L'oscillatore a cristallo è la chiave nella progettazione di circuiti digitali, solitamente nella progettazione di circuiti, l'oscillatore a cristallo è utilizzato come cuore del circuito digitale, tutto il lavoro del circuito digitale è inseparabile dal segnale di clock, e solo l'oscillatore a cristallo è il pulsante chiave che controlla direttamente l'avvio normale dell'intero sistema, si può dire che se c'è un progetto di circuito digitale si può vedere l'oscillatore a cristallo.

I. Che cos'è un oscillatore a cristallo?

Con il termine "oscillatore a cristallo" si intendono generalmente due tipi di oscillatore a cristallo di quarzo e risonatore a cristallo di quarzo, e può anche essere chiamato direttamente oscillatore a cristallo. Entrambi sono realizzati sfruttando l'effetto piezoelettrico dei cristalli di quarzo.

L'oscillatore a cristallo funziona in questo modo: quando un campo elettrico viene applicato ai due elettrodi del cristallo, il cristallo subisce una deformazione meccanica; al contrario, se viene applicata una pressione meccanica alle due estremità del cristallo, il cristallo genera un campo elettrico. Questo fenomeno è reversibile, quindi sfruttando questa caratteristica del cristallo, applicando tensioni alternate a entrambe le estremità, il chip produrrà una vibrazione meccanica e, allo stesso tempo, campi elettrici alternati. Tuttavia, questa vibrazione e il campo elettrico generati dal cristallo sono generalmente piccoli, ma finché si mantengono a una certa frequenza, l'ampiezza aumenterà significativamente, in modo simile alla risonanza del loop LC che noi progettisti di circuiti osserviamo spesso.

II. Classificazione delle oscillazioni cristalline (attive e passive)

① Oscillatore a cristallo passivo

Un cristallo passivo è un cristallo, generalmente un dispositivo non polare a 2 pin (alcuni cristalli passivi hanno un pin fisso senza polarità).

In genere, l'oscillatore a cristallo passivo deve affidarsi al circuito di clock formato dal condensatore di carico per generare il segnale oscillante (segnale sinusoidale).

② Oscillatore a cristallo attivo

Un oscillatore a cristallo attivo è un oscillatore, solitamente a 4 pin. Un oscillatore a cristallo attivo non richiede che l'oscillatore interno della CPU produca un segnale a onda quadra. Un alimentatore a cristallo attivo genera un segnale di clock.

Il segnale dell'oscillatore a cristallo attivo è stabile, la qualità è migliore e la modalità di connessione è relativamente semplice, l'errore di precisione è inferiore a quello dell'oscillatore a cristallo passivo e il prezzo è più elevato rispetto a quello dell'oscillatore a cristallo passivo.

III. Parametri di base dell'oscillatore a cristallo

I parametri di base dell'oscillatore a cristallo generale sono: temperatura di funzionamento, valore di precisione, capacità di adattamento, forma del package, frequenza del core e così via.

Frequenza centrale dell'oscillatore a cristallo: la scelta della frequenza generale del cristallo dipende dai requisiti dei componenti di frequenza, come l'MCU, che in genere rientra in un intervallo, la maggior parte dei quali va da 4 M a decine di M.

Precisione della vibrazione del cristallo: la precisione della vibrazione del cristallo è generalmente ±5PPM, ±10PPM, ±20PPM, ±50PPM, ecc., i chip di clock ad alta precisione sono generalmente entro ±5PPM e l'uso generale sceglierà circa ±20PPM.

Capacità di adattamento dell'oscillatore a cristallo: solitamente regolando il valore della capacità di adattamento è possibile modificare la frequenza centrale dell'oscillatore a cristallo e, attualmente, questo metodo viene utilizzato per regolare l'oscillatore a cristallo ad alta precisione.

Nel sistema circuitale, la linea del segnale di clock ad alta velocità ha la priorità più alta. La linea di clock è un segnale sensibile e maggiore è la frequenza, più corta è la linea necessaria per garantire che la distorsione del segnale sia minima.

Ora, in molti circuiti, la frequenza di clock del cristallo del sistema è molto elevata, quindi anche l'energia di interferenza con le armoniche è elevata. Le armoniche saranno derivate dalle due linee di ingresso e di uscita, ma anche dalla radiazione spaziale. Questo porta anche a un layout PCB non appropriato dell'oscillatore a cristallo, che causerà facilmente un forte problema di radiazione parassita, e una volta generato, è difficile da risolvere con altri metodi. Pertanto, è molto importante che il layout dell'oscillatore a cristallo e della linea di segnale CLK sia corretto durante la progettazione del PCB.