인프런 커뮤니티 질문&답변

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링 오실레이터(Ring Oscillator)를 설계할 때 인버터의 개수는 반드시 홀수여야 합니다. 이는 신호가 한 바퀴 순환하면서 위상이 180°씩 누적되어 최종적으로 발진 조건을 만족하기 위함입니다. 이 과정에서 주로 사용하는 인버터는 실제로는 CMOS 구조의 pMOS + nMOS 조합이지만, 설계 문서나 강의에서는 schematic을 단순화하기 위해 기호(symbol) 형태의 인버터 블록으로 표현하는 경우가 많습니다. 이는 회로도의 가독성을 높이고, 전체적인 발진 구조를 직관적으로 이해하기 쉽게 하기 위한 목적입니다. 실제 SPICE나 Cadence Virtuoso 환경에서는 transistor-level로 모델링하여 전압 전달 특성과 Delay, Noise 특성을 분석하게 됩니다.

추가로, 버퍼(Buffer)를 삽입하는 이유도 중요한데 단순히 심볼 표현의 차원만은 아닙니다. 링 오실레이터에서는 각 인버터의 출력이 다음 스테이지를 구동해야 하기 때문에, 구동 능력이 충분하지 않으면 지연(Delay) 편차가 커지고 위상 노이즈가 심해집니다. 따라서, 실제 설계에서는 Output Buffer Stage를 추가하여 로드 용량(C_load)을 안정적으로 드라이브하게 하고, 이를 통해 지터(Jitter) 및 위상 잡음(Phase Noise)을 줄이는 효과를 기대합니다. 예를 들어, 5-stage CMOS Ring Oscillator에서 각 인버터가 10 fF의 부하를 가진다고 가정했을 때, 버퍼를 추가하지 않으면 스위칭 지연이 불균일하게 발생하고 RMS Jitter가 3~5 ps 수준까지 증가할 수 있습니다. 반면, 마지막에 버퍼를 두어 구동력을 보강하면 Jitter를 1 ps 이하로 줄일 수 있습니다.

실무적으로는 버퍼를 삽입함으로써 얻을 수 있는 장점이 두 가지로 정리됩니다. 첫째, 발진 주파수의 안정화입니다. 오실레이터의 주파수는 f ≈ 1 / (2N·t_pd) (N=stage 수, t_pd=단일 인버터 지연)로 근사할 수 있는데, 버퍼가 출력 구동 능력을 일정하게 유지해주면 t_pd의 편차가 줄어 안정된 발진 주파수를 얻을 수 있습니다. 둘째, 노이즈와 지터 개선입니다. 출력 스윙이 rail-to-rail로 충분히 확보되고 edge transition이 빠를수록, 위상 노이즈와 주기 지터가 줄어듭니다.

결론적으로, 강의 자료에서 단순 인버터와 버퍼를 다르게 표기한 것은 schematic 표현상의 단순화 목적이며, 실제 설계에서는 모두 CMOS transistor로 구현됩니다. 다만 버퍼는 단순한 논리 기능만 하는 것이 아니라, 출력 단계에서 신호 품질과 지터 특성을 개선하는 핵심적인 회로 블록이라고 보시면 됩니다.