Oscilador de cristal determina la vida y muerte de los circuitos digitales.
Oscilador de cristal determina la vida y muerte de los circuitos digitales.
El oscilador de cristal parece un pequeño dispositivo insignificante en el tablero, pero en el circuito digital, es como el corazón de todo el circuito. Todo el trabajo del circuito digital es inseparable del reloj. La calidad del oscilador de cristal y el diseño del circuito del oscilador de cristal afectarán la estabilidad de todo el sistema. Por lo tanto, comprender más sobre el oscilador de cristal y elegir el oscilador de cristal utilizado en el sistema es el primer paso para determinar el éxito o el fracaso del circuito digital.
Los osciladores de cristal que a menudo decimos actualmente son la abreviatura de osciladores de cristal de cuarzo o resonadores de cristal de cuarzo. Todos están hechos con el efecto piezoeléctrico de los cristales de cuarzo. La aplicación de un campo eléctrico a los dos electrodos de un cristal de cuarzo hará que el cristal se deforme mecánicamente. Por el contrario, si se aplica presión mecánica a ambos lados del cristal, se generará un campo eléctrico en el cristal. Además, estos dos fenómenos son reversibles. Aprovechando esta característica, se aplica un voltaje alterno a ambos lados del cristal, y la oblea producirá vibraciones mecánicas y un campo eléctrico alterno. Este tipo de vibración y campo eléctrico son generalmente muy pequeños, pero a cierta frecuencia, la amplitud aumentará significativamente, es decir, la resonancia piezoeléctrica, que es similar a la resonancia de bucle LC que comúnmente vemos.
La siguiente figura es un gráfico del circuito eléctrico equivalente del cristal y la curva característica de frecuencia de reactancia:
De la figura se puede ver que cuando ocurre la resonancia en serie de la rama LCR, la frecuencia de resonancia en serie es fs, y la fórmula de cálculo es la misma que la fórmula de cálculo de resonancia en serie ordinaria:
Cuando la frecuencia continúa aumentando, más alta que fs, la rama LCR es inductiva, de modo que la resonancia paralela con C0, la frecuencia de resonancia paralela fp, la fórmula de cálculo es:
Entre ellos, debido a las características del oscilador de cristal, C es mucho más pequeño que C0, por lo que los valores de fp y fs son muy cercanos. Se puede ver en el gráfico de curva característica de frecuencia reactiva que dentro de este estrecho rango de frecuencia, el cristal en su conjunto exhibe inductancia, de modo que solo un condensador adecuado necesita conectarse en paralelo fuera del cristal para formar un circuito resonante paralelo. Luego agregue este circuito resonante paralelo al circuito de retroalimentación negativa para formar un circuito de oscilación de onda sinusoidal. Esta capacitancia adecuada es la capacitancia de carga del cristal.
La imagen de arriba es un circuito oscilador de cristal común. El cristal y C1 y C2 forman un circuito resonante paralelo conectado al pin del chip. El amplificador inversor y Rf dentro del chip forman un circuito de retroalimentación negativa. R1 se utiliza para limitar la corriente que fluye hacia el cristal. Algunos chips integrarán Rf y R1 en el dispositivo, lo que reduce la dificultad del diseño del circuito. , Y para garantizar la estabilidad del sistema. El parámetro importante del oscilador de cristal es la capacitancia de carga. Elegir un capacitor igual a la capacitancia de carga en paralelo puede asegurar que el oscilador de cristal funcione a la frecuencia nominal. Si la capacidad de carga del oscilador de cristal es de 15pf, entonces podemos elegir 30pf para C1 y C2. Teniendo en cuenta la influencia de la capacitancia del pin de chip y la capacitancia de rastreo de PCB, este valor también puede reducirse adecuadamente. 27pf y 22pf generalmente funcionan normalmente. En el caso de cumplir con los requisitos del inicio de la vibración, C1 y C2 se pueden seleccionar lo más pequeño posible, lo que puede acelerar el tiempo de inicio del oscilador de cristal. Cabe señalar que algunos fabricantes de cristales proporcionarán directamente los valores recomendados de C1 y C2, en lugar de proporcionar la capacidad de carga, por lo que en el uso real, aún es necesario confirmar con el fabricante de acuerdo con el modelo específico utilizado.
