Осциллятор Пирса

Простой генератор Пирса

Генератор Пирса — это тип электронного генератора, который особенно хорошо подходит для использования в схемах пьезоэлектрических кварцевых генераторов . Назван в честь своего изобретателя Джорджа Пирса (1872–1956). Осциллятор Пирса является производной генератора Колпитса . Практически все цифровые тактовые генераторы на микросхемах относятся к типу Пирса, поскольку схема может быть реализована с использованием минимума компонентов: одного цифрового инвертора , одного резистора , двух конденсаторов и кварцевого кристалла , который действует как высокоселективный фильтрующий элемент. Низкая стоимость изготовления этой схемы и стабильность частоты кварцевых кристаллов делают ее выгодной для многих приложений бытовой электроники .

Операция

Если схема состоит из идеальных компонентов без потерь, сигнал на C1 и C2 будет пропорционален импедансу каждого, а отношение напряжений сигналов на C1 и C2 будет равно C2/C1. При одинаковом размере C1 и C2 (обычная конфигурация) ток между C1 и C2 будет точно равным, но не в фазе, что не требует тока от усилителя или усиления напряжения от усилителя и позволяет использовать усилитель с высоким выходным сопротивлением, или использование изолирующего последовательного сопротивления на выходе усилителя. Обычные кристаллы не имеют потерь достаточно, чтобы сделать это разумным приближением: усилитель не управляет резонансным контуром, а просто синхронизируется с ним, обеспечивая достаточную мощность, чтобы компенсировать потери.

На выходе усилителя иногда используется последовательный резистор. При использовании последовательного резистора снижается усиление контура, и коэффициент усиления усилителя необходимо увеличить, чтобы восстановить общее усиление контура до единицы. Целью использования такого резистора в схеме усилителя является увеличение фазового сдвига при запуске или когда кварцевая схема выводится из фазы из-за нагрузки, а также устранение эффектов нелинейности усилителя, кварцевых обертонов или паразитных мод. Это не является частью основной операции топологии Пирса.

Смещающий резистор

R ₁ действует как обратной связи резистор , смещая инвертор в линейной области работы и эффективно заставляя его работать как инвертирующий усилитель с высоким коэффициентом усиления . Чтобы лучше понять это, предположим, что инвертор идеален, с бесконечным входным сопротивлением и нулевым выходным сопротивлением . Резистор обеспечивает равенство входного и выходного напряжений. Следовательно, инвертор не будет ни полностью включен, ни полностью выключен, а будет работать в переходной области, где он имеет коэффициент усиления.

Резонатор

В чрезвычайно недорогих приложениях иногда используется пьезоэлектрический PZT кристалло- керамический резонатор , а не пьезоэлектрический кварцевый резонатор.

Кристалл в сочетании с C ₁ и C ₂ образует pi-сети полосовой фильтр , который обеспечивает сдвиг фазы на 180° и усиление по напряжению от выхода ко входу примерно на резонансной частоте кристалла. Чтобы понять принцип работы, обратите внимание, что на частоте колебаний кристалл оказывается индуктивным. Таким образом, кристалл можно рассматривать как большой высокодобротный индуктор . Сочетание фазового сдвига на 180° (т.е. инвертирующего усиления) от пи-сети и отрицательного усиления от инвертора приводит к положительному коэффициенту усиления контура ( положительная обратная связь ), что делает точку смещения, установленную R _1, нестабильной и приводит к колебаниям. .

Недавно резонаторы MEMS (микроэлектромеханическая система), изготовленные методом поверхностной микрообработки, позволили создать стабильные генераторы Пирса со сверхмалой мощностью. Компактный форм-фактор МЭМС-резонаторов значительно снижает энергопотребление генератора, сохраняя при этом хорошую стабильность благодаря очень высокой добротности.

Изолирующий резистор

В дополнение к резистору смещения R ₁ Руан Лоуренс настоятельно рекомендует установить последовательный резистор R _s между выходом инвертора и кристаллом. Последовательный резистор R _s снижает вероятность колебаний тона и может сократить время запуска. Этот второй резистор R _s изолирует инвертор от кварцевой сети. Это также добавит дополнительный фазовый сдвиг к C ₁ . Генераторы Пирса с частотой выше 4 МГц должны использовать небольшой конденсатор, а не резистор для R _s . Этот резистор смещения обычно реализуется в виде полевого МОП-транзистора, смещенного в линейной области для минимизации паразитных помех.

Емкость нагрузки

Общая емкость, видимая со стороны кристалла, если смотреть на остальную часть схемы, называется «емкостью нагрузки». Когда производитель изготавливает «параллельный» кристалл, техник использует генератор Пирса с определенной фиксированной нагрузочной емкостью (часто 18 или 20 пФ), одновременно настраивая кристалл так, чтобы он колебался точно с частотой, указанной на его упаковке.

кристалла Чтобы обеспечить работу на правильной частоте, необходимо убедиться, что емкости в цепи соответствуют значению, указанному в паспорте . Емкость нагрузки C _L можно рассчитать из последовательной комбинации C 1 _и C 2 _, принимая во внимание C _i и C _o , входную и выходную емкость инвертора, и C _s , паразитные емкости генератора, компоновку печатной платы, и кристаллический корпус (обычно 3–9 пФ):

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

Когда производитель изготавливает «серийный» кристалл, техник использует другую процедуру настройки. Когда в генераторе Пирса используется «последовательный» кристалл, генератор Пирса (как всегда) приводит кристалл в движение почти на его параллельной резонансной частоте. Но эта частота на несколько килогерц выше, чем последовательная резонансная частота, напечатанная на упаковке «последовательного» кристалла. Увеличение «емкости нагрузки» немного уменьшает частоту, генерируемую генератором Пирса, но никогда не настолько, чтобы полностью снизить ее до последовательной резонансной частоты.

Дальнейшее чтение

• Мэттис, Роберт Дж. (1992). Схемы кварцевого генератора (переработанное издание). Малабар, Флорида: Издательство Krieger Publishing. ISBN  0-89464-552-8 .

Внешние ссылки

• Crystal Theory (PDF) , Технические примечания, Сомерсет, Великобритания: EuroQuartz, без даты, заархивировано из оригинала (PDF) 24 июня 2016 г. , получено 8 февраля 2015 г.