipolartransistoren]]

Eine geschlossene [[Reihenschaltung]] einer ''ungeraden'' Anzahl von [[Nicht-Gatter|Invertern]] hat theoretisch keinen definierten oder erlaubten Zustand, bei einer ''geraden'' Anzahl erhält man hingegen ein [[Flipflop]], welches immer einen stabilen logischen Zustand einnimmt. Berücksichtigt man jedoch die Laufzeit der invertierenden Bauteile, ergibt sich bei ungerader Anzahl ein schwingungsfähiges und [[Selbsterregung|selbst erregendes]] Gebilde.

Im nebenstehenden Schaltbild dienen [[Bipolartransistor]]en in [[Emitterschaltung]] als Inverter für einen Ringoszillator, jede andere größere ungerade Anzahl schwingt ebenfalls. Der vierte Bipolartransistor im Schaltbild dient lediglich als Trennstufe zur Auskopplung des Signals. Diese Schaltung schwingt aufgrund der Sättigung der Bipolartransistoren auch ohne Kondensatoren deutlich langsamer als eine Schaltung aus [[MOSFET]]-Invertern.

Damit die Schaltung überhaupt schwingt, muss ihre Großsignalschleifenverstärkung größer gleich eins sein und die Verzögerung ([[positive Rückkopplung]]) ergeben. Ihre Schwingfrequenz entspricht dann jener Frequenz, bei der die Schleifenverstärkung gleich eins ist. Da die Schaltung im Schaltbetrieb (Großsignal) arbeitet, haben die Transistoren keine konstante Stromverstärkung.
Bei fünf Transistoren sieht die Schwingung rechteckiger aus als bei drei Stufen. Die Signalform ist aber auch abhängig von der genutzten CMOS-Fertigungstechnik ([[Technologieknoten]]) und Versorgungsspannung.<ref name="Sicard">{{Literatur |Autor=Etienne Sicard, Sonia Ben Dhia |Titel=Basics of CMOS cell design |Verlag=McGraw-Hill |Ort=New York |Datum=2007 |ISBN=978-0-07-150906-0 |Seiten=|Kapitel=11. Ring Oscillator}}</ref>

Der Betrag des Phasenunterschieds der Einzelstufen stellt sich bei 3 Stufen zu 360°/3 = 120° ein, d. h., die Frequenz ist genau so groß, dass diese Phasenbeziehung besteht. Für mehr als drei Stufen entsprechend weniger, bis mehr als eine Periode in den Oszillator passt. Aufgrund der Invertierung ist der Phasenunterschied zur Folgestufe das nächstgrößere Vielfache von 120° das größer als 180° ist: 2·120° = +240° = +60° + 180°.
Da +240° = −120° und da aus einem periodischen Signal keine Wirkrichtung ersichtlich ist, erliegt man leicht dem Eindruck, der folgende Inverter würde dem treibenden vorauseilen. Die Verzögerungszeit pro Inverter entspricht den +60°.
:<math>t_{D}=\frac{60^{\circ} \cdot T}{360^{\circ}}=\frac{1}{6 \cdot f}</math>

== Berechnung der Frequenz ==
Wegen der endlichen Verarbeitungsgeschwindigkeit eines Inverters erscheint das Eingangssignal nach der Laufzeit ''t''D am Ausgang. Bei ''n'' gleichartigen Invertern ergibt sich für die Schwingungsdauer<ref>{{Webarchiv |url=http://mikro.ee.tu-berlin.de/lehre/lehre_klar/4.CMOS-Ringoszillator.pdf |text=Ringoszillator: Messung der Verzögerungszeit |wayback=20140328162600}}</ref><ref>{{Literatur |Autor=Harald Hartl |Titel=Elektronische Schaltungstechnik: mit Beispielen in PSpice |Verlag=Pearson Deutschland GmbH |Datum=2008 |ISBN=978-3-8273-7321-2 |Seiten=383 ff.}}</ref>

