水晶発振器とその小さな集積回路を分解します

水晶発振器は、非常に正確なクロック生成をわずかな費用で提供する重要な電子部品です。圧電効果により、振動時に電気的性質が変化します。特定の周波数で振動する水晶を作ることができるので、水晶発振器はさまざまな用途に非常に役立ちます。それらは1920年代に登場し、最初にラジオ局に正確な波形生成を提供しました。 1970年、高精度の水晶発振器を使い始めた腕時計の革命が起こり ました。1940年代のENIACから今日までのコンピューターは、 水晶発振器を使用してクロック周波数を生成します。



最近のPCは依然として水晶発振器を使用していますが、マルチGHzのクロック速度を得るために、より高度なテクノロジーが使用されています。 PCは、動作周波数よりもはるかに低い周波数の水晶を使用し、フェーズロックループを使用してそれを乗算します。コンピュータは14,318個の水晶を使用することがよくあります。これは、その周波数が古いテレビで使用されて おり、安価で普及しているためです。



水晶が振動するためには、その回路に追加のコンポーネントが必要です。1970年代に、モジュラー水晶発振器が人気を博しました。これらのコンパクトで使いやすいマイクロアセンブリは、水晶自体、IC、およびディスクリートコンポーネントを組み合わせたものです。これらのモジュールの1つがどのように機能するのか疑問に思ったので、モジュールの1つを開いて、そのチップをリバースエンジニアリングしました。この投稿では、それがどのように機能するかを説明し、それを駆動する小さなCMOS回路について説明します。モジュール内では、予想以上に興味深いことが起こっていることがわかりました。

ジェネレータモジュール

IBMPC用のカードからモジュールを勉強しました。モジュールは4ピンの長方形の金属ケースに収納されており、電子機器を電気ノイズから保護します（これは、IBMの正方形ICではなく、写真の右側の長方形ケースのRasco Plusです）。モジュールは4.7174MHzで信号を生成します。これは、ケースの碑文に続きます。



なぜカードはそのような異常な周波数（4.7174 MHz）の水晶を使用するのですか？ 1970年代、IBM3270は非常に人気のあるCRT端末でした。端子は同軸ケーブルで接続され、インターフェイスディスプレイシステムの標準プロトコルを使用しました 2.3587MHzのクロック周波数で動作します。 1980年代後半、IBMはIBM PCを3270ネットワークに接続するためのインターフェースカードを製造しました。私のクリスタルはこれらのカードの1つ（タイプ56X4927）であり、クリスタル周波数は4.7174 MHzで、2.3587MHzのちょうど2倍です。





水晶発振器モジュールは右下にあります。ボディ碑文：ラスコプラス。 4.7174 MHZ、Motorola1987。左側の正方形のモジュールは、IBMのICです。



モジュールのケースを開けて、ハイブリッド回路を調べました。箱の中の宝石に似た水晶がそこにあるのを期待していましたが、水晶発振器は非常に薄い水晶ディスクを使用していることがわかりました。開封時に破損していたため、右上に欠品があります。写真の左側にあります。金属電極が両側から取り付けられています。これらは、クリスタルがケースの表面から浮き上がっている小さなピンに接続されているため、自由に振動することができます。





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下の写真は、顕微鏡下での小さなIC結晶を示しています。接触パッドと主な機能ブロックがマークされています。緑茶色の領域は、ICを形成するシリコンです。黄色がかった金属層がコンポーネントをICに接続します。金属の下には、トランジスタが形成されているポリシリコンの赤みがかった層がありますが、金属層でほぼ完全に覆われています。チップのエッジに沿って、チップをモジュールの残りの部分に接続するパッドに接続された溶接ワイヤがあります。 2つのサイト（選択と無効化）が接続されていません。チップは1986年にモトローラによって製造されました。記事SC380003に関する情報が見つかりませんでした。





メインブロックのマーキングが施されたICクリスタル。 「FF」はトリガーの略です。 「Sel」-パッド[パッドを選択]。 「キャップ」-内部コンデンサに接続されたパッド..。



