Osilator kristal adalah komponen elektronik penting yang menyediakan pembuatan jam yang sangat akurat dengan sedikit uang. Karena efek piezoelektrik, sifat listriknya berubah selama getaran. Karena memungkinkan untuk membuat kristal yang bergetar pada frekuensi tertentu, osilator kristal sangat berguna untuk berbagai aplikasi. Mereka muncul pada 1920-an dan pertama kali memberikan generasi gelombang yang akurat untuk stasiun radio. Pada tahun 1970, revolusi jam tangan terjadi , ketika mereka mulai menggunakan osilator kuarsa presisi tinggi. Komputer dari ENIAC 1940 - an hingga hari ini menggunakan osilator kristal untuk menghasilkan frekuensi clock.
PC modern masih menggunakan osilator kristal, tetapi teknologi yang lebih canggih digunakan untuk mendapatkan kecepatan clock multi-GHz. PC menggunakan kristal dengan frekuensi yang jauh lebih rendah daripada frekuensi operasi, dan menggandakannya menggunakan loop fase terkunci. Komputer sering menggunakan kristal 14.318 karena frekuensi itu digunakan di televisi yang lebih tua dan tidak mahal serta tersebar luas.
Agar kristal bergetar, sirkuitnya membutuhkan komponen tambahan. Pada tahun 1970-an, osilator kristal modular mendapatkan popularitas - rakitan mikro yang ringkas dan mudah digunakan ini menggabungkan kristal itu sendiri, IC, dan komponen diskrit. Saya bertanya-tanya bagaimana salah satu modul ini bekerja, jadi saya membuka salah satunya dan merekayasa ulang chipnya. Dalam posting ini saya akan menjelaskan cara kerjanya dan menjelaskan rangkaian CMOS kecil yang mengendarainya. Ternyata ada lebih banyak hal menarik yang terjadi di dalam modul daripada yang Anda harapkan.
Modul generator
Saya mempelajari modul dari kartu untuk PC IBM. Modul ini ditempatkan dalam wadah logam persegi panjang dengan 4 pin, yang melindungi elektronik dari gangguan listrik (ini adalah Rasco Plus dalam wadah persegi panjang di sebelah kanan di foto, bukan IC persegi dari IBM). Modul ini menghasilkan sinyal pada 4.7174 MHz, yang mengikuti dari tulisan di casingnya.
Mengapa kartu tersebut menggunakan kristal dengan frekuensi yang tidak biasa - 4,7174 MHz? Pada 1970-an, IBM 3270 adalah terminal CRT yang sangat populer. Terminal dihubungkan dengan kabel koaksial dan menggunakan protokol Standar Sistem Tampilan Antarmukaberoperasi pada frekuensi clock 2.3587 MHz. Pada akhir 1980-an, IBM memproduksi kartu antarmuka untuk menghubungkan PC IBM ke jaringan 3270. Kristal saya hanyalah salah satu dari kartu ini (tipe 56X4927), dan frekuensi kristal 4,7174 MHz - persis dua kali 2,3587 MHz.
Modul osilator kristal ada di kanan bawah. Prasasti tubuh: Rasco Plus. 4.7174 MHZ, Motorola 1987. Modul persegi di sebelah kiri adalah IC dari IBM.
Saya membuka casing modul untuk melihat sirkuit hybridnya. Saya berharap melihat kristal kuarsa di sana yang menyerupai permata di dalam kotak, tetapi saya menemukan bahwa osilator kuarsa menggunakan cakram kuarsa yang sangat tipis. Saya merusaknya ketika saya membukanya, jadi ada bagian yang hilang di kanan atas. Itu bisa dilihat di sisi kiri foto - elektroda logam pas dari kedua sisi. Mereka, pada gilirannya, dihubungkan ke pin kecil tempat kristal dinaikkan di atas permukaan casing sehingga dapat bergetar dengan bebas.
– , . . 3 10 , , , .
Foto di bawah ini menunjukkan kristal IC kecil di bawah mikroskop. Bantalan kontak dan blok fungsional utama ditandai. Area hijau-coklat adalah silikon yang membentuk IC. Lapisan logam kekuningan menghubungkan komponen ke IC. Di bawah logam adalah lapisan polysilicon kemerahan, tempat terbentuknya transistor - tetapi hampir seluruhnya tertutup oleh lapisan logam. Di sepanjang tepi chip adalah kawat las yang terhubung ke bantalan yang menghubungkan chip ke seluruh modul. Dua situs (pilih dan nonaktifkan) tidak terhubung. Chip tersebut diproduksi oleh Motorola pada tahun 1986. Saya tidak dapat menemukan informasi tentang artikel SC380003.
