Pierce-Schaltung

2023-09-18T09:20:50Z

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Die '''Pierce-Schaltung''', auch Pierce-Oszillator genannt, ist eine [[Oszillatorschaltung]] die nach ihrem Erfinder [[George W. Pierce]] benannt ist. Es ist eine abgewandelte Form der [[Colpitts-Schaltung]], die mit einem Minimalaufwand an diskreten Bauelementen und deshalb sehr kostengünstig aufgebaut werden kann. Deshalb ist sie in der [[Digitaltechnik]] eine oft verwendete Form des [[Quarzoszillator]]s. Sie kann mit einem [[Schwingquarz]], oder alternativ dazu, auch mit einem kostengünstigen [[Keramikresonator]] aufgebaut werden.

== Funktion ==
[[Bild:Pierce Quarz Oszillator.svg|mini|Allgemeine Pierce-Schaltung]]

Wie in allen Quarzoszillatorschaltungen wird der Schwingquarz, dargestellt in nebenstehender Schaltskizze der Pierce-Schaltung mit der Bezeichnung ''X'', knapp oberhalb seiner Serienresonanzfrequenz betrieben. Der Betrieb des Schwingquarzes in der Schaltung erfolgt an der sogenannten Lastresonanzfrequenz, welche durch die Resonatorschaltung mit bestimmt wird. Der [[Widerstand (Bauelement)|Widerstand]] R1 stellt den linearen Betrieb des ersten [[Nicht-Gatter|Inverter]]s U1 (z. B. den Baustein 74HC04) sicher und kann in manchen Anwendungen auch weggelassen werden, da der ohmsche Anteil des Schwingquarzes bereits ausreicht. R2 begrenzt den Spitzenstrom und kann, wenn der Ausgangswiderstand des Inverters hoch genug ist, auch durch eine direkte Verbindung (0 Ohm) ersetzt werden. Im [[Rückkopplung#Elektrische Schaltungstechnik|Rückkopplungszweig]] befindet sich der Schwingquarz ''X''. Die beiden [[Kondensator (Elektrotechnik)|Ziehkondensatoren]] C1, C2 dienen zur Phasenverschiebung, um die [[Phasenschieber#Phasenbedingung|Phasenbedingung]] von 180° sicher erfüllen zu können. Sie stellen mit dem Schwingquarz ein [[Pi-Filter#Pi-Filter|π-Filter]] dar. Aufgrund der kleinen Kapazitätswerte reichen auch hier in manchen Aufbauten bereits parasitäre Kapazitäten im Bereich der [[Leiterplatte]] aus. Der Schwingquarz arbeitet dabei als eine [[Induktivität]] mit sehr großer [[Kreisgüte]].

Der [[Schmitt-Trigger]] U2 dient als Verstärkerstufe und liefert an seinem Ausgang einen für [[Digitaltechnik|Digitalschaltungen]] nötigen [[Rechteckfunktion|rechteckförmigen]] Spannungsverlauf, in der Skizze in der Farbe Blau angedeutet.

=== Ziehkondensator ===
Da der Quarz als Bauteil mit induktivem Charakter arbeitet, muss auf der Schwingfrequenz die restliche Beschaltung kapazitiven Charakter aufweisen. Deshalb kann ein sogenannter Ziehkondensator mit einer Größe von wenigen [[Pikofarad]] seriell oder parallel zum Schwingquarz die Resonanzfrequenz der Gesamtschaltung wieder auf den Nominalwert ziehen.

=== Lastkapazität ===
Die Kapazität, welche der Schwingquarz an seinen Anschlüssen von der restlichen Schaltung „sieht“, wird als Lastkapazität CL bezeichnet. Sie wird vom Hersteller des Schwingquarzes im jeweiligen [[Datenblatt]] aufgeführt. Bei handelsüblichen Quarzen liegt sie im Bereich um 20 pF und wird bei [[Parallelresonanz]] durch die [[Reihenschaltung#Kondensatoren|Reihenschaltung]] der Kondensatoren bestimmt. Neben den diskreten Bauelementen C1 und C2, deren Werte beim Entwurf einer Schaltung leicht wählbar sind, treten dabei noch andere Kapazitäten in Erscheinung, die man eher als gegeben hinnehmen muss: die Eingangs- bzw. Ausgangskapazitäten Ci und Co der Inverterstufe (Schmitt-Trigger) sowie die Streukapazität CS, welche primär durch den Aufbau der [[Leiterplatte]] und durch das Gehäuse des Schwingquarzes bestimmt wird. Die Streukapazität liegt bei typischen Aufbauten im Bereich von 3 pF bis 9 pF.<ref name="bracon"/><ref name="euroquartz"/><ref name ="crystek"/>

Die Lastkapazität CL ist gegeben als:

: <math>C_\mathrm{L} = {(C_1 + C_i) \cdot (C_2 + C_o) \over (C_1 + C_i + C_2 + C_o)} + C_\mathrm{S} </math>

Eine Vergrößerung der Lastkapazität reduziert geringfügig die Frequenz des Oszillators.

== Literatur ==
* {{Literatur
|Autor = Bernd Neubig, Wolfgang Briese
|Titel = Das große Quarzkochbuch
|Verlag = Franzis | Jahr = 1997 | ISBN = 3-7723-5853-5 | Kapitel = Kapitel 6: Oszillatorschaltungen mit Schwingquarzen }}

== Weblinks ==
* [http://www.crystekcrystals.com/crystal/appnotes/PierceGateLoadCap.pdf Pierce-gate oscillator crystal load calculation] (PDF; 27 kB), Applikationsschrift aus der Fachzeitschrift ''RF Design'', Juli 2004 (engl.)
* [https://web.archive.org/web/20120405115427/http://www.fairchildsemi.com/an/AN/AN-340.pdf HCMOS Crystal Oscillators] (PDF; 46 kB), Fairchild Semiconductor, Application Note 340 (engl.)

== Einzelnachweise ==
<references>
<ref name="bracon">{{cite web |url=http://www.abracon.com/Support/qtzcry_glossary.pdf
|title=Quartz crystal glossary of terms
|accessdate=2007-06-06
|format=[[PDF]]; 914 kB
|publisher=Abracon Corporation}}</ref>
<ref name="euroquartz">{{cite web
|url=http://www.euroquartz.co.uk/pdf/cx-6v-sm-800k.pdf
|title=CX miniature crystals
|accessdate=2007-06-06
|format=[[PDF]]
|publisher=Euroquartz
|archiveurl=https://web.archive.org/web/20080725071452/http://www.euroquartz.co.uk/pdf/cx-6v-sm-800k.pdf
|archivedate=2008-07-25
|offline=
|archivebot=2022-12-28 02:28:58 InternetArchiveBot
}}</ref>
<ref name ="crystek">{{cite web
|url=http://www.crystekcrystals.com/crystal/appnotes/PierceGateLoadCap.pdf
|title=Pierce-gate oscillator crystal load calculation
|accessdate=2008-08-26
|format=[[PDF]]; 27 kB
|publisher=Crystek Crystals Corp.
}}</ref>
</references>

[[Kategorie:Elektrischer Oszillator]]

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Pierce-Schaltung