Как изменить частоту кварцевого генератора

Схема кварцевого генератора с перестраиваемой частотой колебаний.

Расширение диапазона плавной перестройки частоты генератора с нескольки- ми частотозадающими кварцевыми
резонаторами в цепи обратной связи.

Сверхзадача «утянуть» частоту колебаний кварцевого генератора подальше от основной частоты механического резонанса занимает пытливые
умы радиолюбителей давно и пронзительно. Причём, ни появление на свет синтезаторов частот с ФАПЧ, ни проклёвывание широкополосных цифровых
DDS синтезаторов — никакого влияния на этот маниакальную мечту
ровным счётом не оказали.
Может это извращение — сродни сексуальному, и связано с проявлением психической болезни?
Едва ли. Скорее это стремление к простоте, которая, как известно, не только
хуже воровства, но и — есть необходимое условие прекрасного.

Наиболее далеко в этом вопросе продвинулись японские инженеры, которые отличились в далёком 1980 году применением в генераторе
вместо одного — двух идентичных, включённых параллельно кварцевых резонаторов. Схема была предложена JA0AS (Mr. Shimizu) и
JH1FCZ (Mr. Okubo) и скромно названа авторами «Super VXO» (Кварцевый супергенератор).

Рис.1

Вот, что пишет про работу предлагаемого супергенератора ещё один японский самурай Minowa Makoto, 7N3WVM: «Такое включение резонаторов позволяет осуществлять подстройку частоты генератора в гораздо больших пределах, чем однокварцевые схемы. Так, согласно моим экспериментам для резонаторов на частоту 10,15 МГц этот диапазон составляет около 40 КГц, а для 13 МГц кварцев — около 90 КГц (!). Вот результаты моих экспериментов: 1. Два кварца на частоту 10.15 МГц, дроссель на 15 мкГн, переменный конденсатор на 20 пф. При этих параметрах генератор работал в диапазоне 10.10 — 10.14 МГц. С таким генератором я сделал приемник прямого преобразования на диапазон 30 м.

Частота — очень стабильная. Использовался транзистор 2SC1815 с верхней граничной частотой 80 МГц.
2. Два кварца на частоту 13 МГц, катушка индуктивности VXO-50 (7… 11 мкГн), переменный конденсатор на 30 пф.
Полученный диапазон перестройки 12.91…13.00 MГц. Транзистор тот же. Катушка VXO-50 — фирменная, разработана специально для VXO
на 6 метров и имеет небольшой температурный коэффициент.

Так же этот генератор был применен мною в QRP передатчике на 6 м. При частоте кварцев 11.2735 МГц и после утроения он перекрывал диапазон
50.00 — 50.27 МГц (270 КГц !).

Частотный диапазон перестройки указанного генератора может быть шире, но стабильность его становится хуже с увеличением индуктивности.
JH1FCZ рекомендует в своей книге придерживаться изменения частоты в пределах 0.5% от номинальной частоты, т.е. для 10 МГц — это 50 КГц.

Мною были испробованы катушки индуктивности различной конструкции, и как показала практика — лучше работают катушки больших размеров.
При перестройке частоты возможны внезапные провалы частоты, это можно устранить включением параллельно индуктивности резистора
сопротивлением 10-30 ком.

Стабильность частоты во многом зависит от температурного коэффициента использованного материала сердечника катушки индуктивности.
Поэтому лучше использовать катушки без сердечника».

Ещё дальше пошёл отечественный умелец, автор книги «Азбука УКВ. Как построить трансивер» Г.А. Тяпичев, который провёл ряд
экспериментов с вышеописанной схемой, в которых использовалось параллельное подключение уже нескольких кварцев.

Рис.2

Припадём к источнику: «Экспериментальный вариант схемы приведён на Рис.2. Здесь показано, что параллельно кварцу Z1 могут быть подключены точно такие же по номиналу кварцы (Z1a, Z16 и Z1в), изготовленные одним и тем же предприятием. Катушка L1 должна быть подобрана именно для примененного в данный момент кварца Z1. К нижнему по схеме выводу катушки L1 подсоединены четыре конденсатора постоянной емкости (С1а, С1б и С1в), которые могут поочередно подключаться на землю. Проведём измерения с целью определить влияние количества подключенных параллельно

одинаковых кварцев на ширину диапазона плавной перестройки кварцевого генератора.

Мною было проведено много экспериментов с различными кварцами. Не все кварцы «с распростертыми объятиями» принимали подключаемого к нему
соседа, но большинство из них прилично работали с одним или двумя параллельными кварцами.
Лучше других допускали параллельное подключение высокочастотные кварцы (13,5…22,5 МГц), конструктивно выполненные в малогабаритных
металлических корпусах. Кварцы от радиостанции РСИУ (в цилиндрических карболитовых корпусах) работали не более чем с двумя параллельно
подключенными такими же кварцами.
Высокочастотные кварцы в малогабаритных металлических корпусах хорошо работали даже с тремя параллельно подключенными кварцами, но
при этом тон биений становился дребезжащим и ухудшалась стабильность генерируемой частоты.

