Por que o sinal no XTAL1 e XTAL2 é uma onda senoidal (não quadrada)?

Eu tenho uma implementação básica com um cristal alimentando XTAL1 e XTAL2 em um processador (semelhante ao abaixo). Quando olho para o sinal em XTAL1 e XTAL2, são ondas senoidais.

Eles não deveriam ser ondas quadradas?

Este circuito não é um circuito digital. De fato, é um circuito analógico não linear bastante matematicamente complicado com controle automático de ganho com modo de oscilação auto-sustentável. É chamado de " oscilador Pierce ".

A frequência das oscilações é definida por uma inclinação acentuada do ressonador eletromecânico (cristal), enquanto o controle de ganho é baseado na dependência da entrada na tensão de polarização DC - se a polarização DC (em C1) for muito baixa para o solo ou muito próximo a V _cc , o ganho é baixo. O ganho linear é mais alto em algum lugar entre o solo e o trilho de força.

O resistor de polarização (geralmente interno) R1 desempenha um papel crucialmente importante no oscilador. O valor típico dele nas implementações do CMOS é de cerca de 1 MOhm. Juntamente com C1, ele forma um filtro passa-baixo, que integra a saída e fornece um deslocamento DC variável, dependendo da leve assimetria do sinal de saída, mesmo que a saída chegue à saturação (limitação de trilho).

Como resultado, pode haver uma variedade de formas de sinal com distorção mais ou menos não linear em Xout e Xin, dependendo do ganho bruto do inversor e dos parâmetros do ressonador de cristal e dos capacitores de carga. Com um ganho muito baixo e à beira de auto-oscilações, os sinais serão quase sinusoidais, enquanto que com um ganho maior, a saída atingirá o trilho de tensão e pode ser quase retangular. A arte de fabricar os osciladores Pierce é proporcionar uma troca de ouro entre a saída retangular e a senoidal, com boa estabilidade de todo o circuito às variações de temperatura e tensão.

Este artigo trata de um ressonador MEMS, não de cristal de quartzo, mas as idéias são as mesmas. Este é um exemplo de como o circuito inicia e muda para o estado estacionário:

O cristal (+ C1 / C2) é um ressonador / filtro de largura de banda muito estreita. Somente a frequência fundamental pode se encaixar nela.

As ondas senoidais são uma única frequência pura, portanto é uma onda senoidal.

As ondas quadradas são quadradas, com todos os harmônicos ímpares preenchendo a corcunda até que o seno se torne quadrado. Sem harmônicos = não quadrado

[Observe que os cristais realmente têm "harmônicos" chamados harmônicos , mas são levemente pouco frequentes um do outro, portanto os harmônicos do fundamental não atingem o terceiro harmônico, etc.]

Outra visão é que o cristal é como as rodas de uma bicicleta rolando pela estrada. O inversor CMOS que o dirige é como seus pés e pernas. Agora você pode "esfaquear" os pedais e tentar transformar o movimento em uma onda quadrada, se quiser. Mas os pedais vão girar e girar sem problemas, porque o efeito do volante é muito grande. O cristal é como um volante enorme rolando suavemente e sinusoidalmente.

O cristal é realmente como um volante pesado. Se você desconectar repentinamente a unidade, o sinal levará milhares de ciclos para desaparecer. Quando você liga o oscilador, são necessários milhares de ciclos para iniciar, aumentando lentamente a amplitude. É por isso que seu processador possui um "timer de inicialização do oscilador"

Um cristal converterá energia elétrica em energia mecânica e vice-versa. Ele é capaz de fazer isso de forma eficiente quando acionado com uma forma de onda sinusoidal de uma frequência específica. Conduzi-lo com qualquer outra coisa resultará na conversão de uma fração maior da energia aplicada em calor ou degradação mecânica.

Embora fosse possível para um processador emitir uma onda quadrada para o cristal, isso resultaria no cristal gerando mais calor e sendo sujeito a mais estresse do que conduzindo-o com algo mais próximo de uma forma de onda sinusoidal. Além disso, se o objetivo de um pino é servir como saída de um oscilador de cristal, um pequeno transistor que não seja forte o suficiente para forçar a tensão no pino a mudar instantaneamente pode ser bastante barato em comparação com um transistor que é poderoso o suficiente para forçar uma onda quadrada.

Observe, aliás, que na maioria dos casos o processador não estará colocando muita energia no cristal, e a forma senoidal não é dominada pela energia que flui do processador para o cristal, mas sim pela energia que flui repetidamente do cristal. o cristal nas tampas anexadas e vice-versa.

Mesmo que o sinal seja uma onda senoidal, o pino tem uma tensão limiar. Abaixo desse limite, será 0 e, acima, será lido 1. Isso geralmente é uma conseqüência dos circuitos internos.

Acima do limite, o pino registrará um 1. O pino possui uma faixa de tensões nas quais pode funcionar regularmente, portanto, mesmo que a tensão de um '1' mude, digamos de 3,31 a 3,35 volts, durante o pico da onda senoidal , funcionará da maneira desejada.

Portanto, o pino passa de funcionar como 0 para funcionar como 1, mesmo que a tensão real varie um pouco. Obviamente, muita tensão e ela começará a operar de maneiras inesperadas, geralmente danificando o chip.

O cristal é usado como um filtro passa-banda Q muito alto com uma mudança de fase de 180 graus, o inversor o forçará a oscilar para a saturação de uma onda quadrada de nível lógico.

Portanto, a entrada do inversor é uma onda senoidal como resultado da filtragem de todas as harmônicas da onda quadrada.

Essa onda senoidal, com uma finita e facilmente calculado encosta, junto com algum nível de ruído no circuito interno que FAZ quadrado o sinal ressonador, causa um ruído de fase previsível ou jitter tempo.

Use a fórmula

T _jitter = V _ruído / SlewRate

para prever o tempo de desvio dessa fonte de relógio.

Cuidado para que outros circuitos apenas adicionem mais instabilidade. Use a mesma fórmula.

Suponha que seu circuito seno-quadrado tenha 10 kohm de rnoise. Esta é a densidade de ruído térmico aleatório de 12 nanovolts / rtHz / Johnson / Boltsmann. Se a largura de banda for 100 MHz, a tensão total do ruído de entrada será de 12 nV * sqrt (100 MHz) = 12 nV * 10 ^ 4 = 120 microvolts RMS.

Suponha que a frequência do cristal seja 10 MHz, com amplitude senoidal de pico de + -1 volts. A taxa de rotação é de 1 V * 6,28 * 10 MHz = 63 volts / µs.

Qual é o jitter da borda? T _j = _ruído V / taxa de rotação

T _j = 120 microvolts / (63 volts / ms) = 2 picosegundos.