ISには2つのタスクがあります。まず、そのアナログ成分が水晶を振動させます。次に、そのデジタルコンポーネントは、周波数を1、2、4、または8で分周し、高電流クロック信号を提供します（分周器はICの2つの選択ピンによって設定されます）。



水晶発振器は、「コルピッツ発振器」と呼ばれる以下のスキームに従って実装され ます。従来の水晶発振回路よりも複雑です。肝心なのは、水晶と2つのコンデンサが特定の周波数で発振するということです。ただし、サポートトランジスタからのサポートフィードバックがない場合、発振はすぐに減衰します。



典型的な水晶発振器は、フィードバックループが水晶とインバーターから形成されるピアス発振器と呼ばれる単純な回路を使用します。中央にある2つの接地コンデンサにより、従来のコルピッツ発電機と非常によく似ています。







私が分解した水晶発振器が、巧妙な電圧バイアスを必要とするより複雑な回路を使用している理由がわかりません。



1918年、WesternElectricの主任研究員であるEdwinColpitzは、インダクタとコンデンサを備えた水晶発振器を発明しました。今日、この回路はコルピッツ発電機として知られています。インダクタとコンデンサは、コンポーネントの特性に応じた周波数で発振する「共振リザーバ」を形成するという考え方です。このリザーバー内の電気は、インダクターとコンデンサーの間を行き来することが想像できます。振動自体はすぐに減衰するため、アンプを使用して振動を供給します。オリジナルのコルピッツ発電機では、増幅器は真空管でした。その後、回路はトランジスタに切り替わりましたが、このアンプは動作可能または別のタイプにすることができます。他の回路では、中央にフィードバックがあるように端が接地されています。その後、コンデンサは何も反転しません、したがって、非反転増幅器が使用されます。





基本的なコンポーネントを備えたColpitzジェネレーターの簡略図。



コルピッツ発電機の重要な特徴は、分圧器を形成する2つのコンデンサです。それらは中央で接地されているため、両端で反対の電圧になります。一方が上昇すると、もう一方は下降します。増幅器は、一方の端から信号を受け取り、それを増幅して、もう一方の端に送ります。増幅器は信号を反転し、コンデンサは2回目の反転を行うため、フィードバックは元の信号を増幅します（360°の位相シフトを提供します）。



1923年、ハーバード大学の物理学教授であるジョージワシントンピアスは、コルピッツ発電機のインダクターを水晶に置き換えました。これにより、発電機の精度が向上し、無線送信機などで広く利用されるようになりました。ピアス は彼の発明の特許を取得し、RCAやAT＆Tなどの企業からまともなお金を稼ぎました。特許の入手可能性は何年にもわたる訴訟につながり 、最高裁判所の結果として下がった。



数十年の間、ピアスジェネレーター はクリスタル付きのコルピッツジェネレーターと呼ばれていました。ピアスジェネレーターには特徴的なコンデンサーがないことが多く、代わりに真空管の寄生容量が使用されていました。用語 徐々に変化し、2つの異なるタイプの水晶発振器はコルピッツ発振器（コンデンサ付き）とピアス発振器（コンデンサなし）と呼ばれるようになりました。



コルピッツ発振器、ピアス発振器、およびクラップ発振器が トポロジー的に同一の水晶発振器であり、回路のどの部分が接地されていると見なされるか（それぞれコレクター、エミッター、またはベース）のみが異なるため、用語の別の変更が発生しました 。これらのジェネレーターはすべて 、共通のコレクター、共通のエミッター、または共通のベースを備えたコルピッツジェネレーターと呼ぶことができます。



