L'oscillateur à cristal est un composant électronique important qui fournit une génération d'horloge très précise pour peu d'argent. En raison de l'effet piézoélectrique, ses propriétés électriques changent pendant les vibrations. Parce qu'il est possible de fabriquer un cristal qui vibre à une fréquence spécifique, les oscillateurs à cristal sont très utiles pour une variété d'applications. Ils sont apparus dans les années 1920 et ont fourni pour la première fois une génération de forme d'onde précise pour les stations de radio. En 1970, une révolution des montres-bracelets a eu lieu , lorsqu'ils ont commencé à utiliser des oscillateurs à quartz de haute précision. Les ordinateurs des années 1940 ENIAC à ce jour utilisent des oscillateurs à cristal pour générer la fréquence d'horloge.
Les PC modernes utilisent toujours des oscillateurs à cristal, mais des technologies plus sophistiquées sont utilisées pour obtenir des vitesses d'horloge multi-GHz. Le PC utilise un cristal avec une fréquence bien inférieure à la fréquence de fonctionnement, et le multiplie à l'aide d'une boucle à verrouillage de phase. Les ordinateurs utilisent souvent un cristal 14 318 parce que cette fréquence était utilisée dans les téléviseurs plus anciens et était peu coûteuse et répandue.
Pour que le cristal vibre, ses circuits nécessitent des composants supplémentaires. Dans les années 1970, les oscillateurs à cristal modulaires ont gagné en popularité - ces micro-assemblages compacts et faciles à utiliser combinaient le cristal lui-même, le circuit intégré et des composants discrets. Je me suis demandé comment fonctionnait l'un de ces modules, j'ai donc ouvert l'un d'entre eux et procédé à une rétro-ingénierie de sa puce. Dans cet article, je vais vous expliquer comment cela fonctionne et décrire le petit circuit CMOS qui le pilote. Il s'est avéré que l'intérieur du module est plus intéressant que vous ne le pensez.
Module générateur
J'ai étudié un module d'une carte pour un PC IBM. Le module est logé dans un boîtier métallique rectangulaire à 4 broches, qui protège l'électronique du bruit électrique (c'est le Rasco Plus dans le boîtier rectangulaire à droite sur la photo, pas le IC carré d'IBM). Le module génère un signal à 4,7174 MHz, qui découle de l'inscription sur son boîtier.
Pourquoi la carte utilise-t-elle un cristal avec une fréquence aussi inhabituelle - 4,7174 MHz? Dans les années 1970, l'IBM 3270 était un terminal CRT très populaire. Les terminaux ont été connectés par câble coaxial et ont utilisé le protocole standard du système d'affichage d'interfacefonctionnant à une fréquence d'horloge de 2,3587 MHz. À la fin des années 1980, IBM a produit des cartes d'interface pour connecter un PC IBM au réseau 3270. Mon cristal n'est qu'une de ces cartes (type 56X4927), et la fréquence du cristal est de 4,7174 MHz - exactement le double de 2,3587 MHz.
Le module oscillateur à cristal se trouve en bas à droite. Inscription sur le corps: Rasco Plus. 4.7174 MHZ, Motorola 1987. Le module carré sur la gauche est un IC d'IBM.
J'ai ouvert le boîtier du module pour regarder son circuit hybride. Je m'attendais à y voir un cristal de quartz qui ressemble à une pierre précieuse dans une boîte, mais j'ai trouvé que les oscillateurs à quartz utilisent un disque de quartz très fin. Je l'ai endommagé quand je l'ai ouvert, il manque donc un morceau en haut à droite. On peut le voir sur le côté gauche des électrodes photo-métalliques qui s'y adaptent des deux côtés. Ceux-ci, à leur tour, sont connectés à de petites broches sur lesquelles le cristal est soulevé au-dessus de la surface du boîtier afin qu'il puisse vibrer librement.
– , . . 3 10 , , , .
La photo ci-dessous montre un minuscule cristal IC sous un microscope. Les plages de contact et les principaux blocs fonctionnels sont marqués. Les zones vert-brun sont le silicium formant le CI. Une couche métallique jaunâtre relie les composants au CI. Sous le métal se trouve une couche rougeâtre de polysilicium, où se forment des transistors - mais elle est presque entièrement recouverte par la couche de métal. Le long des bords de la puce se trouve un fil de soudure connecté à des plots reliant la puce au reste du module. Deux sites (sélectionner et désactiver) ne sont pas connectés. La puce a été produite par Motorola en 1986. Je n'ai pas trouvé d'informations sur l'article SC380003.
