Чому сигнал на XTAL1 і XTAL2 є синусоїдою (не квадратною)?

У мене є основна реалізація з подачею кристалів XTAL1 і XTAL2 на процесор (аналогічно нижче). Коли я дивлюся на сигнал на XTAL1 і XTAL2, вони є синусоїдами.

Чи не повинні вони бути квадратними хвилями?

Ця схема не є цифровою схемою. Насправді це досить математично складна нелінійна аналогова схема з автоматичним регулюванням посилення в режимі самостійкого коливання. Його називають « Пірс-генератором ».

Частота коливань визначається різким нахилом електромеханічного резонатора (кристала), тоді як контроль посилення базується на залежності входу від напруги зміщення постійного струму - якщо зміщення постійного струму (при С1) занадто низьке до заземлення або занадто близький до V _cc , коефіцієнт підсилення низький. Лінійний посилення найвищий десь між землею та силою рейки.

(Зазвичай внутрішній) резистор зсуву R1 відіграє надзвичайно важливу роль в генераторі. Типове значення цього в реалізації CMOS становить близько 1 МОм. Разом із C1 він утворює низькочастотний фільтр, який інтегрує вихідний сигнал та забезпечує змінне зміщення постійного струму залежно від незначної асиметрії вихідного сигналу, навіть якщо висновок переходить до насичення (обмеження рейки).

Як результат, можуть виникати різноманітні форми сигналів з більш-менш нелінійним спотворенням на Xout та Xin, залежно від посилення сировини інвертора та параметрів кристалічного резонатора та навантажувальних конденсаторів. З дуже низьким коефіцієнтом посилення та на межі автоколивань сигнали будуть майже синусоїдальними, тоді як при більшому посиленні вихід буде потрапляти на рейку напруги і може бути майже прямокутним. Мистецтво створення осциляторів Пірса полягає в тому, щоб забезпечити золотий компроміс між прямокутним виходом і синусоїдальним, з хорошою стійкістю всього контуру до перепадів температури та напруги.

У цій статті йдеться про резонатор MEMS, не кварцовий кристал, але ідеї ті ж. Це приклад того, як ланцюг запускається і переходить у стійкий стан:

Кристал (+ С1 / С2) - це дуже вузький резонатор / фільтр пропускної здатності. Через нього може вміститися лише основна частота.

Синусоїда - це єдина чиста частота, тому це синусоїда.

Квадратні хвилі робляться квадратними, всі незвичайні гармоніки заповнюють горб, поки синус не стане квадратним. Без гармоній = Не квадрат

[Зверніть увагу, у кристалів насправді є "гармоніки", які називаються обертонами , але вони трохи відходять від частоти одна від одної, тому гармоніка фундаментальних не дуже впливає на 3-й обертон тощо.]

Інша думка полягає в тому, що кристал схожий на колеса велосипеда, що котиться по дорозі. Інвертор CMOS, що керує ним, схожий на ваші ноги та ноги. Тепер ви могли «колоти» на педалі і спробувати зробити рух квадратною хвилею, якщо хочете. Але педалі просто збираються безперешкодно, тому що ефект маховика настільки великий. Кристал наче величезний маховик плавно і синусоїдально котиться навколо.

Кристал справді схожий на важкий маховик. Якщо ви раптом відключите привід, сигнал піде на тисячі циклів, щоб відмирати. Коли ви включаєте генератор, для запуску потрібно тисячі циклів, повільно нарощуючи амплітуду. Ось чому ваш процесор має "таймер запуску генератора"

Кристал перетворює електричну енергію в механічну енергію і навпаки. Це здатне зробити це ефективно, коли керується синусоїдальною формою хвилі певної частоти. Керуючи ним чим-небудь іншим, це призведе до перетворення більшої частки енергії, що застосовується, в теплову або механічну деградацію.

Хоча процесору можна було б вивести квадратну хвилю до кристала, це призведе до того, що кристал генерує більше тепла і зазнає більшого напруження, ніж керування ним чим-небудь ближчим до синусоїдальної форми хвилі. Крім того, якщо метою штифта служить вихід кристалічного осцилятора, невеликий транзистор, який недостатньо сильний, щоб змусити напругу на штифті миттєво змінитися, може виявитися досить дешевим порівняно з транзистором, який досить потужний, щоб примусово вести квадратну хвилю.

Зауважте, до речі, що в більшості випадків процесор не буде вкладати багато енергії в кристал, а синусоїдальна форма переважає не енергія, що надходить з процесора в кристал, а енергія, яка неодноразово надходить з кристал в прикріплені кришки і назад.

Незважаючи на те, що сигнал є синусоїда, штир має порогову напругу. Нижче цього порогового значення буде значення 0, а вище - значення 1. Це зазвичай є наслідком внутрішньої схеми.

Вищий за поріг штифт буде реєструвати 1. На штирі є діапазон напруг, при якому він може регулярно функціонувати, тому навіть якщо напруга '1' змінюється, скажімо, від 3,31 до 3,35 вольт, під час піку синусоїди , він буде працювати бажаним чином.

Отже, штифт переходить від функціонування як 0 до функціонування як 1, хоча реальна напруга незначно змінюється. Звичайно, занадто велика напруга, і воно почне працювати несподіваними способами, зазвичай пошкоджуючи мікросхему.

Кристал використовується як дуже високий вузькосмуговий фільтр Q з фазовим зсувом на 180 градусів, інвертор змусить його коливатися до насичення квадратної хвилі логічного рівня.

Отже, вхід інвертора - це синусова хвиля в результаті фільтрації всіх гармонік квадратної хвилі.

Ця синусоїда, що має кінцевий і легко обчислюваний нахил, а також деякий рівень шуму у внутрішній схемі, що НЕ квадратує сигнал резонатора, викликають передбачуваний фазовий шум або тремтіння часу.

Використовуйте формулу

T _{тремтіння} = V _шум / SlewRate

передбачити час блукання цього джерела годинника.

Остерігайтеся, що будь-які інші схеми лише ще більше додадуть тремтіння. Використовуйте ту саму формулу.

Припустимо, що в ланцюзі синуса до квадрата є 10 кілометрів Rnoise. Це 12 нановольт / rtHz теплова випадкова щільність / Джонсон / Болтсман, щільність шуму. Якщо пропускна здатність становить 100 МГц, загальна напруга вхідного шуму становить 12 нВ * квт (100 МГц) = 12 нВ * 10 ^ 4 = 120 мікровольтів RMS.

Припустимо, частота кристалів становить 10 МГц з амплітудою синуса піка + -1 вольт. Частота скорочення 1 В * 6,28 * 10 МГц = 63 вольт / мкс.

Що таке тремтіння краю? T _j = V _шум / SlewRate

T _j = 120 мікровольт / (63 вольт / мкс) = 2 пікосекунди.