Perché il segnale su XTAL1 e XTAL2 è un'onda sinusoidale (non quadrata)?

Ho un'implementazione di base con un cristallo che alimenta XTAL1 e XTAL2 su un processore (simile al seguito). Quando guardo il segnale su XTAL1 e XTAL2 sono onde sinusoidali.

Non dovrebbero essere onde quadrate?

Questo circuito non è un circuito digitale. In realtà, si tratta di un circuito analogico non lineare abbastanza matematicamente complicato con controllo automatico del guadagno con modalità di oscillazione autosostenibile. Si chiama " oscillatore Pierce ".

La frequenza delle oscillazioni è definita da una forte pendenza del risonatore elettromeccanico (cristallo), mentre il controllo del guadagno si basa sulla dipendenza dell'ingresso dalla tensione di polarizzazione CC - se la polarizzazione CC (su C1) è troppo bassa verso terra o troppo vicino a V _cc , il guadagno è basso. Il guadagno lineare è più alto da qualche parte tra terra e power rail.

Il resistore di polarizzazione (solitamente interno) R1 svolge un ruolo cruciale nell'oscillatore. Il suo valore tipico nelle implementazioni CMOS è di circa 1 MOhm. Insieme a C1 forma un filtro passa-basso, che integra l'uscita e fornisce un offset CC variabile a seconda della leggera asimmetria del segnale di uscita, anche se l'uscita raggiunge la saturazione (limitazione della guida).

Di conseguenza, potrebbero esserci varie forme di segnale con distorsione più o meno non lineare su Xout e Xin, a seconda del guadagno grezzo dell'inverter e dei parametri del risonatore a cristallo e dei condensatori di carico. Con un guadagno molto basso e sull'orlo delle auto-oscillazioni, i segnali saranno quasi sinusoidali, mentre con un guadagno più alto l'uscita colpirà la guida di tensione e può essere quasi rettangolare. L'arte di realizzare oscillatori Pierce è quella di fornire un compromesso dorato tra l'uscita rettangolare e quella sinusoidale, con una buona stabilità dell'intero circuito alle variazioni di temperatura e tensione.

Questo articolo tratta di un risuonatore MEMS, non di cristallo di quarzo, ma le idee sono le stesse. Questo è un esempio di come il circuito si avvia e si sposta allo stato stazionario:

Il cristallo (+ C1 / C2) è un risonatore / filtro a larghezza di banda molto stretta. Solo la frequenza fondamentale può adattarsi ad essa.

Le onde sinusoidali sono un singolo frequncy puro, quindi è un'onda sinusoidale.

Le onde quadrate sono rese quadrate, da tutte le strane armoniche che riempiono la gobba fino a quando il seno diventa quadrato. No Harmonics = Not Square

[Si noti che i cristalli hanno in effetti "armoniche" chiamate sovratoni , ma sono leggermente distanti l'una dall'altra, quindi le armoniche del fondamentale non colpiscono del tutto il 3 overtone ecc.]

Un'altra visione è che il cristallo è come le ruote di una bicicletta che rotolano lungo la strada. L'invertitore CMOS che lo guida è come piedi e gambe. Ora potresti "pugnalare" i pedali e provare a rendere il movimento un'onda quadra se lo desideri. Ma i pedali continueranno a girare senza intoppi, indipendentemente dal fatto che l'effetto del volano sia così grande. Il cristallo è come un enorme volano che scorre uniformemente e sinusoidalmente.

Il cristallo è davvero come un volano pesante. Se si scollega improvvisamente l'unità, il segnale impiegherà migliaia di cicli a scomparire. Quando si accende l'oscillatore, l'avvio richiede migliaia di cicli, aumentando lentamente l'ampiezza. Ecco perché il tuo processore ha un "timer di avvio dell'oscillatore"

Un cristallo convertirà l'energia elettrica in energia meccanica e viceversa. È in grado di farlo in modo efficiente se guidato con una forma d'onda sinusoidale di una particolare frequenza. Guidarlo con qualsiasi altra cosa comporterà la conversione di una frazione maggiore dell'energia applicata in calore o degrado meccanico.

Mentre sarebbe possibile per un processore emettere un'onda quadra sul cristallo, ciò comporterebbe che il cristallo generi più calore e sia soggetto a più stress che guidarlo con qualcosa di più vicino a una forma d'onda sinusoidale. Inoltre, se lo scopo di un pin è quello di fungere da uscita di un oscillatore a cristallo, un piccolo transistor che non è abbastanza forte da forzare il cambiamento istantaneo della tensione sul pin potrebbe essere abbastanza economico rispetto a un transistor abbastanza potente da guidare forzatamente un'onda quadra.

Si noti, per inciso, che nella maggior parte dei casi il processore non fornirà molta potenza al cristallo e la forma sinusoidale non è dominata dall'energia che fluisce dal processore al cristallo, ma piuttosto dall'energia che fluisce ripetutamente da il cristallo nei tappi collegati e viceversa.

Anche se il segnale è un'onda sinusoidale, il pin ha una tensione di soglia. Al di sotto di questa soglia sarà uno 0 e sopra leggerà un 1. Questo è di solito una conseguenza dei circuiti interni.

Al di sopra della soglia, il pin registrerà un 1. Il pin ha un intervallo di tensioni in cui può funzionare regolarmente, quindi anche se la tensione di un '1 cambia, diciamo da 3,31 a 3,35 volt, durante il picco dell'onda sinusoidale , funzionerà nel modo desiderato.

Quindi, il pin passa dal funzionamento come 0 al funzionamento come 1, anche se la tensione effettiva varia leggermente. Naturalmente, troppa tensione e inizierà a funzionare in modo imprevisto, danneggiando di solito il chip.

Il cristallo viene utilizzato come filtro passa banda Q molto alto con uno sfasamento di 180 gradi, l'inverter lo costringerà a oscillare alla saturazione di un'onda quadra a livello logico.

Quindi l'ingresso dell'inverter è un'onda sinusoidale come risultato del filtraggio di tutte le armoniche dell'onda quadra.

Quell'onda sinusoidale, con una pendenza finita e facilmente calcolabile, insieme a un certo livello di rumore nei circuiti interni che NON quadrano il segnale del risonatore, causano un rumore di fase prevedibile o jitter temporale.

Usa la formula

T _jitter = V _noise / SlewRate

per prevedere il tempo errante di questa sorgente di clock.

Attenzione che qualsiasi altro circuito aggiungerà ulteriore jitter. Usa la stessa formula.

Supponiamo che il tuo circuito seno-quadrato abbia 10 kohm di Rnoise. Questa è la densità di rumore casuale casuale 12 nanovolt / rtHz / Johnson / Boltsmann. Se la larghezza di banda è 100 MHz, la tensione di rumore in ingresso totale è 12 nV * sqrt (100 MHz) = 12 nV * 10 ^ 4 = 120 microvolt RMS.

Supponiamo che la frequenza del cristallo sia di 10 MHz, con un'ampiezza del seno di picco di + -1 volt. La velocità di risposta è 1 V * 6,28 * 10 MHz = 63 volt / µs.

Cos'è il jitter edge? T _j = V _noise / SlewRate

T _j = 120 microvolt / (63 volt / µs) = 2 picosecondi.