Cristal IC avec marquages des blocs principaux. "FF" signifie déclencheurs. "Sel" - pads [sélectionner les pads]. "Cap" - pastilles connectées à des condensateurs internes...
Le SI a deux tâches. Premièrement, ses composants analogiques font vibrer le cristal. Deuxièmement, ses composants numériques divisent la fréquence par 1, 2, 4 ou 8 et fournissent un signal d'horloge à courant élevé (le diviseur est réglé par deux broches de sélection sur le circuit intégré).
L'oscillateur à cristal est implémenté selon le schéma ci-dessous, appelé « oscillateur Colpitz ». Il est plus complexe qu'un circuit oscillateur à cristal classique. L'essentiel est que le cristal et deux condensateurs oscillent à une fréquence donnée. Cependant, les oscillations se décomposeraient rapidement sans la rétroaction de support du transistor de support.
Un oscillateur à cristal typique utilise un circuit simple appelé oscillateur Pierce, dans lequel une boucle de rétroaction est formée à partir d'un cristal et d'un inverseur. Les deux condensateurs mis à la terre au milieu le font ressembler beaucoup au générateur Colpitz classique.
Je ne sais pas pourquoi l'oscillateur à cristal que j'ai démonté utilise un circuit plus complexe qui nécessite une polarisation de tension intelligente.
En 1918, Edwin Colpitz, chercheur en chef chez Western Electric, a inventé un oscillateur à cristal avec un inducteur et un condensateur. Aujourd'hui, ce circuit est connu sous le nom de générateur Colpitz. L'idée est que l'inductance et le condensateur forment un "réservoir résonnant" qui oscille à une fréquence dépendant des caractéristiques des composants. Vous pouvez imaginer que l'électricité dans ce réservoir éclabousse en quelque sorte entre l'inducteur et les condensateurs. Les vibrations elles-mêmes se désintègrent rapidement, un amplificateur est donc utilisé pour les alimenter. Dans le générateur Kolpitz d'origine, l'amplificateur était un tube à vide. Plus tard, les circuits sont passés à des transistors, mais cet amplificateur peut être opérationnel ou d'un type différent. Dans d'autres circuits, l'extrémité est mise à la terre de sorte qu'il y ait une rétroaction au milieu. Ensuite, les condensateurs n'inversent rien,par conséquent, un amplificateur non inverseur est utilisé.
Schéma simplifié du générateur Colpitz avec les composants de base.
La principale caractéristique du générateur Colpitz est les deux condensateurs qui forment le diviseur de tension. Comme ils sont mis à la terre au milieu, ils auront des tensions opposées aux deux extrémités: quand l'un monte, l'autre tombe. Un amplificateur prend un signal à une extrémité, l'amplifie et le transmet à l'autre. L'amplificateur inverse le signal et les condensateurs donnent une seconde inversion de sorte que la rétroaction amplifie le signal d'origine (fournissant un déphasage de 360 °).
En 1923, George Washington Pierce, professeur de physique à Harvard, a remplacé l'inducteur du générateur Colpitz par un cristal. Grâce à cela, le générateur est devenu plus précis et a commencé à être largement utilisé dans les émetteurs radio et autres appareils. Pierce a breveté son invention et a gagné de l'argent décent avec des sociétés comme RCA et AT&T. La disponibilité des brevets a donné lieu à des années de litiges, qui sont survenus à la suite de la Cour suprême.
Depuis plusieurs décennies, le générateur Pierce a été appelé le générateur Colpitz avec un cristal. Le générateur Pierce manquait souvent de condensateurs caractéristiques, au lieu desquels la capacité parasite du tube à vide était utilisée. Terminologie progressivement changé , et les deux types différents d'oscillateurs à cristal ont commencé à être appelés oscillateur Colpitz (avec condensateurs) et oscillateur Pierce (sans eux).
Un autre changement de terminologie s'est produit en raison du fait que l'oscillateur Colpitz, l'oscillateur Pierce et l'oscillateur Clapp étaient des oscillateurs à cristal topologiquement identiques , ne différant que dans la partie du circuit considérée comme étant la masse (collecteur, émetteur ou base, respectivement). Tous ces générateurs peuvent être appelés générateurs Colpitz, uniquement avec un collecteur commun, un émetteur commun ou une base commune.
