Kristaloscillatoren vormen de sleutel in het ontwerp van digitale schakelingen. Meestal vormen kristaloscillatoren het hart van het digitale circuit. Alle werkzaamheden in het digitale circuit zijn onlosmakelijk verbonden met het kloksignaal. De kristaloscillator is de belangrijkste knop die rechtstreeks de normale start van het hele systeem regelt. Je kunt wel zeggen dat als je een digitaal circuit ontwerpt, je de kristaloscillator kunt zien.
I. Wat is een kristaloscillator?
Kristaloscillator verwijst in het algemeen naar twee soorten kwartskristaloscillatoren en kwartskristalresonatoren, en kan ook rechtstreeks kristaloscillatoren worden genoemd. Beide worden gemaakt met behulp van het piëzo-elektrische effect van kwartskristallen.
De kristaloscillator werkt als volgt: wanneer een elektrisch veld wordt aangelegd op de twee elektroden van het kristal, ondergaat het kristal mechanische vervorming. Wanneer daarentegen mechanische druk wordt uitgeoefend op de twee uiteinden van het kristal, produceert het kristal een elektrisch veld. Dit fenomeen is omkeerbaar. Door gebruik te maken van deze eigenschap van het kristal en wisselspanningen toe te voegen aan beide uiteinden van het kristal, zal de chip mechanische trillingen en tegelijkertijd wisselende elektrische velden produceren. Deze trillingen en het elektrische veld die door het kristal worden gegenereerd, zijn echter over het algemeen klein, maar zolang ze een bepaalde frequentie hebben, zal de amplitude aanzienlijk toenemen, vergelijkbaar met de LC-lusresonantie die wij circuitontwerpers vaak zien.
II. Classificatie van kristaloscillaties (actief en passief)
① Passieve kristaloscillator
Een passief kristal is een kristal, meestal een niet-polair apparaat met 2 pinnen (sommige passieve kristallen hebben een vaste pin zonder polariteit).
Passieve kristaloscillatoren maken doorgaans gebruik van het klokcircuit dat wordt gevormd door de belastingcondensator om het oscillerende signaal (sinusgolfsignaal) te genereren.
② Actieve kristaloscillator
Een actieve kristaloscillator is een oscillator, meestal met 4 pinnen. Een actieve kristaloscillator heeft geen interne oscillator van de CPU nodig om een blokgolfsignaal te produceren. Een actieve kristalvoeding genereert een kloksignaal.
Het signaal van de actieve kristaloscillator is stabiel, de kwaliteit is beter en de verbindingsmodus is relatief eenvoudig, de nauwkeurigheidsfout is kleiner dan die van de passieve kristaloscillator en de prijs is hoger dan die van de passieve kristaloscillator.
III. Basisparameters van de kristaloscillator
De basisparameters van de algemene kristaloscillator zijn: bedrijfstemperatuur, precisiewaarde, aanpassingscapaciteit, behuizingsvorm, kernfrequentie, enzovoort.
De kernfrequentie van de kristaloscillator: De keuze van de algemene kristalfrequentie hangt af van de vereisten van de frequentiecomponenten. Zo is de MCU over het algemeen een bereik, waarvan de meeste van 4M tot tientallen M liggen.
Nauwkeurigheid van kristalvibraties: de nauwkeurigheid van de kristalvibratie bedraagt doorgaans ±5PPM, ±10PPM, ±20PPM, ±50PPM, enz. Zeer precieze klokchips liggen doorgaans binnen ±5PPM en bij algemeen gebruik wordt een nauwkeurigheid van ongeveer ±20PPM gekozen.
De aanpassingscapaciteit van de kristaloscillator: doorgaans kan de kernfrequentie van de kristaloscillator worden gewijzigd door de waarde van de aanpassingscapaciteit aan te passen. Deze methode wordt tegenwoordig gebruikt om de zeer nauwkeurige kristaloscillator aan te passen.
In het circuitsysteem heeft de snelle kloksignaallijn de hoogste prioriteit. De kloksignaallijn is een gevoelig signaal en hoe hoger de frequentie, hoe korter de lijn nodig is om de vervorming van het signaal tot een minimum te beperken.
In veel circuits is de kristalklokfrequentie van het systeem erg hoog, waardoor de interferentie-energie met harmonischen ook sterk is. Harmonischen worden niet alleen afgeleid van de twee in- en uitgangslijnen, maar ook van de ruimtelijke straling. Dit leidt ertoe dat, als de PCB-layout van de kristaloscillator niet goed is, er gemakkelijk een sterk strooistralingsprobleem ontstaat. Als dit eenmaal is ontstaan, is het moeilijk om dit met andere methoden op te lossen. Daarom is het erg belangrijk om de lay-out van de kristaloscillator en de CLK-signaallijn te bekijken wanneer de PCB wordt aangelegd.