Kristal IC dengan tanda blok utama. "FF" adalah singkatan dari trigger. "Sel" - bantalan [pilih bantalan]. "Cap" - bantalan yang terhubung ke kapasitor internal...
IS memiliki dua tugas. Pertama, komponen analognya menyebabkan kristal bergetar. Kedua, komponen digitalnya membagi frekuensi dengan 1, 2, 4, atau 8, dan memberikan sinyal clock arus tinggi (pembagi diatur oleh dua pin pilih pada IC).
Osilator kristal diimplementasikan sesuai dengan skema di bawah ini, yang disebut " osilator Colpitz ". Ini lebih kompleks daripada rangkaian osilator kristal konvensional. Intinya adalah kristal dan dua kapasitor berosilasi pada frekuensi tertentu. Namun, osilasi akan cepat membusuk jika bukan karena umpan balik pendukung dari transistor pendukung.
Osilator kristal tipikal menggunakan rangkaian sederhana yang disebut osilator Pierce, di mana loop umpan balik dibentuk dari kristal dan inverter. Dua kapasitor yang diarde di tengah membuatnya sangat mirip dengan generator Colpitz klasik.
Saya tidak yakin mengapa osilator kristal yang telah saya bongkar menggunakan rangkaian yang lebih kompleks yang membutuhkan bias tegangan yang cerdas.
Pada tahun 1918, Edwin Colpitz, kepala peneliti di Western Electric, menemukan osilator kristal dengan induktor dan kapasitor. Saat ini sirkuit ini dikenal sebagai generator Colpitz. Idenya adalah bahwa induktor dan kapasitor membentuk "reservoir resonan" yang berosilasi pada frekuensi yang bergantung pada karakteristik komponen. Anda dapat membayangkan bahwa listrik di reservoir ini seperti percikan bolak-balik antara induktor dan kapasitor. Getaran itu sendiri akan cepat membusuk, jadi penguat digunakan untuk memberi mereka makan. Dalam generator Kolpitz asli, penguatnya adalah tabung vakum. Kemudian, rangkaian beralih ke transistor, tetapi penguat ini dapat beroperasi atau jenis yang berbeda. Di sirkuit lain, ujungnya di-ground sehingga ada umpan balik di tengah. Kemudian kapasitor tidak membalikkan apa pun,oleh karena itu, penguat non-pembalik digunakan.
Diagram sederhana generator Colpitz dengan komponen dasar.
Fitur utama dari generator Colpitz adalah dua kapasitor yang membentuk pembagi tegangan. Karena mereka dibumikan di tengah, mereka akan memiliki tegangan yang berlawanan di kedua ujungnya: ketika satu naik, yang lain jatuh. Penguat mengambil sinyal dari satu ujung, memperkuatnya, dan mengirimkannya ke ujung lainnya. Penguat membalikkan sinyal, dan kapasitor memberikan pembalikan kedua sehingga umpan balik memperkuat sinyal asli (memberikan pergeseran fasa 360 °).
Pada tahun 1923, George Washington Pierce, profesor fisika di Harvard, mengganti induktor di generator Colpitz dengan kristal. Berkat ini, generator menjadi lebih akurat, dan mulai digunakan secara luas di pemancar radio dan perangkat lain. Pierce mematenkan penemuannya dan menghasilkan uang yang layak dari perusahaan seperti RCA dan AT&T. Ketersediaan paten telah menyebabkan proses pengadilan selama bertahun-tahun, yang turun sebagai akibat dari Mahkamah Agung.
Selama beberapa dekade, generator Pierce itu disebut generator Colpitz dengan kristal. Generator Pierce sering kekurangan kapasitor karakteristik, alih-alih menggunakan kapasitansi parasit dari tabung vakum. Terminologi berangsur-angsur berubah , dan dua jenis osilator kristal mulai disebut osilator Colpitz (dengan kapasitor) dan osilator Pierce (tanpa mereka).
Perubahan lain dalam terminologi terjadi karena fakta bahwa osilator Colpitz, osilator Pierce dan osilator Clapp adalah osilator kristal yang identik secara topologis , hanya berbeda di bagian mana dari rangkaian yang dianggap sebagai ground (kolektor, emitor atau basis, masing-masing). Semua generator ini dapat disebut generator Colpitz, hanya dengan kolektor umum, emitor umum, atau basis bersama.
