El oscilador de cristal es un componente electrónico importante que proporciona una generación de reloj muy precisa por poco dinero. Debido al efecto piezoeléctrico, sus propiedades eléctricas cambian durante la vibración. Debido a que es posible hacer un cristal que vibre a una frecuencia específica, los osciladores de cristal son muy útiles para una variedad de aplicaciones. Aparecieron en la década de 1920 y proporcionaron por primera vez una generación precisa de formas de onda para estaciones de radio. En 1970, se produjo una revolución de los relojes de pulsera , cuando comenzaron a utilizar osciladores de cuarzo de alta precisión. Las computadoras desde la década de 1940 ENIAC hasta el día de hoy usan osciladores de cristal para generar la frecuencia de reloj.
Las PC modernas todavía utilizan osciladores de cristal, pero se utilizan tecnologías más sofisticadas para obtener velocidades de reloj de varios GHz. La PC utiliza un cristal con una frecuencia mucho más baja que la frecuencia de funcionamiento y la multiplica mediante un bucle de bloqueo de fase. Las computadoras a menudo usan un cristal de 14.318 porque esa frecuencia se usaba en televisores más antiguos y era barata y generalizada.
Para que el cristal vibre, sus circuitos requieren componentes adicionales. En la década de 1970, los osciladores de cristal modulares ganaron popularidad: estos microconjuntos compactos y fáciles de usar combinaban el cristal en sí, el IC y componentes discretos. Me pregunté cómo funcionaba uno de estos módulos, así que abrí uno de ellos y le hice ingeniería inversa a su chip. En esta publicación explicaré cómo funciona y describiré el pequeño circuito CMOS que lo impulsa. Resultó que hay más cosas interesantes dentro del módulo de lo que cabría esperar.
Módulo generador
Estudié un módulo de una tarjeta para una PC IBM. El módulo está alojado en una caja metálica rectangular con 4 pines, que protege la electrónica del ruido eléctrico (este es el Rasco Plus en la caja rectangular de la derecha en la foto, no el IC cuadrado de IBM). El módulo genera una señal a 4.7174 MHz, que se desprende de la inscripción en su caja.
¿Por qué la tarjeta usa un cristal con una frecuencia tan inusual: 4.7174 MHz? En la década de 1970, el IBM 3270 era un terminal CRT muy popular. Los terminales se conectaron mediante cable coaxial y utilizaron el protocolo estándar del sistema de visualización de interfazoperando a una frecuencia de reloj de 2.3587 MHz. A finales de la década de 1980, IBM produjo tarjetas de interfaz para conectar una PC IBM a la red 3270. Mi cristal es solo una de estas tarjetas (tipo 56X4927), y la frecuencia del cristal es de 4,7174 MHz, exactamente el doble de los 2,3587 MHz.
El módulo del oscilador de cristal está en la parte inferior derecha. Inscripción corporal: Rasco Plus. 4.7174 MHZ, Motorola 1987. El módulo cuadrado de la izquierda es un IC de IBM.
Abrí la caja del módulo para ver su circuito híbrido. Esperaba ver allí un cristal de cuarzo que se asemeja a una gema en una caja, pero descubrí que los osciladores de cuarzo usan un disco de cuarzo muy delgado. Lo dañé cuando lo abrí, por lo que falta una pieza en la parte superior derecha. Se puede ver en el lado izquierdo de los electrodos foto-metálicos que se ajustan a él desde ambos lados. Estos, a su vez, están conectados a pequeños pines en los que el cristal se eleva por encima de la superficie de la caja para que pueda vibrar libremente.
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La foto de abajo muestra un diminuto cristal IC bajo un microscopio. Las almohadillas de contacto y los bloques funcionales principales están marcados. Las áreas verde-marrón son el silicio que forma el CI. Una capa metálica amarillenta conecta los componentes al IC. Debajo del metal hay una capa rojiza de polisilicio, donde se forman los transistores, pero está casi completamente cubierta por la capa de metal. A lo largo de los bordes del chip hay un cable de soldadura conectado a las almohadillas que conectan el chip al resto del módulo. Dos sitios (seleccionar y deshabilitar) no están conectados. El chip fue producido por Motorola en 1986. No pude encontrar información sobre el artículo SC380003.
