ピアス発振器

ピアス発振器は電子発振器の一種で、圧電水晶発振回路での使用に特に適しています。発明者のジョージ・W・ピアス（1872年 - 1956年）にちなんで名付けられたピアス発振器は、^{[1] [2]}コルピッツ発振器の派生です。事実上すべてのデジタルICクロック発振器はピアス型で、回路は1つのデジタルインバータ、1つの抵抗、2つのコンデンサ、および高度に選択的なフィルタ要素として機能する水晶振動子という最小限の部品を使用して実装できます。この回路は製造コストが低く、水晶振動子の周波数安定性が高いため、多くの民生用電子機器の用途で有利です。

回路が完全な無損失部品で構成されている場合、C1 と C2 の信号はそれぞれのインピーダンスに比例し、C1 と C2 の信号電圧の比率は C2/C1 になります。C1 と C2 のサイズが同じ場合 (一般的な構成)、C1 から C2 への電流は完全に等しくなりますが、位相がずれているため、アンプからの電流やアンプからの電圧ゲインは必要なく、高出力インピーダンスのアンプ、またはアンプ出力での絶縁直列抵抗の使用が可能になります。通常の水晶は、これを妥当な近似にできるほど無損失です。アンプは共振回路を駆動せず、単に共振回路と同期を保ち、損失に見合うだけの電力を供給します。

アンプの出力に直列抵抗が現れることがあります。直列抵抗を使用するとループ ゲインが減少するため、ループ ゲイン全体を 1 に戻すにはアンプ ゲインを増やす必要があります。アンプ回路でこのような抵抗を使用する目的は、起動時または負荷によって水晶回路の位相がずれた場合に位相シフトを増やし、アンプの非線形性や水晶の倍音またはスプリアス モードの影響を排除することです。これは、ピアス トポロジの基本動作の一部ではありません。

R _{1 は}フィードバック 抵抗器として機能し、インバータを線形動作領域でバイアスし、実質的に高ゲイン反転増幅器として機能するようにします。これをよりよく理解するために、インバータが理想的で、入力インピーダンスが無限大で出力インピーダンスがゼロであると仮定します。抵抗器は入力電圧と出力電圧を等しくします。したがって、インバータは完全にオンにも完全にオフにもならず、ゲインがある遷移領域で動作します。

非常に低コストのアプリケーションでは、圧電水晶共振器ではなく、圧電PZT水晶セラミック共振器が使用されることがあります。

水晶はC ₁およびC _{2と組み合わされて}π ネットワーク バンドパス フィルタを形成し、水晶の共振周波数付近で出力から入力への 180°位相シフトと電圧ゲインを提供します。動作を理解するには、発振周波数で水晶が誘導性になることに注意してください。したがって、水晶は大型の高 Qインダクタと見なすことができます。π ネットワークからの 180° 位相シフト (つまり、反転ゲイン) とインバータからの負のゲインの組み合わせにより、正のループ ゲイン (正のフィードバック) が生成され、 R ₁によって設定されたバイアス ポイントが不安定になり、発振につながります。

最近、表面マイクロマシニングによって製造された MEMS (Micro-Electro-Mechanical-System) 共振器により、超低電力で安定したピアス発振器が実現しました。MEMS 共振器の小型フォームファクタにより、発振器の消費電力が大幅に削減され、非常に高い Q 値により優れた安定性が維持されます。

バイアス抵抗器R ₁に加えて、 Ruan Lourens はインバータの出力と水晶の間に直列抵抗器R _{s を強く推奨しています。直列抵抗器}R _{s は、}倍音発振の可能性を減らし、起動時間を改善できます。^[3]この 2 番目の抵抗器R _{s は、}インバータを水晶ネットワークから分離します。これにより、C ₁に追加の位相シフトが追加されます。^{[4] 4 MHz を超えるピアス発振器では、} R _sに抵抗器ではなく小さなコンデンサを使用する必要があります。^[4] このバイアス抵抗器は、寄生を最小限に抑えるために、線形領域でバイアスされた MOSFET によって実装されるのが一般的です。

水晶から回路の残りの部分を見たときの合計容量は、「負荷容量」と呼ばれます。メーカーが「並列」水晶を製造する場合、技術者は特定の固定負荷容量 (多くの場合 18 または 20 pF) を持つピアス発振器を使用し、水晶をパッケージに記載されている周波数で正確に発振するように調整します。

正しい周波数で動作することを保証するには、回路内の静電容量が水晶のデータシートに指定されている値と一致していることを確認する必要があります。負荷容量C _Lは、インバータの入力容量と出力容量であるC _iとC _{o 、および発振器、PCBレイアウト、水晶}ケースからの浮遊容量であるC _s (通常 3～9 pF)を考慮して、C ₁とC _{2 の}直列接続から計算できます。^{[5] [6] [7] [8]}

${\displaystyle C_{\text{L}}={\frac {(C_{1}+C_{\text{i}})(C_{2}+C_{\text{o}})}{C_{1}+C_{\text{i}}+C_{2}+C_{\text{o}}}}+C_{\text{s}}.}$

メーカーが「直列」水晶を製造する場合、技術者は異なる調整手順を使用します。「直列」水晶をピアス発振器で使用する場合、ピアス発振器は (いつものように) ほぼ並列共振周波数で水晶を駆動します。ただし、その周波数は「直列」水晶のパッケージに印刷されている直列共振周波数よりも数キロヘルツ高くなります。「負荷容量」を増やすと、ピアス発振器によって生成される周波数はわずかに低下しますが、直列共振周波数まで完全に低下させるほどではありません。

• マティス、ロバート J. (1992)。水晶発振器回路(改訂版)。マラバー、フロリダ: クリーガー パブリッシング。ISBN 0-89464-552-8。

• 結晶理論(PDF)、テクニカルノート、サマセット、英国：EuroQuartz、nd、オリジナル(PDF)から2016-06-24 にアーカイブ、 2015 年2 月 8 日に取得