Saya membuat perjalanan ini ke dalam sejarah untuk menunjukkan bahwa dalam berbagai sumber generator ini disebut berbeda, generator Colpitz atau Pierce, dan dengan cara yang kontradiktif. Generator yang saya pelajari bisa disebut generator Colpitz dengan saluran umum (dengan analogi dengan kolektor umum). Ini juga bisa disebut generator Colpitz berdasarkan lokasi tanah. Namun secara historis dapat disebut generator Pierce karena menggunakan kristal. Ini juga disebut osilator kristal pin tunggal karena hanya satu pin kristal yang terhubung ke sirkuit eksternal (yang lainnya diarde).
Sirkuit generator yang disederhanakan
Meningkatkan tegangan pada kristal menyalakan transistor, arus mengalir ke kapasitor, meningkatkan tegangan pada mereka (dan pada kristal). Penurunan tegangan pada kristal mematikan transistor, aliran arus (lingkaran dengan panah) menarik arus dari kapasitor, menurunkan tegangan pada kristal. Dengan demikian, umpan balik dari transistor memperkuat osilasi kristal, mempertahankannya.
Rangkaian tegangan bias dan arus adalah bagian penting dari rangkaian ini. Tegangan bias mengatur gerbang transistor di suatu tempat di tengah antara keadaan hidup dan mati, sehingga fluktuasi tegangan pada kristal menyalakan dan mematikannya. Arus bias berada di tengah-tengah antara arus hidup dan mati transistor, sehingga arus yang masuk dan keluar dari kapasitor seimbang (saya menyederhanakan ketika berbicara tentang keadaan hidup dan mati - pada kenyataannya, sinyalnya akan menjadi sinusoidal).
Bias dan rangkaian arus adalah rangkaian analog yang cukup kompleks, terdiri dari sekumpulan transistor dan beberapa resistor. Saya tidak akan menjelaskannya secara rinci, saya hanya akan mengatakan bahwa mereka menggunakan loop umpan balik untuk menghasilkan tegangan tetap dan nilai arus yang diinginkan.
Bagian penting dari IC ditempati oleh lima kapasitor. Dalam diagram, satu terletak di atas, tiga berjalan secara paralel, membentuk kapasitor bawah pada diagram, dan satu menstabilkan rangkaian tegangan bias. Foto kristal di bawah ini menunjukkan salah satu kapasitor setelah melarutkan lapisan logam atas. Area merah dan hijau adalah polysilicon yang membentuk pelat atas kapasitor bersama dengan lapisan logam. Daerah merah muda di bawah polisilikon kemungkinan adalah silikon nitrida, yang membentuk lapisan dielektrik. Silikon dengan aditif, yang tidak terlihat di foto, membentuk pelat dasar kapasitor.
Kapasitor chip. Kotak pucat besar di sebelah kiri adalah bantalan untuk menghubungkan kabel ke IC. Struktur kompleks di sebelah kiri adalah dioda pengunci kontak. Struktur seperti semanggi di sebelah kanan adalah transistor.
Menariknya, kapasitor pada chip tersebut tidak saling terhubung. Mereka terhubung ke tiga kabel yang terhubung satu sama lain. Mungkin ini memberikan fleksibilitas rangkaian - kapasitansi rangkaian dapat diubah dengan melepas konduktor yang mengarah ke kapasitor.
Sirkuit digital
Di sisi kanan chip adalah sirkuit digital untuk membagi frekuensi keluaran kristal dengan 1, 2, 4, atau 8. Berkat ini, kristal yang sama dapat mengeluarkan empat frekuensi. Pembatasnya terdiri dari tiga sandal jepit yang dihubungkan secara seri. Masing-masing membagi pulsa masuk menjadi dua. Multiplexer 4-ke-1 memilih antara denyut nadi asli atau keluaran dari salah satu flip-flop. Pemilihan dilakukan dengan menggunakan konduktor yang menuju ke dua bantalan pemilihan di sisi kanan kristal. Frekuensi yang dihasilkan ditetapkan pada tahap produksi. Empat gerbang NAND digunakan bersama dengan inverter untuk memecahkan kode pin dan menghasilkan empat sinyal kontrol untuk multiplekser dan sandal jepit.
Penerapan logika CMOS
Kip dibangun di atas logika CMOS (semikonduktor oksida logam komplementer). Ini menggunakan dua jenis transistor yang bekerja bersama, N-MOS dan P-MOS. Diagram di bawah menunjukkan struktur transistor N-MOS. Transistor dapat dianggap sebagai sakelar sumber-drain yang mengontrol katup. Sumber dan saluran (hijau) terdiri dari bagian silikon dengan aditif yang mengubah sifat semikonduktornya - dari silikon N +. Katup terbuat dari silikon khusus, polisilikon, dipisahkan dari substrat silikon oleh lapisan oksida isolasi yang sangat tipis. Transistor N-MOS menyala saat katup ditarik ke atas.
