Кварцевые генераторы и сфера их применения

По мере развития электроники все большую роль в аппаратуре начинает играть цифровая техника. Никакие мало-мальски технически сложные устройства, будь то спутниковый ресивер либо схема управления электродвигателем, не обходятся без микропроцессорных узлов, и в них все большую роль играют электронные компоненты, отвечающие за генерацию тактовой частоты: ведь от этого зависит и надежность управляющей системы, и точность показаний измерительного прибора, и устойчивость работы связного передатчика.

Бурный прогресс в электронике и смежных отраслях привел к тому, что появился новый тип прибора, предназначенного для генерации сигналов с высокой стабильностью. Если рассмотреть схемы многих цифровых (и не только) устройств, то легко заметить, что достаточно распространенными являются узлы генерации частоты. Естественно, если подобный узел достаточно часто приходится включать в устройство, то вполне логичным ходом является разработка унифицированного модуля, предназначенного как раз для генерации сигнала.

Эти готовые функционально законченные узлы представляют собой резонатор со схемой генерации, усиления и формирования выходного сигнала, помещенные в герметичный корпус. Такой электронный прибор, как правило, не требует большого количества дополнительных элементов обвязки и отличается широким диапазоном исполнений. Если рассматривать корпуса, то тут существует масса исполнений — от полноразмерного DIL-14 до сверхминиатюрных SMD толщиной 1 мм (рис.1). Есть полностью экранированные приборы с заземленным корпусом, есть приборы в керамическом корпусе, существуют и устройства в пластмассовом корпусе — для недорогой техники. Наиболее известными производителями генераторов в мире являются Epson, Ralton, Jauch и Hosonic.

Рис. 1 Корпусы кварцевых генераторов

Генераторы выпускаются во всем разнообразии возможных требований к выходному сигналу: есть генераторы, работающие со стандартной ТТЛ-логикой, с выходным сигналом с КМОП-уровнем для экономичных устройств, а есть и такие, которые выдают на выходе чистую синусоиду, как, например, некоторые генераторы компании Morion. Существует достаточно много видов кварцевых генераторов, имеющих различные функциональные возможности и области применения. В первую очередь стоит отметить отключаемые генераторы, которые имеют управляющий вывод для переключения их в третье высокоимпендансное состояние, благодаря чему появляются довольно широкие возможности для управления генератором. Например, с помощью управляющего вывода можно организовать режим stand-by в том случае, когда необходимо отключить генерацию, либо же в целях снижения энергопотребления устройства.

Типичный представитель — серия генераторов HO-26 производства корпорации Hosonic, способная выдавать КМОП-сигнал с частотой до 125 МГц.

Для кварцевых резонаторов наиболее критичным параметром является стабильность тактовой частоты. Для некоторых устройств, таких, как системы связи, навигации, точной настройки и точного времени, допуск по стабильности, которым обладают типовые резонаторы, уже не удовлетворяет как класс. Следовательно, возникла потребность вдругих приборах, обладающих совершенно другими характеристиками стабильности.

Так что же это закомпоненты?

Одна из бурно развивающихся ветвей отрасли — VCXO, генераторы, управляемые напряжением. Эти приборы обладают отличительной особенностью — возможностью изменения тактовой частоты в зависимости от напряжения на управляющем входе (диапазон подстройки может составлять от200 ppm), что открывает широкие возможности для настройки и калибровки вплоть до использования в качестве PLL-генератора. Производством подобных приборов занимается компания Hosonic. Они выпускаются в различных исполнениях —от типового генератора в стандартном корпусе VC-61 досверхминиатюрного компонента для SMD-монтажа VC-S толщиной менее 2 мм.

Частота генератора может изменяться от множества внешних факторов и наиболее критичным здесь является изменение температуры. Теоретически можно взять VCXO и подключить к нему через калибровочный вход схему, которая будет отслеживать изменения через внешний датчик и выдавать некий компенсационный сигнал на выходе, но никакому разработчику не хочется себе лишней головной боли, а стабильность генерации критична… Здесь назревает еще одно техническое решение — термокомпенсированные генераторы напряжения.

Они уже содержат схему компенсации температурного дрейфа частоты, при этом точность может достигать значений вплоть до 0,5 ppm. Более того, термостатированные генераторы работают в более широком диапазоне температур, нежели их нетермостатированные собратья — работоспособность сохраняется при температуре вплоть до –60 °С. Термостатированные генераторы обладают еще одним достоинством— меньшим временем выхода на режим (стабильная частота устанавливается за несколько секунд). Существуют различные разновидности генераторовтермостатов, втом числе приборы со схемой термической стабилизации и генераторы сустройствами подогрева кварцевого кристалла. Для высокоточной аппаратуры разработаны ультрапрецизионные генераторы, которые имеют выдающиеся характеристики по стабильности и не менее выдающуюся стоимость.

Еще одно из направлений в разработке кварцевых генераторов — так называемые программируемые генераторы. Суть в следующем: часто производители имеют в своей номенклатуре сотни позиций с различными значениями тактовых частот, но все равно всвязи с появлением новых разработок есть потребность в том, чтобы расширять линейку продуктов, и все это требует ресурсов и времени. А если появляется какая-либо новая разработка и необходимо срочно ее внедрять, то тут-то можно и воспользоваться программируемым осциллятором. Не менее эффективно их использовать в качестве генераторов на нестандартные частоты в малых партиях приборов. Такие компоненты выпускает, например, фирма Epson. Так, серия SG-8002CA может работать с частотами от 1 до 125 МГц при типовом значении стабильности 50 ррm (рис.2).