Además del efecto piezoeléctrico, el oscilador de cristal tiene otra característica que no se puede ignorar, es decir, la deriva de temperatura. La frecuencia de oscilación del oscilador de cristal cambiará ligeramente con el cambio de la temperatura ambiente, que es una característica inherente del oscilador de cristal. Debido a la existencia de una deriva de temperatura, la precisión de los osciladores de cristal ordinarios es difícil de hacer muy alta. Los osciladores de cristal comunes son en su mayoría de 40 ppm y 20 ppm, que es difícil de alcanzar por debajo de 10 ppm. Este tipo de precisión puede cumplir completamente con los requisitos en algunas ocasiones donde la precisión del oscilador de cristal no es alta, como la entrada del reloj del microprocesador. Sin embargo, en aplicaciones tales como comunicaciones inalámbricas, aplicaciones celulares y transmisión de televisión, donde se requiere una sincronización precisa del reloj, es difícil para los osciladores de cristal ordinarios cumplir con los requisitos del sistema. Para resolver el impacto de la deriva de temperatura, el sistema debe elegir un oscilador de cristal con temperatura compensada más preciso u oscilador de cristal de temperatura constante. El oscilador de cristal compensado por temperatura controla la frecuencia de salida del oscilador de cristal al detectar la temperatura ambiente y luego convertir la información de temperatura en una cantidad controlada. Los cristales actuales con compensación de temperatura utilizan principalmente tecnología digital para lograr un control más preciso. El oscilador de cristal de temperatura constante va más allá, coloca el cristal en el baño de temperatura constante y establece el punto de trabajo de temperatura constante para mantener el baño de temperatura constante en un estado de temperatura constante, el cristal puede ser independiente de la temperatura externa en el baño de temperatura constante, mejorando en gran medida la estabilidad de la frecuencia de salida del cristal la licenciatura. La precisión de salida del oscilador de cristal compensado por temperatura y el oscilador de cristal de temperatura constante puede alcanzar 1 ppm o incluso más. Puede cumplir con los estrictos requisitos del sistema.
Debido a la importancia del cristal en los circuitos digitales, debemos tener cuidado al usar y diseñar:
a) Hay cristales de cuarzo dentro del oscilador de cristal, por lo que cuando se somete a un impacto externo o caída, es fácil hacer que el cristal de cuarzo se rompa y que el oscilador de cristal falle. Al diseñar, debemos considerar la instalación confiable y la ubicación del oscilador de cristal lo más cerca posible del borde de la placa, la carcasa del equipo, etc.
B. Preste atención a la temperatura de soldadura durante la soldadura manual o la máquina. El oscilador de cristal es sensible a la temperatura. La temperatura no debe ser demasiado alta durante la soldadura y el tiempo de calentamiento debe ser lo más corto posible.
c. Al diseñar, intente acortar los rastros del oscilador de cristal. Mantenga los rastros del oscilador de cristal y otras líneas de señal lo más lejos posible. Se recomienda conectar a tierra la carcasa del oscilador de cristal. Estas medidas pueden evitar mejor las interferencias.
d) Elija el valor de C1 y C2 con cuidado. Intente diseñar de acuerdo con el valor recomendado proporcionado por el fabricante. En la premisa de cumplir con los requisitos del inicio de la vibración, los valores de C1 y C2 pueden ser tan pequeños como sea posible, lo que puede acortar el tiempo de inicio del oscilador de cristal.
e) Preste atención a si el oscilador de cristal está sobrecargado, lo que afectará la vida útil del oscilador de cristal. Si la prueba del osciloscopio determina que la salida del oscilador de cristal está recortada y los picos y los canales se aplanan, entonces es necesario considerar si el oscilador de cristal está sobrecargado. La resistencia de la resistencia limitadora de corriente R1 se puede ajustar adecuadamente. Hasta que salga una onda sinusoidal completa.