¿Por qué la señal en XTAL1 y XTAL2 es una onda sinusoidal (no cuadrada)?

Tengo una implementación básica con un cristal que alimenta XTAL1 y XTAL2 en un procesador (similar al siguiente). Cuando miro la señal en XTAL1 y XTAL2 son ondas sinusoidales.

¿No deberían ser ondas cuadradas?

Este circuito no es un circuito digital. De hecho, es un circuito analógico no lineal bastante matemáticamente complicado con control automático de ganancia con modo de oscilación autosostenible. Se llama un " oscilador Pierce ".

La frecuencia de las oscilaciones se define por una pendiente pronunciada del resonador electromecánico (cristal), mientras que el control de ganancia se basa en la dependencia de la entrada del voltaje de polarización de CC, si la polarización de CC (en C1) es demasiado baja a tierra o demasiado cerca de V _cc , la ganancia es baja. La ganancia lineal es más alta en algún lugar entre el suelo y el riel de potencia.

La resistencia de polarización (generalmente interna) R1 desempeña un papel crucial en el oscilador. El valor típico en implementaciones CMOS es de aproximadamente 1 MOhm. Junto con C1, forma un filtro de paso bajo, que integra la salida y proporciona un desplazamiento de CC variable dependiendo de una ligera asimetría de la señal de salida, incluso si la salida llega a la saturación (limitación de riel).

Como resultado, podría haber una variedad de formas de señal con una distorsión más o menos no lineal en Xout y Xin, dependiendo de la ganancia bruta del inversor y los parámetros del resonador de cristal y los condensadores de carga. Con una ganancia muy baja y al borde de las autooscilaciones, las señales serán casi sinusoidales, mientras que a una ganancia más alta la salida golpeará el riel de voltaje y puede ser casi rectangular. El arte de hacer osciladores Pierce es proporcionar una compensación dorada entre salida rectangular y sinusoidal, con buena estabilidad de todo el circuito a las variaciones de temperatura y voltaje.

Este artículo trata de un resonador MEMS, no de cristal de cuarzo, pero las ideas son las mismas. Este es un ejemplo de cómo el circuito comienza y se desplaza al estado estable:

El cristal (+ C1 / C2) es un resonador / filtro de ancho de banda muy estrecho. Solo la frecuencia fundamental puede pasar por ella.

Las ondas sinusoidales son una sola frecuencia pura, por lo que es una onda sinusoidal.

Las ondas cuadradas se hacen cuadradas, por todos los armónicos impares que llenan la joroba hasta que el seno se vuelve cuadrado. Sin armónicos = no cuadrado

[Tenga en cuenta que los cristales tienen de hecho "armónicos" llamados armónicos , pero están ligeramente fuera de frecuencia unos de otros, por lo que los armónicos del fundamental no alcanzan el tercer armónico, etc.]

Otra vista es que el cristal es como las ruedas de una bicicleta rodando por la carretera. El inversor CMOS que lo maneja es como sus pies y piernas. Ahora podría "apuñalar" los pedales e intentar hacer que el movimiento sea una onda cuadrada si lo desea. Pero los pedales van a dar vueltas y vueltas suavemente, independientemente, porque el efecto del volante es muy grande. El cristal es como un enorme volante que gira suavemente y sinusoidalmente.

El cristal es realmente como un volante pesado. Si desconecta repentinamente la unidad, la señal tardará miles de ciclos en desaparecer. Cuando enciende el oscilador, se requieren miles de ciclos para comenzar, aumentando lentamente la amplitud. Es por eso que su procesador tiene un "temporizador de inicio del oscilador"

Un cristal convertirá energía eléctrica en energía mecánica y viceversa. Es capaz de hacer esto eficientemente cuando se maneja con una forma de onda sinusoidal de una frecuencia particular. Conducirlo con cualquier otra cosa dará como resultado que convierta una fracción mayor de la energía aplicada en calor o degradación mecánica.

Si bien sería posible que un procesador produjera una onda cuadrada en el cristal, esto provocaría que el cristal generara más calor y estuviera sujeto a más estrés que conducirlo con algo más cercano a una forma de onda sinusoidal. Además, si el propósito de un pin es servir como la salida de un oscilador de cristal, un pequeño transistor que no sea lo suficientemente fuerte como para forzar el cambio instantáneo del voltaje del pin puede ser bastante barato en comparación con un transistor que sea lo suficientemente potente como para conducir a la fuerza una ola cuadrada.

Tenga en cuenta, por cierto, que en la mayoría de los casos el procesador no pondrá mucha energía en el cristal, y la forma sinusoidal no está dominada por la energía que fluye del procesador al cristal, sino por la energía que fluye repetidamente El cristal en las tapas adjuntas y viceversa.

Aunque la señal es una onda sinusoidal, el pin tiene un voltaje de umbral. Por debajo de este umbral, habrá un 0, y por encima leerá un 1. Esto generalmente es una consecuencia de los circuitos internos.

Por encima del umbral, el pin registrará un 1. El pin tiene un rango de voltajes en los que puede funcionar regularmente, por lo que incluso si el voltaje de un '1' cambia, digamos de 3.31 a 3.35 voltios, durante el pico de la onda sinusoidal , funcionará de la manera deseada.

Entonces, el pin pasa de funcionar como un 0 a funcionar como un 1, a pesar de que el voltaje real varía ligeramente. Por supuesto, demasiado voltaje y comenzará a funcionar de manera inesperada, generalmente dañando el chip.

El cristal se usa como un filtro de paso de banda estrecha Q muy alto con un cambio de fase de 180 grados, el inversor lo obligará a oscilar hasta la saturación de una onda cuadrada de nivel lógico.

Por lo tanto, la entrada del inversor es una onda sinusoidal como resultado de filtrar todos los armónicos de la onda cuadrada.

Eso onda sinusoidal, que tiene una finito y fácilmente computado pendiente, junto con algo de ruido de fondo en la circuitería interna que HACE cuadrado la señal del resonador, causa un ruido de fase predecible o jitter tiempo.

Usa la fórmula

T _jitter = V _ruido / SlewRate

para predecir el desplazamiento temporal de esta fuente de reloj.

Tenga en cuenta que cualquier otro circuito solo agregará más jitter. Usa la misma fórmula.

Suponga que su circuito de seno a cuadrado tiene 10 kohm Rnoise. Esto es 12 nanovoltios / rtHz térmico aleatorio / Johnson / Boltsmann densidad de ruido. Si el ancho de banda es de 100 MHz, el voltaje de ruido de entrada total es de 12 nV * sqrt (100 MHz) = 12 nV * 10 ^ 4 = 120 microvoltios RMS.

Suponga que la frecuencia del cristal es de 10 MHz, con una amplitud senoidal de + -1 voltios. La velocidad de respuesta es de 1 V * 6.28 * 10 MHz = 63 voltios / µs.

¿Cuál es la fluctuación del borde? T _j = V _ruido / Velocidad de respuesta

T _j = 120 microvoltios / (63 voltios / µs) = 2 picosegundos.