Рис. 2 Кварцевый генератор

Следующий виток эволюции — еще более интересное устройство VCXO со схемой умножения частоты для работы на более высоких частотах, нежели стандартный потолок для подобного рода приборов (125 МГц). Например, очень интересный генератор MLO80100 выпускает фирма M/A-COM, входящая в концерн Tyco Electronics. Этот прибор может работать на частотах 920–950МГц, перестраиваясь в этом диапазоне при температурном дрейфе всего 0,06МГц/°С. Прибор выпускается в виде гибридного экранированного модуля под бескорпусный монтаж (рис.3).

Рис. 3 Кварцевый генератор

Устройство позиционируется производителем как эффективное решение для систем связи и телеметрии. Эта же компания производит синтезаторы частоты, по сути дела являющиеся гипертрофированными VCXO (рис.4). Они содержат схему стабилизированного генератора, устройство умножения частоты с программируемым коэффициентом умножения, несколько петель обратной связи для калибровки и устройство управления генерацией. Типичный представитель таких устройств — синтезатор частоты для CDMA базовых станций MLS9203-01815 счастотным диапазоном работы 1780–1850МГц. Он имеет шаг перестройки частоты всего 50кГц (рис. 5). У фирмы M/A-COM есть целая линейка подобного рода приборов для работы в составе различных высокочастотных устройств: абонентских базовых станций, беспроводных сетей, систем навигации и т.п. Частотный диапазон работы компонентов лежит в интервале от 30 МГц до 2,5 ГГц. Более подробно схемотехнику и особенности этих элементов мы предполагаем описать вотдельной статье.

Рис. 4

Рис. 5

Итак, существует устойчивая тенденция кразвитию кварцевых резонаторов и интеграции их с другими электронными блоками.

При использовании кварцевых генераторов и им подобных компонентов появляется хорошая возможность упростить схему устройства, уменьшить количество дискретных элементов, и как следствие, резко повысить надежность разрабатываемого прибора. Следуя общей тенденции интеграции электронных блоков (в особенности это касается подстраиваемых генераторов и синтезаторов частоты), подобные компоненты существенно улучшают как массо-габаритные характеристики разрабатываемых устройств, так и их технический уровень.

1. http://www.hosonic.com/index_frequency.htm.
2. http://www.morion.com.ru/russian/contact/.
3. http://www.murata.com/ceralock/index.html.
4. http://www.raltron.com/products/clocks/default.asp.
5. http://www.macom.com/parametric/parametable.jsp?id=Synthesizers.

Разбираем кварцевый генератор и его крохотную интегральную схему / Хабр

Кварцевый генератор – важный электронный компонент, обеспечивающий очень точную генерацию тактовой частоты за небольшие деньги. Из-за пьезоэлектрического эффекта его электрические свойства меняются в процессе вибрации. Поскольку можно сделать кристалл, который будет вибрировать с определённой частотой, кварцевые генераторы очень полезны для множества применений. Появились они в 1920-х, и сначала обеспечивали точную генерацию волн для радиостанций. В 1970-м году произошла революция наручных часов, когда в них стали использовать кварцевые генераторы высокой точности. Компьютеры, от ENIAC 1940-х годов и до сей поры используют кварцевые генераторы для генерации тактовой частоты.

В современных ПК всё ещё используются кварцевые генераторы, но для получения многогигагерцовых тактовых частот применяются более сложные технологии. ПК использует кристалл с частотой гораздо меньшей, чем рабочая, и умножает её при помощи фазовой автоподстройки частоты. Компьютеры часто используют кристалл на 14 318, поскольку эту частоту использовали в старых телевизорах, и такие кристаллы были недорогими и широко распространёнными.

Для того, чтобы кристалл вибрировал, его схеме требуются дополнительные компоненты. В 1970-х набрали популярность модульные кварцевые генераторы – в этих компактных и лёгких в использовании микросборках комбинировались сам кристалл, ИС и дискретные компоненты. Мне стало интересно, как работает один из таких модулей, поэтому я вскрыл один из них и провёл реверс-инжиниринг его чипа. В данном посте я расскажу, как он работает, и опишу крохотную КМОП-схему, им управляющую. Оказалось, что внутри модуля происходит больше интересного, чем можно было ожидать.

Модуль генератора

Я изучал модуль от карточки для IBM PC. Модуль находится в прямоугольном металлическом корпусе с 4-мя контактами, защищающем электронику от электрического шума (это Rasco Plus в прямоугольном корпусе справа на фото, а не квадратная ИС от IBM). Модуль генерирует сигнал в 4,7174 МГц, что следует из надписи на его корпусе.

Почему же карточка использует кристалл с такой необычной частотой — 4,7174 МГц? В 1970-х IBM 3270 был очень популярным терминалом с ЭЛТ. Терминалы соединялись коаксиальным кабелем и использовали протокол Interface Display System Standard, работавший с тактовой частотой в 2,3587 МГц. В конце 1980-х IBM производила интерфейсные карточки для подсоединения IBM PC к сети 3270. Мой кристалл как раз с одной из таких карточек (тип 56X4927), и частота кристалла равняется 4,7174 МГц – ровно в два раза больше, чем 2,3587 МГц.

Модуль кварцевого генератора находится справа внизу. Надпись на корпусе: Rasco Plus. 4.7174 MHZ, Motorola 1987. Квадратный модуль слева – это ИС от IBM.

Я вскрыл корпус модуля, чтобы посмотреть на его гибридную схему. Я ожидал увидеть там кварцевый кристалл, напоминающий драгоценный камень в шкатулке, однако обнаружил, что кварцевые генераторы используют очень тонкий кварцевый диск. Я повредил его при вскрытии, поэтому у него не хватает кусочка справа вверху. Он виден в левой части фото – с двух сторон к нему подходят металлические электроды. Те, в свою очередь, соединяются с небольшими штырьками, на которых кристалл поднят над поверхностью корпуса, чтобы он мог свободно вибрировать.

