نمایش مبدأ برای نوسان‌ساز پیرس

[[پرونده:Pierce_oscillator.svg|بندانگشتی| نوسان‌ساز ساده پیرس]]
'''نوسان ساز پیِرس''' {{به انگلیسی|Pierce oscillator}} نوعی [[نوسان‌ساز|نوسان ساز الکترونیکی]] است که برای استفاده در مدارهای [[نوسان‌ساز کریستالی|نوسان ساز کریستالی]] پیزوالکتریک بسیار مناسب است. نام‌گذاری شده به نام مخترع آن، [[جی. دبلیو پیرس|جورج دبلیو پیرس]] (۱۸۷۲–۱۹۵۶)،<ref>{{Citation|first=George W.|last=Pierce|date=October 1923|title=Piezoelectric crystal resonators and crystal oscillators applied to the precision calibration of wavemeters|journal=Proceedings of the American Academy of Arts and Sciences|volume=59|number=4|pages=81–106|doi=10.2307/20026061|jstor=20026061}}</ref><ref>{{cite patent|inventor1-first=George W.|inventor1-last=Pierce|title=Electrical System|country=US|number=2133642|fdate=1924-02-25|pubdate=1938-10-18}}</ref> نوسان‌گر پیرس مشتقی از [[نوسان‌ساز کولپیتس|نوسان‌گر کولپیتس]] است. تقریباً تمام نوسانگرهای پالس‌ساعت [[الکترونیک دیجیتال|آی‌سی دیجیتال]] از نوع پیرس هستند، زیرا مدار را می‌توان با استفاده از حداقل [[قطعه الکترونیکی|اجزاء]] پیاده‌سازی کرد: یک [[دروازه وارونگر|وارونگر دیجیتال]] تک، یک [[مقاومت (قطعه الکتریکی)|مقاومت]]، دو [[خازن]] و [[کوارتز|کریستال کوارتز]] که به عنوان یک عنصر فیلتر با [[انتخاب‌پذیری (رادیو)|انتخاب‌پذیری]] بسیارزیاد عمل می‌کند. هزینه ساخت پایین این مدار و [[نظریه پایداری|پایداری]] فرکانس کریستال‌های [[کوارتز]] آن را برای بسیاری از کاربردهای [[لوازم الکترونیکی مصرفی|الکترونیکی مصرفی]] مفید می‌کند.

== عملیات ==
اگر مدار از اجزای کامل بی‌اتلاف تشکیل‌شده باشد، سیگنال C1 و C2 متناسب با امپدانس هر یک خواهد بود و نسبت ولتاژ سیگنال در C1 و C2 مقدار C2/C1 خواهد بود. با اندازه C1 و C2 برابر (پیکربندی رایج)، جریان در C1 تا C2 دقیقاً برابر است، اما ناهم‌فاز، نیازی به جریانی از تقویت‌کننده یا [[بهره (الکترونیک)|بهره]] ولتاژ از تقویت‌کننده و فراهم‌سازی تقویت‌کننده با امپدانس خروجی بالا، یا استفاده از مقاومت سری ایزوله در خروجی تقویت‌کننده را ندارد. کریستال‌های معمولی به اندازه کافی بی‌اتلاف هستند تا این تقریب، منطقی باشد: تقویت‌کننده مدار رزونانس را به حرکت درنمی‌آورد، بلکه صرفاً با آن هماهنگ می‌ماند و توان کافی برای تطبیق با تلفات را فراهم می‌کند.

گاهی یک مقاومت سری در خروجی تقویت‌کننده نشان داده می‌شود. هنگامی که از یک مقاومت سری استفاده می‌شود، [[بهره حلقه]] را کاهش می‌دهد، و بهره تقویت‌کننده باید افزایش یابد تا بهره حلقه کل به مقدار واحد بازگردد. هدف از استفاده از چنین مقاومتی در مدار تقویت‌کننده افزایش جابجایی فاز در هنگام راه‌اندازی یا زمانی که مدار کریستالی با بارگذاری از فاز خارج می‌شود و از بین بردن اثرات [[رفتار غیرخطی|غیرخطی بودن]] تقویت‌کننده و فراتون‌های {{به انگلیسی|overtone}} کریستال یا مُدهای کاذب است. این بخشی از ساخت اصلی پیکربندی پیرس نیست.