:<math>T=2n \cdot t_D</math>

und die Frequenz
:<math>f=\frac{1}{T}=\frac{1}{2n \cdot t_D}</math>

Wenn der Ring drei übliche Logikbausteine mit ''t''D ≈ 2 ns verwendet, ist ''f'' ≈ 83 MHz.
Diese Näherungsrechnung ist stark abhängig von der Laufzeit ''t''D, die von anderen Bedingungen wie Temperatur, angelegter Spannung und Last sowie der Flankensteilheit der Signale abhängt.<ref name="Kesel"/><ref name="Wangenheim "/><ref name="Sicard"/>

== Anwendungen ==
[[Datei:Pmos ring oscillator.png|mini|Versuchsaufbau von vier Ringoszillatoren aus p-Typ-[[MOSFET]]s auf einem Siliziumchip. Damit kann der Einfluss der Transistorgröße auf die Frequenz untersucht werden.]]
Angewendet werden Ringoszillatoren in Bereichen, in denen es sich hauptsächlich um die Auswertung eines Frequenzwertes handelt und die Signalform nicht wesentlich ist (anders als bei [[Oszillatorschaltung]]en mit sinusförmigen Signalen).
So werden integrierte Testschaltungen mit Ringoszillatoren gefertigt, um Fertigungsprozesse und Technologien zu bewerten und zu optimieren (Bestimmung der Transitlaufzeiten, der maximalen Schaltfrequenz von [[Logikgatter]]n sowie deren Leistungsaufnahme).<ref name="Kesel">{{Literatur |Autor=Frank Kesel |Titel=FPGA Hardware-Entwurf: Schaltungs- und System-Design mit VHDL und C/C++ |Auflage=4., aktualisierte und überarbeitete |Verlag= |Ort=München |Datum=2018 |ISBN=978-3-11-053145-9 |Seiten=152 ff.}}</ref>
Sie werden aber auch als [[spannungsgesteuerter Oszillator]] (VCO) in [[Phasenregelschleife]]n (PLL) eingesetzt, obwohl die Schwingungsfrequenz nicht exakt festgelegt werden kann.<ref name="Wangenheim ">{{Literatur |Autor=Lutz von Wangenheim |Titel=Analoge Signalverarbeitung: Systemtheorie, Elektronik, Filter, Oszillatoren, Simulationstechnik |Auflage=1. |Verlag=Vieweg + Teubner |Ort=Wiesbaden |Datum=2010 |ISBN=978-3-8348-9383-3 |Seiten=159-160}}</ref>

Darüber hinaus werden Ringoszillatoren als [[Sensor]] eingesetzt, um eine Änderung der [[Kapazitiver Sensor|Kapazität]] in eine Änderung der Frequenz umzusetzen.
Hierzu gehören Sensoren für Beschleunigung<ref>{{Literatur |Autor=Oliver Nehrig |Titel=Entwurf und Realisierung eines Beschleunigungssensorsystems auf der Basis von in Silizium integrierter Mikromechanik für die besonderen Anforderungen bei Schwerlasthandhabungssystemen |TitelErg=Dissertation, Gerhard-Mercator-Universität – Gesamthochschule Duisburg, 2003 |Datum=2003 |URN=nbn:de:hbz:464-duett-04292003-1558018}}</ref>, [[Drucksensor|Druck]], Feuchtigkeit und Temperatur<ref>Basab Datta, Dhruv Kumar: {{Webarchiv |url=http://www-unix.ecs.umass.edu/~dkumar/lab4_658_report/lab4_report.htm |text=''Analysis Of A Ring Oscillator Based On Chip Thermal Sensor In 65nm Technology.'' |wayback=20140328234617}} University Of Massachusetts-Amherst.</ref>.

== Weblinks ==
{{Commonscat|Ring oscillators}}

== Einzelnachweise ==
<references />

[[Kategorie:Digitaltechnik]]
[[Kategorie:Elektrischer Oszillator]]

Ringoszillator - Versionsgeschichte

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