J'ai fait cette excursion dans l'histoire pour montrer que dans diverses sources ces générateurs sont appelés différemment, générateurs Colpitz ou Pierce, et de manière contradictoire. Le générateur que j'ai étudié peut s'appeler un générateur Colpitz avec un drain commun (par analogie avec un collecteur commun). Il peut également être appelé un générateur Colpitz en fonction de l'emplacement du sol. Mais historiquement, il peut être appelé un générateur Pierce car il utilise un cristal. Il est également appelé oscillateur à cristal à une seule broche car une seule broche du cristal est connectée au circuit externe (l'autre est mise à la terre).
Circuit générateur simplifié
L'augmentation de la tension sur le cristal active le transistor, le courant va aux condensateurs, augmentant la tension à travers eux (et sur le cristal). La diminution de la tension sur le cristal désactive le transistor, le drain de courant (cercle avec une flèche) tire le courant des condensateurs, diminuant la tension sur le cristal. Ainsi, la rétroaction du transistor amplifie les oscillations du cristal en les maintenant.
Les circuits de tension et de courant de polarisation sont une partie importante de ce circuit. La tension de polarisation place la grille du transistor quelque part au milieu entre l'état marche et arrêt, de sorte que les fluctuations de tension sur le cristal l'activent et l'éteignent. Le courant de polarisation est à mi-chemin entre les courants marche et arrêt du transistor, donc le courant entrant et sortant des condensateurs est équilibré (je simplifie quand on parle d'états marche et arrêt - en réalité, le signal sera sinusoïdal).
Les circuits de polarisation et de courant sont des circuits analogiques modérément complexes, composés d'un tas de transistors et de quelques résistances. Je ne les décrirai pas en détail, je dirai seulement qu'ils utilisent des boucles de rétroaction pour générer les valeurs de tension et de courant fixes souhaitées.
Une partie importante du CI est occupée par cinq condensateurs. Dans le diagramme, un est situé en haut, trois fonctionnent en parallèle, formant le condensateur inférieur dans le diagramme, et un stabilise le circuit de tension de polarisation. La photo du cristal ci-dessous montre l'un des condensateurs après la dissolution de la couche métallique supérieure. Les zones rouge et verte sont en polysilicium formant la plaque supérieure du condensateur avec la couche métallique. La zone rosâtre sous le polysilicium est probablement du nitrure de silicium, qui forme une couche diélectrique. Le silicium avec des additifs, qui n'est pas visible sur la photo, forme la plaque inférieure du condensateur.
Condensateur à puce. Le grand carré pâle sur la gauche est le coussinet pour connecter le fil au CI. Les structures complexes sur la gauche sont les diodes de verrouillage des contacts. Les structures en forme de trèfle sur la droite sont des transistors.
Fait intéressant, les condensateurs de la puce ne sont pas connectés entre eux. Ils sont connectés à trois fils connectés les uns aux autres. Cela donne peut-être la flexibilité du circuit - la capacité du circuit peut être modifiée en supprimant le conducteur menant au condensateur.
Circuit numérique
Sur le côté droit de la puce se trouve un circuit numérique pour diviser la fréquence de sortie du cristal par 1, 2, 4 ou 8. Grâce à cela, le même cristal peut produire quatre fréquences. Le diviseur est composé de trois bascules connectées en série. Chacun divise l'impulsion entrante en deux. Le multiplexeur 4 en 1 sélectionne entre la fréquence d'impulsion d'origine ou la sortie de l'une des bascules. La sélection est effectuée à l'aide des conducteurs venant jusqu'aux deux plots de sélection sur le côté droit du cristal. La fréquence résultante est fixée au stade de la production. Quatre portes NAND sont utilisées avec des inverseurs pour décoder les broches et générer quatre signaux de commande pour le multiplexeur et les bascules.
Implémentation de la logique CMOS
Kip est construit sur la logique CMOS (semi-conducteur à oxyde métallique complémentaire). Il utilise deux types de transistors fonctionnant ensemble, N-MOS et P-MOS. Le schéma ci-dessous montre la structure d'un transistor N-MOS. Le transistor peut être considéré comme un interrupteur source-drain qui contrôle la vanne. La source et le drain (vert) sont constitués de sections de silicium avec des additifs qui modifient ses propriétés semi-conductrices - du silicium N +. La valve est constituée d'un silicium spécial, du polysilicium, séparé du substrat de silicium par une très fine couche d'oxyde isolant. Le transistor N-MOS s'allume lorsque la valve est tirée vers le haut.