さまざまな情報源でこれらのジェネレーターが異なる方法で、コルピッツまたはピアスジェネレーターと呼ばれ、矛盾した方法で呼ばれていることを示すために、このエクスカーションを歴史に取り入れました。私が研究した発電機は、共通ドレインを備えたコルピッツ発電機と呼ぶことができます（共通コレクターとの類推による）。地面の位置から、コルピッツ発電機と呼ぶこともできます。しかし、歴史的には、クリスタルを使用しているため、ピアスジェネレーターと呼ぶことができます。水晶の一方のピンだけが外部回路に接続されている（もう一方は接地されている）ため、シングルピン水晶発振器とも呼ばれます。





簡略化された発電機回路



水晶の電圧を上げるとトランジスタがオンになり、電流がコンデンサに流れ、コンデンサの両端（および水晶）の電圧が上がります。水晶の電圧を下げるとトランジスタがオフになり、電流ドレイン（矢印の付いた円）がコンデンサから電流を引き出し、水晶の電圧を下げます。したがって、トランジスタからのフィードバックは水晶の発振を増幅し、それらを維持します。



バイアス電圧および電流回路は、この回路の重要な部分です。バイアス電圧は、トランジスタのゲートをオンとオフの中間のどこかに設定するため、水晶の電圧変動によってトランジスタのオンとオフが切り替わります。バイアス電流はトランジスタのオン電流とオフ電流の中間であるため、コンデンサに出入りする電流はバランスが取れています（オンとオフの状態について話すときは単純化しています-実際には、信号は正弦波になります）。



バイアス回路と電流回路は適度に複雑なアナログ回路であり、多数のトランジスタといくつかの抵抗で構成されています。それらについては詳しく説明しません。フィードバックループを使用して、目的の固定電圧および電流値を生成すると言うだけです。



ICの大部分は5つのコンデンサで占められています。この図では、1つは上に配置され、3つは並列に実行され、図の下部のコンデンサを形成し、もう1つはバイアス電圧回路を安定させます。下の結晶の写真は、上部の金属層を溶解した後のコンデンサの1つを示しています。赤と緑の領域は、金属層とともにコンデンサのトッププレートを形成するポリシリコンです。ポリシリコンの下のピンクがかった領域は、おそらく窒化ケイ素であり、誘電体層を形成します。写真には写っていない添加剤入りのシリコンがコンデンサの底板を形成しています。





チップコンデンサ。左側の大きな薄い四角は、ワイヤをICに接続するためのパッドです。左側の複雑な構造は、接点のラッチダイオードです。右側のクローバーのような構造はトランジスタです。



興味深いことに、チップ上のコンデンサは互いに接続されていません。それらは互いに接続された3本のワイヤーに接続されています。おそらくこれは回路の柔軟性を与えます-回路の静電容量はコンデンサにつながる導体を取り除くことによって変えることができます。

デジタル回路

チップの右側には、水晶の出力周波数を1、2、4、または8で除算するためのデジタル回路があります。これにより、同じ水晶で4つの周波数を出力できます。分周器は、直列に接続された3つのフリップフロップで構成されています。それぞれが入力パルスを半分に分割します。4対1マルチプレクサは、元の脈拍数またはフリップフロップの1つからの出力のいずれかを選択します。選択は、水晶の右側にある2つの選択パッドに到達する導体を使用して実行されます。結果として生じる周波数は、製造段階で固定されます。4つのNANDゲートは、ピンをデコードし、マルチプレクサとフリップフロップ用の4つの制御信号を生成するためにインバータと一緒に使用されます。

CMOSロジックの実装

Kipは、CMOS（相補型金属酸化物半導体）ロジックに基づいて構築されています。 N-MOSとP-MOSの2種類のトランジスタを組み合わせて使用​​します。下の図は、N-MOSトランジスタの構造を示しています。トランジスタは、バルブを制御するソース-ドレインスイッチと考えることができます。ソースとドレイン（緑色）は、半導体特性をN +シリコンから変更する添加剤を含むシリコンのセクションで構成されています。バルブは特殊なシリコンであるポリシリコンでできており、非常に薄い絶縁酸化物層によってシリコン基板から分離されています。 N-MOSトランジスタは、バルブが引き上げられるとオンになります。





