Mengapa sinyal pada XTAL1 dan XTAL2 adalah gelombang sinus (bukan persegi)?

Saya memiliki implementasi dasar dengan XTAL1 dan XTAL2 yang diberi makan kristal pada prosesor (mirip dengan di bawah). Ketika saya melihat sinyal pada XTAL1 dan XTAL2 mereka adalah gelombang sinus.

Bukankah itu gelombang persegi?

Sirkuit ini bukan sirkuit digital. Faktanya, ini adalah rangkaian analog non-linear yang cukup rumit secara matematis dengan kontrol penguatan otomatis dengan mode osilasi mandiri. Ini disebut " osilator Pierce ".

Frekuensi osilasi didefinisikan oleh kemiringan tajam dari resonator elektromekanis (kristal), sedangkan kontrol penguatan didasarkan pada ketergantungan input pada tegangan bias DC - jika bias DC (pada C1) terlalu rendah ke ground atau terlalu mendekati V _cc , keuntungannya rendah. Gain linear tertinggi di antara tanah dan rel listrik.

Resistor bias (biasanya internal) R1 memainkan peran yang sangat penting dalam osilator. Nilai khasnya dalam implementasi CMOS adalah sekitar 1 MOhm. Bersama-sama dengan C1 membentuk filter low-pass, yang mengintegrasikan output dan memberikan offset DC variabel tergantung pada sedikit asimetri sinyal output, bahkan jika output mencapai saturasi (pembatasan rel).

Akibatnya, mungkin ada berbagai bentuk sinyal dengan lebih atau kurang distorsi non-linear pada Xout dan Xin, tergantung pada keuntungan mentah inverter dan parameter resonator kristal dan kapasitor pemuatan. Dengan gain yang sangat rendah dan hampir berosilasi sendiri, sinyal akan hampir sinusoidal, sedangkan pada gain yang lebih tinggi output akan mengenai rel tegangan dan bisa hampir persegi panjang. Seni membuat osilator Pierce adalah untuk memberikan pertukaran emas antara output persegi panjang dan sinusoidal, dengan stabilitas yang baik dari seluruh rangkaian dengan variasi suhu dan tegangan.

Artikel ini membahas resonator MEMS, bukan kristal kuarsa, tetapi idenya sama. Ini adalah contoh bagaimana rangkaian mulai dan melayang ke kondisi mantap:

Kristal (+ C1 / C2) adalah resonator / filter bandwidth yang sangat sempit. Hanya frekuensi dasar yang bisa masuk melaluinya.

Gelombang sinus adalah frequncy murni tunggal, Jadi itu adalah gelombang sinus.

Gelombang persegi dibuat persegi, oleh semua harmonik aneh mengisi punuk sampai sinus menjadi persegi. No Harmonics = Not Square

[Catatan kristal memang memiliki " nada harmonik" yang disebut nada , tetapi mereka sedikit tidak cocok satu sama lain, sehingga harmonik fundamental tidak cukup memukul nada 3 dll dll]

Pandangan lain adalah bahwa kristal itu seperti roda-roda sepeda yang bergulir di jalan. Inverter CMOS yang mengendarainya, seperti kaki dan kaki Anda. Sekarang Anda bisa "menusuk" pada pedal, dan mencoba membuat gerakan menjadi gelombang persegi jika Anda mau. Tetapi pedal hanya berputar-putar dengan lancar terlepas, karena efek roda gila sangat besar. Kristal itu seperti roda gila yang besar dengan mulus dan berguling-guling secara sinusoidal.

Kristal itu benar-benar seperti roda gila. Jika Anda tiba-tiba memutuskan drive, sinyal akan mengambil ribuan siklus untuk mati. Ketika Anda menghidupkan osilator, dibutuhkan ribuan siklus untuk memulai, perlahan-lahan membangun amplitudo. Inilah sebabnya mengapa prosesor Anda memiliki "timer startup osilator"

Kristal akan mengubah energi listrik menjadi energi mekanik dan sebaliknya. Itu dapat melakukan ini secara efisien ketika didorong dengan bentuk gelombang sinusoidal dari frekuensi tertentu. Mengemudinya dengan apa pun akan menghasilkan konversi sebagian besar energi yang diterapkan menjadi panas atau degradasi mekanis.

Sementara itu mungkin bagi prosesor untuk menghasilkan gelombang persegi ke kristal, ini akan menghasilkan kristal menghasilkan lebih banyak panas dan menjadi subjek lebih banyak tekanan daripada mengendarainya dengan sesuatu yang lebih dekat ke bentuk gelombang sinusoidal. Selanjutnya, jika tujuan pin adalah untuk berfungsi sebagai output dari osilator kristal, sebuah transistor kecil yang tidak cukup kuat untuk memaksa tegangan pada pin untuk berubah secara instan mungkin cukup murah dibandingkan dengan transistor yang cukup kuat untuk mendorong gelombang persegi secara paksa.

Perhatikan, secara kebetulan, bahwa dalam kebanyakan kasus prosesor tidak akan menempatkan banyak daya ke dalam kristal, dan bentuk sinusoidal tidak didominasi oleh energi yang mengalir dari prosesor ke kristal, melainkan oleh energi yang berulang kali mengalir dari kristal. kristal ke tutup terpasang dan kembali lagi.

Meskipun sinyal adalah gelombang sinus, pin memiliki tegangan ambang. Di bawah ambang ini akan menjadi 0, dan di atasnya akan membaca 1. Ini biasanya konsekuensi dari sirkuit internal.

Di atas ambang batas, pin akan mendaftarkan 1. Pin memiliki kisaran voltase yang dapat berfungsi secara teratur, sehingga meskipun voltase '1' berubah, katakanlah dari 3,31 ke 3,35 volt, selama puncak gelombang sinus , itu akan beroperasi dengan cara yang diinginkan.

Jadi, pin berubah dari berfungsi sebagai 0 menjadi berfungsi sebagai 1, meskipun tegangan sebenarnya sedikit berbeda. Tentu saja, terlalu banyak tegangan dan itu akan mulai beroperasi dengan cara yang tidak terduga, biasanya merusak chip.

Kristal digunakan sebagai filter pass band Q sempit yang sangat tinggi dengan pergeseran fase 180 derajat inverter akan memaksanya berosilasi ke saturasi gelombang kuadrat tingkat logika.

Jadi input inverter adalah gelombang sinus sebagai hasil dari penyaringan semua harmonik gelombang persegi.

Gelombang sinus itu, memiliki kemiringan yang terbatas dan mudah dihitung, bersama dengan beberapa lantai derau dalam sirkuit internal yang TIDAK sesuai dengan sinyal resonator, menyebabkan derau fase yang dapat diprediksi atau jitter waktu.

Gunakan formula

T _jitter = V _noise / SlewRate

untuk memprediksi penjelajahan waktu dari sumber jam ini.

Berhati-hatilah karena sirkuit lain hanya akan menambah jitter. Gunakan rumus yang sama.

Asumsikan sirkuit sinus-ke-persegi Anda memiliki 10 kohm Rnoise. Ini adalah 12 nanovolt / rtHz thermal random / Johnson / Boltsmann noise density. Jika bandwidth 100 MHz, total tegangan gangguan input adalah 12 nV * sqrt (100 MHz) = 12 nV * 10 ^ 4 = 120 microvolts RMS.

Asumsikan frekuensi kristal adalah 10 MHz, dengan amplitudo puncak sinus -1 -1 volt. Tingkat perubahan tegangan adalah 1 V * 6.28 * 10 MHz = 63 volt / µs.

Apa itu edge jitter? T _j = V _noise / SlewRate

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