Bộ tạo dao động tinh thể là chìa khóa trong thiết kế mạch kỹ thuật số, thông thường trong thiết kế mạch, bộ tạo dao động tinh thể được sử dụng làm trái tim của mạch kỹ thuật số, tất cả công việc của mạch kỹ thuật số không thể tách rời khỏi tín hiệu đồng hồ và chỉ bộ tạo dao động tinh thể là nút chính trực tiếp điều khiển sự khởi động bình thường của toàn bộ hệ thống, có thể nói nếu có thiết kế mạch kỹ thuật số có thể nhìn thấy bộ dao động tinh thể.

I. Dao động tinh thể là gì?

Bộ tạo dao động tinh thể thường đề cập đến hai loại bộ tạo dao động tinh thể thạch anh và bộ cộng hưởng tinh thể thạch anh, và cũng có thể được gọi trực tiếp là bộ tạo dao động tinh thể. Cả hai đều được chế tạo bằng hiệu ứng áp điện của tinh thể thạch anh.

Bộ dao động tinh thể hoạt động như sau: khi có một điện trường tác dụng vào hai điện cực của tinh thể, tinh thể sẽ bị biến dạng cơ học, và ngược lại, nếu áp suất cơ học tác dụng vào hai đầu của tinh thể thì tinh thể sẽ tạo ra một điện trường. Hiện tượng này có thể đảo ngược nên khi sử dụng đặc tính này của tinh thể, thêm điện áp xoay chiều vào hai đầu của tinh thể, con chip sẽ tạo ra rung động cơ học, đồng thời tạo ra điện trường xoay chiều. Tuy nhiên, độ rung và điện trường do tinh thể tạo ra nhìn chung nhỏ, nhưng miễn là ở một tần số nhất định thì biên độ sẽ tăng lên đáng kể, tương tự như cộng hưởng vòng LC mà các nhà thiết kế mạch điện chúng ta thường thấy.

II. Phân loại dao động tinh thể (chủ động và thụ động)

① Bộ dao động tinh thể thụ động

Tinh thể thụ động là một tinh thể, nói chung là một thiết bị không phân cực 2 chân (một số tinh thể thụ động có một chân cố định không có cực).

Bộ tạo dao động tinh thể thụ động thường cần dựa vào mạch đồng hồ được hình thành bởi tụ tải để tạo ra tín hiệu dao động (tín hiệu sóng hình sin).

② Bộ dao động tinh thể hoạt động

Bộ tạo dao động tinh thể hoạt động là bộ tạo dao động, thường có 4 chân. Bộ tạo dao động tinh thể hoạt động không yêu cầu bộ tạo dao động bên trong của CPU tạo ra tín hiệu sóng vuông. Một nguồn cung cấp năng lượng tinh thể hoạt động tạo ra tín hiệu đồng hồ.

Tín hiệu của bộ tạo dao động tinh thể hoạt động ổn định, chất lượng tốt hơn và chế độ kết nối tương đối đơn giản, sai số chính xác nhỏ hơn so với bộ tạo dao động tinh thể thụ động và giá đắt hơn bộ tạo dao động tinh thể thụ động.

III. Các thông số cơ bản của bộ dao động tinh thể

Các thông số cơ bản của bộ dao động tinh thể nói chung là: nhiệt độ hoạt động, giá trị chính xác, điện dung phù hợp, dạng gói, tần số lõi, v.v.

Tần số lõi của bộ tạo dao động tinh thể: Việc lựa chọn tần số tinh thể chung phụ thuộc vào yêu cầu của các thành phần tần số, giống như MCU nói chung là một dải, hầu hết là từ 4M đến hàng chục M.

Độ chính xác của rung tinh thể: độ chính xác của rung tinh thể thường là ± 5PPM, ± 10PPM, ± 20PPM, ± 50PPM, v.v., chip đồng hồ có độ chính xác cao thường nằm trong phạm vi ± 5PPM và mục đích sử dụng chung sẽ chọn khoảng ± 20PPM.

Điện dung phù hợp của bộ tạo dao động tinh thể: thông thường bằng cách điều chỉnh giá trị của điện dung phù hợp, tần số lõi của bộ tạo dao động tinh thể có thể được thay đổi và hiện tại, phương pháp này được sử dụng để điều chỉnh bộ tạo dao động tinh thể có độ chính xác cao.

Trong hệ thống mạch, đường tín hiệu đồng hồ tốc độ cao có mức ưu tiên cao nhất. Đường đồng hồ là một tín hiệu nhạy cảm và tần số càng cao thì đường dây càng cần ngắn hơn để đảm bảo độ méo tín hiệu là tối thiểu.

Hiện nay trong nhiều mạch, tần số đồng hồ tinh thể của hệ thống rất cao nên năng lượng gây nhiễu sóng hài cũng rất mạnh, sóng hài sẽ được tạo ra từ hai đường đầu vào và đầu ra, đồng thời cũng từ bức xạ không gian, điều này cũng dẫn đến nếu bố trí PCB của bộ dao động tinh thể không hợp lý sẽ dễ gây ra sự cố bức xạ tản lạc mạnh và một khi đã sản xuất ra thì rất khó giải quyết bằng các phương pháp khác. Do đó, việc bố trí bộ tạo dao động tinh thể và đường tín hiệu CLK khi bố trí bo mạch PCB là rất quan trọng.