Генератор Пирса — это тип электронного генератора, особенно хорошо подходящий для использования в схемах пьезоэлектрических кварцевых генераторов . Названный в честь своего изобретателя Джорджа У. Пирса (1872–1956), [1] [2] генератор Пирса является производным от генератора Колпитца . Практически все цифровые ИС тактовых генераторов относятся к типу Пирса, поскольку 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 бытовой электроники .
Если схема состоит из идеальных компонентов без потерь, сигнал на C1 и C2 будет пропорционален импедансу каждого, а отношение напряжений сигнала на C1 и C2 будет C2/C1. При одинаковом размере C1 и C2 (обычная конфигурация) ток в C1 и C2 будет точно равен, но не в фазе, не требуя тока от усилителя или усиления напряжения от усилителя и допуская усилитель с высоким выходным импедансом или использование изолирующего последовательного сопротивления на выходе усилителя. Обычные кристаллы достаточно без потерь, чтобы сделать это разумным приближением: усилитель не управляет резонансным контуром, а просто остается синхронизированным с ним, обеспечивая достаточную мощность для компенсации потерь.
Последовательный резистор иногда отображается на выходе усилителя. При использовании последовательный резистор уменьшает усиление контура, и усиление усилителя должно быть увеличено, чтобы восстановить общее усиление контура до единицы. Цель использования такого резистора в схеме усилителя — увеличить сдвиг фазы при запуске или когда схема кристалла выводится из фазы нагрузкой, а также устранить эффекты нелинейности усилителя и обертонов кристалла или паразитных мод. Это не является частью базовой операции топологии Пирса.
R 1 действует как резистор обратной связи , смещающий инвертор в его линейной области работы и эффективно заставляющий его функционировать как инвертирующий усилитель с высоким коэффициентом усиления. Чтобы лучше понять это, предположим, что инвертор идеален, с бесконечным входным импедансом и нулевым выходным импедансом . Резистор заставляет входное и выходное напряжения быть равными. Следовательно, инвертор не будет ни полностью включен, ни полностью выключен, но будет работать в переходной области, где у него есть коэффициент усиления.
В чрезвычайно недорогих приложениях иногда используют пьезоэлектрический резонатор на основе кристалла PZT, а не пьезоэлектрический кварцевый резонатор.
Кристалл в сочетании с C 1 и C 2 образует полосовой фильтр пи-цепи , который обеспечивает сдвиг фазы на 180° и усиление напряжения от выхода к входу приблизительно на резонансной частоте кристалла. Чтобы понять работу, обратите внимание, что на частоте колебаний кристалл кажется индуктивным. Таким образом, кристалл можно считать большим индуктором с высокой добротностью . Сочетание сдвига фазы на 180° (т. е. инвертирующего усиления) от пи-цепи и отрицательного усиления от инвертора приводит к положительному петлевому усилению ( положительная обратная связь ), что делает точку смещения, установленную R 1, нестабильной и приводит к колебаниям.
Недавно резонаторы MEMS (микроэлектромеханическая система), изготовленные методом поверхностной микрообработки, позволили создать сверхнизкоэнергетические стабильные генераторы. Минимальный форм-фактор резонаторов MEMS значительно снизил энергопотребление генератора, сохранив при этом хорошую стабильность благодаря их очень высокой добротности.
В дополнение к резистору смещения R 1 Руан Лоуренс настоятельно рекомендует использовать последовательный резистор R s между выходом инвертора и кристаллом. Последовательный резистор R s снижает вероятность обертональных колебаний и может улучшить время запуска. [3] Этот второй резистор R s изолирует инвертор от кристаллической сети. Это также добавит дополнительный фазовый сдвиг к C 1 . [4] Генераторы Пирса выше 4 МГц должны использовать небольшой конденсатор, а не резистор для R s . [4] Этот смещающий резистор обычно реализуется с помощью МОП-транзистора, смещенного в его линейной области, чтобы минимизировать паразитные эффекты.
Общая емкость, видимая с кристалла, смотрящего на остальную часть схемы, называется «емкостью нагрузки». Когда производитель изготавливает «параллельный» кристалл, техник использует генератор Пирса с определенной фиксированной емкостью нагрузки (часто 18 или 20 пФ), подстраивая кристалл так, чтобы он колебался именно на той частоте, которая указана на его корпусе.
Для обеспечения работы на правильной частоте необходимо убедиться, что емкости в схеме соответствуют этому значению, указанному в техническом описании кристалла . Емкость нагрузки C L можно рассчитать из последовательной комбинации C 1 и C 2 , принимая во внимание C i и C o , входную и выходную емкости инвертора, и C s , паразитные емкости от генератора, разводки печатной платы и корпуса кристалла (обычно 3–9 пФ): [5] [6] [7] [8]
Когда производитель изготавливает «последовательный» кристалл, техник использует другую процедуру настройки. Когда «последовательный» кристалл используется в генераторе Пирса, генератор Пирса (как всегда) возбуждает кристалл почти на его параллельной резонансной частоте. Но эта частота на несколько килогерц выше, чем последовательная резонансная частота, напечатанная на корпусе «последовательного» кристалла. Увеличение «емкости нагрузки» немного уменьшает частоту, генерируемую генератором Пирса, но никогда не достаточно, чтобы снизить ее до частоты последовательного резонанса.
