XTAL1 ve XTAL2'deki sinyal neden sinüs dalgasıdır (kare değil)?

Bir işlemci (aşağıda benzer) bir kristal besleme XTAL1 ve XTAL2 ile temel bir uygulama var. XTAL1 ve XTAL2 üzerindeki sinyale baktığımda sinüs dalgalarıdır.

Kare dalgalar olmamalı mı?

Bu devre bir dijital devre değildir. Aslında, kendi kendine sürdürülebilir salınım modu ile otomatik kazanç kontrolü ile oldukça matematiksel olarak karmaşık bir doğrusal olmayan analog devredir. Buna " Pierce osilatör " denir .

Salınımların frekansı, elektromekanik rezonatörün (kristal) keskin bir eğimi ile tanımlanırken, kazanım kontrolü, girişin DC bias voltajına bağımlılığına dayanır - eğer DC biası (C1'de) toprağa çok düşük veya çok düşükse V _cc'ye yakın olduğunda kazanç düşüktür. Doğrusal kazanç, toprak ve güç rayı arasında bir yerde en yüksektir.

(Genellikle dahili) bias direnci R1, osilatörde çok önemli bir rol oynar. CMOS uygulamalarında tipik değeri yaklaşık 1 MOhm'dur. C1 ile birlikte, çıkışı doyurana (ray sınırlama) geçse bile, çıkışı entegre eden ve çıkış sinyalinin hafif asimetrisine bağlı olarak değişken bir DC ofseti sağlayan düşük geçişli bir filtre oluşturur.

Sonuç olarak, invertörün ham kazancına ve kristal rezonatör ve yükleme kapasitörlerinin parametrelerine bağlı olarak Xout ve Xin'de az ya da çok doğrusal olmayan bozulmaya sahip çeşitli sinyal şekilleri olabilir. Çok düşük bir kazançla ve kendinden salınımların eşiğindeyken, sinyaller neredeyse sinüzoidal olurken, daha yüksek kazançta çıkış voltaj rayına çarpacak ve neredeyse dikdörtgen olabilir. Pierce osilatörleri yapma sanatı, tüm devrenin sıcaklık ve voltaj değişimlerine karşı iyi bir stabiliteye sahip, dikdörtgen çıkış ve sinüzoidal olan arasında bir miktar altın dengelemesi sağlamaktır.

Bu makale , kuvars kristaliyle değil, bir MEMS rezonatörü ile ilgilidir, ancak fikirler aynıdır. Bu, devrenin nasıl başladığına ve sabit duruma nasıl sürüklendiğine bir örnektir:

Kristal (+ C1 / C2) çok dar bir bant genişliği rezonatörü / filtresidir. Sadece temel frekans buna sığabilir.

Sinüs dalgaları tek bir saf frekanstır, yani sinüs dalgasıdır.

Kare dalgalar kare yapılır. Harmonik Yok = Kare Değil

[Not kristaller aslında tonlar denilen "harmonikler" var , ama onlar birbirlerinden biraz frekans kapalı, bu yüzden temel harmonikler 3. overtone vb oldukça vurmak değildir]

Başka bir görüş, kristalin bir bisikletin yolda yuvarlanan tekerlekleri gibi olmasıdır. Onu süren CMOS invertörü ayaklarınız ve bacaklarınız gibidir. Şimdi pedallara "bıçaklayabilir" ve isterseniz hareketi kare bir dalga haline getirmeye çalışabilirsiniz. Ancak pedallar ne olursa olsun sadece yuvarlak ve yuvarlak olacak, çünkü volan etkisi çok büyük. Kristal, sorunsuz ve sinüzoidal olarak dönen devasa bir volan gibidir.

