Dao động tinh thể

Đại cương

Thạch anh là một loại ôxít silic (SiO₂) dạng pha lê. Ôxy và silic là những nguyên tố tồn tại nhiều nhất trên trái đất, trong đó cát và đá có thành phần chủ yếu là SiO₂.
Cát đá thì có khắp nơi, nhưng để có thạch anh thì phải có ôxít silic tinh khiết và cho kết tinh theo một quá trình thích hợp. Trong tự nhiên nó xảy ra ở vùng núi lửa.
Tương tự, silic được dùng nhiều trong các con chip và trong công nghệ phần cứng, nhưng phải lọc luyện từ cát thạch anh đến độ gần như nguyên chất, tức là tạp chất ở mức "1 cái kim khâu trong sân bóng đá".

Tính chất

Thạch anh là một vật chất cứng, trong suốt, có trọng lượng riêng 2.649 kg/m3 (1.531 oz/in3), nhiệt độ nóng chảy ở 1750 °C (3182 °F). Thạch anh có tính giòn cao, tính dẻo thấp và đó cũng là một tính chất thuận lợi cho các ứng dụng với chúng.
Thạch anh được sử dụng chế tạo các thiết bị tạo ra xung nhịp để ứng dụng trong ngành điện tử, cũng có thể dùng để tạo các tần số mẫu để hiệu chỉnh cho các dụng cụ âm nhạc.

Ứng dụng

Những tinh thể thạch anh đầu tiên được sử dụng bởi chúng có tính chất "áp điện", có nghĩa là chúng chuyển các dao động cơ khí thành điện áp và ngược lại, chuyển các xung điện áp thành các dao động cơ khí. Tính chất áp điện này được Jacques Curie phát hiện năm 1880 và từ đó chúng được sử dụng vào trong các mạch điện tử do tích chất hữu ích này.

Một đặc tính quan trọng của tinh thể thạch anh là nếu tác động bằng các dạng cơ học đến chúng (âm thanh, sóng nước...) vào tinh thể thạch anh thì chúng sẽ tạo ra một điện áp dao động có tần số tương đương với mức độ tác động vào chúng, do đó chúng được ứng dụng trong rất nhiều lĩnh vực. Chẳng hạn kiểm soát những sự rung động trong các động cơ xe hơi để kiểm soát sự hoạt động của chúng.
Lần đầu tiên Walter G. Cady ứng dụng thạch anh vào một bộ kiểm soát dao động điện tử vào năm 1921. Ông công bố kết quả vào năm 1922 và đến năm 1927 thì Warren A. Marrison đã ứng dụng tinh thể thạch anh vào điều khiển sự hoạt động của các đồng hồ.
Ngày nay, mọi máy tính dù hiện đại nhất cũng vẫn sử dụng các bộ dao động tinh thể để kiểm soát các bus, xung nhịp xử lý.

Dao động tinh thể và lịch sử overclocking

Những chiếc máy tính AT của IBM đầu tiên sử dụng bộ dao động tinh thể để vận hành bộ xử lý. Hai hệ thống XT của máy tính IBM dùng các bộ dao động tinh thể thạch anh có tần số 12 Mhz và 16 Mhz. Các chip kiểm soát xung nhịp chia dao động đó cho 2, và kết quả là các bộ xử lý đó hoạt động ở xung nhịp 6 Mhz và 8 Mhz. Những overclocker đầu tiên đã sử dụng các tiểu xảo bằng cách thay thế các bộ dao động tinh thể 12 Mhz và 16 Mhz bằng các linh kiện dao động tinh thể 18 Mhz và 20 Mhz để các hệ thống máy tính này hoạt động ở tốc độ cao hơn: 9 Mhz và 10 Mhz.
Những hành động overclock này đã được một số công ty cho ra đời các mạch cho phép thay đổi sự dao động mà không phải thay thế từng linh kiện một trong hệ thống thời bấy giờ. Thiết bị này có các nấc điều khiển để thay đổi các dao động tinh thể (hình dạng của nó gần giống với các đồng hồ vạn năng ngày nay). XCELX là tên một thiết bị như vậy có thể cho phép thay đổi xung nhịp của các máy tính IBM ban đầu các xung nhịp từ 6,5 Mhz đến 12,7 Mhz. Đây là những hành động ép xung đầu tiên mà có thể nhiều overclocker ngày nay chưa biết.

Dao động tinh thể trong các máy tính ngày nay

Những máy tính hiện đại ngày nay thường sử dụng hai bộ tinh thể: một dành cho kiểm soát sự hoạt động của bo mạch chủ, một dành cho kiểm soát thời gian thực (RTC). Dao động tinh thể để kiểm soát bo mạch chủ có tần số: 14,31818 MHz, với tinh thể dùng cho kiểm soát thời gian thực sử dụng tần số: 32,768 KHz.
Con số 14,31818 Mhz được xuất phát từ những máy tính IBM đầu tiên sử dụng năm 1981, khi này máy tính chạy ở tốc độ 4.77 MHz là được bộ chia tần số chia 3 lần. Các máy tính ngày nay vẫn sử dụng các bộ dao động tinh thể ở 14,31818 Mhz chỉ đơn giản như một sự kế thừa.