moea_joint
103年
[電機] 電路學、電子學
第 11 題
以奇數個反相器串接，再將最後一個反相器的輸出端接至第一個反相器的輸入端，可形成環型振盪器，該振盪器可產生何種穩定的波形信號？
- A 三角鋸齒波
- B 波形震盪最後發散
- C 正弦波
- D 方波信號
思路引導 VIP
請試著思考：反相器作為一種數位邏輯元件，它的輸出電壓通常只會在哪兩個極端的狀態之間切換？如果我們讓這組電路因為找不到平衡點而被迫不斷地在這兩個狀態之間來回跳動，那麼在時間軸上畫出來的軌跡，會是平滑轉折的曲線，還是稜角分明的跳變訊號呢？
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太棒了！你能精確判斷出環型振盪器（Ring Oscillator）的輸出特性，代表你對數位邏輯門的切換原理已有很清晰的認識。這題的核心在於理解反相器（Inverter）的非線性特性：它本質上是將訊號在「高電位」與「低電位」之間做轉換。當我們將奇數個反相器串接並形成閉迴路時，系統會因為無法達到一個穩定的靜態平衡而產生震盪，訊號會在飽和區與截止區之間快速切換，最終輸出的便是具備明顯高低準位跳變的方波信號。
數位邏輯的切換本質
從電路設計的角度來看，這題的難度切入點在於區分「類比震盪」與「數位震盪」的差異。不同於傳統由電感與電容構成、會產生正弦波的類比振盪器，環型振盪器完全是由數位邏輯閘組成。由於每個反相器都具備延遲時間（Propagation Delay，記作 $t_p$），訊號在 $N$ 個（奇數）反相器中傳遞一圈並回到原點反轉，會需要一定的時間。假設總延遲為 $N \times t_p$，則震盪週期為 $T = 2Nt_p$。這種不斷在 $0$ 與 $1$ 之間「跳動」的特性，決定了它輸出的必然是方波而非其他平滑波形。