El oscilador Pierce es un tipo de oscilador electrónico especialmente adecuado para su uso en circuitos de osciladores de cristal piezoeléctricos . Bautizado con el nombre de su inventor, George W. Pierce (1872-1956), [1] [2] el oscilador Pierce es un derivado del oscilador Colpitts . Prácticamente todos los osciladores de reloj de circuito integrado digitales son de tipo Pierce, ya que el circuito se puede implementar utilizando un mínimo de componentes: un solo inversor digital , una resistencia , dos condensadores y el cristal de cuarzo , que actúa como un elemento de filtro altamente selectivo. El bajo coste de fabricación de este circuito y la estabilidad de frecuencia de los cristales de cuarzo lo hacen ventajoso para muchas aplicaciones de electrónica de consumo .
Si el circuito consta de componentes sin pérdidas perfectos, la señal en C1 y C2 será proporcional a la impedancia de cada uno, y la relación de los voltajes de señal en C1 y C2 será C2/C1. Con C1 y C2 de igual tamaño (una configuración común), la corriente en C1 a C2 sería exactamente igual, pero desfasada, lo que no requeriría corriente del amplificador ni ganancia de voltaje del amplificador, y permitiría un amplificador de alta impedancia de salida, o el uso de una resistencia en serie de aislamiento en la salida del amplificador. Los cristales normales son lo suficientemente sin pérdidas como para que esta sea una aproximación razonable: el amplificador no activa el circuito resonante, sino que simplemente se mantiene sincronizado con él, proporcionando suficiente energía para igualar las pérdidas.
Ocasionalmente, se muestra una resistencia en serie en la salida del amplificador. Cuando se utiliza, una resistencia en serie reduce la ganancia del bucle y la ganancia del amplificador debe aumentarse para restablecer la ganancia total del bucle a la unidad. El propósito de usar una resistencia de este tipo en el circuito del amplificador es aumentar el desfase en el arranque o cuando el circuito de cristal se desfasa por la carga, y eliminar los efectos de la no linealidad del amplificador y de los armónicos del cristal o los modos espurios. No es parte del funcionamiento básico de la topología de Pierce.
R 1 actúa como una resistencia de retroalimentación , polarizando el inversor en su región lineal de operación y haciendo que funcione como un amplificador inversor de alta ganancia . Para entender esto mejor, supongamos que el inversor es ideal, con impedancia de entrada infinita e impedancia de salida cero . La resistencia fuerza a que los voltajes de entrada y salida sean iguales. Por lo tanto, el inversor no estará completamente encendido ni completamente apagado, sino que funcionará en la región de transición, donde tiene ganancia.
Las aplicaciones de costo extremadamente bajo a veces utilizan un resonador cerámico de cristal PZT piezoeléctrico en lugar de un resonador de cristal de cuarzo piezoeléctrico .
El cristal en combinación con C 1 y C 2 forma un filtro de paso de banda de red pi , que proporciona un cambio de fase de 180° y una ganancia de voltaje de la salida a la entrada aproximadamente a la frecuencia de resonancia del cristal. Para entender el funcionamiento, observe que a la frecuencia de oscilación, el cristal parece inductivo. Por lo tanto, el cristal puede considerarse un inductor grande de alto Q. La combinación del cambio de fase de 180° (es decir, ganancia inversora) de la red pi y la ganancia negativa del inversor da como resultado una ganancia de bucle positiva ( retroalimentación positiva ), lo que hace que el punto de polarización establecido por R 1 sea inestable y lleve a la oscilación.
Recientemente, los resonadores MEMS (sistema microelectromecánico) fabricados mediante micromaquinado de superficies han permitido la creación de osciladores de perforación estables con consumo de energía ultrabajo. El diminuto factor de forma de los resonadores MEMS redujo en gran medida el consumo de energía del oscilador, manteniendo al mismo tiempo una buena estabilidad gracias a su Q muy alto.
Además de la resistencia de polarización R 1 , Ruan Lourens recomienda encarecidamente una resistencia en serie R s entre la salida del inversor y el cristal. La resistencia en serie R s reduce la posibilidad de oscilación de sobretono y puede mejorar el tiempo de arranque. [3] Esta segunda resistencia R s aísla el inversor de la red de cristal. Esto también agregaría un cambio de fase adicional a C 1 . [4] Los osciladores Pierce por encima de 4 MHz deben usar un capacitor pequeño en lugar de una resistencia para R s . [4] Esta resistencia de polarización se implementa comúnmente mediante un MOSFET polarizado en su región lineal para minimizar los parásitos.
La capacitancia total que se ve desde el cristal mirando hacia el resto del circuito se denomina "capacidad de carga". Cuando un fabricante fabrica un cristal "paralelo", un técnico utiliza un oscilador Pierce con una capacitancia de carga fija particular (a menudo 18 o 20 pF) mientras ajusta el cristal para que oscile exactamente a la frecuencia escrita en su encapsulado.
Para asegurar el funcionamiento a la frecuencia correcta, hay que asegurarse de que las capacitancias del circuito coincidan con este valor especificado en la hoja de datos del cristal . La capacitancia de carga CL se puede calcular a partir de la combinación en serie de C 1 y C 2 , teniendo en cuenta C i y C o , la capacitancia de entrada y salida del inversor, y C s , las capacitancias parásitas del oscilador, el diseño de la PCB y la caja del cristal (normalmente 3–9 pF): [5] [6] [7] [8]
Cuando un fabricante fabrica un cristal "en serie", el técnico utiliza un procedimiento de ajuste diferente. Cuando se utiliza un cristal "en serie" en un oscilador Pierce, el oscilador Pierce (como siempre) hace funcionar el cristal a una frecuencia de resonancia casi paralela, pero esa frecuencia es unos pocos kilohertz más alta que la frecuencia de resonancia en serie impresa en el envoltorio de un cristal "en serie". Aumentar la "capacidad de carga" disminuye ligeramente la frecuencia generada por un oscilador Pierce, pero nunca lo suficiente como para reducirla por completo hasta la frecuencia de resonancia en serie.
