O oscilador de cristal é um importante componente eletrônico que fornece geração de relógio muito precisa por pouco dinheiro. Devido ao efeito piezoelétrico, suas propriedades elétricas mudam durante a vibração. Como é possível fazer um cristal que vibre em uma frequência específica, os osciladores de cristal são muito úteis para uma variedade de aplicações. Eles apareceram na década de 1920 e pela primeira vez forneceram geração precisa de formas de onda para estações de rádio. Em 1970, ocorreu uma revolução nos relógios de pulso , quando começaram a usar osciladores de quartzo de alta precisão. Os computadores do ENIAC de 1940 até os dias de hoje usam osciladores de cristal para gerar a frequência do clock.
PCs modernos ainda usam osciladores de cristal, mas tecnologias mais sofisticadas são usadas para obter velocidades de clock de vários GHz. O PC usa um cristal com uma frequência muito menor do que a frequência de operação e multiplica-o usando um loop de fase bloqueada. Os computadores costumam usar um cristal 14.318 porque essa frequência era usada em televisores mais antigos e era barata e difundida.
Para que o cristal vibre, seu circuito requer componentes adicionais. Na década de 1970, os osciladores de cristal modulares ganharam popularidade - esses micro-conjuntos compactos e fáceis de usar combinavam o próprio cristal, o IC e componentes discretos. Eu me perguntei como um desses módulos funcionava, então abri um deles e fiz a engenharia reversa de seu chip. Neste post vou explicar como funciona e descrever o minúsculo circuito CMOS que o aciona. Acontece que há mais coisas interessantes acontecendo dentro do módulo do que você poderia esperar.
Módulo gerador
Estudei um módulo de uma placa para um IBM PC. O módulo está alojado em uma caixa de metal retangular com 4 pinos, que protege a eletrônica de ruídos elétricos (este é o Rasco Plus na caixa retangular à direita da foto, não o CI quadrado da IBM). O módulo gera um sinal a 4,7174 MHz, que decorre da inscrição em sua caixa.
Por que o cartão usa um cristal com uma frequência tão incomum - 4,7174 MHz? Na década de 1970, o IBM 3270 era um terminal CRT muito popular. Os terminais foram conectados por cabo coaxial e usaram o protocolo Interface Display System Standardoperando a uma frequência de clock de 2,3587 MHz. No final da década de 1980, a IBM produziu placas de interface para conectar um IBM PC à rede 3270. Meu cristal é apenas uma dessas placas (tipo 56X4927), e a frequência do cristal é 4,7174 MHz - exatamente o dobro de 2,3587 MHz.
O módulo oscilador de cristal está no canto inferior direito. Inscrição no corpo: Rasco Plus. 4.7174 MHZ, Motorola 1987. O módulo quadrado à esquerda é um IC da IBM.
Abri a caixa do módulo para olhar seu circuito híbrido. Eu esperava ver um cristal de quartzo ali que se assemelha a uma gema em uma caixa, mas descobri que os osciladores de quartzo usam um disco de quartzo muito fino. Danifiquei ao abri-lo, por isso está faltando uma peça no canto superior direito. Ele pode ser visto no lado esquerdo dos eletrodos foto-metálicos encaixados nele de ambos os lados. Esses, por sua vez, são conectados a pequenos pinos nos quais o cristal é elevado acima da superfície da caixa para que possa vibrar livremente.
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A foto abaixo mostra um minúsculo cristal de IC sob um microscópio. As almofadas de contato e os principais blocos funcionais são marcados. As áreas verdes-marrons são o silício que forma o CI. Uma camada metálica amarelada conecta os componentes ao IC. Abaixo do metal há uma camada avermelhada de polissilício, onde os transistores são formados - mas é quase completamente coberta pela camada de metal. Ao longo das bordas do chip está um fio de solda conectado a almofadas que conectam o chip ao resto do módulo. Dois sites (selecione e desative) não estão conectados. O chip foi produzido pela Motorola em 1986. Não consegui encontrar informações sobre o artigo SC380003.
