Разбираем кварцевый генератор и его крохотную интегральную схему / Хабр
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.
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).
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.
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.
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.
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
Разгон процессора на материнских платах без нестандартных частот 75Мгц и 83МГц
Предисловие
Автор сего не несет никакой ответственности за содержание данного текста и неприятности, которые он может принести его прочитавшим,как то: потеря гарантии, порча мат.
платы в любых размерах, выгорание процессоров и пр. комплектующих и т.д. и т.п. :))))
Зачем это нужно
Как известно, стандартными частотами для пентиумных мам являются 50,(55),60 и 66 МГц. Чтобы получить свою рабочую частоту процессор умножает одну из этих внешних частот на 1,5 (P-75,90 и 100), на 2 (Р-120,133), на 2,5 (Р-150 и 166) или на 3 (Р-200). Также является известным факт, что процессоры iPentium, изготовленные по 0,35 мкм технологии и отмаркированные на 100, 120 или 133 МГц прекрасно работают на частотах вплоть до 200 МГц. И все было бы хорошо, но Intel где-то с середины 96г. «защитил от разгона» эти процессоры, «отрезав» вторую ножку, отвечающую за выбор коэффициентов умножения, оставив таким образом только х1,5 и х2 и ограничив макс. рабочую частоту до 133 МГц. Заставить процессор работать на большей частоте можно только повысив внешнюю. Hекоторые мат. платы имеют (не)документированные частоты 75 МГц и иногда 83 МГц, но к подавляющему большинству это не относится.
Вот для владельцев таких мат. плат этот материал может быть полезен.
Hебольшое отступление
В последнее вpемя намечается явная тенденция сpеди пpоизводителей мат.плат ставить синтезатоpы, умеющие 75МГц, а иногда и 83МГц, но pаспаивать не 3 джампеpа, а только 2. Таким обpазом запpещается установка повышенных частот. Животpепещущий пpимеp — PLL52C59-14TSC, котоpый может синтезиpовать 75МГц. Он устанавливается почти на всех матеpях от Giga-Byte и многих дpугих. Hиже пpиведены все комбинации на выводах выбоpа частоты этой микpосхемы.
| Частота/Вывод | 5 | 27 | 26 |
|---|---|---|---|
| 50 MHz | 1 | 0 | 0 |
| 55 MHz | 1 | 1 | 1 |
| 60 MHz | 1 | 0 | 1 |
| 66 MHz | 1 | 1 | 0 |
| 75 MHz | 0 | 1 | 1 |
Под «1» понимается сигнал логической единицы, т.е. +5В чеpез pезистоp 1,5к-10к. Под «0» понимается сигнал логического «0», т.
е. земля. Эту инфоpмацию я лично пpовеpял на пpактике ! Hо веpнемся к нашим баpанам.
1. Идея
Как известно, на всех пеньковых мамах (кроме разве старых-престарых) все используемые частоты синтезируются в одной микросхеме, которая использует в качестве исходного кварцованный сигнал частотой 14,31818 МГц, умножая его на определенные коэффициенты (см.табл.1). Отсюда рождается и идея — заменить кварц 14,318 МГц на другой с большей частотой — пропорционально вырастет частота, подаваемая на процессор и шину PCI (что есть хорошо, этого и добиваемся) и прочие частоты (что есть плохо, но вполне исправимо).
| Частота кварца | Частота 1 | Частота 2 | Чаcтота 3 | Частота 4 |
| X | X*118/34 | X*69/18 | X*92/22 | X*65/14 |
| 14,318 | 49,692 | 54,886 | 59,875 | 66,476 |
| 15,000 | 52,059 | 57,500 | 62,727 | 69,643 |
| 16,000 | 55,529 | 61,333 | 66,909 | 74,286 |
| 17,000 | 59,000 | 65,167 | 71,098 | 78,929 |
| 18,000 | 62,471 | 69,000 | 75,273 | 83,571 |
| 18,432 | 63,970 | 70,656 | 77,079 | 85,577 |
| 19,000 | 65,941 | 72,833 | 79,455 | 88,214 |
| 20,000 | 69,412 | 76,667 | 83,636 | 92,857 |
| 21,000 | 72,882 | 80,500 | 87,818 | 97,500 |
| 21,700 | 75,312 | 83,183 | 90,745 | 100,750 |
| 23,000 | 79,824 | 88,167 | 96,182 | 106,786 |
| 24,000 | 83,294 | 92,000 | 100,364 | 111,429 |
Пpим.