N-MOSトランジスタ構造。 P-MOSトランジスタの構造は似ていますが、N型とP型のシリコンセクションが入れ替わっています。



P-MOSトランジスタの構造はN-MOSトランジスタの反対です。ソースとドレインは、Nシリコンに埋め込まれたP +シリコンで構成されています。また、N-MOSトランジスタとは逆の方法で機能します。つまり、バルブが引き下げられるとオンになります。通常、P-MOSFETはドレインを引き上げ、N-MOSFETはドレインを引き下げます。 CMOSトランジスタでは、相互に補完し合い、必要に応じて出力を上下に引き下げて動作します。



次の図は、NANDゲートがCMOSでどのように実装されているかを示しています。入力に0を加えると、対応するP-MOSトランジスタ（上）がオンになり、出力がプルアップされます。両方の入力に1を適用すると、N-MOSトランジスタ（下）がオンになり、出力がプルダウンされます。したがって、回路はNAND機能を実装します。







次の図は、NANDゲートがダイ上でどのように見えるかを示しています。教科書の絵とは異なり、実際のトランジスタは複雑で曲がりくねった形をしています。左側にP-MOSトランジスタ、右側にN-MOSトランジスタがあります。シリコンの上の赤みがかった線は、バルブを形成するポリシリコンです。基板内のシリコンのほとんどは、添加剤のために導電性であり、左右の端と中央に添加剤がない非導電性シリコンよりもわずかに暗く見えます。この写真では、金属層がエッチングで除去されています。黄色い線は、金属導体があった場所を表しています。円は、金属層と下層のシリコンまたはポリシリコンとの結合です。





NANDゲートがチップ上でどのように見えるか



写真のトランジスタは、NANDゲート回路と比較することができます。トランジスタのポリシリコン形状のゲートとそれらが共有するものを見てください。 +5セクションから、左側の長いP-MOSFETを介して出力へのパスがあります。 2番目のパスは、中央の小さなP-MOSトランジスタを通過します。これは、トランジスタが並列に接続されていることを示しています。各バルブは入力の1つを制御します。グランドから出力までの左側のトラックは、両方の同心N-MOSトランジスタを通過する必要があります。これらは直列に接続されています。



このICも多くのリングゲートトランジスタを使用しています。この異常な要素の配置により、複数の並列トランジスタを高密度に配置できます。下の写真は、リングバルブ付きの16個のトランジスタを示しています。銅色のクローバーのようなパターンはトランジスタのドレインであり、ソースは外部にあります。金属層（ここでは除去されています）は、それぞれ、すべてのソース、バルブ、およびドレインを結合します。並列トランジスタは1つの大きなトランジスタのように機能します。並列トランジスタは、出力に大電流を供給するために使用されます。バイアス回路では、異なる数のトランジスタ（6、16、または40）を相互に接続して、目的の電流比を取得します。

トランスファーバルブ

チップのもう1つの重要な回路は、転送ゲートです。これは、信号が通過するかどうかに関係なく通過するスイッチのように機能します。次の図は、N-MOSトランジスタとP-MOSトランジスタの2つのトランジスタから転送ゲートを作成する方法を示しています。イネーブルラインに大きな電圧が印加されると、両方のトランジスタがオンになり、入力信号が出力に送られます。電圧が低い場合、それらはオフになり、信号をブロックします。右側は、図のトランスファーバルブの従来の指定です。

マルチプレクサ

マルチプレクサは、4つのクロック信号の1つを選択するために使用されます。次の図は、転送ゲートを使用してマルチプレクサを実装する方法を示しています。マルチプレクサは、A、B、C、およびDの4つの信号を入力として受け入れます。入力の1つは、対応する選択ラインとその補数をアクティブにすることによって選択されます。この入力はトランスファーバルブを介して出力に接続され、他の入力はブロックされます。マルチプレクサは標準の論理ゲート上に構築できますが、転送ゲート上での実装はより効率的です。





