ทำไมสัญญาณบน XTAL1 และ XTAL2 เป็นคลื่นไซน์ (ไม่ใช่กำลังสอง)

ฉันมีการนำไปใช้งานเบื้องต้นด้วยการให้คริสตัล XTAL1 และ XTAL2 บนโปรเซสเซอร์ (คล้ายกับด้านล่าง) เมื่อฉันดูสัญญาณบน XTAL1 และ XTAL2 พวกมันเป็นคลื่นไซน์

พวกเขาไม่ควรเป็นคลื่นสี่เหลี่ยมหรือ

วงจรนี้ไม่ใช่วงจรดิจิตอล ในความเป็นจริงมันเป็นวงจรอนาล็อกแบบไม่เชิงเส้นที่ค่อนข้างซับซ้อนเชิงคณิตศาสตร์ที่มีการควบคุมอัตราขยายอัตโนมัติพร้อมโหมดการสั่นแบบยั่งยืนด้วยตนเอง มันถูกเรียกว่า " Pierce oscillator "

ความถี่ของการแกว่งถูกกำหนดโดยความชันที่คมชัดของ resonator ระบบเครื่องกลไฟฟ้า (คริสตัล) ในขณะที่การควบคุมอัตราขยายจะขึ้นอยู่กับการป้อนข้อมูลของแรงดันไบอัส DC ถ้าอคติ DC (ที่ C1) ต่ำเกินไปหรือไม่เกินไป ใกล้กับ V _cc , อัตราขยายต่ำ อัตราขยายเชิงเส้นสูงที่สุดในพื้นที่ระหว่างรางรถไฟกับรางไฟฟ้า

ตัวต้านทานไบอัส (ปกติภายใน) R1 มีบทบาทสำคัญอย่างยิ่งในออสซิลเลเตอร์ ค่าทั่วไปของมันในการใช้งานแบบ CMOS คือประมาณ 1 MOhm เมื่อรวมกับ C1 จะสร้างตัวกรอง low-pass ซึ่งรวมเอาท์พุทและให้การชดเชย DC แบบแปรผันขึ้นอยู่กับความไม่สมดุลของสัญญาณเอาท์พุทเล็กน้อยแม้ว่าเอาต์พุตจะมีความอิ่มตัว (การ จำกัด ราง)

ผลที่ได้อาจมีความหลากหลายของสัญญาณรูปร่างที่มีความผิดเพี้ยนไม่เชิงเส้นมากขึ้นหรือน้อยลงบน Xout และ Xin ขึ้นอยู่กับอัตราขยายตัวดิบและพารามิเตอร์ของอินเวอร์เตอร์คริสตัลและตัวเก็บประจุโหลด ด้วยอัตราขยายที่ต่ำมากและเมื่อใกล้ถึงระดับการแกว่งตัวเองสัญญาณจะเกือบเป็นแบบไซน์ขณะที่อัตราขยายที่สูงกว่าสัญญาณจะถูกส่งไปยังรางแรงดันไฟฟ้าและสามารถเป็นสี่เหลี่ยมได้เกือบ ศิลปะในการทำ Pierce oscillators คือการแลกเปลี่ยนทองคำระหว่างสี่เหลี่ยมออกและไซน์ด้วยความเสถียรที่ดีของวงจรทั้งอุณหภูมิและแรงดันไฟฟ้า

บทความนี้เกี่ยวข้องกับแร่ MEMS ไม่ใช่คริสตัลควอตซ์ แต่ความคิดเหมือนกัน นี่คือตัวอย่างของวิธีการที่วงจรเริ่มต้นและลอยไปสู่สถานะคงที่:

Crystal (+ C1 / C2) เป็นresonator / ตัวกรองแบนด์วิดธ์ที่แคบมาก เฉพาะความถี่พื้นฐานเท่านั้นที่สามารถผ่านได้

คลื่นไซน์เป็นคลื่นความถี่บริสุทธิ์เดียวดังนั้นจึงเป็นคลื่นไซน์

คลื่นสี่เหลี่ยมทำขึ้นเป็นรูปสี่เหลี่ยมโดยเสียงประสานที่แปลกประหลาดเต็มไปหมดหลังโคกจนไซน์กลายเป็นรูปสี่เหลี่ยมจัตุรัส ฮาร์โมนิก = ไม่สแควร์

[ความจริงแล้วคริสตัลโน้ตมี "ฮาร์มอนิกส์" เรียกว่าหวือหวาแต่มันมีความแตกต่างกันเล็กน้อยดังนั้นฮาร์โมนิกของพื้นฐานจึงไม่ชนกับเสียงโอเวอร์ที่ 3 เป็นต้น]

อีกมุมมองหนึ่งคือคริสตัลเป็นเหมือนล้อของจักรยานที่กลิ้งไปตามถนน CMOS invertor ขับมันเหมือนเท้าและขาของคุณ ทีนี้คุณสามารถ "แทง" ที่คันเหยียบและพยายามทำให้การเคลื่อนไหวเป็นคลื่นสี่เหลี่ยมถ้าคุณต้องการ แต่คันเหยียบนั้นจะวนไปมาได้อย่างราบรื่นโดยไม่คำนึงถึงเพราะเอฟเฟกต์ล้อจะมีขนาดใหญ่มาก คริสตัลเป็นเหมือนมู่เล่ขนาดใหญ่ที่ราบรื่นและหมุนวนโดยรอบ