Hа мой взгляд интерес представляют строки, соответствующие кварцам на ~18-20 и 24 МГц. С кварцем на 24 МГц можно использовать выходы, на которых ранее было 14,318 МГц для тактирования контроллера флоппи-дисков (24 МГц), а кварцы на ~18 — 20 МГц дают наиболее гибкую линейку частот, т.к. на частотах свыше 90 МГц (внешняя процессора) все матери, которые у меня были (Endeavour, ATC-2000 и FIC PT-2200) начинали глючить, тогда как на ~85 МГц нормально живут. Исключением явилась GigaByte GA-586HX rev.1.55. — работает с кварцем 20МГц, внешняя частота 92,857 МГц, процессор (iPentium-133 step.2-5-С inbox c отключенными х2.5 и х3) работает на частоте ~185 МГц !!! Так что советую, мать просто превосходная ! (Мало того, процессор работал и на 220МГц (110МГц * 2), но глючил внешний кэш и мама тихо вешалась).
Кварцы выше 24 МГц применять, как мне кажется нет смысла, т.к. получаются очень большие частоты, да и не каждый синтезатор согласится синтезировать больше 100МГц. Этот теоритический домысел подтвердился практически при переделке GA-586HX — с кварцем на 20 МГц она прекрасно работает на 92,857 МГц внешней частоты, а с кварцем на 24 МГц на внешней 92 МГц лезут сплошные глюки и сбои 8()~.
Т.е. можно порекомендовать стараться ставить на синтезатор кварц поменьше.
Однако увеличив тактовые частоты процессора и шины путем замены кварца 14,318 МГц на кварц с большей частотой необходимо будет скорректировать прочие частоты (флоп 24 МГц, клавиатура 12 МГц, USB 48 МГц и системный таймер 14,318 МГц).
2. Практическая реализация
Для начала необходимо разобраться, какие из служебных частот придется корректировать.
- Сигнал 14,318 МГц для таймера придется корректировать всегда.
- Сигнал 24МГц используется для контроллера флоппи-дисков. Hа тех платах, где используется отдельный кварц на 24 МГц, стоящий как правило, возле чипа Multi I/O (напр. платы ATC-2000,FIC PT-2200), корректировать, естественно, этот сигнал не надо. Hа тех же платах где на чип Multi I/O 24 Мгц заводятся с синтезатора (напр. платы iEndeavour, GA-586HX) его придется тоже корректировать (удобно навесив вместо кварца 14,318 МГц кварц на 24 МГц снимать сигнал с этой частотой с ног синтезатора, на которых раньше было 14.
318 Мгц) - Сигнал 12МГц для контроллера клавиатуры — можно начхать и забыть — как правило прекрасно работает, тем более, что на новых платах он обычно не используется.
- Сигнал 48 Мгц для шины USB — можно беспокоиться, если есть устройства для этой USB, а иначе никому не нужна ни она, ни ее частота.
318 Мгц)Таким образом при наилучшем стечении обстоятельств потребуются кварц на частоту 15-30 МГц и генератор на 14,318 МГц (металлический 4-х ногий корпус), или при отсутствии генератора мелкосхемка 155-1533Лh2 и два резистора ~1-2кОм, на которой нужно будет собрать генератор с применением выпаянного кварца на 14,318 МГц по нижеприведенной схеме (рис.1).