Struktur transistor N-MOS. Struktur transistor P-MOS serupa, tetapi bagian silikon tipe N dan P bertukar.
Struktur transistor P-MOS adalah kebalikan dari transistor N-MOS: sumber dan drain terdiri dari silikon P + yang tertanam dalam silikon N. Ini juga bekerja berlawanan dengan transistor N-MOS: ia menyala ketika katup ditarik ke bawah. Biasanya, P-MOSFET menarik saluran ke atas dan N-MOSFET menarik saluran ke bawah. Dalam CMOS transistor bekerja dengan saling melengkapi, menarik keluaran ke atas atau ke bawah sesuai kebutuhan.
Diagram di bawah menunjukkan bagaimana gerbang NAND diimplementasikan di CMOS. Jika 0 diterapkan ke input, transistor P-MOS yang sesuai (atas) menyala dan menarik output ke atas. Jika 1 diterapkan ke kedua input, transistor N-MOS (bawah) menyala dan menarik output ke bawah. Jadi, rangkaian mengimplementasikan fungsi NAND.
Diagram di bawah menunjukkan bagaimana tampilan gerbang NAND pada mata dadu. Berbeda dengan gambar di buku teks, transistor asli memiliki bentuk yang rumit dan berliku-liku. Ada transistor P-MOS di sisi kiri dan transistor N-MOS di sebelah kanan. Garis-garis kemerahan di atas silikon adalah polysilicon yang membentuk katup. Sebagian besar silikon di substrat bersifat konduktif karena aditif, dan terlihat sedikit lebih gelap daripada silikon non-konduktif tanpa aditif di tepi kiri dan kanan, serta di tengah. Untuk foto ini, lapisan logam telah terukir. Garis kuning menunjukkan tempat konduktor logam dulu. Lingkaran adalah ikatan lapisan logam dengan lapisan bawahnya, silikon atau polisilikon.
Bagaimana gerbang NAND terlihat pada sebuah chip
Transistor di foto dapat dibandingkan dengan rangkaian gerbang NAND. Lihatlah gerbang berbentuk polysilicon dari transistor dan apa yang mereka bagikan. Dari bagian +5, ada jalur ke output melalui P-MOSFET panjang di sebelah kiri. Jalur kedua melewati transistor P-MOS kecil di tengah - ini menunjukkan bahwa transistor terhubung secara paralel. Setiap katup mengontrol salah satu input. Jalur kiri dari ground ke output harus melalui kedua transistor N-MOS konsentris - keduanya dihubungkan secara seri.
IC ini juga menggunakan banyak transistor ring-gate. Susunan elemen yang tidak biasa ini memungkinkan beberapa transistor paralel ditempatkan dalam kepadatan tinggi. Foto di bawah ini menunjukkan 16 transistor dengan katup cincin. Pola seperti semanggi berwarna tembaga adalah saluran dari transistor dan sumbernya berada di luar. Lapisan logam (di sini dihilangkan) menyatukan, masing-masing, semua sumber, katup, dan saluran air. Transistor paralel bekerja seperti transistor besar. Transistor paralel digunakan untuk menyuplai arus tinggi ke keluaran. Dalam rangkaian bias, jumlah transistor yang berbeda (6, 16 atau 40) dihubungkan bersama untuk mendapatkan rasio arus yang diinginkan.
Katup transfer
Sirkuit kunci lain dalam chip adalah gerbang transfer. Ia bekerja seperti sakelar yang dilewati sinyal atau tidak. Diagram di bawah menunjukkan bagaimana gerbang transfer dibuat dari dua transistor, transistor N-MOS dan transistor P-MOS. Jika tegangan besar diterapkan ke jalur pengaktifan, kedua transistor menyala, dan sinyal input masuk ke output. Jika voltase rendah, mereka mati, memblokir sinyal. Di sebelah kanan adalah sebutan konvensional katup transfer dalam diagram.
Multiplexer
Multiplexer digunakan untuk memilih salah satu dari empat sinyal clock. Diagram di bawah menunjukkan bagaimana multiplexer diimplementasikan menggunakan gerbang transfer. Multiplexer menerima empat sinyal sebagai masukan: A, B, C dan D. Salah satu masukan dipilih dengan mengaktifkan jalur pemilihan yang sesuai dan komplemennya. Input ini dihubungkan melalui transfer valve ke output, dan input lainnya diblokir. Meskipun multiplekser dapat dibangun di atas gerbang logika standar, implementasinya pada gerbang transfer lebih efisien.
