पियर्स ऑसिलेटर

साधारण पियर्स दोलक

पियर्स दोलक एक प्रकार का इलेक्ट्रॉनिक दोलक है जो विशेष रूप से पीजोइलेक्ट्रिक क्रिस्टल दोलक परिपथ में उपयोग के लिए उपयुक्त है। इसके आविष्कारक, जॉर्ज डब्ल्यू पियर्स (1872-1956) के नाम पर, पियर्स दोलक कोल्पिट्स दोलक का व्युत्पन्न है। वस्तुतः सभी डिजिटल आईसी (IC) डिजिटल इलेक्ट्रॉनिक्स घड़ी दोलक पियर्स प्रकार के होते हैं, क्योंकि परिपथ को न्यूनतम घटकों का उपयोग करके कार्यान्वित किया जा सकता है- एकल डिजिटल इन्वर्टर, एक प्रतिरोधक, दो संधारित्र और क्वार्ट्ज क्रिस्टल, जो एक उच्च चयनात्मक फिल्टर तत्व के रूप में कार्य करता है। इस परिपथ की कम निर्माण लागत और क्वार्ट्ज क्रिस्टल की उत्कृष्ट आवृत्ति स्थिरता इसे कई उपभोक्ता इलेक्ट्रॉनिक्स अनुप्रयोगों में अन्य डिजाइनों पर लाभ प्रदान करती है।

संचालन

यदि परिपथ में पूर्ण दोषरहित घटक होते हैं, तो C1 और C2 पर संकेत प्रत्येक के प्रतिबाधा के समानुपाती होंगे, और C1 और C2 पर संकेत वोल्टेज का अनुपात C2/C1 होगा। C1 और C2 समान आकार (एक सामान्य विन्यास) के साथ, C1 से C2 में धारा बिल्कुल बराबर होगा, लेकिन चरण से बाहर, प्रवर्धक से कोई धारा या प्रवर्धक से वोल्टेज लाभ की आवश्यकता नहीं है, और उच्च आउटपुट प्रतिबाधा प्रवर्धक की अनुमति देता है, या प्रवर्धक आउटपुट में एक अलग श्रृंखला प्रतिरोध का उपयोग करता है। सामान्य क्रिस्टल इसे उचित सन्निकटन बनाने के लिए दोषरहित होते हैं- प्रवर्धक अनुनादी परिपथ को नहीं चलाता है, लेकिन केवल इसके साथ तालमेल बिठाता है, जिससे हानि से मेल खाने के लिए पर्याप्त शक्ति मिलती है।

प्रवर्धक आउटपुट में कभी-कभी एक श्रृंखला प्रतिरोधक दिखाया जाता है। जब उपयोग किया जाता है, तो श्रृंखला प्रतिरोधक लूप लाभ को कम कर देता है, और कुल लूप लाभ को पूर्णत्व में पुनः स्थापित करने के लिए प्रवर्धक लाभ बढ़ाया जाना चाहिए। प्रवर्धक परिपथ में इस तरह के प्रतिरोधक का उपयोग स्टार्टअप पर चरण बदलाव को बढ़ाने के लिए है, या जब क्रिस्टल परिपथ को लोड करके चरण से बाहर निकाला जाता है, और प्रवर्धक गैर-रैखिकता और क्रिस्टल अतिव्यापनों या कृत्रिम मोड के प्रभावों को समाप्त करने के लिए होता है। यह पियर्स टोपोलॉजी के मूल संचालन का भाग नहीं है।

अभिनतीकरण प्रतिरोधक

R₁ प्रतिक्रिया प्रतिरोधक के रूप में कार्य करता है, इन्वर्टर को उसके संचालन के रैखिक क्षेत्र में अभिनतीकरण करता है और प्रभावी रूप से इसे उच्च-लाभ प्रतिलोम प्रवर्धक के रूप में कार्य करने का कारण बनता है। इसे बेहतर ढंग से समझने के लिए, इन्वर्टर को अनंत इनपुट प्रतिबाधा और शून्य आउटपुट प्रतिबाधा के साथ आदर्श मान लें। प्रतिरोधी इनपुट और आउटपुट वोल्टेज बराबर होने के लिए विवश करता है। इसलिए इन्वर्टर न तो पूरी तरह से चालू होगा और न ही पूरी तरह से बंद होगा, बल्कि संक्रमण क्षेत्र में काम करेगा, जहां इसका लाभ होगा।

अनुनादक

अत्यधिक कम लागत वाले अनुप्रयोग कभी-कभी दाब वैद्युत् क्वार्ट्ज क्रिस्टल अनुनादक के स्थान पर दाब वैद्युत् पीजेडटी (PZT) क्रिस्टल सिरेमिक अनुनादक का उपयोग करते हैं।