Рис.3

На Рис.3 приведены графические зависимости частоты генерируемых колебаний от количества подключенных параллельно одинаковых
кварцевых резонаторов на частоту 22,5 МГц. Кривая 1 получена при единственном кварце, кривая 2 — при двух параллельно подключенных кварцах,
кривая 3 — при трех кварцах и кривая 4 — при четырех кварцах.

Ширина диапазона генерируемых частот при четырех подключенных кварцах впечатляет, но сигнал становится дребезжащим и стабильность
резко ухудшается. Однако в некоторых случаях подобными явлениями можно пренебречь, уделив побольше внимания жесткости конструкции
генератора, жесткому креплению самого кварца и катушки L1.

Рекомендации по настройке генератора.

Если в наличии имеются несколько одинаковых кварцев, то для генератора с плавным изменением частоты следует выбирать наиболее
активные кварцы, т.е. те кварцы, которые способны создать наибольшую амплитуду генерируемой частоты.
При всех проверках работоспособности кварцев катушка L1 и конденсатор С1 должны быть исключены из схемы, а нижний по схеме вывод кварца
должен быть подключен к земле.

Конденсаторы С2 и СЗ определяют величину положительной обратной связи, которая влияет на процесс генерации. Для начала следует
выбрать значения ёмкостей данных конденсаторов около 100пФ.

Затем емкости этих конденсаторов можно увеличить. Часто бывает так, что амплитуда генерируемых колебаний бывает больше,
если емкость конденсатора С2 много меньше емкости конденсатора СЗ.

Соотношение величин этих емкостей также следует подбирать, контролируя показания аплитуды колебаний. После того, как вы достигли
максимальных величин, следует нижний по схеме вывод кварца Z1 подключить на землю через конденсатор постоянной емкости величиной
75 или 100 пФ (катушку L1 не подключать).
Далее следует проверить работоспособность генератора с подключенным последовательно с кварцем конденсатором.
Затем можно провести эксперименты с заменой этих конденсаторов на другие, с меньшими емкостями или подключить конденсатор переменной
емкости 5 … 100 пФ.
Если генератор перестает работать при малых величинах емкостей, то параллельно конденсатору переменной емкости
нужно подключить подстроечный конденсатор и установить его на минимальную емкость, при которой уже начинается работа генератора,
т.е. минимальная емкость переменного конденсатора и емкость подстроечного конденсатора в сумме должны обеспечить начало работы
генератора.

Далее между нижним выводом кварца Z1 и конденсатора С1 следует включить катушку L1. Катушка должна иметь индуктивность порядка 16 мкГн
и иметь подстроечный сердечник.
При первом подключении катушки (подстроечный сердечник должен быть удален из катушки) возможны следующие случаи:
1. Генератор не хочет работать с подключенной катушкой. Это может быть в том случае, если индуктивность катушки велика.
В этом случае следует отмотать от катушки часть витков и продолжить эксперимент.

2. Если генератор нормально работает с подключенной катушкой L1, то нужно ввести в катушку подстроечный сердечник.
Делать это следует осторожно, постепенно вводить сердечник и одновременно наблюдать за уровнем выходного сигнала. Если при каком-то
положении сердечника генератор перестает работать, то следует вывести сердечник назад и убедиться в возобновлении работы генератора.
Такая катушка может быть использована в схеме нового генератора и позволит выполнить максимально возможный для этого кварца диапазон
перестройки частоты.

3. Если при работающем генераторе сердечник полностью введен в катушку, а генерация не прерывается, то следует на эту катушку
домотать какое-то количество витков, а затем снова убедиться в том, что генератор прекращает работать при определенном положении
подстроечного сердечника и снова начинает работать при выводе сердечника из катушки.

Таким образом можно добиться нормальной работы генератора. Совет один — не стоит устанавливать максимальную величину диапазона перестройки
частоты вашего генератора, если хотите получить высокую стабильность частоты».

Вот это я понимаю — экстрим для любителей бурного рукоделия! Ай да Тяпичев! Ай да сукин сын!
С другой стороны — ну, а что мы, собственно, хотели… Простота требует жертв, а если круто заложиться, то и жертвоприношений.

Хотя, между нами юношами говоря, если вместо кварца использовать его менее добротный аналог — керамический резонатор,
то… почему бы и нет? Очень даже может быть…

Короче, подискутируем на эту тему на следующей странице.

Yes. This has been done in the lab to improve the phase noise of reference oscillators, though it gets expensive in parallel hardware if iterated.

