Kristalni oscilator je ključnega pomena pri načrtovanju digitalnih vezij. Običajno se kristalni oscilator pri načrtovanju vezij uporablja kot srce digitalnega vezja. Vse delo digitalnega vezja je neločljivo povezano z urnim signalom, kristalni oscilator pa je ključni gumb, ki neposredno nadzoruje normalen zagon celotnega sistema. Lahko rečemo, da lahko kristalni oscilator vidimo v digitalnem vezju.
I. Kaj je kristalni oscilator?
Kristalni oscilator se običajno nanaša na dve vrsti kvarčnega kristalnega oscilatorja in kvarčnega kristalnega resonatorja, ki ga lahko neposredno imenujemo tudi kristalni oscilator. Oba sta izdelana z uporabo piezoelektričnega učinka kvarčnih kristalov.
Kristalni oscilator deluje takole: ko na obe elektrodi kristala deluje električno polje, se kristal mehansko deformira, in nasprotno, če na oba konca kristala deluje mehanski pritisk, kristal ustvari električno polje. Ta pojav je reverzibilen, zato z uporabo te značilnosti kristala in dodajanjem izmeničnih napetosti na oba konca kristala čip ustvari mehanske vibracije in hkrati izmenična električna polja. Vendar so te vibracije in električno polje, ki jih ustvarja kristal, običajno majhne, vendar se amplituda znatno poveča, dokler je na določeni frekvenci, podobno resonanci LC zanke, ki jo pogosto vidimo oblikovalci vezij.
II. Klasifikacija kristalnih nihanj (aktivna in pasivna)
① Pasivni kristalni oscilator
Pasivni kristal je kristal, običajno 2-pinska nepolarna naprava (nekateri pasivni kristali imajo fiksni pin brez polarnosti).
Pasivni kristalni oscilator se običajno mora zanašati na taktno vezje, ki ga tvori obremenitveni kondenzator, da ustvari nihajoči signal (sinusni signal).
② Aktivni kristalni oscilator
Aktivni kristalni oscilator je oscilator, običajno s 4 pini. Aktivni kristalni oscilator ne potrebuje notranjega oscilatorja procesorja za ustvarjanje pravokotnega signala. Napajalnik z aktivnim kristalom generira taktni signal.
Signal aktivnega kristalnega oscilatorja je stabilen, kakovost je boljša, način povezave pa je relativno preprost, napaka natančnosti je manjša kot pri pasivnem kristalnem oscilatorju, cena pa je dražja od pasivnega kristalnega oscilatorja.
III. Osnovni parametri kristalnega oscilatorja
Osnovni parametri splošnega kristalnega oscilatorja so: delovna temperatura, natančnost, ujemajoča se kapacitivnost, oblika ohišja, frekvenca jedra in tako naprej.
Jedrna frekvenca kristalnega oscilatorja: Izbira splošne kristalne frekvence je odvisna od zahtev frekvenčnih komponent, tako kot MCU, je običajno v razponu, večina pa je od 4M do več deset M.
Natančnost vibracij kristala: natančnost vibracij kristala je običajno ±5PPM, ±10PPM, ±20PPM, ±50PPM itd., visoko natančni čipi ure so običajno znotraj ±5PPM, splošna uporaba pa bo približno ±20PPM.
Ujemajoča se kapacitivnost kristalnega oscilatorja: običajno se s prilagajanjem vrednosti ujemajoče se kapacitivnosti lahko spremeni frekvenca jedra kristalnega oscilatorja in trenutno se ta metoda uporablja za prilagajanje visoko natančnega kristalnega oscilatorja.
V sistemu vezij ima visokohitrostni taktni signal najvišjo prioriteto. Taktni signal je občutljiv signal in višja kot je frekvenca, krajša je potrebna linija, da se zagotovi minimalno popačenje signala.
V mnogih vezjih je frekvenca kristalnega takta sistema zelo visoka, zato je energija motečih harmonikov močna. Harmoniki izvirajo iz vhodnih in izhodnih linij, pa tudi iz vesoljskega sevanja. Če postavitev tiskanega vezja kristalnega oscilatorja ni razumna, lahko zlahka povzroči močno razpršeno sevanje. Ko se pojavi, ga je težko rešiti z drugimi metodami. Zato je zelo pomembno, da kristalni oscilator in signalna linija CLK razporedimo postavitev tiskanega vezja.