คริสตัลออสซิลเลเตอร์เป็นกุญแจสำคัญในการออกแบบวงจรดิจิทัล โดยทั่วไปในการออกแบบวงจร คริสตัลออสซิลเลเตอร์ถูกใช้เป็นหัวใจของวงจรดิจิทัล งานทั้งหมดของวงจรดิจิทัลแยกไม่ออกจากสัญญาณนาฬิกา และมีเพียงคริสตัลออสซิลเลเตอร์เท่านั้นที่เป็นปุ่มสำคัญที่ควบคุมการเริ่มต้นปกติของระบบทั้งหมดโดยตรง กล่าวได้ว่าหากมีการออกแบบวงจรดิจิทัล ก็สามารถมองเห็นคริสตัลออสซิลเลเตอร์ได้

I. คริสตัลออสซิลเลเตอร์คืออะไร?

โดยทั่วไปแล้ว ออสซิลเลเตอร์คริสตัลหมายถึงออสซิลเลเตอร์คริสตัลควอตซ์สองชนิดและเรโซเนเตอร์คริสตัลควอตซ์ และสามารถเรียกโดยตรงว่าออสซิลเลเตอร์คริสตัลได้ ทั้งสองชนิดผลิตขึ้นโดยใช้ปรากฏการณ์เพียโซอิเล็กทริกของผลึกควอตซ์

ออสซิลเลเตอร์คริสตัลทำงานดังนี้: เมื่อสนามไฟฟ้าถูกนำไปใช้กับขั้วไฟฟ้าทั้งสองของคริสตัล คริสตัลจะเกิดการเสียรูปทางกล ในทางกลับกัน หากแรงดันทางกลถูกกดลงบนปลายทั้งสองข้างของคริสตัล คริสตัลจะก่อให้เกิดสนามไฟฟ้า ปรากฏการณ์นี้สามารถย้อนกลับได้ ดังนั้นการใช้คุณสมบัตินี้ของคริสตัล บวกกับแรงดันไฟฟ้าสลับที่ปลายทั้งสองข้างของคริสตัล ชิปจะก่อให้เกิดการสั่นสะเทือนทางกล และในขณะเดียวกันก็ก่อให้เกิดสนามไฟฟ้าสลับ อย่างไรก็ตาม การสั่นสะเทือนและสนามไฟฟ้าที่เกิดจากคริสตัลนี้โดยทั่วไปจะมีขนาดเล็ก แต่ตราบใดที่ความถี่คงที่ แอมพลิจูดจะเพิ่มขึ้นอย่างมาก คล้ายกับการสั่นพ้องของวงจร LC ที่นักออกแบบวงจรอย่างเรามักพบเห็น

II. การจำแนกประเภทของการสั่นของผลึก (แอคทีฟและพาสซีฟ)

① ออสซิลเลเตอร์คริสตัลแบบพาสซีฟ

คริสตัลแบบพาสซีฟคือคริสตัล โดยทั่วไปจะเป็นอุปกรณ์ที่ไม่มีขั้ว 2 พิน (คริสตัลแบบพาสซีฟบางตัวมีพินคงที่โดยไม่มีขั้ว)

โดยทั่วไปแล้วออสซิลเลเตอร์คริสตัลแบบพาสซีฟจะต้องอาศัยวงจรนาฬิกาที่สร้างขึ้นจากตัวเก็บประจุโหลดเพื่อสร้างสัญญาณแกว่ง (สัญญาณคลื่นไซน์)

② ออสซิลเลเตอร์คริสตัลแอคทีฟ

ออสซิลเลเตอร์คริสตัลแบบแอคทีฟคือออสซิลเลเตอร์ ซึ่งโดยปกติจะมี 4 ขา ออสซิลเลเตอร์คริสตัลแบบแอคทีฟไม่จำเป็นต้องใช้ออสซิลเลเตอร์ภายในของ CPU เพื่อสร้างสัญญาณคลื่นสี่เหลี่ยม แหล่งจ่ายไฟคริสตัลแบบแอคทีฟจะสร้างสัญญาณนาฬิกา

สัญญาณของออสซิลเลเตอร์คริสตัลแอคทีฟมีความเสถียร คุณภาพดีกว่า และโหมดการเชื่อมต่อค่อนข้างง่าย ข้อผิดพลาดความแม่นยำน้อยกว่าออสซิลเลเตอร์คริสตัลแบบพาสซีฟ และราคาแพงกว่าออสซิลเลเตอร์คริสตัลแบบพาสซีฟ

III. พารามิเตอร์พื้นฐานของออสซิลเลเตอร์คริสตัล

พารามิเตอร์พื้นฐานของออสซิลเลเตอร์คริสตัลทั่วไป ได้แก่ อุณหภูมิในการทำงาน ค่าความแม่นยำ ความจุที่ตรงกัน รูปแบบแพ็คเกจ ความถี่แกนกลาง และอื่นๆ

ความถี่แกนของออสซิลเลเตอร์คริสตัล: การเลือกความถี่คริสตัลโดยทั่วไปจะขึ้นอยู่กับข้อกำหนดของส่วนประกอบความถี่ เช่น MCU มักจะมีช่วงความถี่ตั้งแต่ 4M ไปจนถึงหลายสิบ M

ความแม่นยำของการสั่นสะเทือนของคริสตัล: ความแม่นยำของการสั่นสะเทือนของคริสตัลโดยทั่วไปคือ ±5PPM, ±10PPM, ±20PPM, ±50PPM เป็นต้น ชิปนาฬิกาที่มีความแม่นยำสูงโดยทั่วไปจะอยู่ภายใน ±5PPM และการใช้งานทั่วไปจะเลือกประมาณ ±20PPM

ความจุที่ตรงกันของออสซิลเลเตอร์คริสตัล: โดยปกติแล้ว ความถี่แกนกลางของออสซิลเลเตอร์คริสตัลสามารถเปลี่ยนแปลงได้โดยการปรับค่าความจุที่ตรงกัน และในปัจจุบัน วิธีนี้ใช้เพื่อปรับออสซิลเลเตอร์คริสตัลที่มีความแม่นยำสูง

ในระบบวงจร สายสัญญาณนาฬิกาความเร็วสูงมีความสำคัญสูงสุด สายสัญญาณนาฬิกาเป็นสัญญาณที่มีความไวสูง ยิ่งความถี่สูง ก็ยิ่งต้องใช้สายสั้นลงเพื่อให้มั่นใจว่าสัญญาณจะมีความเพี้ยนน้อยที่สุด

ปัจจุบันในหลายวงจร ความถี่สัญญาณนาฬิกาคริสตัลของระบบสูงมาก ดังนั้นพลังงานที่รบกวนฮาร์มอนิกจึงสูงเช่นกัน ฮาร์มอนิกจะมาจากอินพุตและเอาต์พุตสองสาย รวมถึงจากการแผ่รังสีในอวกาศด้วย ซึ่งหากการจัดวางแผงวงจรพิมพ์ (PCB) ของออสซิลเลเตอร์คริสตัลไม่เหมาะสม ก็จะทำให้เกิดปัญหาการแผ่รังสีรบกวนที่รุนแรงได้ง่าย และเมื่อเกิดขึ้นแล้ว ยากที่จะแก้ไขด้วยวิธีอื่น ดังนั้น การจัดวางแผงวงจรพิมพ์ (PCB) ของออสซิลเลเตอร์คริสตัลและสายสัญญาณ CLK จึงมีความสำคัญอย่างยิ่ง