Start off with two independent VCXOs of the same frequency. Use a mixer with a DC-coupled output to combine their outputs. The sum frequency is the doubled output. The difference frequency, their phase difference, is used to phase lock them together. The output of the loop goes to increase the frequency of one, and decrease the frequency of the other. The combination can still be voltage controlled as a single entity, by using a tuning signal which increases the frequency of both.

When frequency doubling a 50 MHz oscillator to 100 MHz in the conventional way with a doubler or PLL+divider, the phase noise increases by 6 dB. When adding two 50 MHz oscillators together like this, the phase noise adds as power, so only increases by 3dB. That’s only a 3dB improvement, for the expense of two oscillators and their control circuitry, but if you are grubbing around at the margins of what is possible, it’s 3dB you won’t get any other way.

You could combine four oscillators for 6dB improvement at 200 MHz, and 8 for 9dB at 400 MHz, though you now need to duplicate rafts of hardware for each further 3dB improvement.

It is possible to get the same effect without phase locking the two VCXOs together, if they are both phase locked to a common reference. Adjust the relative phases of the two sources at the mixer, perhaps by changing cable lengths, to maximise the sum output. This also brings the DC output to zero, which is perhaps a more convenient way to monitor their relative phase.

Of course if you are in a lab and can borrow a couple of signal generators, you can play with this effect. Make sure both are referenced to the same 10 MHz external reference, set them to the same frequency, mix them, and adjust their relative phase. This is rarely the best way to get a 2x frequency signal, or a 3dB phase noise better signal, but it’s instructive to do it once.

Yes. This has been done in the lab to improve the phase noise of reference oscillators, though it gets expensive in parallel hardware if iterated.

Start off with two independent VCXOs of the same frequency. Use a mixer with a DC-coupled output to combine their outputs. The sum frequency is the doubled output. The difference frequency, their phase difference, is used to phase lock them together. The output of the loop goes to increase the frequency of one, and decrease the frequency of the other. The combination can still be voltage controlled as a single entity, by using a tuning signal which increases the frequency of both.

When frequency doubling a 50 MHz oscillator to 100 MHz in the conventional way with a doubler or PLL+divider, the phase noise increases by 6 dB. When adding two 50 MHz oscillators together like this, the phase noise adds as power, so only increases by 3dB. That’s only a 3dB improvement, for the expense of two oscillators and their control circuitry, but if you are grubbing around at the margins of what is possible, it’s 3dB you won’t get any other way.

You could combine four oscillators for 6dB improvement at 200 MHz, and 8 for 9dB at 400 MHz, though you now need to duplicate rafts of hardware for each further 3dB improvement.

It is possible to get the same effect without phase locking the two VCXOs together, if they are both phase locked to a common reference. Adjust the relative phases of the two sources at the mixer, perhaps by changing cable lengths, to maximise the sum output. This also brings the DC output to zero, which is perhaps a more convenient way to monitor their relative phase.

Of course if you are in a lab and can borrow a couple of signal generators, you can play with this effect. Make sure both are referenced to the same 10 MHz external reference, set them to the same frequency, mix them, and adjust their relative phase. This is rarely the best way to get a 2x frequency signal, or a 3dB phase noise better signal, but it’s instructive to do it once.

Причины «ухода» часов можно разделить на две группы. Первая — это нестабильность частоты кварцевого генератора под влиянием дестабилизирующих факторов: изменения температуры, питающего напряжения и т. д. Вторая группа — это неточность настройки самого кварцевого генератора. Вместо частоты f₀ он генерирует частоту f₀+Δf₀, где Δf₀ — ошибка настройки. Неправильно считать, что если к ножкам микроконтроллера припаян кварц с маркировкой f₀, то частота генерации та же.

Проделайте следующий эксперимент. На место кварца к микроконтроллеру последовательно припаиваются различные экземпляры кварцев, одного и разных производителей, с одинаковой маркировкой частоты (рис. 1). Ничто другое не меняется. После рассеяния тепла мерим частоту, и она оказывается разной, даже для кварцев одного производителя.

Причина изменения частоты для кварцев одного типа и производителя — в разбросе параметров кварцев от экземпляра к экземпляру. Для кварцев разных производителей — это разные параметры кварцев. Разница с маркировкой иногда достигает несколько сотен герц!

Каким образом нужно мерить частоту кварцевого генератора? Разумеется, непосредственное соединение входов осциллоскопа или частотомера с одной из точек CLCKIN или CLCKOUT дало бы неверные результаты из-за входной емкости и входного сопротивления присоединяемого устройства. После его отсоединения частота изменится.

В своей практике автор использовал два подхода. Если микроконтроллер многоразового программирования (типа FLASH), вначале он программируется простой программой для вывода удобного порта (или одного бита порта) бесконечной последовательности чередующихся нулей и единиц. Частота повторения этой импульсной последовательности определяется по формуле f_кв/n, где n — это внутренний коэффициент деления частоты кварцевого генератора.