Multiplexer 4-ke-1 berdasarkan katup transfer
Diagram di bawah ini menunjukkan transistor yang membentuk multiplexer. Sepasang transistor terhubung ke input B dan C. Saya pikir ini dilakukan karena sepasang transistor memiliki resistansi setengah. Karena input B dan C adalah untuk sinyal frekuensi tinggi, sepasang transistor dapat mengurangi latensi dan distorsi.
Foto di bawah ini menunjukkan bagaimana multiplexer diimplementasikan secara fisik pada sebuah chip. Katup polysilicon paling baik dilihat. Lapisan logam telah dihilangkan. Konduktor logam berjalan secara vertikal, menghubungkan segmen transistor yang sesuai. Sumber dan saluran dari transistor yang berdekatan digabungkan menjadi satu bagian yang terletak di antara katup. Kotak atas berisi transistor N-MOS dan kotak bawah berisi transistor P-MOS. Karena P-MOSFET kurang efisien, persegi panjang bawah harus lebih besar.
Pelatuk
Ada tiga flip-flop pada chip yang membagi frekuensi clock. Osilator kristal menggunakan pemicu yang dapat dialihkan yang beralih antara 0 dan 1 setiap kali pulsa masuk diterima. Karena dua pulsa masuk menghasilkan satu pulsa keluar (0 → 1 → 0), pemicu membagi frekuensi menjadi dua.
Flip-flop terdiri dari gerbang transfer, inverter dan gerbang NAND - lihat diagram di bawah. Ketika sinyal clock input adalah 1, output melewati inverter dan gerbang transfer pertama ke titik A.Ketika sinyal input beralih ke 0, gerbang transfer pertama terbuka dan nilai sebelumnya tetap di titik A. Sementara itu, gerbang transfer kedua menutup, sehingga sinyal melewati inverter kedua dan gerbang transfer ke titik B. Gerbang NAND membalikkannya lagi, menyebabkan output dibalik. Siklus kedua dari jam masuk mengulangi proses ini, membawa keluaran kembali ke nilai aslinya. Akibatnya, dua siklus sinyal masukan menghasilkan satu siklus keluaran, sehingga flip-flop membagi frekuensi dengan 2.
Setiap pemicu memiliki masukan pengaktifan. Jika pemicu tidak diperlukan untuk keluaran yang dipilih, pemicu dinonaktifkan. Misalnya, jika mode pembagian dengan 2 dipilih, hanya flip-flop pertama yang digunakan dan dua lainnya dinonaktifkan. Saya kira ini dilakukan untuk mengurangi konsumsi daya. Ini tidak tergantung pada kontak perjalanan pada modul, yang sepenuhnya memblokir sinyal keluaran. Properti yang akan dinonaktifkan ini opsional; tidak ada fungsi seperti itu dalam modul ini, dan kontak perjalanan tidak terhubung ke IC.
Pada diagram di atas, inverter dan katup transfer ditampilkan sebagai struktur terpisah. Namun, flip-flop menggunakan struktur gerbang yang menarik yang menggabungkan inverter dan gerbang transfer (kiri) menjadi satu gerbang (kanan). Sepasang transistor yang terhubung ke data berfungsi sebagai inverter. Namun, jika sinyal clock nol, daya dan arde diblokir dan gerbang tidak memengaruhi output, mempertahankan tegangan sebelumnya. Beginilah cara kerja katup transfer.
Inverter gabungan dan katup transfer Foto
di bawah ini menunjukkan bagaimana salah satu katup ini dibuat pada sebuah chip. Foto menunjukkan lapisan logam di atas. Katup polysilicon kemerahan terlihat di bawahnya. Di sebelah kiri ada dua transistor P-MOS berbentuk lingkaran konsentris. Di sebelah kanan adalah transistor N-MOS.
Kesimpulan
Meskipun modul osilator kristal terlihat sederhana di luar, ada lebih banyak komponen di dalamnya daripada yang Anda duga. Tidak hanya kristal kuarsa, tetapi juga komponen diskrit dan IC kecil. IC menggabungkan kapasitor, sirkuit analog untuk memberikan osilasi, dan sirkuit digital untuk memilih frekuensi. Anda dapat memilih salah satu dari empat frekuensi dengan mengubah kabel IC selama produksi.
Informasi lebih lanjut tentang osilator kristal dapat ditemukan di situs EEVblog , electronupdate dan WizardTim . Anda dapat memeriksa generator Kolpitz di Hackaday .
Saya akan mengakhiri dengan foto chip setelah melepaskan lapisan logam dan oksida sehingga silikon dan polisilikon bisa terlihat. Kapasitor besar berwarna merah muda paling menonjol, tetapi transistor juga dapat dipertimbangkan. Dapat diklik