Внутри корпуса кварцевого генератора – компоненты, закреплённые на керамической подложке. Они подсоединяются к схеме крохотной золотой проволочной разваркой. Конденсатор на 3 нФ и плёночный резистор на 10 Ом, расположенные на подложке методом поверхностного монтажа, отфильтровывают шум, поступающий от контакта питания.

Схема работы ИС

На фото ниже показан крохотный кристалл ИС под микроскопом. Размечены контактные площадки и основные функциональные блоки. Зелёно-коричневые участки – это кремний, формирующий ИС. Жёлтоватый металлический слой соединяет компоненты с ИС. Под металлом находится красноватый слой поликремния, где формируются транзисторы – но он практически полностью закрыт металлическим слоем. По краям чипа расположена проволочная разварка, подсоединённая к контактным площадкам, соединяющим чип с остальными частями модуля. Две площадки (select и disable) не подсоединены. Чип произведён компанией Motorola в 1986. По артикулу SC380003 информации я не нашёл.

Кристалл ИС с разметкой основных блоков. «FF» обозначает триггеры. «sel» – контактные площадки [select pads]. «cap» – площадки, подсоединённые к внутренним конденсаторам.

У ИС есть две задачи. Во-первых, её аналоговые компоненты заставляют кристалл колебаться. Во-вторых, её цифровые компоненты делят частоту на 1, 2, 4 или 8, и выдают сигнал тактовой частоты с большим током (делитель задаётся двумя контактами выбора на ИС).

Кварцевый генератор реализован по приведённой ниже схеме, которая называется «генератор Колпитца». Она сложнее обычной схемы кварцевого генератора. Суть в том, что кристалл и два конденсатора колеблются с заданной частотой. Однако колебания быстро затухли бы, если бы не поддерживающая обратная связь с поддерживающего транзистора.

Типичный кварцевый генератор строится по простой схеме под названием «генератор Пирса», в которой из кристалла и инвертера формируется цепь обратной связи. Два заземлённых конденсатора в середине делают её очень похожей на классический генератор Колпитца.

Не уверен, по какой причине разобранный мною кварцевый генератор использует более сложную схему, которая требует хитрого смещения напряжения.

В 1918 году Эдвин Колпитц, главный исследователь в компании Western Electric, изобрёл кварцевый генератор на катушке индуктивности и конденсаторе. Сегодня эта схема известна, как генератор Колпитца. Идея в том, что катушка индуктивности с конденсатором формируют «резонансный резервуар», колеблющийся с частотой, зависящей от характеристик компонентов. Можно представлять, что электричество в этом резервуаре как бы плещется туда и сюда между катушкой индуктивности и конденсаторами. Сами по себе колебания быстро затухли бы, поэтому для их подпитки используется усилитель. В оригинальном генераторе Колпитца усилителем была электронная лампа. Позднее схемы перешли на транзисторы, но этот усилитель может быть операционным или другого типа. В других схемах конец заземляется, чтобы в середине шла обратная связь. Тогда конденсаторы ничего не инвертируют, поэтому используется не инвертирующий усилитель.

Упрощённая схема генератора Колпитца с базовыми компонентами.

Ключевая особенность генератора Колпитца заключается в двух конденсаторах, формирующих делитель напряжения. Поскольку они в середине заземлены, на двух концах у них будет напряжение противоположных значений: когда одно повышается, второе понижается. Усилитель берёт сигнал с одного конца, усиливает его, и подаёт на другой. Усилитель инвертирует сигнал, а конденсаторы дают второе инвертирование, так, что обратная связь усиливает оригинальный сигнал (обеспечивая фазовый сдвиг на 360°).

В 1923 году Джордж Вашингтон Пирс, профессор физики в Гарварде, заменил катушку индуктивности в генераторе Колпитца на кристалл. Благодаря этому генератор стал более точным, и его стали широко использовать в радиопередатчиках и других устройствах. Пирс запатентовал своё изобретение и заработал приличные деньги на таких компаниях, как RCA и AT&T. Наличие патентов привело к многолетним судебным тяжбам, дошедшим в итоге до Верховного суда.

Несколько десятилетий генератор Пирса было принято называть генератором Колпитца с кристаллом. В генераторе Пирса часто отсутствовали характерные конденсаторы, вместо которых использовалось паразитная ёмкость электронной лампы. Терминология постепенно менялась, и два разных типа кварцевых генератора начали называть генератором Колпитца (с конденсаторами) и генератором Пирса (без них).

Ещё одно изменение терминологии произошло в связи с тем, что генератор Колпитца, генератор Пирса и генератор Клаппа были топологически идентичными кварцевыми генераторами, отличавшимися только в том, какая часть схемы считалась землёй (коллектор, эмиттер или база соответственно). Все эти генераторы можно называть генераторами Колпитца, только с общим коллектором, общим эмиттером или общей базой.

Этот экскурс в историю я сделал с тем, чтобы показать, что в различных источниках эти генераторы называют по-разному, генераторами Колпитца или Пирса, причём противоречивым образом. Тот генератор, что изучал я, можно назвать генератором Колпитца с общим стоком (по аналогии с общим коллектором). Также его можно назвать генератором Колпитца на основании расположения заземления. Но исторически его можно назвать генератором Пирса, поскольку он использует кристалл. Также он называется кварцевым генератором с одним контактом, поскольку только один контакт кристалла подсоединён к внешней схеме (другой заземлён).