Structure de transistor N-MOS. La structure du transistor P-MOS est similaire, mais les sections de silicium de type N et P sont permutées.
La structure d'un transistor P-MOS est à l'opposé d'un transistor N-MOS: la source et le drain sont composés de silicium P + noyé dans du silicium N. Il fonctionne également à l'opposé du transistor N-MOS: il s'allume lorsque la valve est abaissée. En règle générale, les P-MOSFET tirent le drain vers le haut et les N-MOSFET tirent le drain vers le bas. En CMOS, les transistors fonctionnent en se complétant les uns les autres, en tirant la sortie vers le haut ou vers le bas selon les besoins.
Le diagramme ci-dessous montre comment la porte NAND est implémentée dans CMOS. Si 0 est appliqué à l'entrée, le transistor P-MOS correspondant (en haut) s'active et tire la sortie vers le haut. Si 1 est appliqué aux deux entrées, le transistor N-MOS (en bas) s'active et tire la sortie vers le bas. Ainsi, le circuit implémente la fonction NAND.
Le diagramme ci-dessous montre à quoi ressemble la porte NAND sur le dé. Contrairement aux images des manuels, les vrais transistors ont une forme complexe et sinueuse. Il y a un transistor P-MOS sur le côté gauche et un transistor N-MOS sur le côté droit. Les lignes rougeâtres au-dessus du silicium sont le polysilicium formant les valves. La majeure partie du silicium dans le substrat est conductrice en raison des additifs et semble légèrement plus sombre que le silicium non conducteur sans additifs sur les bords gauche et droit, ainsi qu'au centre. Pour cette photo, la couche de métal a été gravée. Les lignes jaunes représentent l'emplacement des conducteurs métalliques. Les cercles sont les liaisons de la couche métallique avec les couches inférieures, silicium ou polysilicium.
À quoi ressemble une porte NAND sur une puce
Le transistor sur la photo peut être comparé au circuit de porte NAND. Jetez un œil aux grilles en polysilicium d'un transistor et à ce qu'elles partagent. De la section +5, il y a un chemin vers la sortie via le long P-MOSFET sur la gauche. Le deuxième chemin passe par un petit transistor P-MOS au centre - cela montre que les transistors sont connectés en parallèle. Chaque vanne contrôle l'une des entrées. La piste gauche de la terre à la sortie doit passer par les deux transistors N-MOS concentriques - ils sont connectés en série.
Ce circuit intégré utilise également de nombreux transistors à grille en anneau. Cette disposition inhabituelle d'éléments permet de placer plusieurs transistors parallèles en haute densité. La photo ci-dessous montre 16 transistors avec des valves annulaires. Les motifs en forme de trèfle de couleur cuivre sont le drain des transistors et la source est à l'extérieur. La couche métallique (ici elle est supprimée) réunit, respectivement, toutes les sources, vannes et drains. Les transistors parallèles fonctionnent comme un grand. Des transistors parallèles sont utilisés pour fournir des courants élevés à la sortie. Dans un circuit de polarisation, différents nombres de transistors (6, 16 ou 40) sont connectés ensemble pour obtenir le rapport de courant souhaité.
Vanne de transfert
Un autre circuit clé dans la puce est la porte de transfert. Cela fonctionne comme un commutateur par lequel le signal passe ou non. Le schéma ci-dessous montre comment une grille de transfert est constituée de deux transistors, un transistor N-MOS et un transistor P-MOS. Si une tension élevée est appliquée à la ligne de validation, les deux transistors se mettent en marche et le signal d'entrée va à la sortie. Si la tension est faible, ils s'éteignent, bloquant le signal. Sur la droite se trouve la désignation conventionnelle de la vanne de transfert dans les schémas.
Multiplexeur
Le multiplexeur est utilisé pour sélectionner l'un des quatre signaux d'horloge. Le diagramme ci-dessous montre comment le multiplexeur est implémenté à l'aide de portes de transfert. Le multiplexeur accepte quatre signaux en entrée: A, B, C et D. Une des entrées est sélectionnée en activant la ligne de sélection correspondante et son complément. Cette entrée est connectée via une vanne de transfert à la sortie et les autres entrées sont bloquées. Bien que le multiplexeur puisse être construit sur des portes logiques standard, sa mise en œuvre sur des portes de transfert est plus efficace.