Приведем для примера простую программу для вывода частоты f₀/n на порт B популярного микроконтроллера PIC16F84A:

В этом микроконтроллере частота такта получается путем деления частоты кварца на 4. Для формирования одного периода импульсной последовательности на каждом бите порта В нужны 4 такта, следовательно, измеряемая частота на порте В есть f_вых = f₀/16. К выводам порта В можно присоединять осциллограф и цифровой частотомер, они не будут оказывать влияния на частоту кварцевого генератора. После настройки f₀ подстроечным конденсатором С~ микроконтроллер повторно программируется с помощью основной программы.

Если микроконтроллер одноразового программирования (типа C), к выводу CLCKOUT присоединяется цепочка каскадно-связанных инверторов или повторителей, которая остается и после настройки f₀. К выходу последнего инвертора (повторителя) присоединяется вход частотомера.

Вычислим «уход» часов из-за неточной настройки кварцевого генератора. Это значение обычно определяется в секундах за сутки. Кварцевые часы состоят из источника импульсной последовательности, периодом 1 с, и счетчика секунд, минут и часов (рис. 2). Если часы должны показывать и десятые доли секунд, период импульсной последовательности должен быть равен 0,1 с.

Все устройства на рис. 2 реализуются внутренними элементами микроконтроллера. Если индицируется астрономическое время, есть цепи для начальной установки и сверки часов. Видно, что:

T₀N = N/f₀ = 1 c. (1)

Так что у конструктора есть две степени свободы — подбирать f₀ и N.

В сутках 86 400 секунд (24×60×60), так что после считывания 86 400 импульсов счетчики «объявят», что прошли сутки. Если частота кварцевого генератора f₀, это будет верно, а если частота f₀+Δf₀, то прошедшее время будет не сутки, а

«Уход» часов за сутки τ определим, вычитая из (2) одни сутки (86 400N/f₀). Получим:

Ошибка настройки Δf₀ может быть как положительной, так и отрицательной, знак τ будет противоположным. Учитывая в (3), что Δf₀ << f₀, ради чего пренебрегаем в сумме Δf₀, и что N/f₀ = 1 с, получим в итоге:

«Уход» частоты за неделю получается путем замены коэффициента 86 400 на 604 800 (7×24×60×60). В таблице вычислен «уход» частоты за сутки и неделю при некоторых ошибках настройки, для частоты кварца f₀ = 1 МГц.

Таблица. Вычисленные значения «ухода» частоты

Производители микроконтроллеров дают в таблицах значения С1 и С2 для различных значений частоты кварцев. Однако эти таблицы составлены с большим шагом по f₀, и неизвестно, какие параметры кварцев имел в виду составитель, поэтому рекомендованные значения надо считать приблизительными и настраивать кварцевый генератор в каждом отдельном случае.

Проделанные вычисления относятся только к ошибке настройки кварцевого генератора и не учитывают дрейфа частоты. Дрейф — случайный процесс. Под действием дестабилизирующих факторов частота повышается и понижается медленно, случайным образом. В известном смысле «уход» часов самокомпенсируется, но не полностью. Если необходимо снизить дрейф частоты, кварцевый генератор нужно заменить внешним термоскомпенсированным (TCXO) или термостатированным (OCXO) кварцевым генератором. Эта более стабильная частота подается на вывод микроконтроллера CLCKIN, а все дополнительные элементы на рис. 1 устраняются.

Разбираем кварцевый генератор и его крохотную интегральную схему

Кварцевый генератор – важный электронный компонент, обеспечивающий очень точную генерацию тактовой частоты за небольшие деньги. Из-за пьезоэлектрического эффекта его электрические свойства меняются в процессе вибрации. Поскольку можно сделать кристалл, который будет вибрировать с определённой частотой, кварцевые генераторы очень полезны для множества применений. Появились они в 1920-х, и сначала обеспечивали точную генерацию волн для радиостанций. В 1970-м году произошла революция наручных часов, когда в них стали использовать кварцевые генераторы высокой точности. Компьютеры, от ENIAC 1940-х годов и до сей поры используют кварцевые генераторы для генерации тактовой частоты.

В современных ПК всё ещё используются кварцевые генераторы, но для получения многогигагерцовых тактовых частот применяются более сложные технологии. ПК использует кристалл с частотой гораздо меньшей, чем рабочая, и умножает её при помощи фазовой автоподстройки частоты. Компьютеры часто используют кристалл на 14 318, поскольку эту частоту использовали в старых телевизорах, и такие кристаллы были недорогими и широко распространёнными.

