Да погледнем какво има в един кварцов кристален резонатор и малкия чип в него

Да погледнем какво има в един кварцов кристален резонатор и малкия чип в него

Оригиналът е на изключително популярния Кен Шириф (Ken Shirriff), който има многобройни подобни интересни примери.

Кварцовият генератор е влажен електронен компонент, осигуряващ генериране на честота с много висока точност при съвсем ниска цена, а заради пиезоелектрическия ефект неговите електрически свойства се променят при вибрация. И тъй като е възможно да се направи кристал, който да вибрира с точно определена честота, кварцовите генератори са изключително полезни и се използват навсякъде. Те се появиха още през 1920-те години и първоначално осигуряваха точна генерация на вълните на радиостанциите. През 1970-те започна революцията на ръчните електронни часовници, в които се използваха кварцови генератори с много висока точност. Компютрите още от ENIAC от 1940-те години и до днес използват кварцови генератори за формиране на тактовата честота.

В съвременните персонални компютри също се използват кварцови генератори, но за получаването на гигахерцовите тактови честоти се използват по-сложни технологии. В персоналния компютър се използва кристал с много по-ниска честота от тактовата честота на процесора, която се умножава с помощта на PLL – фазово заключен контур или фазова автоматична донастройка на честотата. В компютрите често се използва кристал с честота 14.31818 MHz, понеже именно тази честота се използваше в старите телевизори и тези кристали бяха съвсем евтини и много широко разпространени.

За да може кристалът да вибрира, той участва в схема с електронни компоненти. През 1970-те години станаха популярни модулните кварцови генератори – в тези компактни и лесни за използване комплекти бе поставен самия кристал, малък чип и някои други компоненти. На мен ми стана интересно как точно работи един от тези модули и за да разбера, свалих капачката на един от тях и направих реверсивно инженерство на неговия чип. Тук ще опиша как работи всичко това и ще покажа малката CMOS схема, която го управлява. Оказа се, че в този компонент има редица интересни неща – нещо твърде неочаквано за мен.

Осциалаторът

Взех един кварцов генератор от разширителна карта за IBM PC. Всичко е поставено в правоъгълен метален корпус с четири извода, който защитава електрониката от електрическия шум. Да уточня, че това е модулът Rasco Plus с правоъгълен корпус в дясната страна на снимката и не е квадратния чип на IBM. Този модул генерира сигнал с честота 4,7174 MHz, което всъщност е написано върху капачката.

Защо тук се използва кристал с толкова необичайна честота от 4,7174 MHz? През 1970-те години IBM 3270 бе изключително популярен терминал с електронно-лъчева тръба. Терминалите от този тип се съединяваха с коаксиален кабел и използваха протокола Interface Display System Standard, работещ с тактова честота 2,3587 MHz. В края на 1980-те IBM произвеждаше интерфейсни карти за съединяване на IBM PC към мрежата с терминали 3270. Моят кварцов модул е именно от една от тези разширителни карти тип 56X4927 и честотата на неговия кристал е равна на 4,7174 MHz, което е точно двойно повече от 2,3587 MHz.

Отворих корпуса на този модул, за да разгледам неговата хибридна схема. Очаквах да видя кварцов кристал, напомнящ на скъпоценен камък в кутийка, но видях, че в кварцовите генератори се използва много тънък кварцов диск. Докато маха капачката съм го счупил и се вижда че в горния край липсва едно малко парченце. Вижда се и, че от двете страни на кристала към него са Съединени два метални електрода. Те са закрепени на малки щифтове, с помощта на които кристалът е издигнат над повърхността на корпуса, за да може свободно да вибрира.

Чипът

На снимката по-долу се вижда мъничкият кристала на чипа поставен под микроскоп. Добре се забелязват контактните площадки и основните функционални блокове. Зеленикаво-кафявите участници са силиций, който формира този чип. Жълтеникавият метален слой съединява компонентите с интегралната схема. Под метала се намира червеникав слой полисилиций, където се формират транзисторите, но той почти изцяло е прикрит от металния слой. По периметъра са поставяни контактните площадки, като две от тях (select и disable) с нищо не са съединени. Този чип е произведен от компанията Motorola през 1986-та година, но повече информация за него не можах да намеря.

Този чип изпълнява две основни задачи. Първо, неговите аналогови компоненти принуждават кристала да вибрира. Второ, неговите цифрови компоненти делят тази честота на 2, 4 и 8, и формират тактова честота със сравнително голям ток. Като какъв точно да бъде делителят се задава от два предназначени за тази цел изводи на чипа.

Кварцовият генератор е реализиран чрез схемата, известна като генератор на Колпиц, която е по-сложна от обикновената схема на кварцов генератор. Не можах да разбера защо се използва тази по-сложна схема.

Въпросната схемата е показана по-горе и включва полеви транзистор, токът на който се подава към кондензаторите и увеличава напрежението върху тях, както и на кристала. Намаляването на напрежението на кристала изключва транзистора, а напрежението на кристала намалява. Това води до отпушването на транзистора и процесът се повтаря непрекъснато. Обратната връзка усилва импулсите на кристала и поддържа генерацията на зададената честота.

