피어스 오실레이터

Pierce oscillator
심플 피어스 오실레이터

피어스 오실레이터는 압전 크리스탈 오실레이터 회로에 사용하기에 특히 적합한 전자식 오실레이터의 일종이다. 발명가 조지 W. 피어스(1872–1956)의 이름을 딴 피어스 오실레이터는 콜핏츠 오실레이터의 파생품이다.[1][2] 회로는 디지털 인버터 1개, 저항기 1개, 콘덴서 2개, 쿼츠 결정 등 최소한의 구성 요소를 사용하여 구현될 수 있기 때문에 사실상 모든 디지털 IC 클럭 오실레이터는 피어스형이다. 이 회로의 낮은 제조원가와 석영 결정의 뛰어난 주파수 안정성은 많은 가전제품의 다른 디자인에 비해 유리하다.

작전

회로가 완벽한 무손실 구성 요소로 구성되면 C1과 C2의 신호는 각각 임피던스에 비례하며 C1과 C2의 신호 전압 비율은 C2/C1이 된다. C1과 C2의 동일한 크기(공통 구성)에서 C1에서 C2까지의 전류는 정확히 동일하지만 위상 밖으로, 앰프로부터의 전류나 전압 이득이 필요 없으며, 고출력 임피던스 앰프를 허용하거나 앰프 출력의 절연 직렬 저항을 사용할 수 있다. 정상 결정들은 이것을 합리적인 근사치로 만들기에 충분히 무손실이다: 앰프는 공명 회로를 구동하지 않고 단지 그것과 동기화하여 손실과 일치하는 충분한 전력을 공급한다.

직렬 저항기는 앰프 출력에 가끔 나타난다. 직렬 저항을 사용하면 루프 게인이 감소하며, 전체 루프 게인을 통일로 복원하기 위해 앰프 게인을 증가시켜야 한다. 앰프 회로에 그러한 저항을 사용하는 목적은 시동 시 위상 편이를 증가시키거나, 부하에 의해 결정 회로가 위상에서 벗어난 경우, 앰프 비선형성과 결정 오버톤 또는 스퓨러 모드의 영향을 제거하는 것이다. 피어스 토폴로지의 기본 작동에 포함되지 않는다.

바이어싱 저항기

R은1 피드백 저항기 역할을 하여 인버터의 선형 작동 영역에서 인버터를 편향시키고, 효과적으로 인버터를 고게인 인버팅 증폭기로 기능하게 한다. 이를 더 잘 이해하려면 인버터가 무한 입력 임피던스와 0 출력 임피던스로 이상적인 상태라고 가정하십시오. 저항기는 입력 전압과 출력 전압이 같도록 강제한다. 따라서 인버터는 완전히 켜져 있지도 않고 완전히 꺼져 있지도 않지만, 이득이 있는 전환 지역에서 작동할 것이다.

공명기

극도로 저렴한 애플리케이션은 때때로 압전 쿼츠 결정 공명기가 아닌 압전 PZT 결정 세라믹 공명기를 사용한다.

C와1 C와2 결합한 결정으로 파이 네트워크 대역-통과 필터가 형성되며, 이 필터는 180° 위상 편향과 출력에서 입력까지의 전압 이득을 결정의 대략적인 공명 주파수에서 제공한다. 작동을 이해하려면 진동 주파수에서 결정이 귀납적으로 나타난다는 점에 유의하십시오. 따라서, 결정체는 큰 고품질 인덕터로 간주될 수 있다. 파이 네트워크의 180° 위상 편이(즉, 반전 이득)와 인버터의 음수 이득의 조합은 양의 루프 게인(양성 피드백)을 초래하여1 R에 의해 설정된 바이어스 포인트가 불안정해지고 진동을 일으킨다.

최근에는 표면 마이크로마칭으로 제작된 마이크로전자기계-시스템(MEMS) 공명기가 초저전력 안정형 피어스 오실레이터를 가능하게 했다. MEMS 공명기의 작은 폼 팩터는 매우 높은 Q 덕분에 좋은 안정성을 유지하면서 오실레이터의 전력 소비를 크게 줄였다.