Cristal IC com marcações dos blocos principais. "FF" significa gatilhos. "Sel" - pads [selecionar pads]. "Cap" - almofadas conectadas a capacitores internos...
O IS tem duas tarefas. Primeiro, seus componentes analógicos fazem o cristal vibrar. Em segundo lugar, seus componentes digitais dividem a frequência por 1, 2, 4 ou 8 e fornecem um sinal de clock de alta corrente (o divisor é definido por dois pinos selecionados no IC).
O oscilador de cristal é implementado de acordo com o esquema abaixo, que é chamado de " oscilador Colpitz ". É mais complexo do que um circuito oscilador de cristal convencional. O resultado final é que o cristal e dois capacitores oscilam em uma determinada frequência. No entanto, as oscilações diminuiriam rapidamente se não fosse pelo feedback de suporte do transistor de suporte.
Um oscilador de cristal típico usa um circuito simples chamado oscilador Pierce, no qual um loop de feedback é formado por um cristal e um inversor. Os dois capacitores aterrados no meio fazem com que ele se pareça muito com o gerador Colpitz clássico.
Não sei por que o oscilador de cristal que desmontei usa um circuito mais complexo que requer uma polarização de voltagem inteligente.
Em 1918, Edwin Colpitz, pesquisador-chefe da Western Electric, inventou um oscilador de cristal com um indutor e um capacitor. Hoje, esse circuito é conhecido como gerador Colpitz. A ideia é que o indutor e o capacitor formem um "reservatório ressonante" que oscila em uma frequência dependente das características dos componentes. Você pode imaginar que a eletricidade neste reservatório espirra para frente e para trás entre o indutor e os capacitores. As próprias vibrações decaem rapidamente, então um amplificador é usado para alimentá-las. No gerador Kolpitz original, o amplificador era uma válvula de vácuo. Posteriormente, os circuitos mudaram para transistores, mas este amplificador pode estar operacional ou de um tipo diferente. Em outros circuitos, a extremidade é aterrada para que haja feedback no meio. Então os capacitores não invertem nada,portanto, um amplificador não inversor é usado.
Diagrama simplificado do gerador Colpitz com componentes básicos.
A principal característica do gerador Colpitz são os dois capacitores que formam o divisor de tensão. Por estarem aterrados no meio, eles terão tensões opostas em ambas as extremidades: quando um sobe, o outro cai. Um amplificador pega um sinal de uma extremidade, amplifica-o e o envia para a outra. O amplificador inverte o sinal e os capacitores dão uma segunda inversão para que o feedback amplifique o sinal original (fornecendo um deslocamento de fase de 360 °).
Em 1923, George Washington Pierce, professor de física em Harvard, substituiu o indutor no gerador Colpitz por um cristal. Graças a isso, o gerador se tornou mais preciso e passou a ser amplamente utilizado em transmissores de rádio e outros dispositivos. Pierce patenteou sua invenção e ganhou dinheiro decente com empresas como RCA e AT&T. A disponibilidade de patentes levou a anos de litígios, que diminuíram como resultado do Supremo Tribunal.
Por várias décadas, o gerador Pierce foi chamado de gerador Colpitz com um cristal. O gerador Pierce freqüentemente carecia de capacitores característicos, em vez dos quais a capacitância parasita do tubo de vácuo era usada. Terminologia mudou gradualmente , e os dois tipos diferentes de osciladores de cristal passaram a ser chamados de oscilador Colpitz (com capacitores) e oscilador Pierce (sem eles).
Outra mudança na terminologia ocorreu devido ao fato de que o oscilador Colpitz, oscilador Pierce e oscilador Clapp eram osciladores de cristal topologicamente idênticos , diferindo apenas em qual parte do circuito era considerada terra (coletor, emissor ou base, respectivamente). Todos esses geradores podem ser chamados de geradores Colpitz, apenas com um coletor comum, um emissor comum ou uma base comum.
