Bộ dao động tinh thể là chìa khóa trong thiết kế mạch số, thông thường trong thiết kế mạch, bộ dao động tinh thể được sử dụng như trái tim của mạch số, mọi hoạt động của mạch số đều không thể tách rời khỏi tín hiệu xung nhịp, và chỉ có bộ dao động tinh thể là nút bấm chính điều khiển trực tiếp quá trình khởi động bình thường của toàn bộ hệ thống, có thể nói rằng nếu có thiết kế mạch số thì có thể thấy bộ dao động tinh thể.

I. Bộ dao động tinh thể là gì?

Bộ dao động tinh thể thường dùng để chỉ hai loại: bộ dao động tinh thể thạch anh và bộ cộng hưởng tinh thể thạch anh, cũng có thể được gọi trực tiếp là bộ dao động tinh thể. Cả hai đều được chế tạo bằng hiệu ứng áp điện của tinh thể thạch anh.

Bộ dao động tinh thể hoạt động như sau: khi một điện trường được đặt vào hai điện cực của tinh thể, tinh thể sẽ bị biến dạng cơ học, và ngược lại, nếu áp suất cơ học được đặt vào hai đầu của tinh thể, tinh thể sẽ tạo ra một điện trường. Hiện tượng này có thể đảo ngược, vì vậy, bằng cách sử dụng đặc tính này của tinh thể, thêm điện áp xoay chiều vào cả hai đầu của tinh thể, chip sẽ tạo ra dao động cơ học, đồng thời tạo ra điện trường xoay chiều. Tuy nhiên, dao động và điện trường do tinh thể tạo ra này thường nhỏ, nhưng miễn là ở một tần số nhất định, biên độ sẽ tăng lên đáng kể, tương tự như cộng hưởng vòng LC mà chúng ta, những người thiết kế mạch, thường thấy.

II. Phân loại dao động tinh thể (chủ động và thụ động)

① Bộ dao động tinh thể thụ động

Tinh thể thụ động là một tinh thể, thường là thiết bị không phân cực có 2 chân (một số tinh thể thụ động có chân cố định không có phân cực).

Bộ dao động tinh thể thụ động thường cần dựa vào mạch xung nhịp được tạo thành bởi tụ điện tải để tạo ra tín hiệu dao động (tín hiệu sóng sin).

② Bộ dao động tinh thể chủ động

Bộ dao động tinh thể chủ động là một bộ dao động, thường có 4 chân. Bộ dao động tinh thể chủ động không yêu cầu bộ dao động bên trong CPU để tạo ra tín hiệu sóng vuông. Bộ nguồn tinh thể chủ động tạo ra tín hiệu xung nhịp.

Tín hiệu của bộ dao động tinh thể chủ động ổn định, chất lượng tốt hơn, chế độ kết nối tương đối đơn giản, sai số độ chính xác nhỏ hơn so với bộ dao động tinh thể thụ động và giá thành đắt hơn so với bộ dao động tinh thể thụ động.

III. Các thông số cơ bản của bộ dao động tinh thể

Các thông số cơ bản của bộ dao động tinh thể chung là: nhiệt độ hoạt động, giá trị độ chính xác, điện dung phù hợp, hình thức đóng gói, tần số lõi, v.v.

Tần số lõi của bộ dao động tinh thể: Việc lựa chọn tần số tinh thể chung phụ thuộc vào yêu cầu của các thành phần tần số, chẳng hạn như MCU thường có một dải tần số, phần lớn là từ 4M đến hàng chục M.

Độ chính xác rung tinh thể: độ chính xác của rung tinh thể thường là ±5PPM, ±10PPM, ±20PPM, ±50PPM, v.v., chip đồng hồ có độ chính xác cao thường nằm trong khoảng ±5PPM và sử dụng chung sẽ chọn khoảng ±20PPM.

Điện dung phù hợp của bộ dao động tinh thể: thường bằng cách điều chỉnh giá trị của điện dung phù hợp, tần số lõi của bộ dao động tinh thể có thể thay đổi và hiện nay, phương pháp này được sử dụng để điều chỉnh bộ dao động tinh thể có độ chính xác cao.

Trong hệ thống mạch, đường tín hiệu xung nhịp tốc độ cao có mức độ ưu tiên cao nhất. Đường xung nhịp là tín hiệu nhạy cảm, và tần số càng cao thì đường dây càng ngắn để đảm bảo độ méo tín hiệu ở mức tối thiểu.

Hiện nay, trong nhiều mạch, tần số xung nhịp tinh thể của hệ thống rất cao, do đó năng lượng nhiễu sóng hài cũng rất mạnh. Sóng hài không chỉ xuất phát từ hai đường tín hiệu đầu vào và đầu ra mà còn từ bức xạ không gian, điều này cũng dẫn đến việc nếu bố trí PCB của bộ dao động tinh thể không hợp lý, dễ gây ra vấn đề bức xạ lạc mạnh, và một khi đã phát sinh, rất khó để giải quyết bằng các phương pháp khác. Do đó, việc bố trí bộ dao động tinh thể và đường tín hiệu CLK khi lắp đặt PCB là rất quan trọng.