Упрощённая схема генератора

Увеличение напряжения на кристалле включает транзистор, ток идёт в конденсаторы, увеличивая напряжение на них (и на кристалле). Уменьшение напряжения на кристалле выключает транзистор, сток тока (кружок со стрелкой) вытягивает ток из конденсаторов, уменьшая напряжение на кристалле. Таким образом, обратная связь с транзистора усиливает колебания кристалла, поддерживая их.

Цепи напряжения смещения и тока являются важной частью этой схемы. Напряжение смещения устанавливает вентиль транзистора где-то посередине между включённым и выключенным состоянием, поэтому колебания напряжения на кристалле включают его и выключают. Ток смещения находится посередине между значениями токов включённого и выключенного транзистора, поэтому ток, приходящий и уходящий из конденсаторов, сбалансирован (я упрощаю, говоря о включённых и выключенных состояниях – в реальности сигнал будет иметь синусоидальную форму).

Цепи напряжения смещения и тока – это умеренно сложные аналоговые схемы, состоящие из кучки транзисторов и нескольких резисторов. Подробно описывать их не буду, скажу лишь, что они используют цепи обратной связи для генерации нужных фиксированных значений напряжения и тока.

Значительную часть ИС занимают пять конденсаторов. На схеме один расположен сверху, три идут параллельно, формируя нижний конденсатор на схеме, а один стабилизирует цепь напряжения смещения. На фото кристалла ниже показан один из конденсаторов после растворения верхнего металлического слоя. Красные и зелёные участки – это поликремний, формирующий верхнюю пластину конденсатора вместе с металлическим слоем. Расположенный под поликремнием розоватый участок – вероятно, нитрид кремния, формирующий диэлектрический слой. Кремний с добавками, которого на фото не видно, формирует нижнюю пластину конденсатора.

Конденсатор на кристалле. Большой бледный квадрат слева – площадка для подсоединения проволочной разварки к ИС. Сложные структуры слева – фиксирующие диоды контактов. Похожие на клевер структуры справа – это транзисторы.

Интересно, что конденсаторы на чипе не соединяются вместе. Они подсоединены к трём площадкам, связанным между собой проволочной разваркой. Возможно, это придаёт схеме гибкость – ёмкость цепи можно изменить, удалив проводник, ведущий к конденсатору.

Цифровая схема

С правой части чипа находится цифровая схема делителя выходной частоты кристалла на 1, 2, 4 или 8. Благодаря ей один и тот же кристалл может выдавать четыре частоты. Делитель составлен из трёх триггеров, подключённых последовательно. Каждый делит входящий импульс пополам. Мультиплексор 4 к 1 выбирает между оригинальной частотой импульсов или выходом с одного из триггеров. Выбор осуществляется при помощи проводников, подходящих к двум площадкам для выбора с правой части кристалла. Итоговая частота фиксируется на этапе производства. Для декодирования контактов и генерации четырёх управляющих сигналов мультиплексору и триггерам используются четыре вентиля NAND вместе с инверторами.

Реализация логики КМОП

Кип построен на логике КМОП (комплементарная структура металл-оксид-полупроводник). Она использует совместно работающие транзисторы двух типов, N-МОП и P-МОП. На диаграмме ниже показано устройство N-МОП транзистора. Транзистор можно считать переключателем между истоком и стоком, который контролирует вентиль. Исток и сток (зелёные) состоят из участков кремния с добавками, меняющими его полупроводниковые свойства – из N+ кремния. Вентиль сделан из особого кремния, поликремния, отделённого от кремниевой подложки очень тонким изолирующим слоем оксидным слоем. N-МОП транзистор включается, когда вентиль подтягивается вверх.

Структура N-МОП транзистора. Структура P-МОП транзистора похожа, однако участки кремния N- и P-типа меняются местами.

Строение P-МОП транзистора противоположно N-МОП: исток и сток состоят из P+ кремния, включённого в N кремний. Работает он тоже противоположно N-МОП транзистору: включается, когда вентиль подтягивается вниз. Обычно P-МОП транзисторы подтягивают сток вверх, а N-МОП – вниз. В КМОП транзисторы работают, дополняя друг друга, подтягивая выходной сигнал вверх или вниз по необходимости.

На диаграмме ниже показано, как в КМОП реализован вентиль NAND. Если на вход подать 0, соответствующий P-МОП транзистор (вверху) включится и притянет выход вверх. Если на оба входа подать 1, N-МОП транзистор (внизу) включится и подтянет выход вниз. Таким образом схема реализует функцию NAND.

На диаграмме ниже показано, как NAND-вентиль выглядит на кристалле. В отличие от изображений в учебниках, у реальных транзисторов бывает сложная, извилистая форма. С левой стороны находятся P-МОП транзистор, а с правой – N-МОП. Красноватые дорожки над кремнием – это поликремний, формирующий вентили. Большая часть кремния в подложке благодаря добавкам проводит ток, и выглядит чуть темнее непроводящего кремния без добавок с левого и правого краёв, а также в центре. Для изготовления этого фото металлический слой был вытравлен. Жёлтые линии обозначают места, где раньше были металлические проводники. Кружочки — это связи металлического слоя с нижними слоями, кремния или поликремния.

Как NAND-вентиль выглядит на кристалле

Транзистор на фото можно сопоставить со схемой NAND-вентиля. Посмотрите на сформированные поликремнием вентили транзистора, и на то, что они разделяют. От участка +5 есть дорожка к выходу через длинный P-МОП транзистор слева. Второй путь идёт через небольшой P-МОП транзистор в центре – это показывает, что транзисторы подключены параллельно. Каждый вентиль контролирует один из входов. Слева дорожка от земли к выходу должна пойти через оба концентрических N-МОП транзистора – они подключены последовательно.