Для того, чтобы кристалл вибрировал, его схеме требуются дополнительные компоненты. В 1970-х набрали популярность модульные кварцевые генераторы – в этих компактных и лёгких в использовании микросборках комбинировались сам кристалл, ИС и дискретные компоненты. Мне стало интересно, как работает один из таких модулей, поэтому я вскрыл один из них и провёл реверс-инжиниринг его чипа. В данном посте я расскажу, как он работает, и опишу крохотную КМОП-схему, им управляющую. Оказалось, что внутри модуля происходит больше интересного, чем можно было ожидать.

Модуль генератора

Я изучал модуль от карточки для IBM PC. Модуль находится в прямоугольном металлическом корпусе с 4-мя контактами, защищающем электронику от электрического шума (это Rasco Plus в прямоугольном корпусе справа на фото, а не квадратная ИС от IBM). Модуль генерирует сигнал в 4,7174 МГц, что следует из надписи на его корпусе.

Почему же карточка использует кристалл с такой необычной частотой — 4,7174 МГц? В 1970-х IBM 3270 был очень популярным терминалом с ЭЛТ. Терминалы соединялись коаксиальным кабелем и использовали протокол Interface Display System Standard, работавший с тактовой частотой в 2,3587 МГц. В конце 1980-х IBM производила интерфейсные карточки для подсоединения IBM PC к сети 3270. Мой кристалл как раз с одной из таких карточек (тип 56X4927), и частота кристалла равняется 4,7174 МГц – ровно в два раза больше, чем 2,3587 МГц.

Модуль кварцевого генератора находится справа внизу. Надпись на корпусе: Rasco Plus. 4.7174 MHZ, Motorola 1987. Квадратный модуль слева – это ИС от IBM.

Я вскрыл корпус модуля, чтобы посмотреть на его гибридную схему. Я ожидал увидеть там кварцевый кристалл, напоминающий драгоценный камень в шкатулке, однако обнаружил, что кварцевые генераторы используют очень тонкий кварцевый диск. Я повредил его при вскрытии, поэтому у него не хватает кусочка справа вверху. Он виден в левой части фото – с двух сторон к нему подходят металлические электроды. Те, в свою очередь, соединяются с небольшими штырьками, на которых кристалл поднят над поверхностью корпуса, чтобы он мог свободно вибрировать.

Внутри корпуса кварцевого генератора – компоненты, закреплённые на керамической подложке. Они подсоединяются к схеме крохотной золотой проволочной разваркой. Конденсатор на 3 нФ и плёночный резистор на 10 Ом, расположенные на подложке методом поверхностного монтажа, отфильтровывают шум, поступающий от контакта питания.

Схема работы ИС

На фото ниже показан крохотный кристалл ИС под микроскопом. Размечены контактные площадки и основные функциональные блоки. Зелёно-коричневые участки – это кремний, формирующий ИС. Жёлтоватый металлический слой соединяет компоненты с ИС. Под металлом находится красноватый слой поликремния, где формируются транзисторы – но он практически полностью закрыт металлическим слоем. По краям чипа расположена проволочная разварка, подсоединённая к контактным площадкам, соединяющим чип с остальными частями модуля. Две площадки (select и disable) не подсоединены. Чип произведён компанией Motorola в 1986. По артикулу SC380003 информации я не нашёл.

Кристалл ИС с разметкой основных блоков. «FF» обозначает триггеры. «sel» – контактные площадки [select pads]. «cap» – площадки, подсоединённые к внутренним конденсаторам.

У ИС есть две задачи. Во-первых, её аналоговые компоненты заставляют кристалл колебаться. Во-вторых, её цифровые компоненты делят частоту на 1, 2, 4 или 8, и выдают сигнал тактовой частоты с большим током (делитель задаётся двумя контактами выбора на ИС).

Кварцевый генератор реализован по приведённой ниже схеме, которая называется «генератор Колпитца». Она сложнее обычной схемы кварцевого генератора. Суть в том, что кристалл и два конденсатора колеблются с заданной частотой. Однако колебания быстро затухли бы, если бы не поддерживающая обратная связь с поддерживающего транзистора.

Типичный кварцевый генератор строится по простой схеме под названием «генератор Пирса», в которой из кристалла и инвертера формируется цепь обратной связи. Два заземлённых конденсатора в середине делают её очень похожей на классический генератор Колпитца.

Не уверен, по какой причине разобранный мною кварцевый генератор использует более сложную схему, которая требует хитрого смещения напряжения.