C₁ और C₂ के संयोजन में क्रिस्टल pi नेटवर्क बैंड-पास फिल्टर बनाता है, जो 180 ° चरण बदलाव और आउटपुट से इनपुट तक क्रिस्टल की लगभग अनुनाद आवृत्ति पर वोल्टेज लाभ प्रदान करता है। इस संक्रिया को समझने के लिए, ध्यान दें कि दोलन की आवृत्ति पर, क्रिस्टल आगमनात्मक प्रतीत होता है। इस प्रकार, क्रिस्टल को एक बड़ा, उच्च-Q प्रेरक माना जा सकता है। pi नेटवर्क से 180° चरण बदलाव (अर्थात प्रतिलोम लाभ) का संयोजन, और इन्वर्टर से ऋणात्मक लाभ, सकारात्मक लूप लाभ (सकारात्मक प्रतिक्रिया) में परिणत होता है, जिससे R₁ द्वारा निर्धारित अभिनतीकरण बिंदु अस्थिर हो जाता है और दोलन की ओर अग्रसर होता है।

हाल ही में, सतह माइक्रोमशीनिंग द्वारा निर्मित एमईएमएस (MEMS) (सूक्ष्म-विद्युत-यांत्रिक-प्रणाली) अनुनादक यंत्रों ने अति निम्न ऊर्जा स्थिर पियर्स दोलक को सक्षम किया है। एमईएमएस (MEMS) अनुनादक यंत्रों के छोटे रूप कारक ने अच्छी स्थिरता बनाए रखते हुए दोलक की बिजली की खपत को बहुत कम कर दिया, उनके बहुत उच्च Q के लिए धन्यवाद।

वियोजन प्रतिरोधक

अभिनतीकरण प्रतिरोधक R₁ के अलावा, रुआन लूरेन्स इन्वर्टर और क्रिस्टल के आउटपुट के बीच श्रृंखला प्रतिरोधक R_s की दृढ़ता से अनुशंसा करते हैं। श्रृंखला प्रतिरोधक R_s अतिव्यापन दोलन की संभावना को कम करता है और स्टार्ट-अप समय में सुधार कर सकता है। यह दूसरा प्रतिरोधक R_s इन्वर्टर को क्रिस्टल नेटवर्क से अलग करता है। यह C₁ में अतिरिक्त चरण बदलाव भी जोड़ देगा। 4 मेगाहर्ट्ज (MHz) से ऊपर के पियर्स दोलको को R_s के लिए प्रतिरोधक के स्थान पर छोटे संधारित्र का उपयोग करना चाहिए। यह अभिनतीकरण प्रतिरोधक प्रायः परजीवी को कम करने के लिए अपने रैखिक क्षेत्र में अभिनत एमओएसएफईटी (MOSFET) द्वारा कार्यान्वित किया जाता है।

भार धारिता

शेष परिपथ में देखे जाने वाले क्रिस्टल से देखी गई कुल धारिता को "भार धारिता" कहा जाता है। जब कोई निर्माता "समानांतर" क्रिस्टल बनाता है, तो तकनीशियन एक विशेष निश्चित भार धारिता (प्रायः 18 या 20 पीएफ(pF)) के साथ पियर्स दोलक का उपयोग करता है, जबकि क्रिस्टल को उसके पैकेज पर लिखी गई आवृत्ति पर दोलन करने के लिए सुव्यवस्थित करता है।

सही आवृत्ति पर संचालन सुनिश्चित करने के लिए, किसी को यह सुनिश्चित करना चाहिए कि परिपथ में धारिता क्रिस्टल की डेटा शीट पर निर्दिष्ट इस मान से मेल खाती है। भार धारिता C_L की गणना C₁ और C₂ के श्रृंखला संयोजन से की जा सकती है, जिसमें C_i और C_o, इन्वर्टर की इनपुट और आउटपुट धारिता और C_s, दोलक, पीसीबी (PCB) विन्यास और क्रिस्टल स्थिति (प्रायः 3–9 पीएफ) से अवांछित धारिता को ध्यान में रखते हुए गणना की जा सकती है।

$C_{\text{L}}={\frac {(C_{1}+C_{\text{i}})(C_{2}+C_{\text{o}})}{C_{1}+C_{\text{i}}+C_{2}+C_{\text{o}}}}+C_{\text{s}}.$

जब निर्माता "श्रृंखला" क्रिस्टल बनाता है, तो तकनीशियन एक अलग समंजन प्रक्रिया का उपयोग करता है। जब पियर्स दोलक में "श्रृंखला" क्रिस्टल का उपयोग किया जाता है, तो पियर्स दोलक (हमेशा की तरह) क्रिस्टल को लगभग इसकी समानांतर अनुनाद आवृत्ति पर चलाता है। लेकिन वह आवृत्ति "श्रृंखला" क्रिस्टल के पैकेज पर मुद्रित श्रृंखला अनुनादी आवृत्ति से कुछ किलोहर्ट्ज़ अधिक है। "भार धारिता" को बढ़ाने से पियर्स दोलक द्वारा उत्पन्न आवृत्ति थोड़ी कम हो जाती है, लेकिन कभी भी श्रृंखला अनुनादी आवृत्ति तक इसे कम करने के लिए पर्याप्त नहीं होती है।

अग्रिम पठन

• Matthys, Robert J. (1992). Crystal Oscillator Circuits (revised ed.). Malabar, Florida: Krieger Publishing. ISBN 0-89464-552-8.

बाहरी संबंध

• Crystal Theory (PDF), Technical Notes, Somerset UK: EuroQuartz, n.d., archived from the original (PDF) on 2016-06-24, retrieved 8 February 2015