Ағылшыншамен салыстырыңыз: абзацты басыңыз — түпнұсқа терезеде ашылады. Абзац астындағы EN түймесі оны мәтін ішінде көрсетеді.
Мазмұны
Кіріспе
Пирс тербелісі - пиезоэлектрлік кристалл тербелісі контурларында қолдануға әсіресе қолайлы электронды тербелістің түрі. Оның өнертапқышы Джордж У. Пирс (18721956) есімімен аталған Пирс тербелісі Колпитс тербелісінің туындысы болып табылады. Барлық цифрлық IC сағаттық осцилляторлары Пирс типті, өйткені схеманы ең аз құрамдас бөліктерді қолдану арқылы іске асыруға болады: бір цифрлық инвертор, бір резистор, екі конденсатор және кварц кристалы, ол өте іріктеп сынама элементі ретінде әрекет етеді. Бұл схеманың төмен өндірістік құны және кварц кристалдарының жиілік тұрақтылығы оны көптеген тұтынушы электроникасы үшін тиімді етеді.
The Pierce oscillator is a type of electronic oscillator particularly well suited for use in piezoelectric crystal oscillator circuits. Named for its inventor, George W. Pierce (1872–1956), the Pierce oscillator is a derivative of the Colpitts oscillator. Virtually all digital IC clock oscillators are of Pierce type, as the circuit can be implemented using a minimum of components: a single digital inverter, one resistor, two capacitors, and the quartz crystal, which acts as a highly selective filter element. The low manufacturing cost of this circuit and the frequency stability of quartz crystals make it advantageous for many consumer electronics applications.
Операция
Егер контур толықтай жоғалтусыз компоненттерден тұрса, C1 және C2 сигналдар әрқайсысының импедансына пропорционалды болады, ал C1 және C2 сигнал кернеулерінің арақатынасы C2/C1 болады. C1 және C2 бірдей өлшеммен (жалпы конфигурация) C1 мен C2 арасындағы ток дәл бірдей, бірақ фазадан тыс болады, күшейткіштен ток немесе күшейткіштен кернеуді қажет етпейді және жоғары шығыс кедергілі күшейткішке немесе күшейткіш шығысында оқшаулау сериялы кедергісін қолдануға мүмкіндік береді. Қалыпты кристаллдар жоғалтусыз болады, сондықтан бұл шамамен ақылға қонымды: күшейткіш резонанстық схеманы қозғалтпайды, бірақ тек онымен синхрондасып, жоғалтуларды теңестіретін қуатты қамтамасыз етеді. Кейде күшейткіш шығысында сериялық резистор көрсетіледі. Пайдаланылған кезде, тізбекті резистор циклдің пайдасын азайтады, ал күшейткіштің пайдасын жалпы циклдің пайдасын бірлікке қалпына келтіру үшін ұлғайту керек. Мұндай резисторды күшейткіш схемасында пайдаланудың мақсаты - іске қосу кезінде немесе кристалл схемасы жүктеме арқылы фазадан шығарылған кезде фазалық ауысуды ұлғайту және күшейткіштің сызықтық емес және кристаллдың көтерілуін немесе жалған режимдерін жою. Бұл Пирс топологиясының негізгі операциясының бөлігі емес.
If the circuit consists of perfect lossless components, the signal on C1 and C2 will be proportional to the impedance of each, and the ratio of the signal voltages at C1 and C2 will be C2/C1. With C1 and C2 equal size (a common configuration), the current in C1 to C2 would be exactly equal, but out of phase, requiring no current from the amplifier or voltage gain from the amplifier, and allowing a high output impedance amplifier, or the use of an isolating series resistance in the amplifier output. Normal crystals are lossless enough to make this a reasonable approximation: the amplifier does not drive the resonant circuit, but merely stays in sync with it, providing enough power to match losses. A series resistor is occasionally shown in the amplifier output. When used, a series resistor reduces loop gain, and amplifier gain must be increased to restore total loop gain to unity. The purpose of using such a resistor in the amplifier circuit is to increase phase shift at startup, or when the crystal circuit is pulled out of phase by loading, and to eliminate the effects of amplifier non linearity and of crystal overtones or spurious modes. It is not part of the basic operation of the Pierce topology.
Бәсекеге қарсылық
R1 кері байланыс резисторы ретінде әрекет етеді, инверторды өзінің сызықтық жұмыс аймағында бұрмалайды және оны жоғары пайда инвертерлі күшейткіш ретінде жұмыс істеуге мәжбүр етеді. Мұны жақсырақ түсіну үшін инверторды шексіз кіріс кедергісі мен нөлдік шығыс кедергісі бар идеал деп қабылдаңыз. Резистор кіріс пен шығыс кернеулерін тең болуға мәжбүрлейді. Демек, инвертор толық қосылмаған немесе толық сөндірілген емес, ол пайда болған ауысу аймағында жұмыс істейді.
