Oscylator przebicia
Oscylator Pierce jest rodzajem oscylatora elektronicznego, który szczególnie dobrze nadaje się do stosowania w obwodach piezoelektrycznych oscylatorów kwarcowych . Nazwany na cześć swojego wynalazcy, George'a W. Pierce'a (1872–1956), oscylator Pierce jest pochodną oscylatora Colpittsa . Praktycznie wszystkie cyfrowe oscylatory zegarowe IC są typu Pierce, ponieważ obwód można zaimplementować przy użyciu minimum komponentów: pojedynczego cyfrowego falownika , jednego rezystora, dwóch kondensatorów i kryształu kwarcu , który działa jako wysoce selektywny element filtrujący. Niski koszt produkcji tego obwodu i wyjątkowa stabilność częstotliwości kryształu kwarcu dają mu przewagę nad innymi konstrukcjami w wielu elektroniki użytkowej .
Operacja
Jeśli obwód składa się z idealnie bezstratnych elementów, sygnał na C1 i C2 będzie proporcjonalny do impedancji każdego z nich, a stosunek napięć sygnałowych na C1 i C2 będzie wynosił C2/C1. Przy równej wielkości C1 i C2 (powszechna konfiguracja), prąd w C1 do C2 byłby dokładnie równy, ale poza fazą, nie wymagając prądu ze wzmacniacza ani wzmocnienia napięcia ze wzmacniacza i umożliwiając wzmacniacz o wysokiej impedancji wyjściowej lub zastosowanie izolującej rezystancji szeregowej na wyjściu wzmacniacza. Normalne kryształy są na tyle bezstratne, że jest to rozsądne przybliżenie: wzmacniacz nie steruje obwodem rezonansowym, a jedynie pozostaje z nim zsynchronizowany, zapewniając wystarczającą moc, aby pokryć straty.
Na wyjściu wzmacniacza czasami pojawia się rezystor szeregowy. Gdy jest używany, rezystor szeregowy zmniejsza wzmocnienie pętli, a wzmocnienie wzmacniacza musi zostać zwiększone, aby przywrócić całkowite wzmocnienie pętli do jedności. Celem zastosowania takiego rezystora w obwodzie wzmacniacza jest zwiększenie przesunięcia fazowego przy rozruchu lub gdy obwód kryształu jest wyciągany z fazy przez obciążenie oraz wyeliminowanie skutków nieliniowości wzmacniacza i podtekstów krystalicznych lub fałszywych modów. Nie jest częścią podstawowej operacji topologii Pierce'a.
Rezystor polaryzujący
R1 działa jak rezystor sprzężenia zwrotnego , polaryzując falownik w jego liniowym obszarze działania i skutecznie powodując, że działa on jako wzmacniacz odwracający o dużym wzmocnieniu . Aby to lepiej zrozumieć, załóżmy, że falownik jest idealny, z nieskończoną impedancją wejściową i zerową impedancją wyjściową . Rezystor wymusza wyrównanie napięć wejściowych i wyjściowych. Dlatego falownik nie będzie ani całkowicie włączony, ani całkowicie wyłączony, ale będzie działał w obszarze przejściowym, w którym ma wzmocnienie.
Rezonator
Niezwykle tanie aplikacje czasami wykorzystują piezoelektryczny rezonator ceramiczny PZT zamiast piezoelektrycznego rezonatora kwarcowego .
Kryształ w połączeniu z C1 i C2 tworzy filtr pasmowo-przepustowy sieci pi , który zapewnia przesunięcie fazowe o 180° i wzmocnienie napięcia między wyjściem a wejściem przy w przybliżeniu częstotliwości rezonansowej kryształu. Aby zrozumieć działanie, zauważ, że przy częstotliwości oscylacji kryształ wydaje się indukcyjny. Zatem kryształ można uznać za duży, o wysokim Q induktor. Połączenie przesunięcia fazowego o 180° (tj. wzmocnienia odwracającego) z sieci pi i ujemnego wzmocnienia z falownika skutkuje dodatnim wzmocnieniem pętli (dodatnie sprzężenie zwrotne), co sprawia, że punkt obciążenia ustawiony przez R1 jest niestabilny i prowadzi do oscylacji .
Niedawno rezonatory MEMS (Micro-Electro-Mechanical-System) wytwarzane za pomocą mikroobróbki powierzchni umożliwiły stabilne oscylatory przebijające o bardzo niskiej mocy. Niewielki rozmiar rezonatorów MEMS znacznie zmniejszył zużycie energii przez oscylator, zachowując jednocześnie dobrą stabilność dzięki bardzo wysokiemu współczynnikowi Q.
Rezystor izolujący
Oprócz rezystora polaryzującego R 1 , Ruan Lourens zdecydowanie zaleca zastosowanie rezystora szeregowego R s między wyjściem falownika a kryształem. Rezystor szeregowy R s zmniejsza ryzyko oscylacji nadtonowych i może skrócić czas rozruchu. Ten drugi rezystor R s izoluje falownik od sieci kryształowej. To również dodałoby dodatkowe przesunięcie fazowe do C1 . Oscylatory Pierce powyżej 4 MHz powinny używać raczej małego kondensatora niż rezystora dla Rs . Ten rezystor polaryzujący jest zwykle realizowany przez MOSFET spolaryzowany w swoim obszarze liniowym, aby zminimalizować pasożyty.
Pojemność obciążenia
Całkowita pojemność widziana z kryształu patrzącego na resztę obwodu nazywana jest „pojemnością obciążenia”. Kiedy producent tworzy „równoległy” kryształ, technik używa oscylatora Pierce o określonej stałej pojemności obciążenia (często 18 lub 20 pF), jednocześnie przycinając kryształ, aby oscylował dokładnie z częstotliwością zapisaną na opakowaniu.
Aby zapewnić działanie z prawidłową częstotliwością, należy upewnić się, że pojemności w obwodzie odpowiadają wartości podanej w karcie katalogowej kryształu . Pojemność obciążenia C L można obliczyć z kombinacji szeregowej C 1 i C 2 , biorąc pod uwagę C i i C o , pojemność wejściową i wyjściową falownika oraz C s , pojemności błądzące z oscylatora, układ PCB, i obudowa kryształu (zwykle 3–9 pF):
Kiedy producent wytwarza kryształ „serii”, technik stosuje inną procedurę strojenia. Kiedy kryształ „szeregowy” jest używany w oscylatorze Pierce, oscylator Pierce (jak zawsze) napędza kryształ z prawie równoległą częstotliwością rezonansową. Ale ta częstotliwość jest o kilka kiloherców wyższa niż częstotliwość rezonansowa serii wydrukowana na opakowaniu „szeregowego” kryształu. Zwiększenie „pojemności obciążenia” nieznacznie zmniejsza częstotliwość generowaną przez oscylator Pierce, ale nigdy na tyle, aby zredukować ją aż do częstotliwości rezonansowej szeregowej.
Dalsza lektura
- Matthys, Robert J. (1992). Obwody oscylatora kwarcowego (poprawiona red.). Malabar, Floryda: Krieger Publishing. ISBN 0-89464-552-8 .
Linki zewnętrzne
- Teoria kryształów (PDF) , uwagi techniczne, Somerset UK: EuroQuartz, nd, zarchiwizowane z oryginału (PDF) w dniu 2016-06-24 , pobrane 8 lutego 2015 r.