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

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 denomina " oscilador Pierce ".

Lafrecuenciadelasoscilacionessedefineporunafuertependientedelresonadorelectromecánico(cristal),mientrasqueelcontroldegananciasebasaenladependenciadelaentradadelatensióndepolarizacióndeCC:silapolarizacióndeCC(enC1)esdemasiadobajaentierraodemasiadocercadeV_cc,lagananciaesbaja.Laganancialinealesmásaltaenalgúnlugarentreelsueloyelrieleléctrico.

Elresistordepolarización(generalmenteinterno)R1desempeñaunpapelcrucialeneloscilador.SuvalortípicoenimplementacionesCMOSesdeaproximadamente1MOhm.JuntoconC1,formaunfiltrodepasobajo,queintegralasalidayproporcionaundesplazamientovariabledeCCdependiendodelaligeraasimetríadelaseñaldesalida,inclusosilasalidallegaalasaturación(limitaciónderiel).

Comoresultado,podríahaberunavariedaddeformasdeseñalconunadistorsiónmásomenosnolinealenXoutyXin,dependiendodelagananciabrutadelinversorylosparámetrosdelresonadordecristalyloscondensadoresdecarga.Conunagananciamuybajayalbordedelasauto-oscilaciones,lasseñalesseráncasisinusoidales,mientrasqueamayorganancia,lasalidallegaráalrieldevoltajeypuedesercasirectangular.ElartedehacerosciladoresPierceesproporcionarunacompensacióndeoroentrelasalidarectangularylasinusoidal,conunabuenaestabilidaddetodoelcircuitoalasvariacionesdetemperaturayvoltaje.

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 a un estado estable:

El cristal (+ C1 / C2) es un muy resonador / filtro de ancho de banda estrecho. Sólo la frecuencia fundamental puede caber a través de ella.

Las ondas sinusoidales son una única función pura, por lo que es una onda sinusoidal.

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

[Los cristales de notas tienen, de hecho, "armónicos" llamados armónicos , pero están ligeramente alejados de la frecuencia entre sí, por lo que los armónicos de los fundamentales no llegan al tercer armónico, etc.]

Otra vista es que el cristal es como las ruedas de una bicicleta que rueda por la carretera. El inversor CMOS que lo conduce, es como tus pies y piernas. Ahora puedes "apuñalar" los pedales e intentar hacer que el movimiento sea una onda cuadrada si lo deseas. Pero los pedales simplemente van a dar vueltas y más vueltas sin importar, porque el efecto del volante es muy grande. El cristal es como un enorme volante que gira suavemente y sinusoidal.

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

Un cristal convertirá la energía eléctrica en energía mecánica y viceversa. Es capaz de hacer esto de manera eficiente cuando se maneja con una forma de onda sinusoidal de una frecuencia particular. Conducirlo con cualquier otra cosa resultará en la conversión de una fracción mayor de la energía aplicada en calor o degradación mecánica.

Si bien es posible que un procesador emita una onda cuadrada al cristal, esto podría hacer que el cristal genere más calor y esté más sujeto que el empuje con algo más cercano a una forma de onda sinusoidal. Además, si el propósito de un pin es servir como salida de un oscilador de cristal, un pequeño transistor que no sea lo suficientemente fuerte como para forzar el cambio instantáneo del pin en el pin puede ser bastante barato en comparación con un transistor que sea lo suficientemente poderoso como para conducir por la fuerza una onda cuadrada.

Note, incidentalmente, que en la mayoría de los casos, el procesador no va a poner 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 está Fluye repetidamente del cristal a las tapas adjuntas y viceversa.

Aunque la señal es una onda sinusoidal, el pin tiene un voltaje de umbral. Por debajo de este umbral, será un 0, y por encima de él leerá un 1. Esto suele ser 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, por ejemplo, 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, aunque la tensión real varía ligeramente. Por supuesto, demasiado voltaje y comenzará a funcionar de manera inesperada, generalmente dañando el chip.

El cristal se utiliza como un filtro de paso de banda estrecha Q muy alto con un desplazamiento de fase de 180 grados, el inversor lo obligará a oscilar a 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.

Esa onda sinusoidal, que tiene una pendiente finita y fácil de calcular, junto con algo de ruido en el circuito interno que HACE cuadrada con la señal del resonador, causa un ruido de fase predecible o fluctuación de tiempo. p>

Usa la fórmula

T _jitter = V _noise / SlewRate

para predecir el desvío de tiempo de esta fuente de reloj.

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

Suponga que su circuito seno-a-cuadrado tiene 10 kohm Rnoise. Se trata de 12 nanovoltios / rtHz de densidad de ruido aleatorio / Johnson / Boltsmann. Si el ancho de banda es de 100 MHz, la tensión 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 sinusoidal máxima de + -1 voltios. La velocidad de giro es 1 V * 6.28 * 10 MHz = 63 voltios / µs.

¿Qué es el jitter del borde? T _j = V _noise / SlewRate

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