R1 acts as a feedback resistor, biasing the inverter in its linear region of operation and effectively causing it to function as a high gain inverting amplifier. To better understand this, assume the inverter is ideal, with infinite input impedance and zero output impedance. The resistor forces the input and output voltages to be equal. Hence the inverter will neither be fully on, nor fully off, but will operate in the transition region, where it has gain.
Резонатор
Өте арзан қымбат қосымшалар кейде пьезоэлектрлік кварц кристалл резонаторының орнына пьезоэлектрлік PZT кристалл керамикалық резонаторды қолданады. Кристалл C1 және C2 қосылысымен pi желілік жолақты өткізу сүзгісін құрайды, ол 180° фазалық ауысуды және шығыстан кіріске кернеуді шамамен кристаллдың резонанстық жиілігінде қамтамасыз етеді. Операцияны түсіну үшін, тербеліс жиілігінде кристалл индуктивті болып көрінетінін ескеріңіз. Осылайша, кристалды үлкен, жоғары Q индукторы деп қарастыруға болады. Пи желісінен 180° фазалық ауысудың (яғни инверторлық пайда) және инвертордан теріс пайданың комбинациясы оң цикл пайдасына (жағымды кері байланыс) әкеледі, бұл R1 белгілеген ауытқу нүктесін тұрақсыз етеді және тербеліске әкеледі. Жақында MEMS (Микроэлектромеханикалық жүйе) резонаторлары беткі микрооңайлы өңдеу арқылы жасалған, өте төмен қуатты тұрақты персельді тербелістерді іске қосты. MEMS резонаторларының кішкентай форма факторы өте жоғары Q арқасында жақсы тұрақтылықты сақтай отырып, тербелістің қуат тұтынуын едәуір азайтты.
Extremely low cost applications sometimes use a piezoelectric PZT crystal ceramic resonator rather than a piezoelectric quartz crystal resonator. The crystal in combination with C1 and C2 forms a pi network band pass filter, which provides a 180° phase shift and a voltage gain from the output to input at approximately the resonant frequency of the crystal. To understand the operation, note that at the frequency of oscillation, the crystal appears inductive. Thus, the crystal can be considered a large, high Q inductor. The combination of the 180° phase shift (i. e. inverting gain) from the pi network, and the negative gain from the inverter, results in a positive loop gain (positive feedback), making the bias point set by R1 unstable and leading to oscillation. Recently, MEMS (Micro Electro Mechanical System) resonators fabricated by surface micromachining have enabled ultra low power stable pierce oscillators. The tiny form factor of MEMS resonators greatly reduced the power consumption of the oscillator while keeping the good stability thanks to their very high Q.
Оқшаулау резисторы
Ruan Lourens R1 бейссингтік резистордан басқа, инвертор мен кристалл шығысының арасында сериялы резисторды қатты ұсынады. РС резисторы үстіртін тербелістерінің мүмкіндігін азайтады және іске қосу уақытын жақсартады. Бұл екінші Р резисторы инверторды кристалл желісінен оқшаулайды. Бұл сонымен қатар C1 қосымша фазалық ауысуды қосады. 4 МГц жоғары Пирс тербелістерде 500 мАч үшін резистордың орнына шағын конденсатор пайдаланылуы тиіс. Өндіруші "сериялық" кристалл жасағанда, техник басқа баптау әдісін қолданады. Пирс тербелісінде "сериялық" кристалл қолданылған кезде Пирс тербелісі (әрқашанғыдай) кристалды өзінің параллель резонанстық жиілігіне дейін айдайды. Бірақ бұл жиілік "сериялық" кристаллдың пакетіне басылған сериялық резонанстық жиіліктен бірнеше килогерц жоғары. "Жүк сыйымдылығын" арттыру Пирс тербелісімен құрылған жиілікті сәл төмендетеді, бірақ оны сериялық резонанстық жиілікке дейін төмендетуге жеткіліксіз.
In addition to the biasing resistor R1, Ruan Lourens strongly recommends a series resistor Rs between the output of the inverter and the crystal. The series resistor Rs reduces the chance of overtone oscillation and can improve start up time. This second resistor Rs isolates the inverter from the crystal network. This would also add additional phase shift to C1. Pierce oscillators above 4 MHz should use a small capacitor rather than a resistor for Rs. When a manufacturer makes a "series" crystal, a technician uses a different tuning procedure. When a "series" crystal is used in a Pierce oscillator, the Pierce oscillator (as always) drives the crystal at nearly its parallel resonance frequency. But that frequency is a few kilohertz higher than the series resonant frequency printed on the package of a "series" crystal. Increasing the "load capacitance" slightly decreases the frequency generated by a Pierce oscillator, but never enough to reduce it all the way down to the series resonant frequency.