El oscilador Pierce es un tipo de oscilador electrónico especialmente adecuado para su uso en circuitos de oscilador de cristal piezoeléctrico . Llamado así por su inventor, George W. Pierce (1872-1956), [1] [2] el oscilador Pierce es un derivado del oscilador Colpitts . Prácticamente todos los osciladores de reloj IC digitales son de tipo Pierce, ya que el circuito se puede implementar utilizando un mínimo de componentes: un solo inversor digital , una resistencia, dos condensadores y el cristal de cuarzo., que actúa como un elemento filtrante altamente selectivo. El bajo costo de fabricación de este circuito y la excelente estabilidad de frecuencia del cristal de cuarzo le dan una ventaja sobre otros diseños en muchas aplicaciones de electrónica de consumo .
Operación
Resistencia de polarización
R 1 actúa como una resistencia de retroalimentación , polarizando el inversor en su región lineal de operación y haciendo que funcione efectivamente como un amplificador inversor de alta ganancia . Para comprender mejor esto, suponga que el inversor es ideal, con impedancia de entrada infinita y impedancia de salida cero . La resistencia obliga a que los voltajes de entrada y salida sean iguales. Por lo tanto, el inversor no estará completamente encendido ni completamente apagado, sino que funcionará en la región de transición, donde tiene ganancia.
Resonador
Las aplicaciones de muy bajo costo a veces utilizan un resonador de cristal cerámico PZT piezoeléctrico en lugar de un resonador de cristal de cuarzo piezoeléctrico .
El cristal en combinación con C 1 y C 2 forma un filtro de paso de banda de red pi , que proporciona un cambio de fase de 180 ° y una ganancia de voltaje de la salida a la entrada aproximadamente a la frecuencia resonante del cristal. Para comprender la operación, tenga en cuenta que a la frecuencia de oscilación, el cristal parece inductivo. Por lo tanto, el cristal puede considerarse un inductor grande de Q alto . La combinación del cambio de fase de 180 ° (es decir, ganancia de inversión) de la red pi y la ganancia negativa del inversor, da como resultado una ganancia de bucle positiva ( retroalimentación positiva ), lo que hace que el punto de polarización establecido por R 1 sea inestable y provoque una oscilación. .
Recientemente, los resonadores MEMS (Micro-Electro-Mechanical-System) fabricados por micromecanizado de superficie han permitido osciladores de perforación estables de potencia ultrabaja. El pequeño factor de forma de los resonadores MEMS redujo en gran medida el consumo de energía del oscilador mientras mantiene la buena estabilidad gracias a su Q muy alto.
Resistencia de aislamiento
Además de la resistencia de polarización R 1 , Ruan Lourens recomienda encarecidamente una resistencia en serie R s entre la salida del inversor y el cristal. La resistencia en serie R s reduce la posibilidad de oscilación de armónicos y puede mejorar el tiempo de arranque. [3] Esta segunda resistencia R s aísla el inversor de la red de cristal. Esto también agregaría un cambio de fase adicional a C 1 . [4] Los osciladores de perforación por encima de 4 MHz deben usar un condensador pequeño en lugar de una resistencia para R s . [4] Esta resistencia de polarización se implementa comúnmente mediante un MOSFET polarizado en su región lineal para minimizar los parásitos.
Capacitancia de carga
La capacitancia total vista desde el cristal mirando hacia el resto del circuito se llama "capacitancia de carga". Cuando un fabricante hace un cristal "paralelo", un técnico usa un oscilador Pierce con una capacitancia de carga fija particular (a menudo 18 o 20 pF) mientras recorta el cristal para que oscile exactamente a la frecuencia escrita en su paquete.
Para asegurar el funcionamiento a la frecuencia correcta, uno debe asegurarse de que las capacitancias en el circuito coincidan con este valor especificado en la hoja de datos del cristal . La capacitancia de carga C L se puede calcular a partir de la combinación en serie de C 1 y C 2 , teniendo en cuenta C i y C o , la capacitancia de entrada y salida del inversor, y C s , las capacitancias parásitas del oscilador, diseño de PCB, y caja de cristal (normalmente de 3 a 9 pF): [5] [6] [7] [8]
Cuando un fabricante fabrica un cristal en "serie", un técnico utiliza un procedimiento de sintonización diferente. Cuando se utiliza un cristal "en serie" en un oscilador Pierce, el oscilador Pierce (como siempre) impulsa el cristal a casi su frecuencia de resonancia paralela. Pero esa frecuencia es unos kilohercios más alta que la frecuencia de resonancia en serie impresa en el paquete de un cristal "en serie". El aumento de la "capacidad de carga" disminuye ligeramente la frecuencia generada por un oscilador Pierce, pero nunca lo suficiente como para reducirla hasta la frecuencia resonante en serie.
Referencias
- ^ Pierce, George W. (octubre de 1923), "Resonadores de cristal piezoeléctricos y osciladores de cristal aplicados a la calibración de precisión de medidores de ondas", Actas de la Academia Estadounidense de Artes y Ciencias , 59 (4): 81-106, doi : 10.2307 / 20026061 , hdl : 2027 / inu.30000089308260 , JSTOR 20026061
- ^ US 2133642 , Pierce, George W., "Sistema eléctrico", publicado el 18 de octubre de 1938
- ^ Lourens, Ruan, Análisis y diseño prácticos del oscilador PICmicro (PDF) , Microchip, p. Figura 13: La posición de Rs, AN943
- ^ a b Osciladores de cristal HCMOS (PDF) , Fairchild Semiconductor Corporation, mayo de 1983, págs. 1-2, Fairchild Semiconductor Application Note 340, archivado desde el original (PDF) el 2013-05-02 , consultado el 2007-05-30
- ^ "Glosario de términos de cristal de cuarzo" (PDF) . Abracon Corporation . Consultado el 6 de junio de 2007 .
- ^ "Cristales en miniatura CX" (PDF) . Euroquartz. Archivado desde el original (PDF) el 15 de abril de 2007 . Consultado el 6 de junio de 2007 .
- ^ Información técnica de Fox Electronics
- ^ "Cálculo de carga de cristal del oscilador de puerta de perforación" (PDF) . Cristales Crystek Corp . Consultado el 26 de agosto de 2008 .
Otras lecturas
- Matthys, Robert J. (1992). Circuitos del oscilador de cristal (edición revisada). Malabar, Florida: Krieger Publishing. ISBN 0-89464-552-8.
enlaces externos
- Crystal Theory (PDF) , Notas técnicas, Somerset Reino Unido: EuroQuartz, sf, archivado desde el original (PDF) el 24 de junio de 2016 , consultado el 8 de febrero de 2015