Cristal IC con marcas de los bloques principales. "FF" significa desencadenantes. "Sel" - pads [seleccionar pads]. "Cap": almohadillas conectadas a condensadores internos...
IS tiene dos tareas. Primero, sus componentes analógicos hacen vibrar el cristal. En segundo lugar, sus componentes digitales dividen la frecuencia entre 1, 2, 4 u 8 y proporcionan una señal de reloj de alta corriente (el divisor se establece mediante dos pines seleccionados en el IC).
El oscilador de cristal se implementa de acuerdo con el esquema siguiente, que se denomina " oscilador de Colpitz ". Es más complejo que un circuito oscilador de cristal convencional. La conclusión es que el cristal y dos condensadores oscilan a una frecuencia determinada. Sin embargo, las oscilaciones decaerían rápidamente si no fuera por la retroalimentación de apoyo del transistor de apoyo.
Un oscilador de cristal típico utiliza un circuito simple llamado oscilador Pierce, en el que se forma un bucle de retroalimentación a partir de un cristal y un inversor. Los dos condensadores conectados a tierra en el medio hacen que se parezca mucho al generador clásico de Colpitz.
No estoy seguro de por qué el oscilador de cristal que he desmontado utiliza un circuito más complejo que requiere un sesgo de voltaje inteligente.
En 1918, Edwin Colpitz, investigador jefe de Western Electric, inventó un oscilador de cristal con un inductor y un condensador. Hoy este circuito se conoce como el generador Colpitz. La idea es que el inductor y el condensador forman un "depósito resonante" que oscila a una frecuencia que depende de las características de los componentes. Puede imaginarse que la electricidad en este depósito salpica hacia adelante y hacia atrás entre el inductor y los condensadores. Las vibraciones en sí mismas decaerían rápidamente, por lo que se usa un amplificador para alimentarlas. En el generador Kolpitz original, el amplificador era un tubo de vacío. Más tarde, los circuitos cambiaron a transistores, pero este amplificador puede ser operativo o de otro tipo. En otros circuitos, el extremo está conectado a tierra para que haya retroalimentación en el medio. Entonces los condensadores no invierten nada,por lo tanto, se utiliza un amplificador no inversor.
Diagrama simplificado del generador Colpitz con componentes básicos.
La característica clave del generador Colpitz son los dos condensadores que forman el divisor de voltaje. Dado que están conectados a tierra en el medio, tendrán voltajes opuestos en ambos extremos: cuando uno sube, el otro cae. Un amplificador toma una señal de un extremo, la amplifica y la alimenta al otro. El amplificador invierte la señal y los condensadores dan una segunda inversión para que la retroalimentación amplifique la señal original (proporcionando un cambio de fase de 360 °).
En 1923, George Washington Pierce, profesor de física en Harvard, reemplazó el inductor del generador Colpitz por un cristal. Gracias a esto, el generador se volvió más preciso y comenzó a ser ampliamente utilizado en transmisores de radio y otros dispositivos. Pierce patentó su invento y ganó bastante dinero con empresas como RCA y AT&T. La disponibilidad de patentes ha dado lugar a años de litigios, que se han reducido como resultado de la Corte Suprema.
Durante varias décadas, el generador Pierce se llamó generador Colpitz con un cristal. El generador Pierce a menudo carecía de condensadores característicos, en lugar de los cuales se utilizaba la capacitancia parásita del tubo de vacío. Terminología gradualmente cambió , y los dos tipos diferentes de osciladores de cristal comenzaron a llamarse el oscilador de Colpitz (con condensadores) y el oscilador de Pierce (sin ellos).
Otro cambio en la terminología ocurrió debido al hecho de que el oscilador de Colpitz, el oscilador de Pierce y el oscilador de Clapp eran osciladores de cristal topológicamente idénticos , difiriendo solo en qué parte del circuito se consideraba tierra (colector, emisor o base, respectivamente). Todos estos generadores pueden denominarse generadores Colpitz, solo con un colector común, un emisor común o una base común.
