Bộ tạo dao động tinh thể xác định sự sống và cái chết của các mạch kỹ thuật số

Bộ tạo dao động tinh thể xác định sự sống và cái chết của các mạch kỹ thuật số

Bộ tạo dao động tinh thể trông giống như một thiết bị nhỏ không thể nhìn thấy trên bảng, nhưng trong mạch kỹ thuật số, nó giống như trái tim của toàn bộ mạch. Tất cả các công việc của mạch kỹ thuật số không thể tách rời với đồng hồ. Chất lượng của bộ dao động tinh thể và thiết kế của mạch dao động tinh thể sẽ ảnh hưởng đến sự ổn định của toàn bộ hệ thống. Do đó, biết thêm về bộ tạo dao động tinh thể và chọn bộ tạo dao động tinh thể được sử dụng trong hệ thống là bước đầu tiên để xác định thành công hay thất bại cho mạch kỹ thuật số.

Các bộ dao động tinh thể chúng ta thường nói đến là các chữ viết tắt của bộ tạo dao động tinh thể thạch anh hoặc bộ cộng hưởng tinh thể thạch anh. Chúng đều được tạo ra bằng cách sử dụng hiệu ứng áp điện của tinh thể thạch anh. Áp dụng một điện trường vào hai điện cực của tinh thể thạch anh sẽ gây ra biến dạng cơ học của tinh thể. Ngược lại, nếu áp suất cơ học tác dụng lên cả hai mặt của tinh thể, một trường điện sẽ được tạo ra trên tinh thể. Hơn nữa, hai hiện tượng này là đảo ngược. Sử dụng tính năng này, áp dụng các điện áp xoay chiều trên cả hai mặt của tinh thể, wafer sẽ tạo ra các dao động cơ học, đồng thời tạo ra một điện trường xoay chiều. Loại rung và điện trường này thường rất nhỏ, nhưng ở một tần số nhất định, biên độ sẽ tăng đáng kể. Đây là cộng hưởng áp điện, có phần giống với cộng hưởng bể LC thông thường.

Hình dưới đây là sơ đồ đường cong đặc tính tần số điện trở và mạch tương đương của bộ dao động tinh thể:

Có thể thấy từ hình vẽ khi xảy ra cộng hưởng loạt trong nhánh LCR này, tần số cộng hưởng chuỗi của nó là fs và công thức tính toán của nó giống như cộng hưởng chuỗi thông thường:

Khi tần số tiếp tục tăng và cao hơn fs, nhánh LCR là cảm ứng, do đó cộng hưởng song song xảy ra với C0, tần số cộng hưởng song song fp, công thức tính toán của nó là:

Trong số đó, do đặc điểm của bộ dao động tinh thể, C nhỏ hơn nhiều so với C0, nên các giá trị của fp và fs rất gần nhau. Có thể thấy từ biểu đồ đặc tính tần số phản ứng trong phạm vi tần số hẹp này, toàn bộ bộ dao động tinh thể là cảm ứng, do đó chỉ có một tụ điện phù hợp được kết nối song song bên ngoài bộ dao động tinh thể để tạo thành mạch cộng hưởng song song. Sau đó thêm mạch cộng hưởng song song này vào mạch phản hồi âm để tạo thành mạch dao động sóng hình sin. Điện dung phù hợp này là điện dung tải của bộ dao động tinh thể.

Hình trên là một mạch dao động tinh thể phổ biến. Bộ tạo dao động tinh thể và C1 và C2 tạo thành một mạch cộng hưởng song song, được nối với chân của chip. Bộ khuếch đại đảo ngược và Rf bên trong chip tạo thành một vòng phản hồi âm. R1 được sử dụng để hạn chế dòng điện chạy vào bộ dao động tinh thể. Một số chip sẽ tích hợp Rf và R1 vào thiết bị, do đó giảm độ khó của thiết kế mạch. , Và để đảm bảo sự ổn định của hệ thống. Tham số quan trọng của bộ tạo dao động tinh thể là điện dung tải. Việc chọn một tụ điện bằng với điện dung tải song song có thể đảm bảo rằng bộ dao động tinh thể hoạt động ở tần số định mức. Nếu điện dung tải của bộ tạo dao động tinh thể là 15pf, thì chúng ta có thể chọn 30pf cho C1 và C2. Xem xét ảnh hưởng của điện dung chân chip và điện dung theo dõi PCB, giá trị này cũng có thể giảm một cách thích hợp. 27pf và 22pf thường có thể hoạt động bình thường. Trong trường hợp đáp ứng các yêu cầu địa chấn, C1 và C2 có thể được chọn càng nhỏ càng tốt, có thể tăng tốc thời gian đáp ứng địa chấn của bộ dao động tinh thể. Cần lưu ý rằng một số nhà sản xuất bộ tạo dao động tinh thể sẽ trực tiếp cung cấp các giá trị được đề xuất của C1 và C2 thay vì điện dung tải, vì vậy trong sử dụng thực tế, cần phải xác nhận với nhà sản xuất theo mô hình cụ thể được sử dụng.

