Crystal oscillator เป็นกุญแจสำคัญในการออกแบบวงจรดิจิตอล โดยปกติในการออกแบบวงจร Crystal oscillator ถูกใช้เป็นหัวใจของวงจรดิจิตอล งานทั้งหมดของวงจรดิจิตอลไม่สามารถแยกออกจากสัญญาณนาฬิกาได้ และมีเพียง Crystal oscillator เท่านั้นที่เป็นปุ่มสำคัญ ที่ควบคุมการสตาร์ทปกติทั้งระบบโดยตรง เรียกได้ว่า หากมีการออกแบบวงจรดิจิทัลก็สามารถมองเห็นคริสตัลออสซิลเลเตอร์ได้

I. คริสตัลออสซิลเลเตอร์คืออะไร?

โดยทั่วไปแล้ว ออสซิลเลเตอร์คริสตัลหมายถึงออสซิลเลเตอร์คริสตัลควอตซ์สองชนิดและรีโซเนเตอร์คริสตัลควอตซ์ และยังสามารถเรียกได้โดยตรงว่าออสซิลเลเตอร์คริสตัล ทั้งสองทำโดยใช้เอฟเฟกต์เพียโซอิเล็กทริกของคริสตัลควอตซ์

ออสซิลเลเตอร์คริสตัลทำงานดังนี้: เมื่อสนามไฟฟ้าถูกจ่ายไปที่ขั้วไฟฟ้าทั้งสองของคริสตัล คริสตัลจะเกิดการเสียรูปเชิงกล และในทางกลับกัน หากใช้แรงกดเชิงกลที่ปลายทั้งสองของคริสตัล คริสตัลก็จะผลิต สนามไฟฟ้า ปรากฏการณ์นี้สามารถย้อนกลับได้ ดังนั้นการใช้คุณลักษณะนี้ของคริสตัลโดยเพิ่มแรงดันไฟฟ้ากระแสสลับไปที่ปลายทั้งสองของคริสตัล ชิปจะทำให้เกิดการสั่นสะเทือนทางกล และในเวลาเดียวกันก็สร้างสนามไฟฟ้ากระแสสลับ อย่างไรก็ตาม การสั่นสะเทือนและสนามไฟฟ้าที่เกิดจากคริสตัลโดยทั่วไปมีขนาดเล็ก แต่ตราบใดที่มันอยู่ที่ความถี่หนึ่ง แอมพลิจูดจะเพิ่มขึ้นอย่างมีนัยสำคัญ คล้ายกับเรโซแนนซ์ลูป LC ที่นักออกแบบวงจรเราเห็นอยู่บ่อยๆ

ครั้งที่สอง การจำแนกประเภทของการสั่นของคริสตัล (แอคทีฟและพาสซีฟ)

1 ออสซิลเลเตอร์คริสตัลแบบพาสซีฟ

คริสตัลแบบพาสซีฟคือคริสตัล โดยทั่วไปจะเป็นอุปกรณ์ที่ไม่มีขั้ว 2 พิน (คริสตัลแบบพาสซีฟบางตัวมีพินคงที่และไม่มีขั้ว)

โดยทั่วไปออสซิลเลเตอร์คริสตัลแบบพาสซีฟจะต้องอาศัยวงจรนาฬิกาที่เกิดจากโหลดตัวเก็บประจุเพื่อสร้างสัญญาณการสั่น (สัญญาณคลื่นไซน์)

2 ออสซิลเลเตอร์คริสตัลที่ใช้งานอยู่

ออสซิลเลเตอร์คริสตัลแบบแอคทีฟคือออสซิลเลเตอร์ โดยปกติจะมี 4 พิน ออสซิลเลเตอร์คริสตัลแบบแอคทีฟไม่จำเป็นต้องใช้ออสซิลเลเตอร์ภายในของ CPU เพื่อสร้างสัญญาณคลื่นสี่เหลี่ยม แหล่งจ่ายไฟแบบแอคทีฟคริสตัลจะสร้างสัญญาณนาฬิกา

สัญญาณของออสซิลเลเตอร์คริสตัลแบบแอคทีฟมีเสถียรภาพ คุณภาพดีกว่า และโหมดการเชื่อมต่อค่อนข้างง่าย ข้อผิดพลาดที่แม่นยำน้อยกว่าของออสซิลเลเตอร์คริสตัลแบบพาสซีฟ และราคาก็แพงกว่าคริสตัลออสซิลเลเตอร์แบบพาสซีฟ

ที่สาม พารามิเตอร์พื้นฐานของคริสตัลออสซิลเลเตอร์

พารามิเตอร์พื้นฐานของออสซิลเลเตอร์คริสตัลทั่วไป ได้แก่ อุณหภูมิในการทำงาน ค่าความแม่นยำ ความจุที่ตรงกัน รูปแบบบรรจุภัณฑ์ ความถี่แกนกลาง และอื่นๆ

ความถี่แกนกลางของคริสตัลออสซิลเลเตอร์: การเลือกความถี่คริสตัลทั่วไปขึ้นอยู่กับความต้องการของส่วนประกอบความถี่ เช่น โดยทั่วไป MCU จะเป็นช่วง ซึ่งส่วนใหญ่จะมีตั้งแต่ 4M ถึงหลายสิบ M

ความแม่นยำในการสั่นสะเทือนของคริสตัล: ความแม่นยำของการสั่นสะเทือนของคริสตัลโดยทั่วไปคือ ±5PPM, ±10PPM, ±20PPM, ±50PPM ฯลฯ โดยทั่วไปชิปนาฬิกาที่มีความแม่นยำสูงจะอยู่ภายใน ±5PPM และการใช้งานทั่วไปจะเลือกประมาณ ±20PPM

ความจุที่ตรงกันของออสซิลเลเตอร์คริสตัล: โดยปกติโดยการปรับค่าของความจุที่ตรงกัน ความถี่หลักของออสซิลเลเตอร์คริสตัลสามารถเปลี่ยนแปลงได้ และในปัจจุบันวิธีนี้ใช้ในการปรับออสซิลเลเตอร์คริสตัลที่มีความแม่นยำสูง

ในระบบวงจรสายสัญญาณนาฬิกาความเร็วสูงมีความสำคัญสูงสุด เส้นนาฬิกาเป็นสัญญาณที่มีความละเอียดอ่อน และยิ่งความถี่สูง เส้นก็จะยิ่งสั้นลงเพื่อให้แน่ใจว่าสัญญาณจะเกิดการบิดเบือนน้อยที่สุด

ขณะนี้ในหลาย ๆ วงจร ความถี่สัญญาณนาฬิกาคริสตัลของระบบสูงมาก ดังนั้นพลังงานของการรบกวนฮาร์โมนิคจึงมีความเข้มข้นเช่นกัน ฮาร์โมนิคจะได้มาจากอินพุตและเอาต์พุตสองบรรทัด แต่ยังมาจากการแผ่รังสีในอวกาศด้วย ซึ่งนำไปสู่ หากโครงร่าง PCB ของคริสตัลออสซิลเลเตอร์ไม่สมเหตุสมผล ก็จะทำให้เกิดปัญหาการแผ่รังสีที่รุนแรงได้อย่างง่ายดาย และเมื่อผลิตออกมาแล้ว จะแก้ไขด้วยวิธีอื่นได้ยาก ดังนั้นจึงเป็นสิ่งสำคัญมากสำหรับคริสตัลออสซิลเลเตอร์และโครงร่างสายสัญญาณ CLK เมื่อวางบอร์ด PCB