Hice esta incursión en la historia para mostrar que en diversas fuentes estos generadores se denominan de manera diferente, generadores Colpitz o Pierce, y de manera contradictoria. El generador que estudié se puede llamar generador Colpitz con un drenaje común (por analogía con un colector común). También se le puede llamar generador Colpitz según la ubicación del suelo. Pero históricamente se le puede llamar generador de Pierce ya que usa un cristal. También se le llama oscilador de cristal de un solo pin porque solo un pin del cristal está conectado al circuito externo (el otro está conectado a tierra).
Circuito generador simplificado
Al aumentar el voltaje en el cristal, se enciende el transistor, la corriente va a los condensadores, lo que aumenta el voltaje a través de ellos (y en el cristal). Disminuir el voltaje en el cristal apaga el transistor, el drenaje de corriente (círculo con una flecha) extrae corriente de los capacitores, disminuyendo el voltaje en el cristal. Así, la retroalimentación del transistor amplifica las oscilaciones del cristal, manteniéndolas.
Los circuitos de voltaje y corriente de polarización son una parte importante de este circuito. El voltaje de polarización establece la puerta del transistor en algún lugar en el medio entre el estado de encendido y apagado, por lo que las fluctuaciones de voltaje en el cristal lo encienden y apagan. La corriente de polarización está a medio camino entre las corrientes de encendido y apagado del transistor, por lo que la corriente que entra y sale de los condensadores está equilibrada (estoy simplificando cuando hablo de estados de encendido y apagado; en realidad, la señal será sinusoidal).
Los circuitos de polarización y corriente son circuitos analógicos moderadamente complejos, que consisten en un grupo de transistores y algunas resistencias. No los describiré en detalle, solo diré que usan bucles de retroalimentación para generar el voltaje fijo deseado y los valores de corriente.
Una parte significativa del IC está ocupada por cinco condensadores. En el diagrama, uno está ubicado en la parte superior, tres corren en paralelo, formando el condensador inferior en el diagrama y uno estabiliza el circuito de voltaje de polarización. La foto del cristal de abajo muestra uno de los condensadores después de disolver la capa superior de metal. Las áreas roja y verde son de polisilicio que forman la placa superior del condensador junto con la capa de metal. El área rosada debajo del polisilicio es probablemente nitruro de silicio, que forma una capa dieléctrica. El silicio con aditivos, que no se ve en la foto, forma la placa inferior del condensador.
Condensador de chip. El gran cuadrado pálido de la izquierda es la almohadilla para conectar el cable al IC. Las estructuras complejas de la izquierda son los diodos de enclavamiento de los contactos. Las estructuras en forma de trébol de la derecha son transistores.
Curiosamente, los condensadores del chip no están conectados entre sí. Están conectados a tres cables conectados entre sí. Quizás esto le da flexibilidad al circuito: la capacitancia del circuito se puede cambiar quitando el conductor que conduce al capacitor.
Circuito digital
En el lado derecho del chip hay un circuito digital para dividir la frecuencia de salida del cristal entre 1, 2, 4 u 8. Gracias a esto, el mismo cristal puede generar cuatro frecuencias. El divisor está formado por tres flip-flops conectados en serie. Cada uno divide el pulso entrante por la mitad. El multiplexor 4 a 1 selecciona entre la frecuencia de pulso original o la salida de uno de los flip-flops. La selección se realiza utilizando los conductores que llegan hasta los dos pads de selección en el lado derecho del cristal. La frecuencia resultante se fija en la etapa de producción. Se utilizan cuatro puertas NAND junto con inversores para decodificar los pines y generar cuatro señales de control para el multiplexor y los flip-flops.
Implementación de lógica CMOS
Kip se basa en la lógica CMOS (semiconductor de óxido metálico complementario). Utiliza dos tipos de transistores que trabajan juntos, N-MOS y P-MOS. El siguiente diagrama muestra la estructura de un transistor N-MOS. El transistor puede considerarse como un interruptor de drenaje de fuente que controla la válvula. La fuente y el drenaje (verde) consisten en secciones de silicio con aditivos que cambian sus propiedades semiconductoras, desde el silicio N +. La válvula está hecha de un silicio especial, polisilicio, separado del sustrato de silicio por una capa de óxido aislante muy fina. El transistor N-MOS se enciende cuando se levanta la válvula.