Значителна част от чипа са петте кондензатора. В реализираната в чипа схема единият е разположен отгоре, другите три са свързани паралелно и формират долния кондензатор на електрическата схема, а последният стабилизира напрежението на гейта. На снимката на кристала по-долу е показен един от тези кондензатори след разтварянето на горния метален слой. Червените и зелените региони са полисилиций, който формира горната част на кондензатора заедно с металния слой. Разположеният под него розов слой е най-вероятно силициев нитрид, който се използва като диелектрик. Силицият със специални легиращи вещества, който образува долната част на кондензатора, няма как да се види на тази снимка.

Интересно е, че кондензаторите в този чип са образувани на три различни площадки и са свързани помежду си с помощта на специални пътечки. Навярно по този начин се постига гъвкавост на тази схема, понеже капацитетът може да бъде променян чрез премахването на някоя от пътечките на този кондензатор.

Цифровата схема

В дясната страна на чип се намира цифровата схема на делителя на изходната честота на 2, 4 и 8. Благодарение на нея един и същи чип може да подава четири различни честоти. Делителят е стандартен – 3 тригера включени последователно, като всеки един от тях дели входната честота на две. Мултиплексорът с четири входа избира дали да бъде изведена оригиналната честота на тези импулси или тя да бъде подадена от един от изходите на тригерите. Изборът на необходимата честота се осъществява с помощта на два извода в дясната част на кристала, като крайната честота се фиксира по време на производството.

CMOS логиката

В този чип се използва логика тип CMOS (Complementary Metal-Oxide Semiconductor), в която се използват съвместно работещи транзистори от два типа NMOS и PMOS. Изображението по-долу показва на устройството на NMOS транзистора. Транзисторът условно може да бъде приет като превключвател между сорса и дрейна, който се контролира с помощта на гейта. Сорсът и дрейнът (зелееникава цвят) са съставени от силиций с добавки, които променят неговите полупроводникови свойства. Гейтът е направена специален силиций, което е прието да се нарича полисилиций. Той е отделен от силициевата подложка с помощта на много тънък изолиращ оксиден слой. NMOS транзисторът се отваря когато гейтът получи положителен потенциал.

Структурата на PMOS транзистора е противоположна: сорсът и дрейнът са направени от P+ силиций и се отваря, когато получи отрицателен потенциал. Когато тези два вида транзистори работят заедно, те много добре се допълват и осигуряват стабилна работа.

Изображението по-долу показва реализирането на логическия елемент NAND с CMOS транзистори. Ако на единият от входовете бъде подадена 0, съответният PMOS транзистор ще се отвори и на изхода ще имаме логическа единица. Ако на двата входа подадем 1, долните NMOS транзистори ще се отворят и на изхода ще имаме логическа нула. По този начин се реализира NAND функцията.

 

Малко по-долу се вижда как изглежда логическият елемент NAND на кристала. За разлика от картинките в учебниците, реалните транзистори обикновено имат сложна и криволичеща форма. В лявата страна се намира PMOS транзисторът, а в дясната – NMOS. Червеникавите линии над силиция са полисилиций, който образува гейтовете. За да бъде направена тази снимка, металният слой е разяден. Жълтеникавите линии показват къде са били пътечките, а кръгчетата са местата на връзка на металния слой с някой от по-долните слоеве.

Транзисторите от тази снимка могат да бъдат съпоставени със схемата на логическия елемент NAND. Погледнете формираните от полисилиций гейтове и на това, как са разделени. Всеки гейт контролира един от изходите, като двата PMOS транзистора са свързани паралелно, а двата NMOS – последователно.

В тази интегрална схема се използват много транзистори с кръгъл гейт. Тази доста необичайна технология дава възможност за постигането на висока плътност на елементите и поместването на голям брой паралелно свързани транзистори. На снимката по-долу са показани 16 транзистора с кръгли гейтове. Приличащите на детелина участъци с меден цвят са сорсовете на транзисторите, като отвън се намира дрейнът. Металният слой, който тук е махнат, свързва заедно всичките дрйнове, гейтове и сорсове, Паралелно свързаните транзистори работят като един по-голям и по-мощен транзистор. Този метод се използва за получаването на по-силен изходен ток. В зависимост от изискванията, заедно се съединяват 6, 16 или 40 полеви транзистора.

Тригерът

В чипа са реализирани три тригера, които делят тактовата честота. Когато на входа на класически тригер бъде подадена логическа единица, на изхода първоначално се получава логическа нула, а след като на входа още веднъж бъде подадена 1, на изхода имаме 1. Този процес непрекъснато се повтаря и на практика това е делене на входната честота на 2. При два последователно свързани тригера входната честота се дели на четири, а при три тригера деленето е на 8.

Заключение

Въпреки че кварцовият генератор отвън изглежда съвсем опростен, в този модул има повече компоненти, отколкото би могло да се очаква. В него е поставен не само кварцовия кристал, но и малка интегрална схема и някои други компоненти. Това е една интересна комбинация от кондензатори, аналогови вериги, осигуряващи осцилацията и цифрови вериги за избор на изходната честота. Може да се избере една от възможните четири честоти, но само по време на производството.

Ето как изглежда същия чип след премахването на слоя от метал и от оксид, като по този начин се виждат силицият и полисилицият. Най-много се открояват големите розови кондензатори, но могат да бъдат различени и транзисторите.

 



Източник: www.kaldata.com