=== مقاومت بایاس‌سازی ===
''R<sub>1</sub>'' به عنوان یک [[مقاومت (قطعه الکتریکی)|مقاومت]] [[بازخورد]] عمل می‌کند، وارونگر را در ناحیه [[خطسانی|خطی]] کاری خود [[بایاس کردن|بایاس می‌کند]] و به‌طور مؤثر باعث می‌شود که به عنوان یک [[تقویت‌کننده الکترونیکی|تقویت‌کننده]] معکوس‌کننده با بهره بالا عمل کند. برای درک بهتر این موضوع، فرض کنید وارونگر ایده‌آل است، با [[امپدانس ورودی]] بی‌نهایت و [[امپدانس خروجی]] صفر. مقاومت ولتاژهای ورودی و خروجی را مجبور می‌کند تا برابر باشند؛ بنابراین وارونگر نه به‌طور کامل روشن است و نه کاملاً خاموش، بلکه در ناحیه گذار، جایی که بهره دارد، کار خواهد کرد.

=== تشدیدگر ===
کاربردهای بسیار کم هزینه گاهی از [[تشدیدگر سرامیکی]] کریستال پیزوالکتریک [[تیتانات زیرکونات سرب|PZT]] به جای تشدیدگر [[کوارتز|کریستال کوارتز]] پیزوالکتریک استفاده می‌کنند.

کریستال در ترکیب با ''C''<sub>1</sub> و ''C''<sub>2</sub> یک [[فیلتر میان‌گذر]] [[تیونر آنتن|شبکه پی]] را تشکیل می‌دهد که یک [[فاز (موج)|تغییر فاز]] ۱۸۰ درجه و یک بهره ولتاژ از خروجی به ورودی تقریباً در [[فرکانس تشدید]] کریستال ایجاد می‌کند. برای درک عملکرد، توجه داشته باشید که در فرکانس نوسان، کریستال [[القاگر|سلفی]] به نظر می‌رسد؛ بنابراین، کریستال را می‌توان یک سلف بزرگ با ''Q'' بالا در نظر گرفت. ترکیب جابجایی فاز ۱۸۰ درجه (یعنی بهره وارونساز) از شبکه پی، و بهره منفی از وارونگر، منجر به یک بهره حلقه مثبت ([[بازخورد مثبت]]) می‌شود که نقطه بایاس تنظیم شده توسط ''R<sub>1</sub>'' را ناپایدار می‌کند و منجر به نوسان می‌شود.

اخیراً، تشدیدگرهای مِمز ([[سامانه میکرو الکترومکانیکی|سامانه ریزالکترومکانیکی]]) که توسط ریزماشینکاری سطحی ساخته شده‌اند، نوسان‌سازهای پیرس با توان بسیار کم را فعال کرده‌اند. ضریب شکل کوچک تشدیدگرهای ممز مصرف انرژی نوسانگر را تا حد زیادی کاهش می‌دهد در حالی که به لطف Q بسیار بالای آنها پایداری خوبی را حفظ می‌کند.

=== مقاومت ایزولاسیون ===
علاوه بر مقاومت بایاس ''R''<sub>1</sub>، روان لورنز قویاً یک مقاومت سری ''R'' را بین خروجی وارونگر و کریستال توصیه می‌کند. مقاومت سری ''R''<sub>s</sub> شانس نوسان فراتون را کاهش می‌دهد و می‌تواند زمان راه اندازی را بهبود بخشد.<ref>{{Citation|first=Ruan|last=Lourens|publisher=Microchip|id=AN943|title=Practical PICmicro Oscillator Analysis and Design|page=Figure 13: The position of Rs|url=http://ww1.microchip.com/downloads/en/AppNotes/00943A.pdf}}</ref> این مقاومت دوم ''Rs'' وارونگر را از شبکه کریستالی جدا می‌کند. این همچنین تغییر فاز اضافی را به ''C''<sub>1</sub> اضافه می‌کند.<ref name="Fairchild_AN340">{{Citation|url=http://www.fairchildsemi.com/an/AN/AN-340.pdf|publisher=Fairchild Semiconductor Corporation|title=HCMOS Crystal Oscillators|id=Fairchild Semiconductor Application Note 340|date=May 1983|pages=1–2|access-date=2007-05-30|archiveurl=https://web.archive.org/web/20130502174545/http://www.fairchildsemi.com/an/AN/AN-340.pdf|archivedate=2013-05-02}}</ref> نوسان سازهای پیرسِ بالای ۴ مگاهرتز، باید از یک خازن کوچک به جای مقاومت برای ''R<sub>s</sub>'' استفاده کند.<ref name="Fairchild_AN340"/> این مقاومت بایاس معمولاً توسط یک [[ماسفت]] بایاس‌شده در ناحیه خطی خود برای به حداقل رساندن [[امپدانس پارازیتی|اجزای مزاحم]] می‌شود.