Estructura de transistor N-MOS. La estructura del transistor P-MOS es similar, pero las secciones de silicio de tipo N y P están intercambiadas.
La estructura de un transistor P-MOS es lo opuesto a un transistor N-MOS: la fuente y el drenaje están compuestos de silicio P + incrustado en silicio N. También funciona de manera opuesta al transistor N-MOS: se enciende cuando se baja la válvula. Normalmente, los P-MOSFET tiran del desagüe hacia arriba y los N-MOSFET tiran del desagüe hacia abajo. En CMOS, los transistores funcionan al complementarse entre sí, subiendo o bajando la salida según sea necesario.
El siguiente diagrama muestra cómo se implementa la puerta NAND en CMOS. Si se aplica 0 a la entrada, el transistor P-MOS correspondiente (arriba) se enciende y eleva la salida. Si se aplica 1 a ambas entradas, el transistor N-MOS (abajo) se enciende y baja la salida. Por tanto, el circuito implementa la función NAND.
El siguiente diagrama muestra cómo se ve la puerta NAND en el dado. A diferencia de las imágenes de los libros de texto, los transistores reales tienen una forma compleja y sinuosa. Hay un transistor P-MOS en el lado izquierdo y un transistor N-MOS en el derecho. Las líneas rojizas sobre el silicio son el polisilicio que forma las válvulas. La mayor parte del silicio en el sustrato es conductor debido a los aditivos y se ve un poco más oscuro que el silicio no conductor sin aditivos en los bordes izquierdo y derecho, así como en el centro. Para esta foto, se grabó la capa de metal. Las líneas amarillas representan donde solían estar los conductores de metal. Los círculos son los enlaces de la capa de metal con las capas inferiores, silicio o polisilicio.
Cómo se ve una puerta NAND en un chip
El transistor de la foto se puede comparar con el circuito de puerta NAND. Eche un vistazo a las puertas en forma de polisilicio de un transistor y lo que comparten. Desde la sección +5, hay una ruta a la salida a través del largo P-MOSFET a la izquierda. La segunda ruta pasa por un pequeño transistor P-MOS en el centro; esto muestra que los transistores están conectados en paralelo. Cada válvula controla una de las entradas. La pista izquierda desde el suelo hasta la salida debe pasar por ambos transistores concéntricos N-MOS; están conectados en serie.
Este IC también utiliza muchos transistores de puerta de anillo. Esta inusual disposición de elementos permite colocar múltiples transistores paralelos en alta densidad. La foto de abajo muestra 16 transistores con válvulas de anillo. Los patrones en forma de trébol de color cobre son el drenaje de los transistores y la fuente está afuera. La capa de metal (aquí se elimina) une, respectivamente, todas las fuentes, válvulas y desagües. Los transistores en paralelo funcionan como uno grande. Los transistores en paralelo se utilizan para suministrar altas corrientes a la salida. En un circuito de polarización, diferentes números de transistores (6, 16 o 40) se conectan entre sí para obtener la relación de corriente deseada.
Valvula de transferencia
Otro circuito clave en el chip es la puerta de transferencia. Funciona como un interruptor a través del cual pasa la señal o no. El siguiente diagrama muestra cómo una puerta de transferencia está hecha de dos transistores, un transistor N-MOS y un transistor P-MOS. Si se aplica un voltaje grande a la línea de habilitación, ambos transistores se encienden y la señal de entrada va a la salida. Si el voltaje es bajo, se apagan bloqueando la señal. A la derecha está la designación convencional de la válvula de transferencia en los diagramas.
Multiplexor
El multiplexor se utiliza para seleccionar una de las cuatro señales de reloj. El siguiente diagrama muestra cómo se implementa el multiplexor utilizando puertas de transferencia. El multiplexor acepta cuatro señales como entrada: A, B, C y D. Una de las entradas se selecciona activando la línea de selección correspondiente y su complemento. Esta entrada está conectada mediante una válvula de transferencia a la salida y las otras entradas están bloqueadas. Aunque el multiplexor se puede construir en puertas lógicas estándar, su implementación en puertas de transferencia es más eficiente.