คริสตัลเหมือนดุมล้อหนักจริงๆ หากคุณตัดการเชื่อมต่อไดรฟ์ทันทีสัญญาณจะใช้เวลาหลายพันรอบในการตาย เมื่อคุณเปิด oscillator จะต้องใช้เวลาหลายพันรอบในการเริ่มต้นสร้างแอมพลิจูดอย่างช้าๆ นี่คือเหตุผลที่โปรเซสเซอร์ของคุณมี "ตัวจับเวลาการเริ่มต้น oscillator"

คริสตัลจะแปลงพลังงานไฟฟ้าเป็นพลังงานกลและในทางกลับกัน มันสามารถทำสิ่งนี้ได้อย่างมีประสิทธิภาพเมื่อขับด้วยรูปคลื่นไซน์ของความถี่เฉพาะ การขับขี่ด้วยสิ่งใดก็ตามจะส่งผลให้แปลงพลังงานที่ใช้ไปเป็นความร้อนหรือการย่อยสลายทางกล

ในขณะที่หน่วยประมวลผลกลางสามารถส่งออกคลื่นสี่เหลี่ยมไปยังคริสตัลได้ซึ่งจะส่งผลให้คริสตัลเกิดความร้อนและมีความเครียดมากกว่าการขับรถด้วยบางสิ่งที่ใกล้กับรูปคลื่นไซน์ นอกจากนี้หากจุดประสงค์ของพินคือทำหน้าที่เป็นเอาต์พุตของออสซิลเลเตอร์คริสตัลซึ่งเป็นทรานซิสเตอร์ขนาดเล็กที่ไม่แรงพอที่จะบังคับให้แรงดันไฟฟ้าบนพินเปลี่ยนไปในทันทีอาจจะค่อนข้างถูกเมื่อเทียบกับทรานซิสเตอร์ที่ทรงพลังพอ บังคับให้ขับคลื่นสี่เหลี่ยม

โปรดทราบว่าในกรณีส่วนใหญ่โปรเซสเซอร์จะไม่ใช้พลังงานมากในคริสตัลและรูปทรงไซน์ไม่ได้ถูกครอบงำโดยพลังงานที่ไหลจากโปรเซสเซอร์ไปยังคริสตัล แต่โดยพลังงานที่ไหลมาจากซ้ำ ๆ คริสตัลลงในแคปที่แนบมาและกลับมาอีกครั้ง

แม้ว่าสัญญาณจะเป็นคลื่นไซน์ แต่พินก็มีแรงดันไฟฟ้าที่ใช้เป็นเกณฑ์ ต่ำกว่าขีด จำกัด นี้มันจะเป็น 0 และเหนือมันจะอ่าน 1 นี่เป็นผลมาจากวงจรภายใน

สูงกว่าขีด จำกัด พินจะลงทะเบียน 1 พินมีช่วงแรงดันไฟฟ้าที่สามารถทำงานได้อย่างสม่ำเสมอดังนั้นแม้ว่าแรงดันไฟฟ้าของการเปลี่ยนแปลง '1' จะพูดจาก 3.31 ถึง 3.35 โวลต์ในช่วงที่คลื่นไซน์สูงสุด มันจะทำงานในวิธีที่ต้องการ

ดังนั้นพินจะไปจากการทำงานเป็น 0 ถึงการทำงานเป็น 1 แม้ว่าแรงดันไฟฟ้าที่แท้จริงจะแตกต่างกันเล็กน้อย แน่นอนว่าแรงดันไฟฟ้ามากเกินไปและจะเริ่มทำงานในรูปแบบที่ไม่คาดคิดซึ่งโดยปกติแล้วจะทำให้ชิปเสียหาย

คริสตัลถูกใช้เป็นตัวกรองความถี่ในการผ่านของวงแคบ Q ที่สูงมากด้วยการเปลี่ยนเฟส 180 องศาอินเวอร์เตอร์จะบังคับให้มันสั่นคลอนถึงความอิ่มตัวของคลื่นสี่เหลี่ยมระดับตรรกะ

ดังนั้นอินเวอร์เตอร์อินพุทจึงเป็นคลื่นไซน์อันเป็นผลมาจากการกรองฮาร์โมนิกทั้งหมดของคลื่นสี่เหลี่ยม

คลื่นไซน์นั้นมีความชัน จำกัด และคำนวณได้ง่ายพร้อมกับพื้นเสียงรบกวนบางส่วนในวงจรภายในที่ไม่ได้เพิ่มสัญญาณเรโซเนเตอร์ทำให้เกิดเสียงเฟสที่คาดการณ์ได้หรือกระวนกระวายใจเวลา

ใช้สูตร

T _jitter = V _noise / SlewRate

เพื่อคาดการณ์เวลาที่เดินได้จากแหล่งสัญญาณนาฬิกานี้

ระวังว่าวงจรอื่น ๆ จะเพิ่มกระวนกระวายใจเท่านั้น ใช้สูตรเดียวกัน

สมมติว่าวงจรไซน์ของคุณมีขนาด 10 kohm Rnoise นี่คือ 12 nanovolts / rtHz thermal random / ความหนาแน่นของเสียง Johnson / Boltsmann หากแบนด์วิดธ์คือ 100 MHz แรงดันเสียงรบกวนอินพุตทั้งหมดคือ 12 nV * sqrt (100 MHz) = 12 nV * 10 ^ 4 = 120 microvolts RMS

สมมติว่าความถี่คริสตัลอยู่ที่ 10 MHz พร้อมกับความกว้างไซน์สูงสุด -1 โวลต์ อัตราการฆ่าคือ 1 V * 6.28 * 10 MHz = 63 volts / µs

กระวนกระวายใจขอบคืออะไร? T _j = V _noise / SlewRate

T _j = 120 microvolts / (63 volts / µs) = 2 picoseconds