2.3 Relaxatie-oscillator

geven. Als de inverter ook voldoende versterkt, is aan de Barkhausencriteria voldaan en zal de oscillator
een harmonisch signaal opwekken 5 .
Vaak wordt in de literatuur niet over de looptijdvertraging gesproken en neemt men aan dat de condensater
C 1 een fasedraaiing van -90° geeft, en het kristal (de sensor) samen met C 2 voor de resterende
-90° zorgt. Deze voorstelling is niet correct.
Een typische Pierceschakeling (figuur 2.10) met inverter of nand-poort zien we in de volgende figuur:
Rg
10MΩ
Ri
C2
10nF
U1A
CD4049
X1
PZT-Sensor
C1
10nF
Figuur 2.10. Pierce oscillator
Deze oscillator bevat niet veel onderdelen. Hij wordt veelvuldig gebruikt als klokgenerator voor onder
andere microprocessoren. Een voordeel van deze schakeling is dat de uitgangsamplitude groot is, zodat
er direct een andere CMOS-poort op kan worden aangesloten. Bovendien is de ingangsimpedantie
hoog. Daar staan echter ook een aantal nadelen tegenover zoals de lage versterking en de looptijdvertraging.
Overigens wordt in sommige schakelingen R 1 weggelaten, omdat de uitgangsimpedantie van het IC de
weerstand kan vormen van de R i C 1 integrator.
Om de sensor te kunnen laten oscilleren moeten we de juiste waarden vinden voor de drie overige
componenten. Voor de dimensionering van C 1 , C 2 en R 1 zijn er enkele regels, waaruit blijkt hoe deze
waarden samenhangen 6 . Bij paragraaf 2.2.1.4 gaan we iets dieper in over het verband tussen R 1 , C 1
en C 2 . Overigens wordt de dimensionering meestal overgelaten aan de fabrikant, omdat de sensor (bij
kwartskristallen) maar beperkt belast kan worden. De waarden voor C 1 , C 2 en R 1 hebben immers ook
invloed op de stroom door de sensor.
Omdat de inverter een niet-lineaire versterking heeft, nemen we een R g op, zodat daarmee een geschikt
werkpunt ingesteld kan worden. De grootte van R g hangt af van het type inverter. Voor CMOS wordt
daarvoor geadviseerd een waarde te nemen tussen 22 kΩ en 100 MΩ. We nemen 10 MΩ. Omdat we de
sensor bij een lage frequentie laten oscilleren, speelt de looptijdvertraging maar een heel geringe rol.
Voor R 1 geldt dat als hij te groot is, het signaal teveel verzwakt zal worden. Als hij te klein is, kan het
zijn dat de sensor teveel belast wordt. Uit de berekeningen verderop zal bovendien ook blijken, dat R 1
grote invloed heeft op de totale fasedraaiing van het -netwerk. De voedingsspanning bedraagt hier 5
V.
Voor C 1 en C 2 geldt de vuistregel dat de twee capaciteiten parallel geschakeld, groter moeten zijn dan
twee keer de parasitaire capaciteit in de sensor. Ze mogen echter ook niet te groot zijn, omdat dan het
signaal teveel verzwakt. We proberen voor C 1 en C 2 een capaciteit van 10nF uit.
In de praktijk oscilleert de bovenstaande schakeling uitstekend, echter bij een frequentie van 140kHz.
Kennelijk een boventoon of andere trilmodus. In ieder geval veel hoger dan de bij het vervangingsschema
behorende frequentie van ongeveer 6.3 kHz. De twee capaciteiten experimenteel vergroten of
verkleinen brengt de frequentie niet omlaag.
R1
12kΩ
16