Multiplexor 4 a 1 basado en válvulas de transferencia
El siguiente diagrama muestra los transistores que componen el multiplexor. Un par de transistores está conectado a las entradas B y C. Creo que esto se hace porque un par de transistores tiene la mitad de la resistencia. Dado que las entradas B y C son para señales de alta frecuencia, un par de transistores puede reducir la latencia y la distorsión.
La foto de abajo muestra cómo se implementa físicamente el multiplexor en un chip. Las válvulas de polisilicio se ven mejor. Se ha eliminado la capa de metal. Los conductores de metal corrían verticalmente, conectando los segmentos correspondientes de los transistores. Las fuentes y drenajes de transistores adyacentes se combinan en secciones individuales ubicadas entre las válvulas. La caja superior contiene transistores N-MOS y la caja inferior contiene transistores P-MOS. Dado que los P-MOSFET son menos eficientes, el rectángulo inferior debería ser más grande.
Desencadenar
Hay tres flip-flops en el chip que dividen la frecuencia del reloj. El oscilador de cristal utiliza disparadores conmutables que alternan entre 0 y 1 cada vez que se recibe un pulso entrante. Dado que dos pulsos entrantes dan uno saliente (0 → 1 → 0), el disparador divide la frecuencia a la mitad.
El flip-flop consta de puertas de transferencia, inversores y una puerta NAND; consulte el diagrama a continuación. Cuando la señal de reloj de entrada es 1, la salida pasa a través del inversor y la primera puerta de transferencia al punto A. Cuando la señal de entrada cambia a 0, la primera puerta de transferencia se abre y el valor anterior permanece en el punto A. Mientras tanto, la segunda puerta de transferencia se cierra, por lo que la señal pasa a través del segundo inversor y la puerta de transferencia al punto B. La puerta NAND la invierte nuevamente, lo que hace que la salida se invierta. El segundo ciclo del reloj entrante repite este proceso, devolviendo la salida a su valor original. Como resultado, dos ciclos de señales de entrada dan un ciclo de salida, por lo que el flip-flop divide la frecuencia por 2.
Cada disparador tiene una entrada de habilitación. Si no se necesita un disparador para la salida seleccionada, se deshabilita. Por ejemplo, si se selecciona el modo de división por 2, solo se usa el primer flip-flop y los otros dos se desactivan. Supongo que esto se hace para reducir el consumo de energía. Esto es independiente del contacto de disparo en el módulo, que bloquea completamente la señal de salida. Esta propiedad para ser deshabilitada es opcional; no existe tal función en este módulo, y el contacto de disparo no está conectado al IC.
En el diagrama anterior, los inversores y las válvulas de transferencia se muestran como estructuras independientes. Sin embargo, el flip-flop utiliza una estructura de puerta interesante que combina un inversor y una puerta de transferencia (izquierda) en una sola puerta (derecha). Un par de transistores conectados a los datos actúan como un inversor. Sin embargo, si la señal del reloj es cero, la energía y la tierra se bloquean y la puerta no afecta la salida, manteniendo el voltaje anterior. Así es como funciona la válvula de transferencia.
Inversor y válvula de transferencia combinados
La foto de abajo muestra cómo una de estas válvulas está hecha en un chip. La foto muestra la capa de metal en la parte superior. Las válvulas de polisilicio rojizas son visibles debajo. A la izquierda hay dos transistores P-MOS en forma de círculos concéntricos. A la derecha están los transistores N-MOS.
Conclusión
Si bien el módulo del oscilador de cristal parece simple por fuera, hay más componentes adentro de lo que cabría esperar. No solo hay un cristal de cuarzo, sino también componentes discretos y un pequeño IC. El IC combina condensadores, circuitos analógicos para proporcionar oscilación y circuitos digitales para seleccionar la frecuencia. Puede seleccionar una de las cuatro frecuencias cambiando el cableado IC durante la producción.
Puede encontrar más información sobre los osciladores de cristal en los sitios EEVblog , electronupdate y WizardTim . Puede consultar el generador Kolpitz en Hackaday .
Terminaré con una foto del chip después de quitar las capas de metal y óxido para que se pueda ver el silicio y el polisilicio. Los condensadores rosados grandes son los que más se destacan, pero también se pueden considerar los transistores. Clickable