トランスファーバルブに基づく4対1マルチプレクサ



次の図は、マルチプレクサを構成するトランジスタを示しています。トランジスタのペアが入力BとCに接続されています。これは、トランジスタのペアの抵抗が半分であるためだと思います。入力BとCは高周波信号用であるため、トランジスタのペアによりレイテンシと歪みを減らすことができます。







下の写真は、マルチプレクサがチップ上に物理的に実装されている方法を示しています。ポリシリコンバルブが最もよく見えます。金属層が除去されました。金属導体は垂直に走り、トランジスタの対応するセグメントを接続していました。隣接するトランジスタのソースとドレインは、バルブ間に配置された単一のセクションに結合されます。上のボックスにはN-MOSトランジスタが含まれ、下のボックスにはP-MOSトランジスタが含まれています。P-MOSFETは効率が低いため、下の長方形を大きくする必要があります。

引き金

チップには、クロック周波数を分割する3つのフリップフロップがあります。水晶発振器は、入力パルスが受信されるたびに0と1の間で切り替わる切り替え可能なトリガーを使用します。 2つの入力パルスが1つの出力パルス（0→1→0）を与えるため、トリガーは周波数を半分に分割します。



フリップフロップは、転送ゲート、インバーター、NANDゲートで構成されています。下の図を参照してください。入力クロック信号が1の場合、出力はインバータと最初の転送ゲートを通過してポイントAに到達します。入力信号が0に切り替わると、最初の転送ゲートが開き、前の値はポイントAに留まります。その間、2番目の転送ゲートが閉じるため、信号は2番目のインバータと転送ゲートを通過してポイントBに到達します。NANDゲートはそれを再び反転させ、出力を反転させます。着信クロックの2番目のサイクルはこのプロセスを繰り返し、出力を元の値に戻します。その結果、2サイクルの入力信号が1サイクルの出力を提供するため、フリップフロップは周波数を2で除算します。







各トリガーにはイネーブル入力があります。選択した出力にトリガーが必要ない場合、トリガーは無効になります。たとえば、2分割モードが選択されている場合、最初のフリップフロップのみが使用され、他の2つは無効になります。これは消費電力を減らすためだと思います。これは、出力信号を完全にブロックするモジュールのトリップ接点とは無関係です。無効にするこのプロパティはオプションです。このモジュールにはそのような機能はなく、トリップ接点はICに接続されていません。



上の図では、インバーターとトランスファーバルブが別々の構造として示されています。ただし、フリップフロップは、インバーターと転送ゲート（左）を単一のゲート（右）に結合する興味深いゲート構造を使用しています。データに接続されたトランジスタのペアは、インバータとして機能します。ただし、クロック信号がゼロの場合、電源とグランドはブロックされ、ゲートは出力に影響を与えず、前の電圧を維持します。これがトランスファーバルブの仕組みです。





インバーターとトランスファーバルブ



の組み合わせ下の写真は、これらのバルブの1つがチップ上でどのように作られているかを示しています。写真は上の金属層を示しています。赤みがかったポリシリコンバルブが下に見えます。左側には、同心円の形をした2つのP-MOSトランジスタがあります。右側はN-MOSトランジスタです。

結論

水晶発振器モジュールは外観はシンプルに見えますが、内部には予想よりも多くのコンポーネントがあります。水晶だけでなく、ディスクリート部​​品や小さなICもあります。このICは、コンデンサ、アナログ回路を組み合わせて発振を提供し、デジタル回路を組み合わせて周波数を選択します。製造時にICの配線を変更することで、4つの周波数から1つを選択できます。



水晶発振器の詳細については、 EEVblog、 electronupdate、WizardTimのサイトを ご覧ください。あなたは上Kolpitzジェネレータをチェックアウトすることができ Hackaday。



シリコンとポリシリコンが見えるように、金属層と酸化物層を取り除いた後のチップの写真で終わります。大きなピンクがかったコンデンサが最も目立ちますが、トランジスタも考えられます。 クリック可能