В этой ИС также используется много транзисторов с кольцевыми вентилями. Эта необычная техника расположения элементов позволяет с большой плотностью разместить множество параллельных транзисторов. На фото ниже показано 16 транзисторов с кольцевыми вентилями. Похожие на клевер узоры медного цвета – это сток транзисторов, а снаружи находится исток. Металлический слой (тут он удалён) объединяет соответственно все истоки, вентили и стоки. Параллельные транзисторы работают как один большой. Параллельные транзисторы используются для подачи больших токов на выход. В схеме смещения вместе соединяются различное количество транзисторов (6, 16 или 40), чтобы получать нужное соотношение токов.

Передаточный вентиль

Ещё одна ключевая схема чипа – это передаточный вентиль. Он работает как переключатель, через который сигнал либо проходит, либо нет. На схеме ниже показано, как передаточный вентиль делается из двух транзисторов, N-МОП транзистора и P-МОП транзистора. Если по линии enable подаётся большое напряжение, включаются оба транзистора, и входной сигнал проходит на выход. Если напряжение низкое, они выключаются, блокируя сигнал. Справа показано условное обозначение передаточного вентиля на схемах.

Мультиплексор

Мультиплексор используется для выбора одного из четырёх тактовых сигналов. На диаграмме ниже показано, как мультиплексор реализован на основе передаточных вентилей. Мультиплексор принимает на вход четыре сигнала: A, B, C и D. Один из входов выбирается через активацию соответствующей линии выбора и её дополнения. Этот вход связывается через передаточный вентиль с выходом, а другие входы блокируются. Хотя мультиплексор можно построить и на стандартных логических вентилях, его реализация на передаточных вентилях получается эффективнее.

Мультиплексор 4 к 1 на основе передаточных вентилей

На схеме ниже показаны транзисторы, из которых состоит мультиплексор. Ко входам B и С подключено по паре транзисторов. Думаю, это сделано потому, что у пары транзисторов сопротивление получается половинным. Поскольку входы В и С предназначены для высокочастотных сигналов, пара транзистора позволяет уменьшить задержки и искажения.

На фото ниже показано, как мультиплексор реализован на кристалле физически. Лучше всего видно поликремниевые вентили. Металлический слой удалён. Металлические проводники шли вертикально, соединяя соответствующие сегменты транзисторов. Истоки и стоки соседних транзисторов объединены в единые участки, расположенные между вентилями. В верхнем прямоугольнике находятся N-МОП транзисторы, а в нижнем – P-МОП. Поскольку P-МОП транзисторы менее эффективны, нижний прямоугольник должен быть больше.

Триггер

На чипе есть три триггера, делящие тактовую частоту. Кварцевый генератор использует переключаемые триггеры, которые переключаются между 0 и 1 каждый раз, когда получают входящий импульс. Поскольку два входящих импульса дают один исходящий (0→1→0), триггер делит частоту пополам.

Триггер состоит из передаточных вентилей, инверторов и NAND-вентиля – см. схему ниже. Когда входящий тактовый сигнал равен 1, выход проходит через инвертор и первый передаточный вентиль в точку А. Когда входящий сигнал переключается на 0, открывается первый передаточный вентиль, и в точке А остаётся предыдущее значение. Тем временем закрывается второй передаточный вентиль, поэтому сигнал проходит через второй инвертор и передаточный вентиль в точку В. NAND-вентиль снова его инвертирует, в результате чего значение выхода меняется на противоположное. Второй цикл входящего сигнала тактовой частоты повторяет этот процесс, благодаря чему выход возвращается к изначальному значению. В итоге два цикла входящих сигналов дают один цикл выходящего сигнала, так что триггер делит частоту на 2.

У каждого триггера есть разрешающий вход. Если триггер для выбранного выхода не нужен, он отключается. К примеру, если выбирается режим деления на 2, используется только первый триггер, а два другие отключаются. Полагаю, это делается для уменьшения энергопотребления. Это не зависит от контакта отключения на модуле, который полностью блокирует выходящий сигнал. Это отключаемое свойство опционально; в данном модуле такой функции нет, а контакт отключения не подключен к ИС.

На схеме выше инвертеры и передаточные вентили показаны в виде отдельных структур. Однако в триггере используется интересная структура вентилей, комбинирующая инвертер и передаточный вентиль (слева) в единый вентиль (справа). Пара транзисторов, подключенных к data in, работают как инвертер. Однако если сигнал тактовой частоты нулевой, питание и земля блокируются, и вентиль не влияет на выход, сохраняя предыдущее напряжение. Так работает передаточный вентиль.

Комбинированные инвертер и передаточный вентиль

На фото ниже показано, как один из таких вентилей выполнен на кристалле. На фото видно металлический слой сверху. Под ним видно красноватые вентили из поликремния. Слева расположены два P-МОП транзистора в виде концентрических кругов. Справа находятся N-МОП транзисторы.

Заключение

Хотя модуль кварцевого генератора снаружи кажется простым, внутри него больше компонентов, чем можно было бы ожидать. Там находится не только кристалл кварца, но и дискретные компоненты, и крохотная ИС. В ИС скомбинированы конденсаторы, аналоговые цепи, обеспечивающие колебания, и цифровые цепи для выбора частоты. Можно выбрать одну из четырёх частот, изменяя проводку ИС на этапе производства.

Больше информации по кварцевым генераторам можно найти на сайтах EEVblog, electronupdate и WizardTim. Про генератор Колпитца можно посмотреть на Hackaday.

Закончу фотографией чипа после удаления слоёв металла и оксида, чтобы было видно кремний и поликремний. Больше всего выделяются крупные розоватые конденсаторы, однако можно рассмотреть и транзисторы.