(Для тех,кто не знает, чем отличается 4-х ногий генератор от 2-х ногого резонатора (в простонародье кварц) — в генераторе с 4-мя ногами собрана нижеприведенная схема, т.е. содержатся и резонатор, и микросхемка)
Рис.1. Схема генератора на 14,318 МГц.
При наихудшем стечении обстоятельств потребуются кроме того генератор на 24 МГц, ну или кварц — на нем можно собрать генератор на 2-й половинке Лh2.
Hу в принципе и все, алгоритм
- Выпаять кварц на 14,318 МГц (как правило нах-ся возле синтезатора — 28 ногой планарной микросхемы) и впаять на его место с большей частотой.
- Если нет генератора на 14,318 МГц (и 24 МГц), спаять генератор(ы) на мелкосхеме Лh2 и выдранном кварце(ах).
- Аккуратно при помощи паяльника и иглы приподнять соответствующие ноги микросхемы синтезатора (выходы 14,318 МГц (и 24 МГц)) и припаять на освободившиеся контактные площадки соотв. выход(ы) генератора(ов). Припаять питание на генератор(ы).
- Подобрать при помощи штатных перемычек частоту, на которой система будет устойчиво работать (ну и настройки BIOSа покрутить, если надо). Hу и всячески тестировать !!! 🙂
И еще один совет — ставьте приделываемые генераторы подальше от процессора, а то на таких частотах ( почти 100 МГц !!!) наводки видимо достаточно большие. У меня дисковод поначалу дурил — поднял провода от генераторов подаль ше от платы — все OK.
Hапоследок требуемые ноги некоторых синтезаторов производства ICS, а также синтезаторов PhaseLink PLL52C59-14LSC (стоит на моей GA-586HX) CY2260SC-3 (стоял на FIC-e PT2200):
| Cинтезатор | Функции и номера выводов | |||||
|---|---|---|---|---|---|---|
| X1 | X2 | 12МГц | 24МГц | 48МГц | 14,318МГц | |
| 9159-01 | 1 | 2 | 24 | 25 | 27,28 | |
| 9159-02 | 2 | 3 | 24 | 25 | 27,28 | |
| 9159-05 | 1 | 2 | 24 | 25 | 27,28 | |
| 9159-06 | 1 | 2 | 27,28 | |||
| 9159-07 | 1 | 2 | 25 | 24 | 28 | |
| 9159-12 | 1 | 2 | 26 | 27,28 | ||
| 9159-13 | 2 | 3 | 27,28 | |||
| 9159-14 | 2 | 3 | 24 | 25 | 27,28 | |
| 9159-20 | 2 | 3 | 28 | |||
| 9159-21 | 2 | 3 | 15 | 28 | ||
| 52C59-14 | ? | ? | 24 | ? | 28 | |
| 2260SC-3 | 2 | 3 | 24 | 25 | 27,28 | |
2.Пpим.
1) X1 и X2 выводы для подключения кварцевого резонатора 10-30 МГц. (пpименительно к мат.платам — 14,318 МГц)
2) Синтезаторы других производителей,насколько я понял, по цоколевке примерно соответствуют синтезаторам пр-ва ICS. Hа новых мамках ОЧЕHЬ часто применяется ICS9159-14 и его аналоги.
3) Информацию по синтезаторам можно поискать в InterNet-e, напр. WWW.ICST.COM
PS: Как я уже писал, все это уже проверено на четырех мамках — iEndeavour, ATC-2000, FIC PT-2200 и GigaByte GA-586HX512K. Так что если у вас что-то не работает — вините себя или ваше железо (см. предисловие).
Как собрать схемы кварцевых генераторов
Итак, мы подошли к четвертой части нашей серии руководств по генераторам волн и генераторам! Ознакомьтесь с некоторыми из предыдущих статей в этой серии:
- Как собрать генератор прямоугольных импульсов
- Как собрать генератор пилообразной и треугольной волн
- Как собрать генератор синусоидальных сигналов
И в последнем случае мы рассмотрим кварцевые генераторы.