Fiz esta excursão pela história a fim de mostrar que em várias fontes esses geradores são chamados de geradores Colpitz ou Pierce de maneira diferente e contraditória. O gerador que estudei pode ser chamado de gerador Colpitz com um dreno comum (por analogia com um coletor comum). Também pode ser chamado de gerador Colpitz com base na localização do solo. Mas, historicamente, ele pode ser chamado de gerador Pierce, pois usa um cristal. É também chamado de oscilador de cristal de pino único porque apenas um pino do cristal está conectado ao circuito externo (o outro é aterrado).
Circuito gerador simplificado
Aumentar a voltagem no cristal liga o transistor, a corrente vai para os capacitores, aumentando a voltagem entre eles (e no cristal). Diminuir a voltagem no cristal desliga o transistor, o dreno de corrente (círculo com uma seta) puxa corrente dos capacitores, diminuindo a voltagem no cristal. Assim, o feedback do transistor amplifica as oscilações do cristal, mantendo-as.
A tensão de polarização e os circuitos de corrente são uma parte importante deste circuito. A tensão de polarização define a porta do transistor em algum lugar no meio entre o estado ligado e desligado, então as flutuações de tensão no cristal o ligam e desligam. A corrente de polarização está no meio do caminho entre as correntes on e off do transistor, então a corrente que entra e sai dos capacitores é balanceada (estou simplificando quando falo sobre os estados on e off - na realidade, o sinal será senoidal).
Os circuitos de polarização e de corrente são circuitos analógicos moderadamente complexos, consistindo em um monte de transistores e alguns resistores. Não os descreverei em detalhes, apenas direi que eles usam loops de feedback para gerar os valores fixos de tensão e corrente desejados.
Uma parte significativa do IC é ocupada por cinco capacitores. No diagrama, um está localizado no topo, três funcionam em paralelo, formando o capacitor inferior no diagrama, e um estabiliza o circuito de tensão de polarização. A foto do cristal abaixo mostra um dos capacitores após a dissolução da camada superior de metal. As áreas vermelhas e verdes são polissilício formando a placa superior do capacitor junto com a camada de metal. A área rosada sob o polissilício é provavelmente nitreto de silício, que forma uma camada dielétrica. Silício com aditivos, que não é visível na foto, forma a placa inferior do capacitor.
Capacitor de chip. O grande quadrado claro à esquerda é a almofada para conectar o fio ao IC. As estruturas complexas à esquerda são os diodos de travamento dos contatos. As estruturas semelhantes a trevo à direita são transistores.
Curiosamente, os capacitores do chip não estão conectados juntos. Eles são conectados a três fios conectados entre si. Talvez isso dê flexibilidade ao circuito - a capacitância do circuito pode ser alterada removendo o condutor que conduz ao capacitor.
Circuito digital
No lado direito do chip está um circuito digital para dividir a frequência de saída do cristal por 1, 2, 4 ou 8. Graças a isso, o mesmo cristal pode produzir quatro frequências. A divisória é composta por três flip-flops conectados em série. Cada um divide o pulso de entrada pela metade. O multiplexador 4 para 1 seleciona entre a taxa de pulso original ou a saída de um dos flip-flops. A seleção é realizada usando os condutores que chegam às duas almofadas de seleção do lado direito do cristal. A frequência resultante é fixada na fase de produção. Quatro portas NAND são usadas junto com inversores para decodificar os pinos e gerar quatro sinais de controle para o multiplexador e flip-flops.
Implementação da lógica CMOS
O Kip é baseado na lógica CMOS (semicondutor de óxido de metal complementar). Ele usa dois tipos de transistores trabalhando juntos, N-MOS e P-MOS. O diagrama abaixo mostra a estrutura de um transistor N-MOS. O transistor pode ser visto como uma chave de drenagem de fonte que controla a válvula. A fonte e o dreno (verde) consistem em seções de silício com aditivos que alteram suas propriedades semicondutoras - a partir do silício N +. A válvula é feita de um silício especial, polissilício, separado do substrato de silício por uma camada de óxido isolante muito fina. O transistor N-MOS liga quando a válvula é puxada para cima.
