XTAL1およびXTAL2の信号が正弦波（正方形ではない）なのはなぜですか？

プロセッサにXTAL1とXTAL2を供給するクリスタルを使用した基本的な実装があります（以下と同様）。XTAL1とXTAL2の信号を見ると、それらは正弦波です。

それらは方形波ではありませんか？

この回路はデジタル回路ではありません。実際、それは、自立可能な発振モードを備えた自動利得制御を備えた、かなり数学的に複雑な非線形アナログ回路です。「ピアスオシレーター」と呼ばれます。

振動の周波数は、電気機械共振器（水晶）の急勾配によって定義されますが、ゲイン制御は、DCバイアス電圧に対する入力の依存性に基づいています-DCバイアス（C1で）が接地に対して低すぎる場合V _ccに近い場合、ゲインは低くなります。線形ゲインは、グランドと電源レールの間のどこかで最も高くなります。

（通常は内部の）バイアス抵抗R1は、発振器で非常に重要な役割を果たします。CMOS実装での一般的な値は約1 MOhmです。C1と一緒にローパスフィルターを形成し、出力を統合し、出力が飽和状態（レール制限）に達した場合でも、出力信号のわずかな非対称性に応じて可変DCオフセットを提供します。

その結果、インバータの生のゲインと水晶振動子と負荷コンデンサのパラメータに応じて、XoutとXinに多少の非線形歪みを持つさまざまな信号形状が存在する可能性があります。ゲインが非常に低く、自励発振の寸前では、信号はほぼ正弦波になりますが、ゲインが高くなると出力は電圧レールに達し、ほぼ矩形になります。ピアス発振器を作成する技術は、温度と電圧の変動に対する回路全体の安定性を確保しながら、矩形出力と正弦波出力の間の黄金のトレードオフを提供することです。

この記事では、水晶振動子ではなくMEMS共振器を扱いますが、考え方は同じです。これは、回路が開始して定常状態に移行する方法の例です。

水晶（+ C1 / C2）は、非常に狭い帯域幅の共振器/フィルターです。基本周波数のみが適合します。

正弦波は単一の純粋な周波数であるため、正弦波です。

正弦波が正方形になるまで、すべての奇数倍音がハンプを埋めることにより、方形波が正方形になります。高調波なし=正方形でない

[実際には、水晶には倍音と呼ばれる「高調波」がありますが、互いにわずかに周波数がずれているため、基本波の高調波は3番目の倍音にまったく当たりません）

別の見方では、水晶は道路を転がる自転車の車輪のようなものです。それを駆動するCMOSインバーターは、足と脚のようなものです。これで、ペダルを「刺す」ことができ、必要に応じて動きを方形波にすることができます。しかし、フライホイール効果は非常に大きいため、ペダルは関係なくスムーズに回転します。水晶は巨大なフライホイールのように滑らかに正弦波状に転がっています。

水晶は本当に重いはずみ車のようなものです。ドライブを突然切断すると、信号が消滅するまでに数千サイクルかかります。オシレーターをオンにすると、開始に数千サイクルかかり、ゆっくりと振幅が増加します。これが、プロセッサに「発振器起動タイマー」がある理由です

水晶は電気エネルギーを機械エネルギーに、またはその逆に変換します。特定の周波数の正弦波で駆動する場合、これを効率的に行うことができます。それを他のもので駆動すると、適用されたエネルギーの大部分が熱または機械的劣化に変換されます。

プロセッサが方形波を水晶に出力することは可能ですが、これにより、正弦波に近い何かで駆動するよりも水晶がより多くの熱を発生し、より大きなストレスにさらされることになります。さらに、ピンの目的が水晶発振器の出力として機能することである場合、ピンの電圧を即座に変更するのに十分なほど強くない小さなトランジスタは、方形波を強制的に駆動します。

ちなみに、ほとんどの場合、プロセッサは水晶に多くの電力を供給せず、正弦波の形状は、プロセッサから水晶に流れるエネルギーではなく、繰り返して流れるエネルギーによって支配されることに注意してくださいクリスタルを付属のキャップに入れ、再び戻します。

信号は正弦波ですが、ピンにはしきい値電圧があります。このしきい値より下では0になり、上では1になります。これは通常、内部回路の結果です。

しきい値を超えると、ピンは1を記録します。ピンには、正弦波のピーク中に「1」の電圧が、たとえば3.31から3.35ボルトに変化しても、定期的に機能できる電圧範囲があります。 、それは望ましい方法で動作します。

そのため、実際の電圧はわずかに変化しますが、ピンは0から1として機能します。もちろん、電圧が高すぎると予期しない方法で動作を開始し、通常はチップに損傷を与えます。

この水晶は、180度の位相シフトを備えた非常に高いQの狭帯域通過フィルターとして使用され、インバーターは論理レベルの方形波の飽和まで強制的に発振させます。

そのため、方形波のすべての高調波を除去した結果、インバーター入力は正弦波になります。

その正弦波、有限を有し、容易に内部回路の一部のノイズフロアと共に、傾斜を計算DOES予測可能な位相ノイズ又は時間ジッタ原因、共振信号アップ平方。

数式を使用する

T _ジッター = V _ノイズ /スルーレート

このクロックソースのタイミングのふらつきを予測します。

他の回路はさらにジッタを追加するだけであることに注意してください。同じ式を使用します。

サインツースクエア回路のRnoiseが10 kohmであると仮定します。これは12ナノボルト/ rtHzの熱ランダム/ジョンソン/ボルトマンノイズ密度です。帯域幅が100 MHzの場合、合計入力ノイズ電圧は12 nV * sqrt（100 MHz）= 12 nV * 10 ^ 4 = 120マイクロボルトRMSです。

水晶の周波数が10 MHzで、正弦波のピーク振幅が+ -1ボルトであると仮定します。スルーレートは1 V * 6.28 * 10 MHz = 63ボルト/ µsです。

エッジジッタとは何ですか？T _j = V _ノイズ /スルーレート

T _j = 120マイクロボルト/（63ボルト/ µs）= 2ピコ秒。