Кликабельно

Работа и ее различные приложения

Электронная схема или электронное устройство, которое используется для генерации периодически колеблющегося электронного сигнала, называется электронным генератором. Электронный сигнал, создаваемый генератором, обычно представляет собой синусоидальную или прямоугольную волну. Электронный генератор преобразует сигнал постоянного тока в сигнал переменного тока. Радио- и телевизионные передатчики транслируются с использованием сигналов, генерируемых генераторами. Электронные звуковые сигналы и звуки видеоигр генерируются сигналами генератора. Эти генераторы генерируют сигналы, используя принцип колебаний.

Существуют различные типы электронных схем генераторов, такие как линейные генераторы — генератор Хартли, генератор с фазовым сдвигом, генератор Армстронга, генератор Клаппа, генератор Колпитца и т. д., релаксационные генераторы — генератор Ройера, кольцевой генератор, мультивибратор и т. д. и Генератор, управляемый напряжением (VCO). В этой статье давайте подробно обсудим кварцевый генератор, например, что такое кварцевый генератор, схему кварцевого генератора, работу и использование кварцевого генератора в электронных схемах.

Кварцевый осциллятор

Электронная схема, используемая для генерации электрического сигнала точной частоты за счет использования механического резонанса вибрирующего кристалла, изготовленного из пьезоэлектрического материала. Существуют различные типы пьезоэлектрических резонаторов, но обычно в этих типах генераторов используется кварцевый кристалл. Следовательно, эти электронные схемы генератора называются кварцевыми генераторами.

Принципиальная схема кварцевого генератора

Принципиальная схема кварцевого генератора может быть представлена ​​следующим образом:

Электронное обозначение пьезоэлектрического кристаллического резонатора

На приведенной выше схеме представлено электронное обозначение пьезоэлектрического кристаллического резонатора, состоящего из двух металлизированных электродов и кварцевого кристалла.

Эквивалентная принципиальная схема кварцевого кристалла

На приведенном выше рисунке показана эквивалентная принципиальная схема кварцевого кристалла в электронном генераторе, который состоит из резистора, катушки индуктивности и конденсаторов, соединенных, как показано на рисунке.

Работающий кварцевый осциллятор

Атомы, молекулы, ионы упакованы по порядку в трех пространственных измерениях с повторяющимся узором, образуя твердое тело, которое можно назвать кристаллом. Кристалл можно изготовить практически из любого предмета из эластичного материала с помощью соответствующих электрических преобразователей. Так как каждый объект состоит из собственной резонансной частоты вибрации, сталь состоит из высокой скорости звука, а также очень эластична.

Так, сталь часто используется вместо кварца в механических фильтрах. Эта резонансная частота зависит от различных параметров, таких как размер, эластичность, скорость звука и форма кристалла. Как правило, форма высокочастотных кристаллов представляет собой простую прямоугольную пластину, а форма низкочастотных кристаллов имеет форму камертона, как показано на рисунке ниже.

Высокочастотные прямоугольные пластинчатые кристаллы и низкочастотные камертонные кристаллы

Схема кварцевого генератора работает по принципу обратного пьезоэлектрического эффекта, т. е. механическая деформация возникает при приложении электрического поля к определенным материалам. Таким образом, он использует механический резонанс вибрирующего кристалла, изготовленного из пьезоэлектрического материала, для генерации электрического сигнала определенной частоты.

Эти генераторы на кварцевом кристалле очень стабильны, имеют хороший коэффициент качества, малы по размеру и очень экономичны. Следовательно, схемы кварцевых генераторов превосходят другие резонаторы, такие как LC-схемы, поворотные вилки и т. Д. Как правило, кварцевый генератор с частотой 8 МГц используется в микропроцессорах и микроконтроллерах.

Эквивалентная электрическая схема также представляет действие кристалла. Основные компоненты, используемые в схеме, индуктивность L1 представляет собой массу кристалла, емкость C1 представляет собой податливость, сопротивление R1 представляет собой трение внутренней структуры кристалла, а C0 используется для представления емкости, которая формируется из-за механического формования кристалла.

Принципиальная схема кварцевого генератора состоит из последовательного резонанса и параллельного резонанса, т.е. двух резонансных частот. Если реактивное сопротивление, создаваемое емкостью C1, равно и противоположно реактивному сопротивлению, создаваемому индуктивностью L1, возникает последовательный резонанс. Последовательная и параллельная резонансные частоты представлены fs и fp соответственно, а значения fs и fp можно определить с помощью следующих уравнений, показанных на рисунке ниже.

Последовательная резонансная частота и параллельная резонансная частота

Таким образом, импеданс приблизительно равен сопротивлению R1 в этом состоянии. Если реактивное сопротивление последовательного резонансного плеча равно реактивному сопротивлению, обусловленному емкостью C0, возникает параллельный резонанс. Таким образом, внешняя цепь имеет очень высокий импеданс кристалла в этом состоянии.

График зависимости импеданса от частоты

На приведенном выше рисунке показан график зависимости импеданса от частоты схемы кварцевого генератора. Обычно кварцевые генераторы имеют диапазон частот от 32 кГц до 200 МГц.

Использование кварцевого генератора

Как правило, мы знаем, что кварцевые генераторы используются в микропроцессорах и микроконтроллерах для обеспечения тактовых сигналов. Давайте рассмотрим микроконтроллер 8051, для которого необходим внешний кварцевый генератор с частотой 12 МГц, хотя (в зависимости от модели) микроконтроллер 8051 способен работать на частоте 40 МГц (макс.). 8051 требует 12 тактовых циклов для одного машинного цикла, чтобы обеспечить эффективную частоту цикла от 1 МГц (с учетом тактовой частоты 12 МГц) до 3,33 МГц (с учетом максимальной тактовой частоты 40 МГц). Этот кварцевый генератор используется для генерации тактовых импульсов, необходимых для синхронизации всех внутренних операций.