격리 저항기

뤼안 루렌스는 바이어싱 저항기 R에1 덧붙여 인버터의 출력과 결정 사이에 직렬 저항기 R을s 강력히 추천한다. 직렬 저항기 R은s 오버톤 진동의 가능성을 낮추고 시동 시간을 개선할 수 있다.[3] 이 두 번째 저항기 R은s 인버터를 결정 네트워크로부터 격리시킨다. 이것은 또한 C에1 위상 편이 추가될 것이다.[4] 4MHz 이상의 피어스 오실레이터는 R에s 대한 저항기가 아닌 소형 콘덴서를 사용해야 한다.[4] 이 바이어싱 저항기는 기생충을 최소화하기 위해 선형 영역에 편향된 MOSFET에 의해 일반적으로 구현된다.

로드 캐패시턴스

회로의 나머지 부분을 들여다보는 크리스탈에서 볼 수 있는 총 캐패시턴스를 "부하 캐패시턴스"라고 한다. 제조업체가 "병렬" 결정을 내릴 때, 기술자는 특정 고정 부하 캐패시턴스(흔히 18 또는 20 pF)가 있는 피어스 오실레이터를 사용하는 동시에 결정체를 다듬어 패키지에 적힌 주파수로 정확히 진동시킨다.

올바른 주파수에서 작동하려면 회로의 캐패시턴스가 결정의 데이터 시트에 지정된 이 값과 일치하는지 확인해야 한다. 로드 캐패시턴스 C는L C와1i C의o 직렬 조합, 인버터의 입력 및 출력 캐패시턴스s, C, 오실레이터, PCB 배치 및 결정 케이스(일반적으로 3–9 pF)[5][6][7][8]를 고려하여2 계산할 수 있다.

제조자가 "시리즈" 결정을 만들 때, 기술자는 다른 튜닝 절차를 사용한다. 피어스 오실레이터에 "시리즈" 크리스털이 사용될 때 피어스 오실레이터(항상 그렇듯이)는 거의 평행한 공명 주파수로 크리스털을 구동한다. 그러나 그 주파수는 "시리즈" 결정의 패키지에 인쇄된 직렬 공명 주파수보다 몇 킬로헤르츠 더 높다. "부하 캐패시턴스"를 증가시키면 피어스 오실레이터가 생성하는 주파수는 약간 감소하지만, 직렬 공명 주파수까지 감소할 정도는 결코 아니다.

참조

  1. ^ Pierce, George W. (October 1923), "Piezoelectric crystal resonators and crystal oscillators applied to the precision calibration of wavemeters", Proceedings of the American Academy of Arts and Sciences, 59 (4): 81–106, doi:10.2307/20026061, hdl:2027/inu.30000089308260, JSTOR 20026061
  2. ^ US 2133642, 피어스, 조지 W, "전기 시스템" 1938-10-18 출판
  3. ^ Lourens, Ruan, Practical PICmicro Oscillator Analysis and Design (PDF), Microchip, p. Figure 13: The position of Rs, AN943
  4. ^ a b HCMOS Crystal Oscillators (PDF), Fairchild Semiconductor Corporation, May 1983, pp. 1–2, Fairchild Semiconductor Application Note 340, archived from the original (PDF) on 2013-05-02, retrieved 2007-05-30
  5. ^ "Quartz crystal glossary of terms" (PDF). Abracon Corporation. Retrieved 2007-06-06.
  6. ^ "CX miniature crystals" (PDF). Euroquartz. Archived from the original (PDF) on 2007-04-15. Retrieved 2007-06-06.
  7. ^ 폭스 전자 기술 정보
  8. ^ "Pierce-gate oscillator crystal load calculation" (PDF). Crystek Crystals Corp. Retrieved 2008-08-26.

추가 읽기

  • Matthys, Robert J. (1992). Crystal Oscillator Circuits (revised ed.). Malabar, Florida: Krieger Publishing. ISBN 0-89464-552-8.

외부 링크

  • Crystal Theory (PDF), Technical Notes, Somerset UK: EuroQuartz, n.d., archived from the original (PDF) on 2016-06-24, retrieved 8 February 2015