Розроблення кільцевого генератора для прямого перетворення ємності в частоту в інтерфейсах ємнісних сенсорів

Автор(и)

  • Вадим Сергійович Гула Карпатський національний університет імені Василя Стефаника, Україна https://orcid.org/0009-0007-3336-8644
  • Віталій Мирославович Вінтоняк Карпатський національний університет імені Василя Стефаника, Україна https://orcid.org/0009-0002-1538-1881
  • Володимир Михайлович Грига Карпатський національний університет імені Василя Стефаника, Україна https://orcid.org/0000-0001-5458-525X

DOI:

https://doi.org/10.15587/1729-4061.2026.350507

Ключові слова:

кільцевий генератор, комплементарна структура метал-оксид-напівпровідник, мікроелектромеханічні системи, частота, ємнісний давач

Анотація

Об’єкт дослідження – кільцеві КМОН-генератори як перетворювачі параметрів ємнісних давачів. Проблема: більшість аналітичних моделей припускають симетричне навантаження каскадів, що робить їх неточними для топології, де підключення давача до одного вузла вносить асиметрію. Відсутність перевіреної моделі для 45-нм технології ускладнює проєктування чутливості та енергоефективності. Розроблено та перевірено аналітичну модель яка враховує асиметричне навантаження. Модель базується на принципі сумування затримок асиметричних каскадів та лінійному наближенні затримки інвертора від ємності навантаження. У LTspice виконано параметричний аналіз (ємність давача Csensor від 0 до 2.5 пФ) для верифікації моделі. Встановлено квазілінійну залежність періоду коливань від ємності, тому залежність частоти – гіперболічна. Запропонована модель прогнозує частоту з максимальною відносною похибкою не більше 1.55% у всьому діапазоні моделювання (21.17–29.96 МГц) порівняно з даними SPICE. Проаналізовано ключові метрики: середня чутливість становить 3.52 МГц/пФ, при цьому миттєва чутливість є нелінійною і зменшується з 5.57 до 2.15 МГц/пФ. Споживана потужність незначно зростає (151.3–155.7 мкВт), оскільки ріст ємності компенсується падінням частоти. Енергія на цикл (Ecycle), навпаки, зростає майже лінійно (5.05–7.35 пДж) з коефіцієнтом 0.92 пДж/пФ, що з високою точністю відповідає теоретичному значенню VDD2 = 1.0 пДж/пФ, підтверджуючи домінування динамічного споживання. Запропонована модель дозволяє інженерам точно прогнозувати та проєктувати характеристику перетворення ємності в частоту, чутливість та енергоспоживання компактних інтегрованих сенсорних інтерфейсів

Біографії авторів

Вадим Сергійович Гула, Карпатський національний університет імені Василя Стефаника

Аспірант

Кафедра комп'ютерної інженерії та електроніки

Віталій Мирославович Вінтоняк, Карпатський національний університет імені Василя Стефаника

Аспірант

Кафедра комп'ютерної інженерії та електроніки

Володимир Михайлович Грига, Карпатський національний університет імені Василя Стефаника

