Krystalový oscilátor je klíčem v návrhu digitálních obvodů. Krystalový oscilátor se obvykle používá jako srdce digitálního obvodu. Veškerá práce digitálního obvodu je neoddělitelná od hodinového signálu a právě krystalový oscilátor je klíčové tlačítko, které přímo ovládá normální spuštění celého systému. Dá se říci, že pokud existuje návrh digitálního obvodu, lze vidět krystalový oscilátor.

I. Co je to krystalový oscilátor?

Krystalový oscilátor se obecně vztahuje na dva druhy křemenného krystalového oscilátoru a křemenného krystalového rezonátoru a lze jej také přímo nazývat krystalovým oscilátorem. Oba jsou vyrobeny s využitím piezoelektrického jevu křemenných krystalů.

Krystalový oscilátor funguje takto: když je na dvě elektrody krystalu aplikováno elektrické pole, krystal se mechanicky deformuje, a naopak, pokud je na oba konce krystalu aplikován mechanický tlak, krystal vytváří elektrické pole. Tento jev je reverzibilní, takže využitím této vlastnosti krystalu a přidáním střídavého napětí na oba konce krystalu čip vytváří mechanické vibrace a zároveň vytváří střídavé elektrické pole. Tyto vibrace a elektrické pole generované krystalem jsou však obecně malé, ale pokud jsou na určité frekvenci, amplituda se výrazně zvýší, podobně jako rezonance LC smyčky, kterou my, návrháři obvodů, často vidíme.

II. Klasifikace krystalových oscilací (aktivní a pasivní)

① Pasivní krystalový oscilátor

Pasivní krystal je krystal, obvykle 2pinový nepolární prvek (některé pasivní krystaly mají pevný pin bez polarity).

Pasivní krystalový oscilátor se obecně musí spoléhat na hodinový obvod tvořený zatěžovacím kondenzátorem pro generování oscilačního signálu (sinusového signálu).

② Aktivní krystalový oscilátor

Aktivní krystalový oscilátor je oscilátor, obvykle se 4 piny. Aktivní krystalový oscilátor nevyžaduje k vytvoření obdélníkového signálu interní oscilátor CPU. Aktivní krystalový napájecí zdroj generuje hodinový signál.

Signál aktivního krystalového oscilátoru je stabilní, kvalita je lepší a způsob připojení je relativně jednoduchý, chyba přesnosti je menší než u pasivního krystalového oscilátoru a cena je dražší než u pasivního krystalového oscilátoru.

III. Základní parametry krystalového oscilátoru

Základní parametry obecného krystalového oscilátoru jsou: provozní teplota, přesnost, odpovídající kapacita, tvar pouzdra, frekvence jádra atd.

Základní frekvence krystalového oscilátoru: Volba obecné krystalové frekvence závisí na požadavcích frekvenčních složek, například MCU má obecně rozsah, z nichž většina je od 4M do desítek M.

Přesnost vibrací krystalu: přesnost vibrací krystalu je obecně ±5PPM, ±10PPM, ±20PPM, ±50PPM atd., vysoce přesné hodinové čipy jsou obecně v rozmezí ±5PPM a běžné použití bude okolo ±20PPM.

Přizpůsobovací kapacita krystalového oscilátoru: obvykle úpravou hodnoty přizpůsobovací kapacity lze změnit frekvenci jádra krystalového oscilátoru a v současnosti se tato metoda používá k nastavení vysoce přesného krystalového oscilátoru.

V obvodovém systému má vysokorychlostní hodinový signál nejvyšší prioritu. Hodinový signál je citlivý signál a čím vyšší je frekvence, tím kratší je potřeba, aby se minimalizovalo zkreslení signálu.

V mnoha obvodech je frekvence krystalových hodin systému velmi vysoká, takže energie rušení harmonickými je také silná. Harmonické budou odvozeny ze vstupních a výstupních vodičů, ale také z prostorového záření. Pokud uspořádání krystalového oscilátoru na desce plošných spojů není vhodné, snadno dojde k silnému rozptýlenému záření. Jakmile k němu dojde, je obtížné jej řešit jinými metodami. Proto je velmi důležité při uspořádání desky plošných spojů pro krystalový oscilátor a signální vodič CLK.