Multiplexeur 4 en 1 basé sur des vannes de transfert
Le schéma ci-dessous montre les transistors qui composent le multiplexeur. Une paire de transistors est connectée aux entrées B et C. Je pense que cela est fait parce qu'une paire de transistors a la moitié de la résistance. Les entrées B et C étant destinées aux signaux haute fréquence, une paire de transistors peut réduire la latence et la distorsion.
La photo ci-dessous montre comment le multiplexeur est physiquement implémenté sur une puce. Les valves en polysilicium sont mieux vues. La couche métallique a été retirée. Les conducteurs métalliques couraient verticalement, reliant les segments correspondants des transistors. Les sources et les drains des transistors adjacents sont combinés en sections uniques situées entre les vannes. Le boîtier supérieur contient des transistors N-MOS et le boîtier inférieur contient des transistors P-MOS. Étant donné que les P-MOSFET sont moins efficaces, le rectangle inférieur doit être plus grand.
Gâchette
Il y a trois bascules sur la puce qui divisent la fréquence d'horloge. L'oscillateur à cristal utilise des déclencheurs commutables qui basculent entre 0 et 1 chaque fois qu'une impulsion entrante est reçue. Puisque deux impulsions entrantes en donnent une sortante (0 → 1 → 0), le déclencheur divise la fréquence en deux.
La bascule se compose de portes de transfert, d'onduleurs et d'une porte NAND - voir schéma ci-dessous. Lorsque le signal d'horloge d'entrée est 1, la sortie passe par l'inverseur et la première porte de transfert jusqu'au point A. Lorsque le signal d'entrée passe à 0, la première porte de transfert s'ouvre et la valeur précédente reste au point A. Pendant ce temps, la deuxième porte de transfert se ferme, de sorte que le signal passe par le deuxième inverseur et la porte de transfert jusqu'au point B. La porte NAND l'inverse à nouveau, provoquant l'inversion de la sortie. Le deuxième cycle de l'horloge entrante répète ce processus, ramenant la sortie à sa valeur d'origine. En conséquence, deux cycles de signaux d'entrée donnent un cycle de sortie, de sorte que la bascule divise la fréquence par 2.
Chaque déclencheur a une entrée d'activation. Si un déclencheur n'est pas nécessaire pour la sortie sélectionnée, il est désactivé. Par exemple, si le mode division par 2 est sélectionné, seule la première bascule est utilisée et les deux autres sont désactivées. Je suppose que cela est fait pour réduire la consommation d'énergie. Ceci est indépendant du contact de déclenchement sur le module, qui bloque complètement le signal de sortie. Cette propriété à désactiver est facultative; il n'y a pas de telle fonction dans ce module et le contact de déclenchement n'est pas connecté à l'IC.
Dans le diagramme ci-dessus, les onduleurs et les vannes de transfert sont représentés comme des structures séparées. Cependant, la bascule utilise une structure de porte intéressante qui combine un inverseur et une porte de transfert (à gauche) en une seule porte (à droite). Une paire de transistors connectés aux données agit comme un inverseur. Cependant, si le signal d'horloge est nul, l'alimentation et la masse sont bloquées et la porte n'affecte pas la sortie, maintenant la tension précédente. C'est ainsi que fonctionne la vanne de transfert.
Inverseur et vanne de transfert combinés
La photo ci-dessous montre comment l'une de ces vannes est fabriquée sur une puce. La photo montre la couche de métal sur le dessus. Des valves en polysilicium rougeâtre sont visibles en dessous. Sur la gauche se trouvent deux transistors P-MOS en forme de cercles concentriques. Sur la droite se trouvent des transistors N-MOS.
Conclusion
Alors que le module d'oscillateur à cristal semble simple à l'extérieur, il y a plus de composants à l'intérieur que vous ne le pensez. Il n'y a pas seulement un cristal de quartz, mais aussi des composants discrets et un minuscule circuit intégré. Le CI combine des condensateurs, des circuits analogiques pour fournir une oscillation et des circuits numériques pour sélectionner la fréquence. Vous pouvez sélectionner l'une des quatre fréquences en changeant le câblage du circuit intégré pendant la production.
Vous trouverez plus d'informations sur les oscillateurs à cristal sur les sites EEVblog , electronupdate et WizardTim . Vous pouvez consulter le générateur Kolpitz sur Hackaday .
Je terminerai par une photo de la puce après avoir enlevé les couches de métal et d'oxyde pour que le silicium et le polysilicium puissent être vus. Les gros condensateurs rosâtres ressortent le plus, mais les transistors peuvent également être envisagés. Cliquable
