Dlaczego sygnał na XTAL1 i XTAL2 jest falą sinusoidalną (nie kwadratową)?

Mam podstawową implementację z zasilaniem kryształów XTAL1 i XTAL2 na procesorze (podobnie jak poniżej). Kiedy patrzę na sygnał na XTAL1 i XTAL2, są to fale sinusoidalne.

Czy nie powinny to być fale prostokątne?

Ten obwód nie jest obwodem cyfrowym. W rzeczywistości jest to dość skomplikowany matematycznie nieliniowy obwód analogowy z automatyczną kontrolą wzmocnienia z samowystarczalnym trybem oscylacyjnym. Nazywa się to „ oscylatorem przebijającym ”.

Częstotliwość oscylacji jest określona ostrym nachyleniem elektromechanicznego rezonatora (kryształu), podczas gdy kontrola wzmocnienia opiera się na zależności wejściowej od napięcia polaryzacji prądu stałego - jeśli polaryzacja prądu stałego (w C1) jest zbyt niska do masy lub zbyt blisko V _cc , wzmocnienie jest niskie. Wzmocnienie liniowe jest najwyższe gdzieś pomiędzy ziemią a szyną zasilającą.

(Zwykle wewnętrzny) rezystor polaryzacji R1 odgrywa kluczową rolę w oscylatorze. Typowa wartość tego w implementacjach CMOS wynosi około 1 MOhm. Wraz z C1 tworzy filtr dolnoprzepustowy, który integruje wyjście i zapewnia zmienne przesunięcie prądu stałego w zależności od niewielkiej asymetrii sygnału wyjściowego, nawet jeśli wyjście osiągnie nasycenie (ograniczenie szyny).

W rezultacie mogą występować różne kształty sygnałów z mniej lub bardziej nieliniowymi zniekształceniami na Xout i Xin, w zależności od surowego wzmocnienia falownika i parametrów rezonatora krystalicznego i kondensatorów obciążających. Przy bardzo niskim wzmocnieniu i na granicy samoscylacji sygnały będą prawie sinusoidalne, podczas gdy przy wyższym wzmocnieniu wyjście uderzy w szynę napięcia i może być prawie prostokątne. Sztuka tworzenia oscylatorów Pierce polega na zapewnieniu złotego kompromisu między mocą prostokątną a sinusoidalną, z dobrą stabilnością całego obwodu na zmiany temperatury i napięcia.

Ten artykuł dotyczy rezonatora MEMS, a nie kryształu kwarcu, ale pomysły są takie same. Oto przykład, w jaki sposób obwód zaczyna się i przechodzi do stanu ustalonego:

Kryształ (+ C1 / C2) jest rezonatorem / filtrem o bardzo wąskim paśmie. Zmieści się w nim tylko częstotliwość podstawowa.

Fale sinusoidalne są pojedynczą czystą częstotliwością, więc jest to fala sinusoidalna.

Fale kwadratowe stają się kwadratowe, przez wszystkie dziwne harmoniczne wypełniające garb, aż sinus staje się kwadratowy. Brak harmonicznych = brak kwadratu

[Uwaga: kryształy faktycznie mają „harmoniczne” zwane podtekstami , ale są nieco od siebie rzadsze, więc harmoniczne podstawy nie trafiają do trzeciego podtonu itp.]

Innym poglądem jest to, że kryształ przypomina koła toczącego się po drodze roweru. Inwerter CMOS, który je napędza, przypomina stopy i nogi. Teraz możesz „dźgnąć” pedały i spróbować zrobić ruch kwadratową falą, jeśli chcesz. Ale niezależnie od tego pedały będą krążyć płynnie, ponieważ efekt koła zamachowego jest tak duży. Kryształ jest jak ogromne koło zamachowe płynnie i sinusoidalnie toczące się wokół.