Estrutura do transistor N-MOS. A estrutura do transistor P-MOS é semelhante, mas as seções de silício tipo N e P são trocadas.
A estrutura de um transistor P-MOS é o oposto de um transistor N-MOS: a fonte e o dreno são compostos de silício P + embutido em silício N. Ele também funciona de forma oposta ao transistor N-MOS: ele liga quando a válvula é puxada para baixo. Normalmente, os P-MOSFETs puxam o dreno para cima e os N-MOSFETs puxam o dreno para baixo. Em CMOS, os transistores funcionam complementando-se uns aos outros, aumentando ou diminuindo a saída conforme necessário.
O diagrama abaixo mostra como a porta NAND é implementada no CMOS. Se 0 for aplicado à entrada, o transistor P-MOS correspondente (superior) liga e aumenta a saída. Se 1 for aplicado a ambas as entradas, o transistor N-MOS (parte inferior) liga e puxa a saída para baixo. Assim, o circuito implementa a função NAND.
O diagrama abaixo mostra como a porta NAND fica na matriz. Ao contrário das imagens dos livros didáticos, os transistores reais têm um formato sinuoso e complexo. Há um transistor P-MOS do lado esquerdo e um transistor N-MOS à direita. As linhas avermelhadas acima do silício são o polissilício que forma as válvulas. A maior parte do silício no substrato é condutor devido aos aditivos e parece um pouco mais escuro do que o silício não condutor sem aditivos nas bordas esquerda e direita, bem como no centro. Para esta foto, a camada de metal foi removida. As linhas amarelas representam onde os condutores de metal costumavam estar. Os círculos são as ligações da camada de metal com as camadas inferiores, silício ou polissilício.
Como uma porta NAND se parece em um chip
O transistor na foto pode ser comparado ao circuito da porta NAND. Dê uma olhada nas portas em forma de polissilício de um transistor e o que elas compartilham. Da seção +5, há um caminho para a saída através do P-MOSFET longo à esquerda. O segundo caminho passa por um pequeno transistor P-MOS no centro - isso mostra que os transistores estão conectados em paralelo. Cada válvula controla uma das entradas. A trilha esquerda do solo para a saída deve passar por ambos os transistores N-MOS concêntricos - eles são conectados em série.
Este IC também usa muitos transistores de porta em anel. Este arranjo incomum de elementos permite que vários transistores paralelos sejam colocados em alta densidade. A foto abaixo mostra 16 transistores com válvulas em anel. Os padrões de trevo cor de cobre são o dreno dos transistores e a fonte está do lado de fora. A camada metálica (aqui é retirada) une, respectivamente, todas as fontes, válvulas e drenos. Os transistores paralelos funcionam como um grande. Transistores paralelos são usados para fornecer altas correntes para a saída. Em um circuito de polarização, diferentes números de transistores (6, 16 ou 40) são conectados juntos para obter a relação de corrente desejada.
Válvula de transferência
Outro circuito importante no chip é a porta de transferência. Funciona como um interruptor pelo qual o sinal passa ou não. O diagrama abaixo mostra como uma porta de transferência é feita de dois transistores, um transistor N-MOS e um transistor P-MOS. Se uma grande tensão for aplicada à linha de habilitação, ambos os transistores ligam e o sinal de entrada vai para a saída. Se a tensão estiver baixa, eles desligam, bloqueando o sinal. À direita está a designação convencional da válvula de transferência nos diagramas.
Multiplexer
O multiplexador é usado para selecionar um dos quatro sinais de clock. O diagrama abaixo mostra como o multiplexador é implementado usando portas de transferência. O multiplexador aceita quatro sinais como entrada: A, B, C e D. Uma das entradas é selecionada ativando a linha de seleção correspondente e seu complemento. Esta entrada é conectada por meio de uma válvula de transferência à saída e as outras entradas são bloqueadas. Embora o multiplexador possa ser construído em portas lógicas padrão, sua implementação em portas de transferência é mais eficiente.