Кандидат технічних наук

Кафедра комп'ютерної інженерії та електроніки

Посилання

  1. Abdullah, M. A., Elamien, M. B., Deen, M. J. (2025). A 0.4 V CMOS Current-Controlled Tunable Ring Oscillator for Low-Power IoT and Biomedical Applications. Electronics, 14 (11), 2209. https://doi.org/10.3390/electronics14112209
  2. Qiao, Z., Boom, B. A., Annema, A.-J., Wiegerink, R. J., Nauta, B. (2018). On Frequency-Based Interface Circuits for Capacitive MEMS Accelerometers. Micromachines, 9 (10), 488. https://doi.org/10.3390/mi9100488
  3. Szermer, M., Nazdrowicz, J. (2025). Study on Comb-Drive MEMS Acceleration Sensor Used for Medical Purposes: Monitoring of Balance Disorders. Electronics, 14 (15), 3033. https://doi.org/10.3390/electronics14153033
  4. Lee, H., Woo, J.-K., Kim, S. (2010). CMOS differential-capacitance-to-frequency converter utilising repetitive charge integration and charge conservation. Electronics Letters, 46 (8), 567–569. https://doi.org/10.1049/el.2010.3416
  5. Li, L., Lai, X., Wang, Y., Niu, Z. (2023). High-Power-Efficiency Readout Circuit Employing Average Capacitance-to-Voltage Converter for Micro-Electro-Mechanical System Capacitive Accelerometers. Sensors, 23 (20), 8547. https://doi.org/10.3390/s23208547
  6. Cicalini, M., Piotto, M., Bruschi, P., Dei, M. (2021). Design of a Capacitance-to-Digital Converter Based on Iterative Delay-Chain Discharge in 180 nm CMOS Technology. Sensors, 22 (1), 121. https://doi.org/10.3390/s22010121
  7. Kotyk, M., Dovgyi, V., Kogut, I., Holota, V. (2018). Schematic-Topological Modeling of the SOI CMOS Ring Oscillators for Sensor Microsystems on Chip. Physics and Chemistry of Solid State, 19 (4), 358–362. https://doi.org/10.15330/pcss.19.4.358-362
  8. Arya, R., K. Singh, B. (2023). Ring Oscillator for 60 Meter Bandwidth. Computer Systems Science and Engineering, 46 (1), 93–105. https://doi.org/10.32604/csse.2023.029220
  9. Lee, I., Sylvester, D., Blaauw, D. (2016). A Constant Energy-Per-Cycle Ring Oscillator Over a Wide Frequency Range for Wireless Sensor Nodes. IEEE Journal of Solid-State Circuits, 51 (3), 697–711. https://doi.org/10.1109/jssc.2016.2517133
  10. Takahashi, S., Huang, Y.-M., Sze, J.-J., Wu, T.-T., Guo, F.-S., Hsu, W.-C. et al. (2017). A 45 nm Stacked CMOS Image Sensor Process Technology for Submicron Pixel. Sensors, 17 (12), 2816. https://doi.org/10.3390/s17122816
  11. Wang, L. T.-N. (2010). Design and Measurement of Parameter-Specific Ring Oscillators. EECS Department, University of California, Berkeley. Available at: https://www2.eecs.berkeley.edu/Pubs/TechRpts/2010/EECS-2010-159.html
  12. Novosyadlyj, S., Dzundza, B., Gryga, V., Novosyadlyj, S., Kotyk, M., Mandzyuk, V. (2017). Research into constructive and technological features of epitaxial gallium-arsenide structures formation on silicon substrates. Eastern-European Journal of Enterprise Technologies, 3 (5 (87)), 54–61. https://doi.org/10.15587/1729-4061.2017.104563
  13. Zhu, Z., Liu, S. (2024). Digitalized analog integrated circuits. Fundamental Research, 4 (6), 1415–1430. https://doi.org/10.1016/j.fmre.2023.01.006
  14. Gryga, V., Dzundza, B., Dadiak, I., Nykolaichuk, Y. (2018). Research and implementation of hardware algorithms for multiplying binary numbers. 2018 14th International Conference on Advanced Trends in Radioelecrtronics, Telecommunications and Computer Engineering (TCSET), 1277–1281. https://doi.org/10.1109/tcset.2018.8336427
  15. Aiello, O. (2025). On Standard Cell-Based Design for Dynamic Voltage Comparators and Relaxation Oscillators. Chips, 4 (3), 31. https://doi.org/10.3390/chips4030031
  16. Chen, L., Li, B., Cheng, C. (2025). Arrayable TDC with Voltage-Controlled Ring Oscillator for dToF Image Sensors. Sensors, 25 (15), 4589. https://doi.org/10.3390/s25154589
  17. Mohammad, K., Thomson, D. J. (2017). Differential Ring Oscillator Based Capacitance Sensor for Microfluidic Applications. IEEE Transactions on Biomedical Circuits and Systems, 11 (2), 392–399. https://doi.org/10.1109/tbcas.2016.2616346
  18. Bisdounis, L., Nikolaidis, S., Koufopavlou, O. (1998). Analytical transient response and propagation delay evaluation of the CMOS inverter for short-channel devices. IEEE Journal of Solid-State Circuits, 33 (2), 302–306. https://doi.org/10.1109/4.658636
  19. Adler, V., Friedman, E. G. (1997). Delay and Power Expressions for a CMOS Inverter Driving a Resistive-Capacitive Load. Analog Design Issues in Digital VLSI Circuits and Systems, 29–39. https://doi.org/10.1007/978-1-4615-6101-9_3
  20. Kim, S., Agrawal, V. D., Danaher, J. J. (2015). Verification of the Alpha-Power Law by a CMOS Inverter Chain S. Available at: https://www.semanticscholar.org/paper/Verification-of-the-Alpha-Power-Law-by-a-CMOS-Chain-Kim-Agrawal/7fb16b366fb4a953265175d1edbb4d709f9a8526
  21. Michal, V. (2012). On the low-power design, stability improvement and frequency estimation of the CMOS ring oscillator. Proceedings of 22nd International Conference Radioelektronika 2012. Available at: https://www.researchgate.net/publication/260999799_On_the_Low-power_Design_Stability_Improvement_and_Frequency_Estimation_of_the_CMOS_Ring_Oscillator
  22. Bulk CMOS Models. Available at: https://mec.umn.edu/ptm
  23. Razavi, B. (2019). The Ring Oscillator [A Circuit for All Seasons]. IEEE Solid-State Circuits Magazine, 11 (4), 10–81. https://doi.org/10.1109/mssc.2019.2939771
  24. Ciarpi, G., Monda, D., Mestice, M., Rossi, D., Saponara, S. (2023). Asymmetric 5.5 GHz Three-Stage Voltage-Controlled Ring-Oscillator in 65 nm CMOS Technology. Electronics, 12 (3), 778. https://doi.org/10.3390/electronics12030778
  25. Sakurai, T., Newton, A. R. (1990). Alpha-power law MOSFET model and its applications to CMOS inverter delay and other formulas. IEEE Journal of Solid-State Circuits, 25 (2), 584–594. https://doi.org/10.1109/4.52187
Розроблення кільцевого генератора для прямого перетворення ємності в частоту в інтерфейсах ємнісних сенсорів