В 1918 году Эдвин Колпитц, главный исследователь в компании Western Electric, изобрёл кварцевый генератор на катушке индуктивности и конденсаторе. Сегодня эта схема известна, как генератор Колпитца. Идея в том, что катушка индуктивности с конденсатором формируют «резонансный резервуар», колеблющийся с частотой, зависящей от характеристик компонентов. Можно представлять, что электричество в этом резервуаре как бы плещется туда и сюда между катушкой индуктивности и конденсаторами. Сами по себе колебания быстро затухли бы, поэтому для их подпитки используется усилитель. В оригинальном генераторе Колпитца усилителем была электронная лампа. Позднее схемы перешли на транзисторы, но этот усилитель может быть операционным или другого типа. В других схемах конец заземляется, чтобы в середине шла обратная связь. Тогда конденсаторы ничего не инвертируют, поэтому используется не инвертирующий усилитель.

Упрощённая схема генератора Колпитца с базовыми компонентами.

Ключевая особенность генератора Колпитца заключается в двух конденсаторах, формирующих делитель напряжения. Поскольку они в середине заземлены, на двух концах у них будет напряжение противоположных значений: когда одно повышается, второе понижается. Усилитель берёт сигнал с одного конца, усиливает его, и подаёт на другой. Усилитель инвертирует сигнал, а конденсаторы дают второе инвертирование, так, что обратная связь усиливает оригинальный сигнал (обеспечивая фазовый сдвиг на 360°).

В 1923 году Джордж Вашингтон Пирс, профессор физики в Гарварде, заменил катушку индуктивности в генераторе Колпитца на кристалл. Благодаря этому генератор стал более точным, и его стали широко использовать в радиопередатчиках и других устройствах. Пирс запатентовал своё изобретение и заработал приличные деньги на таких компаниях, как RCA и AT&T. Наличие патентов привело к многолетним судебным тяжбам, дошедшим в итоге до Верховного суда.

Несколько десятилетий генератор Пирса было принято называть генератором Колпитца с кристаллом. В генераторе Пирса часто отсутствовали характерные конденсаторы, вместо которых использовалось паразитная ёмкость электронной лампы. Терминология постепенно менялась, и два разных типа кварцевых генератора начали называть генератором Колпитца (с конденсаторами) и генератором Пирса (без них).

Ещё одно изменение терминологии произошло в связи с тем, что генератор Колпитца, генератор Пирса и генератор Клаппа были топологически идентичными кварцевыми генераторами, отличавшимися только в том, какая часть схемы считалась землёй (коллектор, эмиттер или база соответственно). Все эти генераторы можно называть генераторами Колпитца, только с общим коллектором, общим эмиттером или общей базой.

Этот экскурс в историю я сделал с тем, чтобы показать, что в различных источниках эти генераторы называют по-разному, генераторами Колпитца или Пирса, причём противоречивым образом. Тот генератор, что изучал я, можно назвать генератором Колпитца с общим стоком (по аналогии с общим коллектором). Также его можно назвать генератором Колпитца на основании расположения заземления. Но исторически его можно назвать генератором Пирса, поскольку он использует кристалл. Также он называется кварцевым генератором с одним контактом, поскольку только один контакт кристалла подсоединён к внешней схеме (другой заземлён).

Упрощённая схема генератора

Увеличение напряжения на кристалле включает транзистор, ток идёт в конденсаторы, увеличивая напряжение на них (и на кристалле). Уменьшение напряжения на кристалле выключает транзистор, сток тока (кружок со стрелкой) вытягивает ток из конденсаторов, уменьшая напряжение на кристалле. Таким образом, обратная связь с транзистора усиливает колебания кристалла, поддерживая их.

Цепи напряжения смещения и тока являются важной частью этой схемы. Напряжение смещения устанавливает вентиль транзистора где-то посередине между включённым и выключенным состоянием, поэтому колебания напряжения на кристалле включают его и выключают. Ток смещения находится посередине между значениями токов включённого и выключенного транзистора, поэтому ток, приходящий и уходящий из конденсаторов, сбалансирован (я упрощаю, говоря о включённых и выключенных состояниях – в реальности сигнал будет иметь синусоидальную форму).

Цепи напряжения смещения и тока – это умеренно сложные аналоговые схемы, состоящие из кучки транзисторов и нескольких резисторов. Подробно описывать их не буду, скажу лишь, что они используют цепи обратной связи для генерации нужных фиксированных значений напряжения и тока.

Значительную часть ИС занимают пять конденсаторов. На схеме один расположен сверху, три идут параллельно, формируя нижний конденсатор на схеме, а один стабилизирует цепь напряжения смещения. На фото кристалла ниже показан один из конденсаторов после растворения верхнего металлического слоя. Красные и зелёные участки – это поликремний, формирующий верхнюю пластину конденсатора вместе с металлическим слоем. Расположенный под поликремнием розоватый участок – вероятно, нитрид кремния, формирующий диэлектрический слой. Кремний с добавками, которого на фото не видно, формирует нижнюю пластину конденсатора.

Конденсатор на кристалле. Большой бледный квадрат слева – площадка для подсоединения проволочной разварки к ИС. Сложные структуры слева – фиксирующие диоды контактов. Похожие на клевер структуры справа – это транзисторы.