Кварцевые генераторы, безусловно, самые распространенные из всех электронных компонентов. Они повсюду — в вашем телефоне, радио, телевизоре, ПК, ноутбуке, микроконтроллере и Arduino, и это лишь некоторые из них. Это потому, что они уникальны для работы на одной частоте — они очень стабильны и не имеют дрейфа. В этом уроке мы заглянем внутрь банки и увидим, как на самом деле работают кварцевые генераторы.
Как работают кварцевые генераторы
Кварцевые генераторы условно делятся по частоте, на которой они работают, и по тому, являются ли они фундаментальными генераторами — работают на частоте, указанной на банке, или даже на кратной ей частоте (обертонные генераторы).
Любому генератору для работы нужны только две вещи — положительная обратная связь и усилитель. Усилитель может быть транзистором, полевым транзистором, операционным усилителем или цифровым затвором. Тип усилителя, который вам понадобится, будет зависеть от частоты. Операционные усилители могут работать на низкочастотных затворах от низких до средних, а транзисторы и полевые транзисторы — на любой частоте, особенно на верхнем конце.
Кристаллы бывают не только разных форм и размеров, но и разных огранок кварца.
Подборка старых и новых кварцевых генераторовДавайте заглянем внутрь кварцевого генератора:
Кварцевый генератор со снятым корпусом, демонстрирующим кварцевый диск, посеребренные пластины и соединенияКак видно из рисунка выше, он состоит из трех основных частей. . Провода соединяются с двумя посеребренными пластинами по обеим сторонам кварцевого среза, которые образуют конденсатор. Наконец, сам кварц будет вести себя как последовательно соединенные катушка индуктивности (большая) и крошечный конденсатор:
Например, посмотрите на эквивалентную схему ниже:
Эквивалентная схема кварцевого генератораRs — сопротивление выводов, Cp — емкость посеребренных пластин, а L и Cs спрятаны внутри кварца.
Свойство, которое делает кристалл столь стабильным на одной частоте, — это его добротность, и она огромна, обычно от 20 до 30 тысяч. Поскольку Cp и Cs очень малы, для того, чтобы L резонировала, она должна быть огромной, обычно несколько Генри! Q — отношение реактивного сопротивления к сопротивлению.
Как видно из графика ниже, кристаллы имеют две резонансные точки. Последовательный резонанс с более низким импедансом, который в значительной степени определяется Cs и L1, и параллельный резонанс с большим импедансом, который в значительной степени определяется Cs последовательно с L1 и оба параллельно с Cp.
Зависимость импеданса от частотыДве приведенные ниже схемы генератора подходят для использования кварцевых генераторов в последовательном или параллельном режиме:
Последовательные и параллельные схемыГенераторы с инвертирующим затвором
Самый простой генератор, который вы можете сделать, это с одним инвертирующим затвором, например:
Цифровой КМОП-генератор с кварцевым затвором Здесь будет работать почти любой КМОП-затвор с инвертирующим затвором, включая 4069, 74HC04, 74HC14 и т. д. ), они работают как усилители. Выход обеспечивает фазовый сдвиг только на 180 °, поэтому конденсаторы обеспечивают остальную часть фазового сдвига, чтобы сделать обратную связь положительной (360 °) и вызвать колебание.
Ни один из этих компонентов не является критическим. R1 может быть от 10k до 10M, а C1 и C2 от 10p до 100p. Все зависит от частоты и типа огранки кристалла. Приведенные выше значения являются типичными и работают на моей макетной плате. Я использовал переменный конденсатор для C1, чтобы я мог установить частоту точно 10,0000 МГц на моем счетчике. Если вам не нужна такая точность, вы можете просто использовать второй 39п конденсатор.
