Сверхэкономичный кварцевый генератор запускается при напряжении 2.4 В

Hubert Hagadorn

Изображенный на Рисунке 1 кварцевый генератор Пирса был разработан для работы от двух 1.5-вольтовых батареек, но на практике, запускался даже при напряжении питания 2.4 В. Предварительные эксперименты показали, что генератор Пирса, собранный на стандартных инверторах серии CD4000, запускаться при таком низком напряжении не может, хотя, после старта, работает и при меньших напряжениях.

Crystal Oscillator Features Low Current, Low Startup Voltage
Рисунок 1. Этот генератор Пирса, способный запускаться при напряжении питания 2.4 В, потребляет исключительно малый ток.

Генератор с низким напряжением запуска первоначально разрабатывался для устройства, которое должно было работать от батарей не менее года и, даже, был запатентован. Правда, к настоящему времени, сок действия патента уже истек.

На выходе генератора в точке соединения коллекторов транзисторов сигнал имеет полный размах от нуля до шины питания, чем обеспечивается совместимость с входами КМОП логики. Поскольку основной целью разработки генератора было достижение минимального тока потребления, выбирались транзисторы, имеющие максимальный коэффициент передачи тока при минимальном напряжении. Использован стандартный часовой кварцевый резонатор 32.768 кГц со стабильностью ±20 ppm.

Резисторами R1 и R2 устанавливается базовое смещение транзисторов Q1 и Q2 относительно средней точки питания. Выход генератора (точка соединения коллекторов) подключен к резистору R3, совместно с которым C1, X1, и C2 образуют фазосдвигающую цепочку. Выход цепочки соединен с базами транзисторов Q1 и Q2, замыкая контур обратной связи.

C2 в данной схеме не нужен, но установлен на случай, если он потребуется в других обстоятельствах. Петля обратной связи на частоте генерации сдвигает фазу сигнала на 360°. Выход генератора подключен к буферу U1, на выходе которого формируются импульсы прямоугольной формы. В качестве буфера можно использовать микросхемы серии CD4000, например инверторы, или включенные инверторами схемы «И-НЕ» и «ИЛИ-НЕ».

Потребляемый ненагруженным генератором ток, измеренный при напряжении питания 3 В, был равен 1.4 мкА. (Выход генератора не был подключен к U1). Нагруженный генератор потреблял 1.8 мкА, а вся схема полностью – 3 мкА.

Crystal Oscillator Features Low Current, Low Startup Voltage
Рисунок 2. Осциллограмма сигналов 32.768 кГц (10 мкс/см): выход генератора (1 В/см) – сверху и выход буфера (2 В/см) – снизу.

На Рисунке 2 показаны осциллограммы сигналов на выходах генератора и буфера U1. Заметим, что прямое подключение выхода генератора к высокоскоростным КМОП схемам приведет к значительному увеличению потребляемого тока вследствие того, что скорость нарастания напряжения на выходе генератора относительно мала, а сквозные токи быстродействующих КМОП схем велики, по сравнению с токами стандартных схем. Именно поэтому, рекомендуется использование микросхем серии CD4000.

Рисунок 3 иллюстрирует альтернативный способ подачи смещения на транзисторы, позволяющий схеме работать при еще более низком напряжении. Так, если в схеме на Рисунке 1 напряжение питания должно превышать сумму двух напряжений база-эмиттер, то в конфигурации, показанной на Рисунке 3, уверенный запуск генератора на частоте 32.768 кГц происходит уже при напряжении питания 2 В. Интересно, что колебания наблюдались даже при напряжении питания 0.65 В, а ток потребления при этом был менее 1 мкА.

Crystal Oscillator Features Low Current, Low Startup Voltage
Рисунок 3. Альтернативный вариант подачи смещения на транзисторы позволяет запускать генератор при напряжении меньше 2 В.

Несколько простых экспериментов показали, что генератор может быть полезен и при гораздо более высоких частотах. Кварцевый резонатор без проблем работал на третьей гармонике на частоте 30 МГц. При этом Q1, Q2, и C3 оставались прежними, R1 и R2 уменьшены до 330 кОм, а R3 закорочен. Оптимальные значения емкостей C1 и C2 точно не определялись, так как в процессе подбора номиналов, обеспечивающих минимальный ток потребления, постоянные конденсаторы были заменены подстроечными. При напряжении питания 3 В ненагруженный генератор потреблял ток 400 мкА.

Перевод: AlexAAN по заказу РадиоЛоцман

На английском языке: Crystal Oscillator Features Low Current, Low Startup Voltage

JLCPCP: 2USD 2Layer 5PCBs, 5USD 4Layer 5PCBs

Для комментирования материалов с сайта и получения полного доступа к нашему форуму Вам необходимо зарегистрироваться.
Имя
Фрагменты обсуждения:Полный вариант обсуждения »
  • Собрал, не работает :( Как первая, так и вторая схема, печаль.
  • недавно запускал микроконтроллер с кварцем 32768, купил один в магазине и штуки четыре выпаял с материнок компов, из них один запускался через раз, другой только от прикосновения отвёрткой, остальные вообще не запускались, на мой взгляд беда с кварцами, то ли ёмкости нужно подбирать очень точно, то ли типы резонансов у них разные