Существует множество применений кварцевого генератора в различных областях, и несколько применений кварцевого генератора показаны ниже:

Применение кварцевого генератора в военных и аэрокосмических целях

Использование кварцевого генератора в военных и аэрокосмических целях для установления эффективной связи системы, для целей навигации, радиоэлектронной борьбы, в системах наведения и так далее.

Использование кварцевого генератора в исследованиях и измерениях

Кварцевый генератор используется в исследованиях и измерениях для астрономической навигации, слежения за космосом, в измерительных приборах и медицинских устройствах и т. д.

Промышленное применение кварцевого генератора

Существует огромное количество промышленных применений кварцевого генератора, таких как компьютеры, цифровые системы, контрольно-измерительные приборы, системы фазовой автоподстройки частоты, судостроение, модемы, датчики, телекоммуникации, дисководы и т.д.

Использование кварцевого генератора в автомобилестроении

Кварцевый генератор используется для управления двигателем, стереосистемой, часами и бортовым компьютером, а также в системе GPS.

Потребительские приложения кварцевого генератора

Кварцевые генераторы используются во многих потребительских товарах, таких как системы кабельного телевидения, персональные компьютеры, видеокамеры, игрушки и видеоигры, радиосистемы, сотовые телефоны и т.д.

Перейдите по этой ссылке, чтобы узнать больше о генераторах Colpitts MCQ, 

Перейдите по этой ссылке, чтобы узнать больше о кварцевых генераторах MCQ

Знаете ли вы типы схем кварцевых генераторов? Кроме того, техническая помощь может быть предоставлена ​​на основе ваших комментариев, размещенных в комментариях ниже.

Понимание схем кварцевого генератора | Самодельные схемы

Кварцевые генераторы — это электронные устройства, которые производят стабильные, точные и повторяющиеся сигналы, которые широко используются в самых разных электронных приложениях. Благодаря высокой стабильности, точности и низкому уровню шума они стали важнейшим компонентом многих электронных схем. В этом посте мы рассмотрим, как работают кварцевые генераторы, а также их многочисленные разновидности, области применения, преимущества и недостатки.

Принцип работы:

Кварцевый генератор представляет собой схему, которая генерирует постоянную и точную частоту за счет использования пьезоэлектрического действия кварцевого кристалла.

Пьезоэлектрический эффект представляет собой явление, при котором материал может создавать электрическое поле при приложении к нему механического напряжения или колебаться при приложении к нему электрического поля.

В случае кварцевого генератора резонатор представляет собой кварцевый кристалл. Всякий раз, когда на кристалл подается переменное напряжение, он резонирует с определенной частотой, определяемой физическими размерами кристалла.

Схема кварцевого генератора состоит из усилителя и цепи обратной связи. Кварцевый кристалл включен в петлю обратной связи, а выходной сигнал усилителя подается обратно на кристалл.

Здесь кристалл работает как резонатор, а сеть обратной связи позволяет заданной обратной связи поддерживать колебание на резонансной частоте кристалла.

Выходной сигнал кварцевого генератора представляет собой синусоидальную волну, частота которой определяется резонансной частотой кварца.

Типы кварцевых генераторов:

Существует несколько типов кварцевых генераторов, в том числе:

Генератор Пирса: Наиболее популярным типом кварцевого генератора является генератор Пирса. Он состоит из кварцевого кристалла и сети обратной связи, которая обеспечивает необходимое изменение фазы для поддержания колебаний. Как правило, система обратной связи включает два конденсатора и резистор.

Генератор Колпитца: Другой формой кварцевого генератора является генератор Колпитца. Кварцевый кристалл, два конденсатора и две катушки индуктивности составляют схему. Сеть обратной связи обеспечивает необходимое изменение фазы, чтобы поддерживать колебание.

Генератор Клаппа: Генератор Клаппа представляет собой модифицированную версию генератора Колпитца. Он включает в себя дополнительный конденсатор в цепи обратной связи, что обеспечивает дополнительную стабильность и снижает влияние паразитной емкости.

Генератор Батлера: Генератор Батлера представляет собой высокочастотный кварцевый генератор, обычно используемый в радиочастотных приложениях. Фундаментальный фазовый сдвиг генератора Батлера создается цепью обратной связи, кристаллом и усилителем.

Преимущества кварцевых генераторов:

Высокая точность : Кварцевые генераторы обеспечивают высокую точность выходных результатов. Эта точность необходима для точной синхронизации.

Стабильный выход : Кварцевые генераторы обеспечивают постоянную стабильность выходного сигнала. Эта стабильность имеет решающее значение для высокочастотных приложений.

Низкий уровень шума: Кварцевые генераторы обеспечивают очень низкий уровень шума в сигналах. Этот низкий уровень шума становится решающим для чувствительных электронных приложений.

Низкое энергопотребление : Кварцевые генераторы обеспечивают минимальное энергопотребление. Эта функция необходима для устройств с батарейным питанием.

Недостатки кварцевых генераторов:

Дороговизна: Кварцевые генераторы иногда довольно дороги по сравнению с другими обычными типами генераторов.

Ограниченный диапазон частот : Кварцевые генераторы часто могут иметь ограниченный диапазон частот, что может не подходить для некоторых приложений.

Чувствительность к ударам и вибрации : Кварцевые генераторы чувствительны к ударам и вибрации, что может повлиять на их точность и стабильность.

Чувствительность к температуре: Кварцевые генераторы чувствительны к изменениям температуры. Этот недостаток может повлиять на стабильность их частоты. Чтобы преодолеть это, необходимо использовать методы температурной компенсации.

