Pourquoi le signal sur XTAL1 et XTAL2 est-il une onde sinusoïdale (pas carrée)?

J'ai une implémentation de base avec un cristal alimentant XTAL1 et XTAL2 sur un processeur (similaire à ci-dessous). Quand je regarde le signal sur XTAL1 et XTAL2, ce sont des ondes sinusoïdales.

Ne devraient-ils pas être des ondes carrées?

Ce circuit n'est pas un circuit numérique. En fait, il s'agit d'un circuit analogique non linéaire assez compliqué mathématiquement avec contrôle automatique du gain avec mode d'oscillation autonome. Il est appelé " oscillateur Pierce ".

La fréquence des oscillations est définie par une forte pente du résonateur électromécanique (cristal), tandis que le contrôle de gain est basé sur la dépendance de l'entrée sur la tension de polarisation CC - si la polarisation CC (en C1) est trop faible pour la masse ou trop proche de V _cc , le gain est faible. Le gain linéaire est le plus élevé quelque part entre le sol et le rail d'alimentation.

La résistance de polarisation R1 (généralement interne) joue un rôle crucial dans l'oscillateur. La valeur typique de celui-ci dans les implémentations CMOS est d'environ 1 MOhm. Avec C1, il forme un filtre passe-bas, qui intègre la sortie et fournit un décalage DC variable en fonction de la légère asymétrie du signal de sortie, même si la sortie arrive à saturation (limitation du rail).

En conséquence, il pourrait y avoir une variété de formes de signaux avec une distorsion plus ou moins non linéaire sur Xout et Xin, selon le gain brut de l'onduleur et les paramètres du résonateur à cristal et des condensateurs de charge. Avec un gain très faible et au bord des auto-oscillations, les signaux seront presque sinusoïdaux, tandis qu'à un gain plus élevé, la sortie frappera le rail de tension et peut être presque rectangulaire. L'art de fabriquer des oscillateurs Pierce est de fournir un compromis en or entre la sortie rectangulaire et la sortie sinusoïdale, avec une bonne stabilité de l'ensemble du circuit aux variations de température et de tension.

Cet article traite d'un résonateur MEMS, pas de cristal de quartz, mais les idées sont les mêmes. Voici un exemple de la façon dont le circuit démarre et dérive vers un état stable:

Le cristal (+ C1 / C2) est un résonateur / filtre à bande passante très étroite. Seule la fréquence fondamentale peut y passer.

Les ondes sinusoïdales sont une seule fréquence pure, il s'agit donc d'une onde sinusoïdale.

Les ondes carrées sont rendues carrées, par toutes les harmoniques impaires remplissant la bosse jusqu'à ce que le sinus devienne carré. Pas d'harmoniques = pas carré

[Notez que les cristaux ont en fait des "harmoniques" appelées harmoniques , mais ils sont légèrement hors fréquence les uns des autres, donc les harmoniques du fondamental n'atteignent pas tout à fait le 3e harmonique, etc.]

Un autre point de vue est que le cristal est comme les roues d'un vélo roulant sur la route. L'inverseur CMOS qui l'entraîne, c'est comme vos pieds et vos jambes. Vous pouvez maintenant "poignarder" les pédales et essayer de faire du mouvement une onde carrée si vous le souhaitez. Mais les pédales vont simplement tourner en rond sans problème, car l'effet du volant est si important. Le cristal est comme un énorme volant qui tourne doucement et sinusoïdalement.

Le cristal est vraiment comme un volant lourd. Si vous déconnectez soudainement le lecteur, le signal mettra des milliers de cycles à disparaître. Lorsque vous allumez l'oscillateur, il faut des milliers de cycles pour démarrer, augmentant lentement l'amplitude. C'est pourquoi votre processeur dispose d'une "minuterie de démarrage de l'oscillateur"

Un cristal convertira l'énergie électrique en énergie mécanique et vice versa. Il est capable de le faire efficacement lorsqu'il est piloté avec une forme d'onde sinusoïdale d'une fréquence particulière. Le conduire avec quoi que ce soit d'autre entraînera la conversion d'une plus grande fraction de l'énergie appliquée en chaleur ou en dégradation mécanique.

Bien qu'il soit possible pour un processeur de produire une onde carrée vers le cristal, cela entraînerait que le cristal génère plus de chaleur et est soumis à plus de stress que de le conduire avec quelque chose de plus proche d'une forme d'onde sinusoïdale. De plus, si le but d'une broche est de servir de sortie à un oscillateur à cristal, un petit transistor qui n'est pas assez fort pour forcer la tension sur la broche à changer instantanément peut être assez bon marché par rapport à un transistor qui est assez puissant pour conduire de force une onde carrée.

Notez, incidemment, que dans la plupart des cas, le processeur ne mettra pas beaucoup de puissance dans le cristal, et la forme sinusoïdale n'est pas dominée par l'énergie qui coule du processeur dans le cristal, mais plutôt par l'énergie qui coule à plusieurs reprises de le cristal dans les capuchons attachés et retour.

Même si le signal est une onde sinusoïdale, la broche a une tension de seuil. En dessous de ce seuil, il y aura un 0 et au-dessus, il lira un 1. Ceci est généralement une conséquence des circuits internes.

Au-dessus du seuil, la broche enregistrera un 1. La broche a une plage de tensions dans laquelle elle peut fonctionner régulièrement, donc même si la tension d'un «1» change, disons de 3,31 à 3,35 volts, pendant le pic de l'onde sinusoïdale , il fonctionnera de la manière souhaitée.

Ainsi, la broche passe du fonctionnement en 0 au fonctionnement en 1, même si la tension réelle varie légèrement. Bien sûr, trop de tension et il commencera à fonctionner de manière inattendue, endommageant généralement la puce.

Le cristal est utilisé comme un filtre passe-bande à bande étroite Q très élevé avec un déphasage de 180 degrés, l'onduleur le forcera à osciller jusqu'à saturation d'une onde carrée de niveau logique.

L'entrée de l'onduleur est donc une onde sinusoïdale résultant du filtrage de toutes les harmoniques de l'onde carrée.

Cette onde sinusoïdale, ayant une pente définie et facilement calculée, ainsi que quelques plancher de bruit dans les circuits internes qui NE carré le signal de résonateur, la cause d' un bruit de phase prévisible ou gigue temporelle.

Utilisez la formule

T _gigue = V _bruit / SlewRate

pour prédire l'errance de synchronisation de cette source d'horloge.

Attention, tout autre circuit ne fera qu'ajouter de la gigue. Utilisez la même formule.

Supposons que votre circuit sinusoïdal à carré a un bruit de 10 kohms. Il s'agit d'une densité de bruit thermique aléatoire de 12 nanovolts / rtHz / Johnson / Boltsmann. Si la bande passante est de 100 MHz, la tension de bruit d'entrée totale est de 12 nV * sqrt (100 MHz) = 12 nV * 10 ^ 4 = 120 microvolts RMS.

Supposons que la fréquence du cristal est de 10 MHz, avec une amplitude sinusoïdale de crête de + -1 volt. La vitesse de balayage est de 1 V * 6,28 * 10 MHz = 63 volts / µs.

Quelle est la gigue de bord? T _j = _bruit V / SlewRate

T _j = 120 microvolts / (63 volts / µs) = 2 picosecondes.