Интересно, что конденсаторы на чипе не соединяются вместе. Они подсоединены к трём площадкам, связанным между собой проволочной разваркой. Возможно, это придаёт схеме гибкость – ёмкость цепи можно изменить, удалив проводник, ведущий к конденсатору.

Цифровая схема

С правой части чипа находится цифровая схема делителя выходной частоты кристалла на 1, 2, 4 или 8. Благодаря ей один и тот же кристалл может выдавать четыре частоты. Делитель составлен из трёх триггеров, подключённых последовательно. Каждый делит входящий импульс пополам. Мультиплексор 4 к 1 выбирает между оригинальной частотой импульсов или выходом с одного из триггеров. Выбор осуществляется при помощи проводников, подходящих к двум площадкам для выбора с правой части кристалла. Итоговая частота фиксируется на этапе производства. Для декодирования контактов и генерации четырёх управляющих сигналов мультиплексору и триггерам используются четыре вентиля NAND вместе с инверторами.

Реализация логики КМОП

Кип построен на логике КМОП (комплементарная структура металл-оксид-полупроводник). Она использует совместно работающие транзисторы двух типов, N-МОП и P-МОП. На диаграмме ниже показано устройство N-МОП транзистора. Транзистор можно считать переключателем между истоком и стоком, который контролирует вентиль. Исток и сток (зелёные) состоят из участков кремния с добавками, меняющими его полупроводниковые свойства – из N+ кремния. Вентиль сделан из особого кремния, поликремния, отделённого от кремниевой подложки очень тонким изолирующим слоем оксидным слоем. N-МОП транзистор включается, когда вентиль подтягивается вверх.

Структура N-МОП транзистора. Структура P-МОП транзистора похожа, однако участки кремния N- и P-типа меняются местами.

Строение P-МОП транзистора противоположно N-МОП: исток и сток состоят из P+ кремния, включённого в N кремний. Работает он тоже противоположно N-МОП транзистору: включается, когда вентиль подтягивается вниз. Обычно P-МОП транзисторы подтягивают сток вверх, а N-МОП – вниз. В КМОП транзисторы работают, дополняя друг друга, подтягивая выходной сигнал вверх или вниз по необходимости.

На диаграмме ниже показано, как в КМОП реализован вентиль NAND. Если на вход подать 0, соответствующий P-МОП транзистор (вверху) включится и притянет выход вверх. Если на оба входа подать 1, N-МОП транзистор (внизу) включится и подтянет выход вниз. Таким образом схема реализует функцию NAND.

На диаграмме ниже показано, как NAND-вентиль выглядит на кристалле. В отличие от изображений в учебниках, у реальных транзисторов бывает сложная, извилистая форма. С левой стороны находятся P-МОП транзистор, а с правой – N-МОП. Красноватые дорожки над кремнием – это поликремний, формирующий вентили. Большая часть кремния в подложке благодаря добавкам проводит ток, и выглядит чуть темнее непроводящего кремния без добавок с левого и правого краёв, а также в центре. Для изготовления этого фото металлический слой был вытравлен. Жёлтые линии обозначают места, где раньше были металлические проводники. Кружочки — это связи металлического слоя с нижними слоями, кремния или поликремния.

Как NAND-вентиль выглядит на кристалле

Транзистор на фото можно сопоставить со схемой NAND-вентиля. Посмотрите на сформированные поликремнием вентили транзистора, и на то, что они разделяют. От участка +5 есть дорожка к выходу через длинный P-МОП транзистор слева. Второй путь идёт через небольшой P-МОП транзистор в центре – это показывает, что транзисторы подключены параллельно. Каждый вентиль контролирует один из входов. Слева дорожка от земли к выходу должна пойти через оба концентрических N-МОП транзистора – они подключены последовательно.

В этой ИС также используется много транзисторов с кольцевыми вентилями. Эта необычная техника расположения элементов позволяет с большой плотностью разместить множество параллельных транзисторов. На фото ниже показано 16 транзисторов с кольцевыми вентилями. Похожие на клевер узоры медного цвета – это сток транзисторов, а снаружи находится исток. Металлический слой (тут он удалён) объединяет соответственно все истоки, вентили и стоки. Параллельные транзисторы работают как один большой. Параллельные транзисторы используются для подачи больших токов на выход. В схеме смещения вместе соединяются различное количество транзисторов (6, 16 или 40), чтобы получать нужное соотношение токов.

Передаточный вентиль

Ещё одна ключевая схема чипа – это передаточный вентиль. Он работает как переключатель, через который сигнал либо проходит, либо нет. На схеме ниже показано, как передаточный вентиль делается из двух транзисторов, N-МОП транзистора и P-МОП транзистора. Если по линии enable подаётся большое напряжение, включаются оба транзистора, и входной сигнал проходит на выход. Если напряжение низкое, они выключаются, блокируя сигнал. Справа показано условное обозначение передаточного вентиля на схемах.