##submission.downloads##

Опубліковано

2026-02-27

Як цитувати

Гула, В. С., Вінтоняк, В. М., & Грига, В. М. (2026). Розроблення кільцевого генератора для прямого перетворення ємності в частоту в інтерфейсах ємнісних сенсорів. Eastern-European Journal of Enterprise Technologies, 1(5 (139), 6–13. https://doi.org/10.15587/1729-4061.2026.350507

Номер

Том 1 № 5 (139) (2026): Прикладна фізика

Розділ

Прикладна фізика

Ліцензія

Авторське право (c) 2026 Vadym Hula, Vitalii Vintoniak, Volodymyr Hryha

Creative Commons License

Ця робота ліцензується відповідно до Creative Commons Attribution 4.0 International License.

Закріплення та умови передачі авторських прав (ідентифікація авторства) здійснюється у Ліцензійному договорі. Зокрема, автори залишають за собою право на авторство свого рукопису та передають журналу право першої публікації цієї роботи на умовах ліцензії Creative Commons CC BY. При цьому вони мають право укладати самостійно додаткові угоди, що стосуються неексклюзивного поширення роботи у тому вигляді, в якому вона була опублікована цим журналом, але за умови збереження посилання на першу публікацію статті в цьому журналі.

Ліцензійний договір – це документ, в якому автор гарантує, що володіє усіма авторськими правами на твір (рукопис, статтю, тощо).
Автори, підписуючи Ліцензійний договір з ПП «ТЕХНОЛОГІЧНИЙ ЦЕНТР», мають усі права на подальше використання свого твору за умови посилання на наше видання, в якому твір опублікований. Відповідно до умов Ліцензійного договору, Видавець ПП «ТЕХНОЛОГІЧНИЙ ЦЕНТР» не забирає ваші авторські права та отримує від авторів дозвіл на використання та розповсюдження публікації через світові наукові ресурси (власні електронні ресурси, наукометричні бази даних, репозитарії, бібліотеки тощо).
За відсутності підписаного Ліцензійного договору або за відсутністю вказаних в цьому договорі ідентифікаторів, що дають змогу ідентифікувати особу автора, редакція не має права працювати з рукописом.
Важливо пам’ятати, що існує і інший тип угоди між авторами та видавцями – коли авторські права передаються від авторів до видавця. В такому разі автори втрачають права власності на свій твір та не можуть його використовувати в будь-який спосіб.