Ngoài hiệu ứng áp điện, bộ tạo dao động tinh thể còn có một đặc tính khác không thể bỏ qua, đó là sự trôi dạt nhiệt độ. Tần số dao động của bộ dao động tinh thể sẽ thay đổi một chút với sự thay đổi của nhiệt độ môi trường, đó là một đặc tính vốn có của bộ dao động tinh thể. Chính vì sự chênh lệch nhiệt độ mà độ chính xác của các bộ dao động tinh thể thông thường khó đạt được rất cao. Độ chính xác của các bộ dao động tinh thể thông thường chủ yếu là 40ppm, 20ppm và khó đạt được dưới 10ppm. Loại chính xác này có thể đáp ứng đầy đủ nhu cầu trong một số trường hợp không yêu cầu độ chính xác tinh thể cao, chẳng hạn như đầu vào đồng hồ của bộ vi xử lý. Tuy nhiên, trong các ứng dụng như truyền thông không dây, ứng dụng di động và radio và truyền hình đòi hỏi phải đồng bộ hóa đồng hồ chính xác, rất khó để các bộ dao động tinh thể thông thường đáp ứng yêu cầu hệ thống. Để giải quyết ảnh hưởng của sự trôi dạt nhiệt độ, hệ thống phải chọn một tinh thể bù nhiệt độ chính xác cao hơn hoặc tinh thể nhiệt độ không đổi. Bộ tạo dao động tinh thể bù nhiệt độ điều khiển tần số đầu ra của bộ tạo dao động tinh thể bằng cách cảm nhận nhiệt độ môi trường và sau đó chuyển thông tin nhiệt độ thành đại lượng điều khiển. Các bộ dao động tinh thể bù nhiệt độ hiện nay chủ yếu sử dụng công nghệ kỹ thuật số để đạt được điều khiển chính xác hơn. Bộ tạo dao động tinh thể ở nhiệt độ không đổi tiến thêm một bước. Tinh thể được đặt trong bể nhiệt độ không đổi và bể nhiệt độ không đổi được duy trì ở nhiệt độ không đổi bằng cách đặt điểm làm việc ở nhiệt độ không đổi. Tinh thể trong bể nhiệt độ không đổi không thể bị ảnh hưởng bởi nhiệt độ bên ngoài. trình độ. Độ chính xác đầu ra của bộ dao động tinh thể bù nhiệt độ và bộ dao động tinh thể nhiệt độ không đổi có thể đạt 1ppm hoặc thậm chí cao hơn. Nó có thể đáp ứng các yêu cầu hệ thống nghiêm ngặt.

Do tầm quan trọng của bộ dao động tinh thể trong các mạch kỹ thuật số, chúng ta cần cẩn thận khi sử dụng và thiết kế:

a. Có một tinh thể thạch anh bên trong bộ dao động tinh thể, do đó dễ làm cho tinh thể thạch anh bị vỡ và vỡ và làm cho bộ dao động tinh thể bị hỏng khi bị va đập hoặc rơi. Khi thiết kế, cần xem xét việc lắp đặt bộ dao động tinh thể đáng tin cậy và vị trí càng xa càng tốt để không gần với cạnh của bảng, trường hợp của thiết bị, v.v.

b. Chú ý đến nhiệt độ hàn khi hàn bằng tay hoặc máy. Bộ dao động tinh thể nhạy cảm với nhiệt độ. Nhiệt độ không được quá cao trong quá trình hàn và thời gian gia nhiệt phải càng ngắn càng tốt.

c. Khi thiết kế, cố gắng rút ngắn dấu vết của bộ phận dao động tinh thể, giữ khoảng cách giữa dấu vết dao động tinh thể và các đường tín hiệu khác càng xa càng tốt, và nên nối đất vỏ dao động tinh thể.

d. Chọn các giá trị điện dung của C1 và C2 một cách cẩn thận. Cố gắng thiết kế theo giá trị khuyến nghị được cung cấp bởi nhà sản xuất. Với tiền đề đáp ứng các yêu cầu địa chấn, các giá trị của C1 và C2 có thể càng nhỏ càng tốt, có thể rút ngắn thời gian khởi động dao động tinh thể.

e. Chú ý xem bộ dao động tinh thể có bị quá tải hay không. Quá mức sẽ ảnh hưởng đến tuổi thọ của bộ dao động tinh thể. Nếu bạn sử dụng máy hiện sóng để kiểm tra xem đầu ra của bộ dao động tinh thể có bị cắt không, và các đỉnh và thung lũng bị làm phẳng, thì bạn phải xem xét liệu bộ tạo dao động tinh thể có bị quá tải hay không. Điện trở của điện trở giới hạn dòng điện R1 có thể được điều chỉnh phù hợp. Cho đến khi sóng hình sin hoàn chỉnh là đầu ra.