Multiplexador 4 para 1 baseado em válvulas de transferência
O diagrama abaixo mostra os transistores que compõem o multiplexador. Um par de transistores é conectado às entradas B e C. Acho que isso é feito porque um par de transistores tem metade da resistência. Como as entradas B e C são para sinais de alta frequência, um par de transistores pode reduzir a latência e a distorção.
A foto abaixo mostra como o multiplexador é fisicamente implementado em um chip. As válvulas de polissilício são mais bem vistas. A camada de metal foi removida. Os condutores de metal corriam verticalmente, conectando os segmentos correspondentes dos transistores. As fontes e drenos de transistores adjacentes são combinados em seções únicas localizadas entre as válvulas. A caixa superior contém transistores N-MOS e a caixa inferior contém transistores P-MOS. Como os P-MOSFETs são menos eficientes, o retângulo inferior deve ser maior.
Desencadear
Existem três flip-flops no chip que dividem a frequência do clock. O oscilador de cristal usa gatilhos selecionáveis que alternam entre 0 e 1 cada vez que um pulso de entrada é recebido. Visto que dois pulsos de entrada fornecem um de saída (0 → 1 → 0), o acionador divide a frequência pela metade.
O flip-flop consiste em portas de transferência, inversores e uma porta NAND - consulte o diagrama abaixo. Quando o sinal do relógio de entrada é 1, a saída passa pelo inversor e pela primeira porta de transferência para o ponto A. Quando o sinal de entrada muda para 0, a primeira porta de transferência se abre e o valor anterior permanece no ponto A. Enquanto isso, a segunda porta de transferência se fecha, então o sinal passa pelo segundo inversor e pela porta de transferência para o ponto B. A porta NAND o inverte novamente, fazendo com que a saída seja revertida. O segundo ciclo do relógio de entrada repete esse processo, trazendo a saída de volta ao seu valor original. Como resultado, dois ciclos de sinais de entrada fornecem um ciclo de saída, então o flip-flop divide a frequência por 2.
Cada gatilho possui uma entrada de habilitação. Se um acionador não for necessário para a saída selecionada, ele será desabilitado. Por exemplo, se o modo de divisão por 2 for selecionado, apenas o primeiro flip-flop é usado e os outros dois são desabilitados. Acho que isso é feito para reduzir o consumo de energia. Isso é independente do contato de trip no módulo, que bloqueia completamente o sinal de saída. Esta propriedade a ser desabilitada é opcional; não existe tal função neste módulo, e o contato de trip não está conectado ao IC.
No diagrama acima, os inversores e as válvulas de transferência são mostrados como estruturas separadas. No entanto, o flip-flop usa uma estrutura de porta interessante que combina um inversor e uma porta de transferência (esquerda) em uma única porta (direita). Um par de transistores conectados aos dados atuam como um inversor. Porém, se o sinal do clock for zero, a potência e o aterramento são bloqueados e o gate não afeta a saída, mantendo a tensão anterior. É assim que a válvula de transferência funciona.
Inversor e válvula de transferência combinados
A foto abaixo mostra como uma dessas válvulas é feita em um chip. A foto mostra a camada de metal no topo. Válvulas de polissilício avermelhadas são visíveis por baixo. À esquerda estão dois transistores P-MOS na forma de círculos concêntricos. À direita estão os transistores N-MOS.
Conclusão
Embora o módulo oscilador de cristal pareça simples por fora, há mais componentes internos do que você poderia esperar. Não existe apenas um cristal de quartzo, mas também componentes discretos e um minúsculo CI. O IC combina capacitores, circuitos analógicos para fornecer oscilação e circuitos digitais para selecionar a frequência. Você pode selecionar uma das quatro frequências mudando a fiação do IC durante a produção.
Mais informações sobre osciladores de cristal podem ser encontradas nos sites EEVblog , electronupdate e WizardTim . Você pode verificar o gerador Kolpitz no Hackaday .
Terminarei com uma foto do chip após remover as camadas de metal e óxido para que o silício e o polissilício possam ser vistos. Capacitores rosados grandes se destacam mais, mas transistores também podem ser considerados. Clicável
