リング・オシレータ

リングオシレータの詳細解説

リングオシレータは、電子回路における基本的な発振回路の一種であり、特にデジタル回路で広く利用されています。その名の通り、リング状に接続された遅延要素によって構成されるのが特徴です。この回路は、特定の条件下で自励発振を起こし、周期的な信号を生成します。

基本原理

最も一般的なリングオシレータは、奇数個のNOTゲート（インバータ）を直列に接続し、その出力を最初のゲートの入力に戻すことで構成されます。各インバータは入力信号を反転させる機能と、わずかな遅延時間を持っています。奇数個のインバータを組み合わせることで、信号はリングを一周するごとに反転し、最終的に元の状態と逆の信号が入力に戻ります。この反転が繰り返されることで、回路は継続的に発振します。

なぜ奇数個のインバータが必要なのか？

もし偶数個のインバータを使用すると、最終段の出力は初段の入力と同じになるため、発振は起こりません。この状態は安定しており、回路は発振する代わりに２つの安定状態の間で遷移します。この特性は、SRAM（Static Random Access Memory）の基本素子として利用されています。

リングオシレータのバリエーション

基本構成に加えて、様々な特性を持つリングオシレータが開発されています。

1. 差動アンプを用いたリングオシレータ
- 遅延要素として差動アンプを使用します。差動アンプは高速動作が可能で、電源ノイズにも強いため、高周波回路で広く利用されます。差動アンプは配線の変更だけで反転アンプとしても機能するため、偶数個の差動アンプを用いたリングオシレータも容易に作成できます。

2. ゲート付きリングオシレータ
- インバータリングにNANDゲートやNORゲートを挿入し、発振のOn/Offや位相を制御します。これにより、CDR（クロックデータリカバリ）回路などの応用が可能になります。

3. 電圧制御リングオシレータ（VCO: Voltage Controlled Oscillator）
- 外部からの電圧入力によって発振周波数を制御できるようにしたものです。一般的に、リングを構成するインバータの電源電圧を調整することで遅延時間を変化させます。このタイプのオシレータは、チップ上に大きなインダクタやキャパシタを必要としないため、SoC（System-on-a-Chip）の電圧制御発振器としてよく用いられます。

位相雑音とジッタの問題

発振回路では、発振周波数の変動（位相雑音）や出力波形の時間的な揺らぎ（ジッタ）を最小限に抑える必要があります。リングオシレータは、CR発振回路やLC発振回路のように共振現象を利用した発振回路とは異なり、外部ノイズによって生じた位相ずれを自動的に補償する機能がないため、位相雑音やジッタが大きいという問題があります。

このため、実際の回路ではリングオシレータを単独で用いることは少なく、通常は位相同期回路（PLL: Phase-Locked Loop）などのフィードバック回路と組み合わせて、位相雑音を低減する対策が施されます。

応用

リングオシレータは、そのシンプルさと集積回路への組み込みやすさから、様々な分野で利用されています。

クロック生成：デジタル回路の基準クロックとして、特に低コストの用途で使われます。
センサー：環境変化によって発振周波数が変化することを利用し、温度や圧力などのセンサーに応用されます。
乱数生成：発振のゆらぎを利用して、真の乱数を生成する回路にも使われます。

まとめ

リングオシレータは、基本的な発振回路でありながら、様々な応用が可能な柔軟性を持っています。特に、集積回路での実装が容易であるため、現代のエレクトロニクスには欠かせない要素技術となっています。しかし、位相雑音やジッタの問題に対処するためには、追加の回路設計が必要となる場合があります。

リング・オシレータ