Введение
Осциллятор Пирса - это тип электронного осциллятора, особенно подходящий для использования в кристаллических осцилляторных схемах. Осциллятор Пирса, названный в честь его изобретателя Джорджа У. Пирса (1872-1956), является производным осциллятора Колпитта. Практически все цифровые IC-часовые осцилляторы являются типа Пирса, так как 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 в бытовой электронике.
Операция
Если схема состоит из совершенно беспроигрышных компонентов, сигнал на C1 и C2 будет пропорционален импедансу каждого из них, а отношение напряжений сигнала на C1 и C2 будет C2/C1. При равных размерах C1 и C2 (обычная конфигурация) ток в C1 и C2 будет точно равным, но вне фазы, не требуя тока от усилителя или усиления напряжения от усилителя, и позволяя использовать усилитель с высоким выходной импидансом или использование изолирующего последовательного сопротивления на выходе усилителя. Нормальные кристаллы достаточно беспроигрышны, чтобы сделать это разумным приближением: усилитель не управляет резонансной цепью, а просто остается в синхронизации с ней, обеспечивая достаточную мощность для удовлетворения потерь. Иногда в выходе усилителя отображается последовательный резистор. При использовании последовательного резистора уменьшается усиление цикла, а усиление усилителя должно быть увеличено, чтобы восстановить общее усиление цикла до единства. Цель использования такого резистора в цепи усилителя - увеличить фазовое смещение при запуске или когда кристаллическая цепь выходит из фазы за счет нагрузки, а также устранить эффекты нелинейности усилителя и овертонов кристалла или ложных режимов. Это не является частью базовой операции топологии Пирса.
Сопротивление препятствующее
R1 действует как резистор обратной связи, смещая инвертор в его линейную область работы и эффективно заставляя его функционировать как усилитель инвертирования с высоким усилением. Чтобы лучше понять это, предположим, что инвертор идеален, с бесконечным входным импиденциальностью и нулевым выходным импиденциальностью. Резистор заставляет входное и выходное напряжения быть равными. Следовательно, инвертор не будет полностью включен или полностью выключен, но будет работать в переходной области, где он имеет прибыль.
Резонатор
В приложениях с чрезвычайно низкой стоимостью иногда используется пьезоэлектрический PZT-кристаллический керамический резонатор, а не пьезоэлектрический кварцевый кристаллический резонатор. Кристалл в сочетании с C1 и C2 образует пи-сетевой пропускной фильтр, который обеспечивает сдвиг фазы на 180° и увеличение напряжения от выхода к входу примерно на резонансной частоте кристалла. Чтобы понять эту операцию, обратите внимание, что при частоте колебаний кристалл кажется индуктивным. Таким образом, кристалл можно считать большим, высоким индуктором Q. Комбинация 180° сдвига фазы (т.е. инвертирующего усилия) от pi-сети и отрицательного усилия от инвертора приводит к положительному усилению петли (положительной обратной связи), делая точку смещения, установленную R1, нестабильной и приводящей к колебаниям. Недавно резонаторы MEMS (микроэлектромеханическая система), изготовленные поверхностным микрообработкой, позволили создавать ультранизкомощные стабильные перцевые осцилляторы. Крошечный форм-фактор резонаторов MEMS значительно снижает энергопотребление осциллятора, сохраняя при этом хорошую стабильность благодаря их очень высокому Q.
Изоляционный резистор
В дополнение к резистору R1 для смещения, Руан Лоуренс настоятельно рекомендует использовать серийный резистор R между выходом инвертора и кристаллом. Серийный резистор РС уменьшает вероятность колебаний сверхтонов и может улучшить время запуска. Этот второй резистор Р изолирует инвертор от кристаллической сети. Это также добавит дополнительный сдвиг фазы к C1. Для осцилляторов с частотой свыше 4 МГц следует использовать небольшой конденсатор, а не резистор. Когда производитель делает "серийный" кристалл, техник использует другую процедуру настройки. Когда в осцилляторе Пирса используется "серийный" кристалл, осциллятор Пирса (как всегда) приводит кристалл к почти параллельной резонансной частоте. Но эта частота на несколько килогерц выше, чем частота резонанса, напечатанная на упаковке "серийного" кристалла. Увеличение "погрузочной емкости" немного снижает частоту, генерируемую осциллятором Пирса, но никогда не достаточно, чтобы полностью снизить ее до серийной резонансной частоты.