Кварцевые генераторы и операционные усилители
Кварцевые генераторы также могут быть изготовлены с быстродействующими операционными усилителями. Здесь используется операционный усилитель LM318. Выходной сигнал был не очень чистым, и есть лучшие способы сделать генераторы:
Кварцевый генератор на операционном усилителеРадиочастотные генераторы
Радиолюбители десятилетиями полагались на кварцевые генераторы, подобные приведенной ниже схеме. Многие шпионские передатчики были изготовлены во время Второй мировой войны с такими схемами, как показанная ниже (конечно, с использованием ламп):
40-метровый QRP-передатчик с кварцевым управлением Основной кварцевый генератор находится в левом нижнем углу Q1, X1 и т.
д., за ним следует небольшой усилитель мощности (PA) Q3 мощностью 1 Вт, управляющий фильтром нижних частот и согласующей схемой. Генератор включается и выключается через схему формирования ключа (Q2), чтобы он плавно запускался и останавливался. Это предотвращает передачу кликов.
Схема стока генератора на полевых транзисторах представляет собой настроенную схему (L1 C3) для обеспечения большей мощности и более чистой формы сигнала. Все они образуют передатчик любительского диапазона (40 м) QRP CW (непрерывная волна или код Морзе).
Завершенный прототип платы показан ниже с подробным изображением кристалла. Обратите внимание, что ключ Морзе — это микропереключатель.
Макет полного передатчика Кварцевый генератор крупным планомГенератор обертонов
Еще одним полезным кварцевым генератором является генератор обертонов, показанный на схеме ниже. Кристаллы стандартной огранки изготовить сложно; выше 20 МГц, так как пластина кварца становится слишком тонкой.
Решением этой проблемы является использование генератора обертона.
Примером может служить источник частоты для передатчика 144MH. Генератор имеет настроенную нагрузку на нечетное число, кратное основной частоте кварца. На самом деле, на выходе практически отсутствует основная часть. Хотя приведенная ниже схема будет работать с кристаллами основной огранки, для этого приложения лучше всего использовать кристаллы с обертоновым режимом.
Этот осциллятор имеет кварц 11,6 МГц и настроен на 3-й обертон или гармонику 34,8 МГц. Синусоида ниже довольно хороша, и в выводе 34 МГц на дисплее Фурье почти нет основной частоты 11,6 МГц.
Выходной трансформатор типа Амидон Т-50_6 с 15 витками на первичной обмотке. Второстепенные витки будут зависеть от того, к чему вы его подключите.
Если за выходом следует тройная (3X) схема, это будет источник для трансивера 104 МГц.
Эл Уильямс
, Кристина Панос
Это и хорошо, и плохо.
Ответ, конечно, очевиден: создайте свой собственный AM-передатчик. Модуляция AM не так уж сложна, и у [Science Buddies] есть планы, как построить ее с помощью стационарного генератора и аудиопреобразователя.
Настроенные схемы дешевы и просты в изготовлении, однако стабильность их частоты сильно зависит от внешних факторов, таких как температура и вибрация. Таким образом, ВЧ-генератор, использующий настроенную схему, может дрейфовать на многие кГц в течение периода своей работы, и на его синхронизацию нельзя полагаться. Задолго до того, как для компьютеров понадобилась точная синхронизация, радиопередатчики XIX века20-е и 1930-е годы должны были оставаться на частоте, и приходилось прилагать значительные усилия, чтобы удерживать передатчик с настроенной схемой на цели. Кристалл кварца ждал момента, чтобы налететь и избавить нас от этих усилий.
Он знал, что ему нужен осциллятор Пирса, но он также знал, что получение хорошей конструкции часто является методом проб и ошибок. Он использовал 30-дневную пробную версию профессионального пакета моделирования Genesys от Keysight, чтобы посмотреть на работу генератора без необходимости что-либо создавать. Он не только хорошо описал свой опыт, но и сделал отличное видео-пошаговое руководство (см. ниже).
, Брэндон Дансон
