Почему сигнал на XTAL1 и XTAL2 является синусоидальной (а не квадратной)?

У меня есть базовая реализация с кристаллом, подающим XTAL1 и XTAL2 на процессор (аналогично ниже). Когда я смотрю на сигнал XTAL1 и XTAL2, это синусоидальные волны.

Разве они не должны быть прямоугольными волнами?

Эта схема не является цифровой схемой. Фактически, это довольно математически сложная нелинейная аналоговая схема с автоматической регулировкой усиления с автономным режимом колебаний. Это называется " осциллятор Пирса ".

Частота колебаний определяется резким наклоном электромеханического резонатора (кристалла), в то время как регулирование усиления основано на зависимости входа от напряжения смещения постоянного тока - если смещение постоянного тока (на С1) слишком низкое для заземления или слишком близко к V _cc , усиление низкое. Линейное усиление самое высокое где-то между землей и шиной питания.

(Обычно внутренний) резистор смещения R1 играет решающую роль в генераторе. Типичное значение этого в реализациях CMOS составляет около 1 МОм. Вместе с C1 он формирует фильтр нижних частот, который объединяет выход и обеспечивает переменное смещение постоянного тока в зависимости от небольшой асимметрии выходного сигнала, даже если выход достигает насыщения (ограничение по шине).

В результате могут быть различные формы сигналов с более или менее нелинейными искажениями на Xout и Xin, в зависимости от исходного усиления инвертора и параметров кристаллического резонатора и нагрузочных конденсаторов. При очень низком усилении и на грани автоколебаний сигналы будут почти синусоидальными, а при более высоком усилении выходной сигнал попадет на шину напряжения и может быть почти прямоугольным. Искусство создания осцилляторов Пирса состоит в том, чтобы обеспечить некоторый золотой компромисс между прямоугольным выходом и синусоидальным, с хорошей устойчивостью всей цепи к изменениям температуры и напряжения.

В этой статье рассматривается MEMS-резонатор, а не кварцевый кристалл, но идеи совпадают. Это пример того, как схема запускается и переходит в устойчивое состояние:

Кристалл (+ С1 / С2) является очень узкой полосой пропускания резонатора / фильтра. Только основная частота может пройти через нее.

Синусоидальные волны - это единственная чистая частота, так что это синусоидальная волна.

Квадратные волны сделаны квадратными, и все странные гармоники заполняют горб, пока синус не станет квадратным. Нет гармоник = не квадрат

[Примечание: у кристаллов действительно есть «гармоники», называемые обертонами , но они немного отличаются друг от друга по частоте, поэтому гармоники основного тона не достигают 3-го обертона и т. Д.]

Другое мнение, что кристалл похож на колеса велосипеда, катящиеся по дороге. Инвертор CMOS, управляющий им, похож на ваши ноги и ноги. Теперь вы можете «нанести удар» на педали и попытаться сделать движение прямоугольной волной, если хотите. Но педали просто будут плавно вращаться, независимо от того, потому что эффект маховика настолько велик. Кристалл похож на огромный маховик, плавно и синусоидально вращающийся вокруг.

Кристалл действительно похож на тяжелый маховик. Если вы внезапно отключите накопитель, сигнал погаснет за тысячи циклов. Когда вы включаете генератор, запускаются тысячи циклов, медленно нарастая амплитуда. Вот почему ваш процессор имеет «таймер запуска генератора»

Кристалл преобразует электрическую энергию в механическую и наоборот. Он способен делать это эффективно, когда приводится в движение синусоидальным сигналом определенной частоты. Управление этим чем-либо еще приведет к преобразованию большей доли приложенной энергии в тепло или механическое разрушение.

Хотя процессор мог бы выводить прямоугольную волну на кристалл, это привело бы к тому, что кристалл генерировал бы больше тепла и подвергался бы большему напряжению, чем приводя его в движение чем-то ближе к синусоидальной форме волны. Кроме того, если цель контакта - служить выходом кварцевого генератора, маленький транзистор, который недостаточно силен для мгновенного изменения напряжения на контакте, может быть довольно дешевым по сравнению с транзистором, достаточно мощным, чтобы принудительно управлять квадратной волной.

Кстати, обратите внимание, что в большинстве случаев процессор не будет вкладывать много энергии в кристалл, а в синусоидальной форме преобладает не энергия, которая течет из процессора в кристалл, а энергия, которая постоянно течет из кристалл в прикрепленные колпачки и обратно.

Несмотря на то, что сигнал представляет собой синусоидальную волну, контакт имеет пороговое напряжение. Ниже этого порога это будет 0, а выше будет читать 1. Это обычно является следствием внутренней схемы.

Выше порога вывод зарегистрирует 1. На выводе имеется диапазон напряжений, в которых он может функционировать регулярно, поэтому даже если напряжение «1» изменяется, скажем, от 3,31 до 3,35 вольт, во время пика синусоидальной волны , он будет работать желаемым образом.

Таким образом, вывод переходит от функционирования в качестве 0 к функционированию в качестве 1, даже если фактическое напряжение изменяется незначительно. Конечно, слишком большое напряжение, и он начнет работать неожиданным образом, обычно повреждая чип.

Кристалл используется в качестве узкополосного фильтра очень высокой добротности с фазовым сдвигом 180 градусов, инвертор заставит его колебаться до насыщения прямоугольной волны логического уровня.

Таким образом, вход инвертора является синусоидальной волной в результате фильтрации всех гармоник прямоугольной волны.

Эта синусоидальная волна, имеющая конечный и легко вычисляемый наклон, а также некоторый минимальный уровень шума во внутренних цепях, которые Сглаживают сигнал резонатора, вызывают предсказуемый фазовый шум или дрожание времени.

Используйте формулу

T _jitter = V _noise / SlewRate

предсказать смещение времени этого источника часов.

Помните, что любые другие схемы только добавят дрожание. Используйте ту же формулу.

Предположим, что ваша цепь синус-квадрат имеет 10 кОм Rnoise. Это тепловая случайная плотность 12 нановольт / кГц / плотность шума Джонсона / Больцмана. Если полоса пропускания составляет 100 МГц, общее входное шумовое напряжение составляет 12 нВ * квт (100 МГц) = 12 нВ * 10 ^ 4 = 120 мкВ среднеквадратичного значения.

Предположим, что частота кристалла составляет 10 МГц с пиковой амплитудой синуса + -1 Вольт. Скорость нарастания составляет 1 В * 6,28 * 10 МГц = 63 Вольт / мкс.

Что такое дрожание края? T _j = V _шум / SlewRate

T _j = 120 мкВ / (63 вольт / мкс) = 2 пикосекунды.