Verwendung von CMOS-Schmitt-Trigger-Wechselrichtern in Quarzkristall-Oszillatorschaltungen

In allen Quellen, die ich über Quarzkristalloszillatoren mit CMOS-Wechselrichtern gesehen habe, gibt es einen Hinweis wie diesen:

Aber warum wird ein Schmitt-Wechselrichter benötigt? Funktioniert der klassische 74HC04 nicht?

Ein Schmitt-Trigger-Wechselrichter ist eine schlechte Idee für den ersten Wechselrichter, der den Kristall direkt antreibt. Es kann sein, dass es überhaupt nicht wie gezeigt schwingt oder mit einer unerwünschten Frequenz schwingt. Beachten Sie den Widerstand R1. Das soll den Wechselrichter als linearen Verstärker nahe der Mitte seines Ausgangsbereichs vorspannen. Das vom Wechselrichter erzeugte kleine Rauschen wird vom Kristall gefiltert, so dass der Teil des Rauschens bei der Kristallfrequenz mit einer Phasenverschiebung zum Eingang des Wechselrichters zurückkehrt. Es wird vom Wechselrichter verstärkt, wieder durch den Kristall gefiltert usw. Schließlich bauen sich Schwingungen auf ein konstantes Niveau auf, das 100 Zyklen oder mehr dauern kann.

Dies setzt voraus, dass der erste Wechselrichter ungefähr ein linearer Verstärker ist. Ein Schmitt-Trigger macht es stark nichtlinear. Es werden eigene Frequenzen eingeführt und möglicherweise der Kristall übersteuert. Kristalle sind hochabgestimmte Filter, aber wenn man ihnen Mist zum Filtern gibt, führt dies nicht zu einer guten Frequenzgenauigkeit und kann stabile Schwingungen bei anderen als der gewünschten Frequenz ermöglichen.

Der zweite Wechselrichter, der ein Schmitt-Trigger ist, ist sinnvoll. Der erste Wechselrichter erzeugt wirklich ein analoges Signal. Es wird eher eine Sinuswelle als eine Rechteckwelle sein und wahrscheinlich nicht die volle Amplitude von Schiene zu Schiene. Normalerweise ist es gut genug, dies durch Durchlaufen eines anderen Wechselrichters zu verstärken und abzuschneiden. Der Schmitt-Trigger sollte das digitale Ausgangssignal etwas sauberer machen.

Normalerweise werden Schmitt-Trigger in Kristalltreibern nicht verwendet. Dies liegt daran, dass sie nicht für den ersten Wechselrichter verwendet werden können und es einfacher ist, mehrere Wechselrichter auf demselben Chip zu verwenden. Der von Ihnen erwähnte 74HC04 verfügt beispielsweise über 6 davon auf einem Chip.

Wiederum erhalten Sie die meiste Zeit nach der ersten Stufe mit nur einem anderen Wechselrichter eine ausreichend gute Rechteckwelle. Wenn Sie wirklich schnelle Kanten benötigen und die Kristallfrequenz niedrig ist, kann ein Schmitt-Trigger helfen. Mit einem 74HC04 können Sie das immer noch tun. Ich würde einen Wechselrichter verwenden, um den Kristall zu betreiben, einen zweiten nur als Puffer, dann zwei mit einer kleinen Gleichstromrückkopplung, um den Schmitt-Trigger auszulösen. Der Grund für zwei Wechselrichter ist, dass Sie eine positive Verstärkung benötigen.

Hier ist, worüber ich spreche:

Auch für viele Anwendungen ist die Ausgabe von IC1B gut genug.

Es ist auch zu beachten, dass diese Schaltung einen parallelen Resonanzkristall erfordert . Dies bedeutet, dass seine Frequenz dort angegeben wird, wo die Phasenverschiebung für die Rückkopplung um einen Verstärker mit negativer Verstärkung richtig ist. Ein Serienresonanzkristall wird funktionieren, aber die Frequenz wird ein wenig abweichen.

Beachten Sie, dass "Schmitt Trigger Action" (Eingang auf der Basis eines scharfen Überkreuzungskomparators) häufig mit einem "Schmitt Trigger" (Verstärker mit positiver Rückkopplung, die eine Hysterese ergibt) verwechselt wird.

Beispiel: Die 74HCU04 ist ein Teil mit ungepufferten Hex-Wechselrichtern, die speziell für die Erstellung von Oszillatoren entwickelt wurden. Es hat "Schmitt Trigger Action" -Eingänge, daher hat das Wechselrichtersymbol kein Hysteresesymbol.

Amateurdesigner können sich auf das Wort "Schmitt" festlegen und davon ausgehen, dass der Eingang eine Hysterese aufweist, und das Symbol falsch hinzufügen.

Verwenden Sie KEINE gepufferten Teile für die Konstruktion von Oszillatoren, da sie aufgrund ihrer extrem hohen Verstärkung (in der Größenordnung von tausend oder mehr gegenüber 100 oder weniger bei ungepufferten) sehr empfindlich auf parametrische Schwankungen reagieren, dh auf Versorgungsspannung und Temperatur Änderung, Teiletoleranz, Variationen von Wafer zu Wafer und von Gate zu Gate usw.

Kristallquarzoszillatoren erzeugen Sinuswellen, was für ein Taktsignal nicht geeignet ist, da wir steigende und fallende Flanken so sauber wie möglich haben wollen.

Der Schmitt-Trigger wird verwendet, um aus dieser Sinuswelle eine Rechteckwelle zu erzeugen. Seine Hystereseeigenschaften machen es robust gegen falsches Auslösen.

Das Ausgangssignal wird sauberer und der Taktgenerator kann sofort einen digitalen High-Z-Eingang ansteuern.