El oscilador de cristal es la clave en el diseño de circuitos digitales, generalmente en el diseño de circuitos, el oscilador de cristal se utiliza como el corazón del circuito digital, todo el trabajo del circuito digital es inseparable de la señal de reloj, y solo el oscilador de cristal es el botón clave que controla directamente el inicio normal de todo el sistema, se puede decir que si hay un diseño de circuito digital puede ver el oscilador de cristal.

I. ¿Qué es un oscilador de cristal?

El término oscilador de cristal se refiere generalmente a dos tipos: oscilador de cristal de cuarzo y resonador de cristal de cuarzo, y también puede denominarse directamente oscilador de cristal. Ambos se fabrican mediante el efecto piezoeléctrico de los cristales de cuarzo.

El oscilador de cristal funciona así: cuando se aplica un campo eléctrico a los dos electrodos del cristal, este sufre una deformación mecánica. Por el contrario, si se aplica presión mecánica a sus extremos, se produce un campo eléctrico. Este fenómeno es reversible, por lo que, aprovechando esta característica del cristal y añadiendo voltajes alternos a ambos extremos, el chip produce vibración mecánica y, al mismo tiempo, campos eléctricos alternos. Si bien esta vibración y el campo eléctrico generados por el cristal suelen ser pequeños, a una frecuencia determinada, su amplitud aumenta significativamente, similar a la resonancia de bucle LC que solemos observar los diseñadores de circuitos.

II. Clasificación de las oscilaciones cristalinas (activas y pasivas)

① Oscilador de cristal pasivo

Un cristal pasivo es un cristal, generalmente un dispositivo no polar de 2 pines (algunos cristales pasivos tienen un pin fijo sin polaridad).

El oscilador de cristal pasivo generalmente necesita confiar en el circuito de reloj formado por el capacitor de carga para generar la señal oscilante (señal de onda sinusoidal).

② Oscilador de cristal activo

Un oscilador de cristal activo es un oscilador, generalmente de 4 pines. No requiere el oscilador interno de la CPU para producir una señal de onda cuadrada. Una fuente de alimentación de cristal activo genera una señal de reloj.

La señal del oscilador de cristal activo es estable, la calidad es mejor y el modo de conexión es relativamente simple, el error de precisión es menor que el del oscilador de cristal pasivo y el precio es más caro que el del oscilador de cristal pasivo.

III. Parámetros básicos del oscilador de cristal

Los parámetros básicos del oscilador de cristal general son: temperatura de funcionamiento, valor de precisión, capacitancia correspondiente, forma del paquete, frecuencia del núcleo, etc.

La frecuencia central del oscilador de cristal: La elección de la frecuencia general del cristal depende de los requisitos de los componentes de frecuencia, como el MCU es generalmente un rango, la mayoría de los cuales son de 4M a docenas de M.

Precisión de la vibración del cristal: la precisión de la vibración del cristal es generalmente ±5PPM, ±10PPM, ±20PPM, ±50PPM, etc., los chips de reloj de alta precisión generalmente están dentro de ±5PPM y el uso general elegirá alrededor de ±20PPM.

La capacitancia correspondiente del oscilador de cristal: generalmente, al ajustar el valor de la capacitancia correspondiente, se puede cambiar la frecuencia central del oscilador de cristal y, en la actualidad, este método se utiliza para ajustar el oscilador de cristal de alta precisión.

En el sistema de circuitos, la línea de señal de reloj de alta velocidad tiene máxima prioridad. Esta línea es una señal sensible, y cuanto mayor sea la frecuencia, más corta será la línea para minimizar la distorsión de la señal.

En muchos circuitos, la frecuencia de reloj del cristal es muy alta, por lo que la energía de interferencia con armónicos es también muy alta. Estos armónicos se derivan de las dos líneas de entrada y salida, así como de la radiación espacial. Esto también provoca que, si el diseño de la PCB del oscilador de cristal no es adecuado, se produzca fácilmente un problema de radiación parásita, que, una vez generado, es difícil de resolver con otros métodos. Por lo tanto, es fundamental el diseño de la línea de señal del oscilador de cristal y del CLK al diseñar la PCB.