Ring Oscillator

∎ 前言:

RO (Ring Oscillator) － 對於IC design 工程師是最簡單不過的電路，但對於半導體工程師而言，總有一種似懂非懂的感覺。若以元件的角度，RO是由數個反向器組成，其中反向器為1顆N、1顆 P的架構，使得通過的訊號轉態(1/0 互換)，nx節點上的電容表示MOS的等校電容。

 5階RO

RO 基本起振條件:

1) 奇數階

2) 最後一級輸出拉回到第1階達到自振盪的目的(閉迴路)

假設用2階(偶數) 會發生什麼事情 ? 

輸入為1, n1=0, n2 =1, 最後n2拉回到初使點，因原初始值

即為1，最後將會達到穩態而不起振。  

∎ RO 的工作原理: 

RO 由許多反向器構成，當下圖N1節點為1時，會導致hide side PMOS off，low side NMOS ON，因此N2節點將會經由NMOS對地放電，而整個充電行為上牽涉到R與C，因此會有時間上的延遲(RC delay) ; 接著，N2放電漸至0，當Vg(N2節點)-Vs > |VT| PMOS ON/ NMOS OFF，N3 將對Vdd充電，此時n3所受到的delay時間將會是第一階與第二階加總起來，意即

                                 T=2nTd , T為週期, n為階數, Td為每個反向器的delay

① ② ③ 為N1~N3節點電壓，Io2為充電電流

RO 最常出現在PLL的電路，提供一個固定的頻率當作參考，而基於RO衍生許多的電路設計，如delay cell 作為降頻用及類似於BGR的性質，使RO在環境溫度變動下，依然保有穩定的參考頻率。

若把訊號當水流，RO的行為是...水從源頭流出，經過無數個障礙後(MOS) 它最終會流向大海，而水從從源頭至大海的這段時間，定義為propagation delay。

其代表的意義是路徑上所受到阻礙的大小，理想上越快是越好的，表示MOS 寄生電容效應小。

一般IC design公司常用SPICE MODEL 模擬RO特性，用以評斷Fab優劣或轉廠的可能性。

舉例來說: 下圖Universal curve顯示 A/B 兩間FAB，以RVT元件 FAbB明顯較優異，其速度快、耗電也小，此優勢在APR區域更為明顯，因此RO 看似簡單，其背後意義非常重大，更別說某些公司拿來當作process monitor TSK，其相對於其它device level的TSK而言，有更高的識別度。

∎ RO 對Fab Model Team的意義:

在MOS建模過程中，其寄生電容包括了Cgb、Cgd、Cgs、Cjd 及 Cjs等，這些Model team都會畫對應的Key去做量測，爾後將量測資料用適合的模型去萃取參數值，這樣說有些抽象，例如Cgd 表示Drain overlap poly的電容，在Bsim裡提供cgdl/cgdo等 去描述，因此調整這兩個參數去符合量測值。

在MOS 寄生元件建立完成後，要如何做驗證呢? 
這時RO的功用就來了，如前所述，RO所輸出的是振盪的波形，其振盪頻率與路徑上RC成比例關係，R代表路徑上等效電阻，而C即是MOS 的寄生電容。
因此將寄生效應建立完成的MOS model 兜成RO的Netlist，進而模擬出振盪頻率，不過實際上模擬值與量測值會存在差異，但不會差異太大，透過這行為將能確定MOS建模的正確性。

然後各位一定會想R也會影響速度阿!!!這當然沒錯，因此在RO modelkey的處理上，interconnect部分盡可能用metal 去做跨接、Routing也要講究，使等效電阻是很小的，導致主要會是電容值去主導頻率的快慢，當然若要準確的話，就要考慮po-sim了，這又是另一個主題了!!!

Reference:
http://rt2innocence.net/integrated-circuit/capacitance-in-mosfet/
http://ic-garden.cn/?cat=13