Kryształ naprawdę przypomina ciężkie koło zamachowe. Jeśli nagle odłączysz napęd, wymarcie sygnału zajmie tysiące cykli. Po włączeniu oscylatora uruchomienie zajmuje tysiące cykli, powoli budując amplitudę. Właśnie dlatego twój procesor ma „timer uruchamiania oscylatora”

Kryształ przekształci energię elektryczną w energię mechaniczną i odwrotnie. Jest w stanie to zrobić skutecznie, gdy jest napędzany sinusoidalnym przebiegiem o określonej częstotliwości. Prowadzenie go za pomocą czegokolwiek innego spowoduje przekształcenie większej części zastosowanej energii w ciepło lub degradację mechaniczną.

Chociaż procesor mógłby wysyłać falę kwadratową do kryształu, spowodowałoby to, że kryształ generowałby więcej ciepła i byłby poddawany większym naprężeniom niż napędzanie go czymś bliższym fali sinusoidalnej. Ponadto, jeśli pin ma służyć jako wyjście oscylatora kwarcowego, mały tranzystor, który nie jest wystarczająco silny, aby wymusić natychmiastową zmianę napięcia na pinie, może być dość tani w porównaniu z tranzystorem wystarczająco mocnym, aby siłą napędzaj falę kwadratową.

Nawiasem mówiąc, w większości przypadków procesor nie włoży dużej mocy do kryształu, a sinusoidalny kształt nie jest zdominowany przez energię, która płynie z procesora do kryształu, ale raczej przez energię, która wielokrotnie płynie z kryształ w dołączone nakrętki iz powrotem.

Mimo że sygnał jest falą sinusoidalną, pin ma napięcie progowe. Poniżej tego progu będzie to 0, a powyżej będzie odczytać 1. Jest to zwykle konsekwencja wewnętrznego obwodu.

Powyżej progu, pin zarejestruje 1. Pin ma zakres napięć, w których może regularnie funkcjonować, więc nawet jeśli napięcie „1” zmienia się, powiedzmy od 3,31 do 3,35 woltów, podczas szczytu fali sinusoidalnej , będzie działać w pożądany sposób.

Tak więc pin przechodzi od działania jako 0 do działania jako 1, mimo że rzeczywiste napięcie zmienia się nieznacznie. Oczywiście za duże napięcie i zacznie działać w nieoczekiwany sposób, zwykle uszkadzając układ.

Kryształ jest stosowany jako filtr wąskopasmowy o bardzo wysokim Q z przesunięciem fazowym o 180 stopni, falownik zmusi go do oscylacji do nasycenia fali kwadratowej na poziomie logicznym.

Tak więc wejście falownika jest falą sinusoidalną w wyniku odfiltrowania wszystkich harmonicznych fali prostokątnej.

Ta fala sinusoidalna, mająca skończone i łatwe do obliczenia nachylenie, wraz z pewną podłogą szumową w wewnętrznym obwodzie, która DOZWIADCZA sygnał rezonatora, powoduje przewidywalny szum fazowy lub jitter czasu.

Użyj wzoru

_Jitter T = _szum V / SlewRate

przewidzieć wędrówkę taktowania tego źródła zegara.

Uważaj, że wszelkie inne obwody będą tylko powodować dodatkowe zakłócenia. Użyj tej samej formuły.

Załóżmy, że obwód sinus-kwadrat ma 10 kiloomów Rnoise. Jest to 12 losowych termowoltów / rtHz / gęstość szumów Johnsona / Boltsmanna. Jeżeli szerokość pasma wynosi 100 MHz, całkowite napięcie szumu wejściowego wynosi 12 nV * sqrt (100 MHz) = 12 nV * 10 ^ 4 = 120 mikrowoltów RMS.

Załóżmy, że częstotliwość kryształu wynosi 10 MHz, przy szczytowej amplitudzie sinusoidalnej + -1 V. Szybkość narastania wynosi 1 V * 6,28 * 10 MHz = 63 wolty / µs.

Co to jest fluktuacja krawędzi? T _j = V _szum / SlewRate

T _j = 120 mikrowoltów / (63 V / uS) = 2 pikosekundy.