== ظرفیت‌خازنی بار ==
ظرفیت کل که از کریستال که به بقیه مدار نگاه می‌کند مشاهده می‌شود «ظرفیت‌خازنی بار» نامیده می‌شود. هنگامی که یک سازنده یک کریستال «موازی» می‌سازد، یک کارشناس‌فنی از یک نوسان‌ساز پیرس با ظرفیت‌خازنی بار ثابت خاص (اغلب ۱۸ یا ۲۰ پیکوفاراد) استفاده می‌کند. در حالی که کریستال را تنظیم می‌کند تا دقیقاً با فرکانس نوشته شده روی بسته آن نوسان کند.

برای اطمینان از عملکرد در فرکانس صحیح، باید اطمینان حاصل کرد که ظرفیت‌خازنی‌های موجود در مدار با مقدار مشخص شده در [[دیتاشیت|برگه داده]] کریستال مطابقت دارند. ظرفیت‌خازنی بار ''C''<sub>L</sub> را می‌توان از [[مدارهای سری و موازی|ترکیب سری]] ''C''<sub>1</sub> و ''C''<sub>2</sub> با در نظر گرفتن ''C''<sub>i</sub> و ''C''<sub>o</sub>، ظرفیت‌خازنی ورودی و خروجی وارونگر و ''Cs''، ظرفیت‌خازنی‌های سرگردان از نوسان‌ساز، جانمایی PCB و محفظه کریستال (معمولاً ۳–۹ پیکوفاراد) محاسبه کرد:<ref>{{Cite web|url=http://www.abracon.com/Support/qtzcry_glossary.pdf|title=Quartz crystal glossary of terms|accessdate=2007-06-06|publisher=Abracon Corporation}}</ref><ref>{{Cite web|url=http://www.euroquartz.co.uk/pdf/cx-6v-sm-800k.pdf#page=2|title=CX miniature crystals|accessdate=2007-06-06|publisher=Euroquartz|archiveurl=https://web.archive.org/web/20070415041950/http://www.euroquartz.co.uk/pdf/cx-6v-sm-800k.pdf#page=2|archivedate=2007-04-15}}</ref><ref>[http://www.foxonline.com/tech3031.htm Fox Electronics Technical Information]</ref><ref>{{Cite web|url=http://www.crystekcrystals.com/crystal/appnotes/PierceGateLoadCap.pdf|title=Pierce-gate oscillator crystal load calculation|accessdate=2008-08-26|publisher=Crystek Crystals Corp.}}</ref>

: <math>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}.</math>

هنگامی که یک سازنده یک کریستال «سری» می‌سازد، یک کارشناس‌فنی از روش تیون‌سازی متفاوتی استفاده می‌کند. هنگامی که یک کریستال «سری» در یک نوسان‌ساز پیرس استفاده می‌شود، نوسانگر پیرس (مثل همیشه) کریستال را تقریباً در فرکانس تشدید موازی خود راه‌اندازی می‌کند. اما این فرکانس چند کیلوهرتز بیشتر از فرکانس تشدید سری چاپ شده روی بسته‌بندی یک کریستال «سری» است. افزایش «ظرفیت‌خازنی بار» اندکی فرکانس تولید شده توسط نوسان‌ساز پیرس را کاهش می‌دهد، اما هرگز به اندازه ای نیست که آن را تا فرکانس تشدید سری کاهش دهد.

== منابع ==
{{چپ‌چین}}
{{پانویس|30em}}
{{پایان چپ‌چین}}

== در ادامه مطلب ==
{{چپ‌چین}}
* {{cite book|last=Matthys|first=Robert J.|title=Crystal Oscillator Circuits|edition=revised|date=1992|location=Malabar, Florida|publisher=Krieger Publishing|isbn=0-89464-552-8}}
{{پایان چپ‌چین}}

== پیوند به بیرون ==
{{چپ‌چین}}
* {{Citation|title=Crystal Theory|date=n.d.|url=http://www.euroquartz.co.uk/Portals/0/pdf/tech-notes.pdf|place=Somerset UK|publisher=EuroQuartz|series=Technical Notes|archiveurl=https://web.archive.org/web/20160624000418/http://www.euroquartz.co.uk/Portals/0/pdf/tech-notes.pdf|access-date=8 February 2015|archivedate=2016-06-24}}

{{پایان چپ‌چین}}
[[رده:نوسان‌سازهای الکترونیکی]]