Pierce-Gate-Quarzoszillator

Einführung in die Konzeption der Oszillatorschaltung

27.01.2009 | Autor / Redakteur: Gerd Reinhold und Ramon C. Cerda* / Andreas Mühlbauer

Der Pierce-Gate-Oszillator ist ein weit verbreitetes Schaltungsprinzip, das in der Anwendung einige Vorteile bietet. Bei der Schaltungsentwicklung sind jedoch einige Aspekte zu beachten, die Entwickler oft vernachlässigen. Dieser Artikel gibt praktische Hinweise und zeigt an einem konkreten Beispiel, wie der Oszillator zu berechnen ist.

Der heute bei weitem am häufigsten eingesetzte Gate-Oszillator ist der Pierce-Gate-Oszillator, wie er in Bild 1 zu sehen ist. Er verdankt seine Bekanntheit dem Umstand, dass der Digitalwandler U1 normalerweise in dem vom Entwickler gewählten Mikroprozessor oder ASIC enthalten ist.

Bild 1: Schaltung des Pierce-Gate-Oszillators, dem bei weitem am häufigsten eingesetzten Gate-Oszillator
Bild 1: Schaltung des Pierce-Gate-Oszillators, dem bei weitem am häufigsten eingesetzten Gate-Oszillator

Die meisten Entwickler sind mit der Topologie des Pierce-Gate vertraut, aber oft fehlt es am Verständnis, wie er funktioniert und wie er richtig ausgelegt werden muss. Der Oszillator findet oft erst Beachtung, wenn eine Funktionsstörung eintritt, was normalerweise erst nach der Freigabe zur Produktion auffällt.

Der Einsatz zahlreicher Systeme oder Projekte wurde schon wegen eines 25-Cent-Quarzes, der nicht wie vorgesehen funktionierte, verzögert. Der Oszillator sollte in der Entwicklungsphase – lange vor der Produktion – die ihm zukommende Aufmerksamkeit erhalten.

Wir werden die Funktion des Pierce-Gate-Oszillators durch Aufschlüsselung in seine Bauelemente untersuchen. Eine wesentlich tiefgründigere Analyse würde den Rahmen dieser Abhandlung überschreiten. Die einfache Analyse wird jedoch genügen, um die Hauptaspekte der Funktion des Pierce-Gate-Oszillators zu vermitteln. Außerdem werden wir ein einfaches Design darlegen, um zu vermitteln, was sich von den Anfangswerten des Pierce-Gate ableiten lässt.

Der Pierce-Oszillator in Grundzügen

Mit Hilfe der Barkhausen-Kriterien lässt sich die Funktion der Pierce-Gate-Topologie erklären:

  • Das Ergebnis der Verstärkungen in der Schleife muss gleich oder größer 1 der gewünschten Oszillationsfrequenz sein.
  • Die Phasenverschiebung um die Schleife muss gleich 0 oder ein ganzzahliges Vielfaches von 2π (360°) sein.

Bild 2: Phasenverschiebungsanalyse für das Pierce-Gate – Wenn U1 eine Phasenverschiebung um –180° ergibt, sind zusätzliche –180° seitens der übrigen externen Komponenten erforderlich, um das Barkhausen-Kriterium zu erfüllen.
Bild 2: Phasenverschiebungsanalyse für das Pierce-Gate – Wenn U1 eine Phasenverschiebung um –180° ergibt, sind zusätzliche –180° seitens der übrigen externen Komponenten erforderlich, um das Barkhausen-Kriterium zu erfüllen.

Bild 2 zeigt die Phasenverschiebungsanalyse für das Pierce-Gate. Wenn U1 eine Phasenverschiebung um –180° ergibt, sind zusätzliche –180° seitens der übrigen externen Komponenten erforderlich, um das Barkhausen-Kriterium zu erfüllen.

Die Phasenverschiebung stellt sich automatisch selbst auf genau 360° in der Schleife ein, um die Oszillation aufrecht zu erhalten. Ergibt U1 beispielsweise eine Phasenverschiebung um –185°, liefern die übrigen Komponenten in einem einwandfrei funktionierenden Design automatisch eine Phasenverschiebung um –175°.

Die Verstärkung um die Schleife ist abhängig von der Transkonduktanz gm des Inverters und des Blindwiderstandes von C1 und C2 (XC1, XC2) sowie RS. Ohne RS in der Schleife beträgt die Verstärkung als negativer Widerstand:

R- = –gm·XC1·XC2 (Gleichung 1)

Da XC = 1/jωC, nimmt der negative Widerstand (Verstärkung) in dem Maß zu, je kleiner die Kapazitäten C1 und C2 werden. Daher müssen C1 und C2 reduziert werden, um die Verstärkung der Schleife zu erhöhen. Man kann leicht erkennen, dass RS die Verstärkung in der Schleife verringert, wenn sein Wert erhöht wird. Ein Ausgangswert für RS sollte gleich dem Blindwiderstand von XC2 sein.

Inhalt des Artikels:

Kommentar zu diesem Artikel abgeben

Schreiben Sie uns hier Ihre Meinung ...
(nicht registrierter User)

Zur Wahrung unserer Interessen speichern wir zusätzlich zu den o.g. Informationen die IP-Adresse. Dies dient ausschließlich dem Zweck, dass Sie als Urheber des Kommentars identifiziert werden können. Rechtliche Grundlage ist die Wahrung berechtigter Interessen gem. Art 6 Abs 1 lit. f) DSGVO.
Kommentar abschicken
copyright

Dieser Beitrag ist urheberrechtlich geschützt. Sie wollen ihn für Ihre Zwecke verwenden? Infos finden Sie unter www.mycontentfactory.de (ID: 281492 / Hardwareentwicklung)