L'oscillateur à cristal est l'acteur clé de la conception de circuits numériques. Habituellement, dans la conception de circuits, l'oscillateur à cristal est considéré comme le cœur du circuit numérique. Tout le travail du circuit numérique est indissociable du signal d'horloge et l'oscillateur à cristal contrôle directement. le démarrage normal de l'ensemble du système. Ce bouton clé, on peut dire que s'il y a une conception de circuit numérique, vous pouvez voir l'oscillateur à cristal.

Qu'est-ce qu'un oscillateur à cristal ?

L'oscillateur à cristal fait généralement référence à deux types : l'oscillateur à cristal de quartz et le résonateur à cristal de quartz, qui peuvent également être directement appelés oscillateur à cristal. Ils sont tous fabriqués grâce à l’effet piézoélectrique des cristaux de quartz.

Son principe de fonctionnement est le suivant : après avoir appliqué un champ électrique aux deux électrodes du cristal, le cristal subira une déformation mécanique. Au contraire, si une pression mécanique est appliquée aux deux extrémités du cristal, le cristal générera un courant électrique. champ. Ce phénomène est réversible, donc en profitant de cette caractéristique du cristal et en appliquant une tension alternative aux deux extrémités du cristal, la plaquette va générer une vibration mécanique et en même temps générer un champ électrique alternatif. Cependant, les vibrations et le champ électrique générés par le cristal sont généralement très faibles, mais tant qu'ils sont à une certaine fréquence, l'amplitude augmentera considérablement, semblable à la résonance de boucle LC que nous, concepteurs de circuits, voyons souvent.

Classification des oscillateurs à cristal

①Oscillateur à cristal passif

Les oscillateurs à cristal passifs sont des cristaux, généralement des dispositifs non polaires à 2 broches (certains oscillateurs à cristal passifs ont des broches fixes non polaires).

Les oscillateurs à cristal passifs nécessitent généralement l'aide d'un circuit d'horloge formé par un condensateur de charge pour générer un signal d'oscillation (signal sinusoïdal).

②Oscillateur à cristal actif

Les cristaux actifs sont des oscillateurs, généralement à 4 broches. Les oscillateurs à cristal actif ne nécessitent pas l'oscillateur interne du processeur et génèrent des signaux d'onde carrée. Un oscillateur à cristal actif peut générer un signal d'horloge lorsqu'il est alimenté par celui-ci.

Le signal de l'oscillateur à cristal actif est stable, de bonne qualité et la méthode de connexion est relativement simple. L'erreur de précision est inférieure à celle de l'oscillateur à cristal passif et le prix est plus cher que celui de l'oscillateur à cristal passif.

En fait, l’oscillateur à cristal agit comme un circuit RLC en série.

Le circuit équivalent d'un oscillateur à cristal montre un circuit RLC en série, représentant la vibration mécanique du cristal, en parallèle avec un condensateur représentant la connexion électrique au cristal, l'oscillateur à cristal fonctionnant vers la résonance série.

Parmi eux, R est la résistance série équivalente ESR, L et C sont respectivement l'inductance et la capacité équivalentes, et Cp est la capacité parasite.

Paramètres de base de l'oscillateur à cristal

Les paramètres de base des oscillateurs à cristal généraux comprennent : la température de fonctionnement, la valeur de précision, la capacité correspondante, la forme d'emballage, la fréquence du noyau, etc.

Fréquence de base de l'oscillateur à cristal : Généralement, le choix de la fréquence de l'oscillateur à cristal dépend des exigences des composants de fréquence, comme le MCU, il s'agit généralement d'une plage dont la plupart vont de 4 M à des dizaines de M.

Précision de l'oscillateur à cristal : la précision de l'oscillateur à cristal est généralement comprise entre ± 5 ppm, ± 10 ppm, ± 20 ppm, ± 50 ppm, etc. Les puces d'horloge de haute précision sont généralement comprises entre ± 5 ppm, et les applications générales choisiront autour de ± 20 ppm.

Condensateur d'adaptation de l'oscillateur à cristal : généralement en ajustant la valeur du condensateur d'adaptation, la fréquence centrale de l'oscillateur à cristal peut être modifiée. Actuellement, cette méthode est utilisée pour ajuster lors de la fabrication d'oscillateurs à cristal de haute précision.

