Pierce oscillator

Enkel Pierce oscillator

Pierce -oscillatorn är en typ av elektronisk oscillator som är särskilt väl lämpad för användning i piezoelektriska kristalloscillatorkretsar . Uppkallad efter sin uppfinnare, George W. Pierce (1872–1956), är Pierce-oscillatorn ett derivat av Colpitts-oscillatorn . Praktiskt taget alla digitala IC- klockoscillatorer är av Pierce-typ, eftersom kretsen kan implementeras med ett minimum av komponenter: en enda digital växelriktare , ett motstånd, två kondensatorer och kvartskristallen, som fungerar som ett mycket selektivt filterelement. Den låga tillverkningskostnaden för denna krets och den enastående frekvensstabiliteten hos kvartskristallen ger den en fördel jämfört med andra konstruktioner i många hemelektroniktillämpningar .

Drift

Om kretsen består av perfekta förlustfria komponenter kommer signalen på C1 och C2 att vara proportionell mot impedansen för var och en, och förhållandet mellan signalspänningarna vid C1 och C2 kommer att vara C2/C1. Med C1 och C2 lika stora (en gemensam konfiguration) skulle strömmen i C1 till C2 vara exakt lika stor, men ur fas, vilket inte kräver någon ström från förstärkaren eller spänningsförstärkning från förstärkaren, och tillåter en hög utgångsimpedansförstärkare, eller användningen av ett isolerande serieresistans i förstärkarutgången. Normala kristaller är tillräckligt förlustfria för att göra detta till en rimlig approximation: förstärkaren driver inte resonanskretsen, utan förblir bara synkroniserad med den, vilket ger tillräckligt med kraft för att matcha förlusterna.

Ett seriemotstånd visas ibland i förstärkarutgången. När det används reducerar ett seriemotstånd loopförstärkningen och förstärkarens förstärkning måste ökas för att återställa den totala loopförstärkningen till enhet. Syftet med att använda ett sådant motstånd i förstärkarkretsen är att öka fasförskjutningen vid start, eller när kristallkretsen dras ur fas genom laddning, och att eliminera effekterna av förstärkarens icke-linjäritet och av kristallövertoner eller falska moder. Det är inte en del av den grundläggande driften av Pierce-topologin.

Förspänningsmotstånd

R1 fungerar som ett återkopplingsmotstånd , förspänner växelriktaren i dess linjära operationsområde och får den effektivt att fungera som en inverterande förstärkare med hög förstärkning . För att bättre förstå detta, anta att omriktaren är idealisk, med oändlig ingångsimpedans och noll utgångsimpedans . Motståndet tvingar ingångs- och utgångsspänningarna att vara lika. Därför kommer växelriktaren varken att vara helt på eller helt av, utan kommer att arbeta i övergångsområdet, där den har förstärkning.

Resonator

Extremt lågkostnadsapplikationer använder ibland en piezoelektrisk PZT kristallkeramisk resonator snarare än en piezoelektrisk kvartskristallresonator .

Kristallen i kombination med C1 och C2 bildar ett pi -nätbandpassfilter , som ger en 180° fasförskjutning och en spänningsförstärkning från utgången till ingången vid ungefär kristallens resonansfrekvens . För att förstå funktionen, notera att vid svängningsfrekvensen verkar kristallen induktiv. Således kan kristallen betraktas som en stor induktor med högt Q-värde . Kombinationen av 180° fasförskjutningen (dvs inverterande förstärkning) från pi-nätverket, och den negativa förstärkningen från inverteraren, resulterar i en positiv loopförstärkning (positiv återkoppling), vilket gör förspänningspunkten inställd av R 1 instabil och leder till oscillation .

Nyligen har MEMS (Micro-Electro-Mechanical-System) resonatorer tillverkade av ytmikrobearbetning möjliggjort stabila genomborrande oscillatorer med ultralåg effekt. Den lilla formfaktorn hos MEMS-resonatorer reducerade kraftigt oscillatorns strömförbrukning samtidigt som den behöll den goda stabiliteten tack vare deras mycket höga Q.

Isolationsmotstånd

Förutom förspänningsmotståndet R 1 rekommenderar Ruan Lourens starkt ett seriemotstånd R s mellan utgången från växelriktaren och kristallen. Seriemotståndet R s minskar risken för övertonsvängning och kan förbättra starttiden. Detta andra motstånd Rs isolerar växelriktaren från kristallnätverket. Detta skulle också lägga till ytterligare fasförskjutning till C1 . Pierce-oscillatorer över 4 MHz bör använda en liten kondensator snarare än ett motstånd för R s . Detta förspänningsmotstånd implementeras vanligtvis av en MOSFET förspänd i dess linjära område för att minimera parasiter.

Lastkapacitans

Den totala kapacitansen sett från kristallen som tittar in i resten av kretsen kallas "belastningskapacitansen". När en tillverkare gör en "parallell" kristall, använder en tekniker en Pierce-oscillator med en viss fast belastningskapacitans (ofta 18 eller 20 pF) samtidigt som den trimmar kristallen för att svänga med exakt den frekvens som står på förpackningen.

För att säkerställa drift vid rätt frekvens måste man se till att kapacitanserna i kretsen matchar detta värde som anges på kristallens datablad . Lastkapacitansen C L kan beräknas från seriekombinationen av C 1 och C 2 , med hänsyn tagen till C i och Co , växelriktarens in- och utgångskapacitans, och C s , strökapacitanserna från oscillatorn, PCB-layout , och kristallfodral (vanligtvis 3–9 pF):

När en tillverkare gör en "serie"-kristall, använder en tekniker en annan inställningsprocedur. När en "serie"-kristall används i en Pierce-oscillator, driver Pierce-oscillatorn (som alltid) kristallen med nästan sin parallella resonansfrekvens. Men den frekvensen är några kilohertz högre än serieresonansfrekvensen som är tryckt på förpackningen till en "serie"-kristall. Att öka "belastningskapacitansen" minskar frekvensen som genereras av en Pierce-oscillator något, men aldrig tillräckligt för att minska den hela vägen ner till serieresonansfrekvensen.

Vidare läsning

  •   Matthys, Robert J. (1992). Crystal Oscillator Circuits (reviderad utg.). Malabar, Florida: Krieger Publishing. ISBN 0-89464-552-8 .

externa länkar

  • Crystal Theory (PDF) , Technical Notes, Somerset UK: EuroQuartz, nd, arkiverad från originalet (PDF) 2016-06-24 , hämtad 8 februari 2015