Осциллятор Пирса - Pierce oscillator

Простой осциллятор Пирса

В Осциллятор Пирса это тип электронный генератор особенно хорошо подходит для использования в пьезоэлектрических кварцевый генератор схемы. Названный в честь своего изобретателя, Джордж У. Пирс (1872–1956),^[1][2] осциллятор Пирса является производной от Генератор Колпитца. Практически все цифровая ИС тактовые генераторы относятся к типу Пирса, так как схема может быть реализована с использованием минимума компонентов: одного цифровой инвертор, один резистор, два конденсатора и Кристалл кварца, который действует как высокоселективный фильтрующий элемент. Низкая стоимость изготовления этой схемы и выдающаяся стабильность частоты кристалла кварца дают ей преимущество перед другими конструкциями во многих бытовая электроника Приложения.

Операция

Резистор смещения

р₁ действует как Обратная связь резистор, смещение инвертор в своем линейный область действия и эффективно заставляет его функционировать как инвертирующий с высоким коэффициентом усиления усилитель мощности. Чтобы лучше понять это, предположим, что инвертор идеален, с бесконечным входное сопротивление и ноль выходное сопротивление. Резистор заставляет входное и выходное напряжения быть равными. Следовательно, инвертор не будет ни полностью включен, ни полностью выключен, а будет работать в переходной области, где он имеет усиление.

Упрощенный осциллятор Пирса. Положительное напряжение подается на коллектор NPN транзистор, обычно через резистор или же удушение.

Резонатор

В чрезвычайно недорогих приложениях иногда используются пьезоэлектрические PZT кристалл керамический резонатор а не пьезоэлектрический Кристалл кварца резонатор.

Кристалл в сочетании с C₁ и C₂ образует пи сеть полосовой фильтр, что обеспечивает угол поворота 180 ° сдвиг фазы и усиление напряжения от выхода к входу примерно на резонансной частоте кристалла. Чтобы понять принцип действия, обратите внимание, что на частоте колебаний кристалл кажется индуктивным. Таким образом, кристалл можно считать большим, высоко-Q индуктор. Комбинация фазового сдвига на 180 ° (то есть инвертирующего усиления) от пи-цепи и отрицательного усиления от инвертора приводит к положительному усилению контура (положительный отзыв ), устанавливая точку смещения р₁ неустойчивый и приводящий к колебаниям.

Изолирующий резистор

В дополнение к резистору смещения р₁, Руан Лоренс настоятельно рекомендует использовать последовательный резистор. р_s между выходом инвертора и кристаллом. Последовательный резистор р_s уменьшает вероятность возникновения обертонов и может сократить время запуска.^[3] Этот второй резистор р_s изолирует инвертор от кристаллической сети. Это также добавит дополнительный фазовый сдвиг к C₁.^[4] Генераторы Пирса выше 4 МГц должны использовать небольшой конденсатор, а не резистор для р_s.^[4]

Емкость нагрузки

Общая емкость, видимая из кристалла, смотрящего на остальную часть схемы, называется «емкостью нагрузки». Когда производитель делает «параллельный» кристалл, технический специалист использует генератор Пирса с определенной фиксированной емкостью нагрузки (часто 18 или 20 пФ) при подстройке кристалла для генерации точно с частотой, указанной на его корпусе.

Чтобы гарантировать работу на правильной частоте, необходимо убедиться, что емкости в цепи соответствуют этому значению, указанному на кристалле. техническая спецификация. Емкость нагрузки C_L можно рассчитать из комбинация серий из C₁ и C₂, принимая во внимание C_я и C_о, входная и выходная емкости инвертора, и C_sпаразитные емкости генератора, разводки печатной платы и корпуса кристалла (обычно 3–9 пФ):^[5][6][7][8]

${displaystyle C_{ ext{L}}={frac {(C_{1}+C_{ ext{i}})(C_{2}+C_{ ext{o}})}{C_{1}+C_{ ext{i}}+C_{2}+C_{ ext{o}}}}+C_{ ext{s}}.}$

Когда производитель делает «серийный» кристалл, технический специалист использует другую процедуру настройки. Когда "последовательный" кристалл используется в генераторе Пирса, генератор Пирса (как всегда) управляет кристаллом почти на его параллельной резонансной частоте. Но эта частота на несколько килогерц выше, чем серийная резонансная частота, напечатанная на упаковке «серийного» кристалла. Увеличение «емкости нагрузки» немного снижает частоту, генерируемую генератором Пирса, но никогда не снижает ее полностью до последовательной резонансной частоты.

Рекомендации

1. Пирс, Джордж У. (октябрь 1923 г.), "Пьезоэлектрические кварцевые резонаторы и кварцевые генераторы, применяемые для точной калибровки волномеров", Труды Американской академии искусств и наук, 59 (4): 81–106, Дои:10.2307/20026061, HDL:2027 / дюйм 30000089308260
2. США 2133642, Пирс, Джордж У., «Электрическая система», опубликовано 18 октября 1938 г. 
3. Лоуренс, Руан, Практический анализ и конструкция осциллятора PICmicro (PDF), Микрочип, стр. Рисунок 13: Положение рупий, AN943
4. Кристаллические генераторы HCMOS (PDF), Fairchild Semiconductor Corporation, май 1983 г., стр. 1-2, Fairchild Semiconductor Application Note 340, заархивировано с оригинал (PDF) на 2013-05-02, получено 2007-05-30
5. «Словарь терминов по кристаллу кварца» (PDF ). Корпорация Абракон. Получено 2007-06-06.
6. "Миниатюрные кристаллы CX" (PDF). Еврокварц. Архивировано из оригинал (PDF) на 2007-04-15. Получено 2007-06-06.
7. Техническая информация Fox Electronics
8. «Расчет нагрузки кристалла генератора Пирс-затвора» (PDF). Crystek Crystals Corp. Получено 2008-08-26.

дальнейшее чтение

• Маттис, Роберт Дж. (1992). Цепи кварцевого генератора (переработанная ред.). Малабар, Флорида: Krieger Publishing. ISBN  0-89464-552-8.

внешняя ссылка

• Кристалл Теория (PDF), Технические примечания, Somerset UK: EuroQuartz, n.d., получено 8 февраля 2015