Применение кварцевых генераторов:

В некоторых электронных устройствах используются кварцевые генераторы благодаря их следующим преимуществам:

Генераторы временной развертки: Благодаря превосходной точности и стабильности кварцевые генераторы часто используются в качестве опорной частоты для часов и схем синхронизации.

Микроконтроллеры: Для синхронизации своей внутренней деятельности микроконтроллеры используют кварцевые генераторы в качестве источника тактового сигнала.

Системы связи : Кварцевые генераторы используются для создания несущего сигнала в системах связи, включая радио- и телевизионные передатчики и приемники.

Генераторы сигналов: Генераторы сигналов производят сигналы различной частоты и формы с помощью кварцевых генераторов.

Кварцевая схема с использованием генератора Колпитца

На рисунке ниже показан простой в сборке кварцевый генератор Колпитца в диапазоне от 1 до 20 МГц. Он построен на основе параллельно работающего кристалла и старинного германиевого биполярного транзистора NPN.

Сеть емкостного делителя напряжения, состоящая из конденсаторов C1 и C2, эффективно шунтирована через кристалл XTAL1 и функционирует как цепь обратной связи, вызывающая колебания цепи.

Конденсаторы C1 и C2 должны быть из керамического диска NPO или из посеребренной слюды. Для RF коллектор транзистора зашунтирован на землю, но на самом деле он находится под постоянным напряжением от +5 до +15 вольт. Конденсатор C3 емкостью 0,001 мкФ используется для извлечения выходного сигнала из эмиттера транзистора.

Схема кварцевого генератора с параллельным режимом работы

Следующая конструкция представляет собой вариант предыдущей схемы на основе кремниевого транзистора.
Этот конкретный генератор с параллельным режимом может работать в немного более широком диапазоне частот.

Кроме того, некоторые утверждают, что генераторы, использующие кремниевые транзисторы, могут начать колебаться более стабильно, чем генераторы, использующие германиевые полупроводники (например, на рисунке выше).

Но автор протестировал обе схемы и не обнаружил проблем с запуском. Вы можете проверить различные номиналы резисторов смещения и конденсаторов обратной связи, если обнаружите проблему (C1 и C2).

Кварцевый генератор на основной частоте

Следующая схема предназначена для работы в диапазоне частот от 500 кГц до 20 МГц в соответствии со значениями емкости, используемыми в цепи обратной связи с использованием С2 и С3.

В зависимости от используемого кристалла стандартные значения для этих конденсаторов показаны в следующей таблице. Для настройки рабочей частоты именно там, где она должна быть, используется подстроечный конденсатор (C1).

Если резистор обратной связи (R1) заменить резистором большего номинала, схема будет работать более стабильно и с меньшими гармоническими искажениями.

Некоторые исследования могут определить точное значение. Однако эту стратегию следует применять только тогда, когда осциллятор работает свободно. Если значение R1 слишком велико, может возникнуть проблема, если он заблокирован или каким-либо образом включается и выключается.

Когда значение резистора выше, амплитуда генератора будет увеличиваться до максимальной выходной амплитуды быстрее, чем когда оно ниже. Однако использование резистора сопротивлением менее 2200 Ом может привести к перегрузке кварца.

Основной режим, кварцевый генератор 20 МГц

На приведенном ниже рисунке показана схема базового генератора частоты со стабильностью частоты 10 частей на миллион (PPM). Эмиттер транзистора и соединение цепи обратной связи делителя потенциала конденсатора соединены с кристаллом в этой схеме.

Могут использоваться кристаллы как с параллельными, так и с последовательными модами. Экспериментируя, соотношение конденсаторов обратной связи может быть изменено для достижения оптимальной (наибольшей стабильности) производительности.

R3 можно заменить на любой резистор с омическим сопротивлением от 100 до 1000 для изменения выходного уровня кристалла XTAL1. Стабильность улучшается, а диссипация кристалла уменьшается при более низком значении R3.

C4 резонирует индуктор L1 на частоте кристалла. Практически всегда можно найти конфигурацию, близкую к резонансу, при которой кварцевый генератор будет постоянно активироваться при каждом включении. Если катушка L1 неправильно настроена или построена, схема просто не запустится.

Схема кварцевого генератора Пирса

Следующий кварцевый генератор изображает схему кварцевого генератора. Схема содержит кристалл, соединенный между выходом и входом активного устройства, как и все генераторы Пирса.

Кристалл соединен между стоком и затвором схемы, поскольку используется JFET, а не коллектор и база биполярного транзистора.

Функция блокировки постоянного тока выполняется конденсатором (C2), включенным последовательно с кристаллом. Хотя этот конденсатор может быть удален в некоторых конструкциях низковольтных транзисторов, для наших целей он необходим.

Однопереходный кварцевый генератор

Наша следующая конструкция, показанная на следующем рисунке, представляет собой нечетный генератор с частотой 100 кГц, построенный на однопереходном транзисторе (UJT).

Кристалл XTAL1 регулирует рабочую частоту этой цепи. Выходной сигнал этого простого генератора с кварцевым управлением может быть отправлен на счетчик-делитель, чтобы обеспечить устойчивый низкочастотный выходной сигнал для использования в качестве тактового генератора или использоваться в качестве маркерного генератора для выравнивания аналоговой шкалы приемника связи.

Большинство RC-тактирующих цепей, встроенных в генераторы на основе UJT, используются для регулирования частоты генератора.

Для многих приложений, где стабильность частоты не имеет большого значения, этот подход прекрасно работает. Самое дешевое и простое решение — использовать кварцевый кристалл, где стабильность частоты имеет решающее значение.

Чтобы получить превосходную синусоиду, вышеописанный выход генератора необходимо настроить.