Oscilador de perfuração - Pierce oscillator

Oscilador de perfuração simples

O oscilador Pierce é um tipo de oscilador eletrônico particularmente adequado para uso em circuitos osciladores de cristal piezoelétrico . Com o nome de seu inventor, George W. Pierce (1872–1956), o oscilador Pierce é um derivado do oscilador Colpitts . Praticamente todos os osciladores de relógio digital IC são do tipo Pierce, pois o circuito pode ser implementado usando um mínimo de componentes: um único inversor digital , um resistor, dois capacitores e o cristal de quartzo , que atua como um elemento de filtro altamente seletivo. O baixo custo de fabricação deste circuito e a excelente estabilidade de frequência do cristal de quartzo dão a ele uma vantagem sobre outros projetos em muitas aplicações de eletrônicos de consumo .

Operação

Se o circuito consistir em componentes perfeitos sem perdas, o sinal em C1 e C2 será proporcional à impedância de cada um, e a razão das tensões do sinal em C1 e C2 será C2 / C1. Com C1 e C2 de tamanho igual (uma configuração comum), a corrente em C1 a C2 seria exatamente igual, mas fora de fase, não exigindo corrente do amplificador ou ganho de voltagem do amplificador e permitindo um amplificador de alta impedância de saída, ou o uso de uma resistência em série de isolamento na saída do amplificador. Cristais normais não têm perdas o suficiente para fazer disso uma aproximação razoável: o amplificador não aciona o circuito ressonante, mas simplesmente permanece em sincronia com ele, fornecendo energia suficiente para compensar as perdas.

Um resistor em série é ocasionalmente mostrado na saída do amplificador. Quando usado, um resistor em série reduz o ganho do loop e o ganho do amplificador deve ser aumentado para restaurar o ganho total do loop para a unidade. O objetivo de usar tal resistor no circuito do amplificador é aumentar o deslocamento de fase na inicialização, ou quando o circuito do cristal é retirado da fase pelo carregamento, e para eliminar os efeitos da não linearidade do amplificador e dos tons do cristal ou modos espúrios. Não faz parte da operação básica da topologia Pierce.

Resistor de polarização

R 1 atua como um resistor de feedback , polarizando o inversor em sua região linear de operação e efetivamente fazendo com que ele funcione como um amplificador inversor de alto ganho . Para melhor entender isso, assuma que o inversor é ideal, com impedância de entrada infinita e impedância de saída zero . O resistor força as tensões de entrada e saída a serem iguais. Conseqüentemente, o inversor não estará nem totalmente ligado, nem totalmente desligado, mas operará na região de transição, onde há ganho.

Ressonador

Aplicações de custo extremamente baixo às vezes usam um ressonador de cristal PZT piezoelétrico em vez de um ressonador de cristal de quartzo piezoelétrico .

O cristal em combinação com C 1 e C 2 forma um filtro passa-banda de rede pi , que fornece um deslocamento de fase de 180 ° e um ganho de voltagem da saída para a entrada em aproximadamente a frequência de ressonância do cristal. Para entender a operação, observe que na frequência de oscilação, o cristal parece indutivo. Assim, o cristal pode ser considerado um grande indutor de alto Q. A combinação do deslocamento de fase de 180 ° (isto é, ganho de inversão) da rede pi e o ganho negativo do inversor resulta em um ganho de loop positivo ( feedback positivo ), tornando o ponto de polarização definido por R 1 instável e levando à oscilação .

Recentemente, ressonadores MEMS (Micro-Electro-Mechanical-System) fabricados por microusinagem de superfície possibilitaram osciladores de perfuração estáveis ​​de potência ultrabaixa. O fator de forma minúsculo dos ressonadores MEMS reduziu muito o consumo de energia do oscilador, mantendo a boa estabilidade graças ao seu Q muito alto.

Resistor de isolamento

Além do resistor de polarização R 1 , Ruan Lourens recomenda fortemente um resistor em série R s entre a saída do inversor e o cristal. O resistor em série R s reduz a chance de oscilação do tom harmônico e pode melhorar o tempo de inicialização. Esta segunda resistcia R s isola o conversor da rede de cristal. Isso também adicionaria mudança de fase adicional para C 1 . Os osciladores de perfuração acima de 4 MHz devem usar um pequeno capacitor em vez de um resistor para R s . Este resistor de polarização é comumente implementado por um MOSFET polarizado em sua região linear para minimizar os parasitas.

Capacitância de carga

A capacitância total vista do cristal olhando para o resto do circuito é chamada de "capacitância de carga". Quando um fabricante faz um cristal "paralelo", um técnico usa um oscilador Pierce com uma capacitância de carga fixa específica (geralmente 18 ou 20 pF) enquanto ajusta o cristal para oscilar exatamente na frequência escrita em seu pacote.

Para garantir a operação na freqüência correta, deve-se ter certeza de que as capacitâncias no circuito correspondem ao valor especificado na folha de dados do cristal . A capacitância de carga C L pode ser calculada a partir da combinação em série de C 1 e C 2 , levando em consideração C i e C o , a capacitância de entrada e saída do inversor, e C s , as capacitâncias parasitas do oscilador, layout de PCB, e caixa de cristal (normalmente 3-9 pF):

Quando um fabricante faz um cristal em "série", um técnico usa um procedimento de ajuste diferente. Quando um cristal em "série" é usado em um oscilador Pierce, o oscilador Pierce (como sempre) aciona o cristal quase em sua frequência de ressonância paralela. Mas essa frequência é alguns quilohertz mais alta do que a frequência ressonante em série impressa na embalagem de um cristal em "série". Aumentar a "capacitância de carga" diminui ligeiramente a frequência gerada por um oscilador Pierce, mas nunca o suficiente para reduzi-la até a frequência de ressonância em série.

Referências

Leitura adicional

  • Matthys, Robert J. (1992). Crystal Oscillator Circuits (edição revisada). Malabar, Flórida: Krieger Publishing. ISBN 0-89464-552-8.

links externos

  • Crystal Theory (PDF) , Technical Notes, Somerset UK: EuroQuartz, nd, arquivado do original (PDF) em 2016-06-24 , recuperado em 8 de fevereiro de 2015