Мультиплексор

Мультиплексор используется для выбора одного из четырёх тактовых сигналов. На диаграмме ниже показано, как мультиплексор реализован на основе передаточных вентилей. Мультиплексор принимает на вход четыре сигнала: A, B, C и D. Один из входов выбирается через активацию соответствующей линии выбора и её дополнения. Этот вход связывается через передаточный вентиль с выходом, а другие входы блокируются. Хотя мультиплексор можно построить и на стандартных логических вентилях, его реализация на передаточных вентилях получается эффективнее.

Мультиплексор 4 к 1 на основе передаточных вентилей

На схеме ниже показаны транзисторы, из которых состоит мультиплексор. Ко входам B и С подключено по паре транзисторов. Думаю, это сделано потому, что у пары транзисторов сопротивление получается половинным. Поскольку входы В и С предназначены для высокочастотных сигналов, пара транзистора позволяет уменьшить задержки и искажения.

На фото ниже показано, как мультиплексор реализован на кристалле физически. Лучше всего видно поликремниевые вентили. Металлический слой удалён. Металлические проводники шли вертикально, соединяя соответствующие сегменты транзисторов. Истоки и стоки соседних транзисторов объединены в единые участки, расположенные между вентилями. В верхнем прямоугольнике находятся N-МОП транзисторы, а в нижнем – P-МОП. Поскольку P-МОП транзисторы менее эффективны, нижний прямоугольник должен быть больше.

Триггер

На чипе есть три триггера, делящие тактовую частоту. Кварцевый генератор использует переключаемые триггеры, которые переключаются между 0 и 1 каждый раз, когда получают входящий импульс. Поскольку два входящих импульса дают один исходящий (0→1→0), триггер делит частоту пополам.

Триггер состоит из передаточных вентилей, инверторов и NAND-вентиля – см. схему ниже. Когда входящий тактовый сигнал равен 1, выход проходит через инвертор и первый передаточный вентиль в точку А. Когда входящий сигнал переключается на 0, открывается первый передаточный вентиль, и в точке А остаётся предыдущее значение. Тем временем закрывается второй передаточный вентиль, поэтому сигнал проходит через второй инвертор и передаточный вентиль в точку В. NAND-вентиль снова его инвертирует, в результате чего значение выхода меняется на противоположное. Второй цикл входящего сигнала тактовой частоты повторяет этот процесс, благодаря чему выход возвращается к изначальному значению. В итоге два цикла входящих сигналов дают один цикл выходящего сигнала, так что триггер делит частоту на 2.

У каждого триггера есть разрешающий вход. Если триггер для выбранного выхода не нужен, он отключается. К примеру, если выбирается режим деления на 2, используется только первый триггер, а два другие отключаются. Полагаю, это делается для уменьшения энергопотребления. Это не зависит от контакта отключения на модуле, который полностью блокирует выходящий сигнал. Это отключаемое свойство опционально; в данном модуле такой функции нет, а контакт отключения не подключен к ИС.

На схеме выше инвертеры и передаточные вентили показаны в виде отдельных структур. Однако в триггере используется интересная структура вентилей, комбинирующая инвертер и передаточный вентиль (слева) в единый вентиль (справа). Пара транзисторов, подключенных к data in, работают как инвертер. Однако если сигнал тактовой частоты нулевой, питание и земля блокируются, и вентиль не влияет на выход, сохраняя предыдущее напряжение. Так работает передаточный вентиль.

Комбинированные инвертер и передаточный вентиль

На фото ниже показано, как один из таких вентилей выполнен на кристалле. На фото видно металлический слой сверху. Под ним видно красноватые вентили из поликремния. Слева расположены два P-МОП транзистора в виде концентрических кругов. Справа находятся N-МОП транзисторы.

Заключение

Хотя модуль кварцевого генератора снаружи кажется простым, внутри него больше компонентов, чем можно было бы ожидать. Там находится не только кристалл кварца, но и дискретные компоненты, и крохотная ИС. В ИС скомбинированы конденсаторы, аналоговые цепи, обеспечивающие колебания, и цифровые цепи для выбора частоты. Можно выбрать одну из четырёх частот, изменяя проводку ИС на этапе производства.

Больше информации по кварцевым генераторам можно найти на сайтах EEVblog, electronupdate и WizardTim. Про генератор Колпитца можно посмотреть на Hackaday.

Закончу фотографией чипа после удаления слоёв металла и оксида, чтобы было видно кремний и поликремний. Больше всего выделяются крупные розоватые конденсаторы, однако можно рассмотреть и транзисторы.

Кликабельно