Disposition de conception d'oscillateur à cristal sur PCB

En tant que cœur du circuit numérique, l'oscillateur à cristal affecte la stabilité de l'ensemble du système. Le choix de l'oscillateur à cristal du système détermine le succès ou l'échec du circuit numérique.

Puisqu'il y a un cristal de quartz à l'intérieur de l'oscillateur à cristal, il est facile de faire cesser la vibration de l'oscillateur à cristal en raison d'un impact externe, etc., donc l'installation fiable de l'oscillateur à cristal doit être prise en compte lors de la conception du circuit, et son emplacement doit ne pas être proche du bord de la planche, de la coque de l'équipement, etc. Lors de la pose de l'oscillateur à cristal sur le PCB, vous faites généralement attention aux points suivants :

① L'oscillateur à cristal ne peut pas être trop proche du bord de la carte, et la coque de l'oscillateur à cristal doit être mise à la terre, sinon l'oscillateur à cristal émettra facilement du bruit.

Ceci est particulièrement important à noter lors de la conception du tableau. La mise à la terre de la coque peut empêcher l'oscillateur à cristal de rayonner vers l'extérieur et peut également protéger l'oscillateur à cristal des interférences des signaux externes. S'il doit être disposé sur le bord du PCB, vous pouvez placer une autre ligne GND à côté de la ligne imprimée de l'oscillateur à cristal et percer des trous à distance sur la ligne de masse pour entourer l'oscillateur à cristal.

② Les lignes de signal ne peuvent pas être posées sous l'oscillateur à cristal, ce qui pourrait facilement entraîner un couplage des lignes de signal avec le bruit harmonique de l'oscillateur à cristal.

Assurez-vous que le sol est complètement pavé et n'acheminez pas de câblage à moins de 300 mil de l'oscillateur à cristal. Cela peut empêcher l'oscillateur à cristal d'interférer avec les performances d'autres câblages, composants et couches.

③Si le dispositif de filtrage est placé sous l'oscillateur à cristal et que le condensateur de filtrage et la résistance correspondante ne sont pas disposés en fonction de la direction du flux du signal, l'effet de filtrage du filtre sera détérioré.

Les condensateurs de couplage doivent être placés aussi près que possible des broches d'alimentation de l'oscillateur à cristal, dans l'ordre de grande à petite valeur de capacité, en fonction de la direction du flux d'énergie.

④Le câblage du signal d'horloge doit être aussi court que possible, avec une largeur de ligne plus large, et trouver un équilibre entre la longueur du câblage et la distance des sources de chaleur.

La disposition suivante est prise comme exemple. La disposition de l'oscillateur à cristal sera relativement meilleure :

①Le condensateur de filtre et le circuit d'adaptation de l'oscillateur à cristal sont situés à proximité de la puce MCU et à l'écart du bord de la carte.

②Les condensateurs de filtre et les résistances correspondantes de l'oscillateur à cristal sont disposés en fonction de la direction du flux du signal et sont placés de manière ordonnée et compacte à proximité de l'oscillateur à cristal.

③ Placez l'oscillateur à cristal près de la puce et les traces vers la puce doivent être aussi courtes et droites que possible.

Dans le système de circuits, la ligne de signal d'horloge à grande vitesse a la priorité la plus élevée. La ligne d'horloge est un signal sensible. Plus la fréquence est élevée, plus la trace est courte pour garantir que la distorsion du signal est minimisée.

Parce que dans de nombreux circuits de courant, la fréquence d'horloge de l'oscillateur à cristal du système est très élevée, de sorte que l'énergie des harmoniques d'interférence est également forte. En plus d'être dérivées des lignes d'entrée et de sortie, les harmoniques seront également rayonnées depuis l'espace, ce qui. provoque également le PCB. Si la disposition de l'oscillateur à cristal n'est pas assez raisonnable, cela provoquera facilement un fort problème de rayonnement parasite, et une fois qu'il se produira, il sera difficile de le résoudre par d'autres méthodes. Par conséquent, la disposition du cristal. L'oscillateur et la ligne de signal CLK sont très importants lors de la disposition de la carte PCB.