Kristal gerçekten ağır bir volan gibidir. Sürücünün aniden bağlantısını keserseniz sinyalin ölmesi binlerce döngü sürer. Osilatörü açtığınızda, yavaşça genlik oluşturarak başlamak için binlerce döngü gerekir. Bu nedenle işlemcinizde "osilatör başlatma zamanlayıcısı" bulunur

Bir kristal elektrik enerjisini mekanik enerjiye veya tam tersine dönüştürür. Belirli bir frekanstaki sinüzoidal dalga formu ile sürüldüğünde bunu verimli bir şekilde yapabilir. Başka bir şeyle sürmek, uygulanan enerjinin daha büyük bir kısmının ısıya veya mekanik bozulmaya dönüşmesine neden olacaktır.

Bir işlemcinin kristale kare bir dalga vermesi mümkün olsa da, kristalin sinüzoidal dalga formuna daha yakın bir şeyle sürmekten daha fazla ısı üretmesine ve daha fazla strese maruz kalmasına neden olur. Ayrıca, bir pimin amacı bir kristal osilatörün çıkışı olarak hizmet etmekse, pim üzerindeki voltajı anında değişmeye zorlayacak kadar güçlü olmayan küçük bir transistör, yeterince güçlü bir transistöre kıyasla oldukça ucuz olabilir. zorla kare bir dalga sürün.

Bu arada, çoğu durumda işlemcinin kristale çok fazla güç vermeyeceğini ve sinüzoidal şeklin işlemciden kristale akan enerji tarafından değil, tekrar tekrar akan enerjinin baskın olduğunu unutmayın. kristali bağlı kapaklara ve tekrar geri takın.

Sinyal sinüs dalgası olmasına rağmen, pimin bir eşik voltajı vardır. Bu eşiğin altında 0 ve üstünde 1 olacaktır. Bu genellikle dahili devrenin bir sonucudur.

Eşiğin üzerinde, pim 1 kaydedecektir. Pim, düzenli olarak çalışabileceği bir dizi gerilime sahiptir, bu nedenle sinüs dalgasının zirvesi sırasında '1' voltajı değişse bile, 3.31 ila 3.35 volt arasında değişse bile , istenilen şekilde çalışacaktır.

Böylece, gerçek voltaj biraz değişse bile, pim 0 olarak işlev görmekten 1 olarak işlev görmeye geçer. Tabii ki, çok fazla voltaj ve genellikle çipe zarar vererek beklenmedik şekillerde çalışmaya başlayacaktır.

Kristal, 180 derece faz kayması ile çok yüksek Q dar bant geçiren filtre olarak kullanılır, invertör bir mantık düzeyinde kare dalganın doygunluğuna salınmaya zorlar.

Böylece invertör girişi, kare dalganın tüm harmoniklerini filtrelemenin bir sonucu olarak sinüs dalgasıdır.

Bu sinüs dalgası, iç devre olup, bir gürültü tabanı ile birlikte bir sıvılan ve kolayca hesaplanan eğimi olan YAPAR tahmin edilebilir bir faz gürültüsü veya zaman titreşim neden rezonatör sinyali kadar kare.

Formülü kullanın

T _titreşimi = V _gürültü / SlewRate

bu saat kaynağının zamanlama gezinmesini tahmin etmek.

Diğer devrelerin sadece titreşim ekleyeceğine dikkat edin. Aynı formülü kullanın.

Sinüs-kare devrenizde 10 kohm Rnoise olduğunu varsayalım. Bu 12 nanovolt / rtHz termal rastgele / Johnson / Boltsmann gürültü yoğunluğudur. Bant genişliği 100 MHz ise, toplam giriş gürültü voltajı 12 nV * sqrt (100 MHz) = 12 nV * 10 ^ 4 = 120 mikro volt RMS'dir.

Kristal frekansının + 1 volt pik sinüs genliği ile 10 MHz olduğunu varsayın. Dönüş hızı 1 V * 6,28 * 10 MHz = 63 volt / µs'dir.

Kenar titremesi nedir? T _j = V _gürültü / SlewRate

T _j = 120 mikro volt / (63 volt / µs) = 2 pikosaniye.