Pregunta sobre el CMOS Inverter Oscillator

Diverger: creo que puede surgir cierta confusión porque siempre hay dos formas diferentes de explicar el funcionamiento de los circuitos del oscilador (modelos). Normalmente, discriminamos entre osciladores de dos y cuatro polos; sin embargo, es importante saber que esto no es más que una forma diferente de describir el principio de oscilación.

a) Los osciladores de dos polos se pueden describir utilizando el concepto de resistencias negativas, y

b) Los osciladores de cuatro polos se describen utilizando el bucle de retroalimentación clásico (junto con el criterio de Barkhausen).

Para la mayoría de las topologías de osciladores, no es un problema explicar el principio de funcionamiento utilizando los modelos ambos (después de un rediseño adecuado y / o un cambio del terreno común). Como se menciona en ambas notas de aplicación, la base para el oscilador mostrado es la topología de Pierce, que a menudo se considera un tipo de dos polos (pero no necesariamente).

• Con respecto a su pregunta "ganancia frente a transconductancia": el inversor CMOS tiene una resistencia de salida relativamente grande, de modo que tiene sentido usar la transconductancia correspondiente gm para el cálculo de ganancia. En este sentido, por supuesto, la carga conectada es importante (en ambas notas hay una resistencia externa Rext, que NO se muestra en sus dibujos). Por lo tanto: ganancia de voltaje = gm * resistencia de carga.

• Respecto a la función de Rf: esta resistencia es necesaria para arreglar el punto de operación de DC deseado (punto de polarización) del amplificador CMOS analógico. Además, esta resistencia atenúa el bucle resonante y, por lo tanto, influye en la ganancia total del bucle. Por esta razón, hay un rango de valores recomendado / preferido que garantiza un inicio seguro de las oscilaciones, y este rango depende en cierta medida de la frecuencia de oscilación porque la resistencia total del bucle de realimentación del cristal depende de las frecuencias.

Con respecto a la división en los diagramas, ST ha separado el circuito de equivalente de cristal de los condensadores de carga con los que resuena, mientras que TI ha elegido mantener todos los componentes resonantes juntos para su descripción. Como señala LvW, el circuito necesita una resistencia en la salida de la puerta para aumentar la impedancia de salida del "amplificador".

Las puertas lógicas con los mismos números de identificación pero de diferentes fabricantes realizan la misma función lógica, y generalmente son intercambiables en aplicaciones lógicas. Sin embargo, pueden fabricarse mediante diferentes procesos, lo que lleva a diferencias bastante amplias entre las características de resistencia diseñada, parasitaria, capacitancia e inductancia. Incluso las piezas producidas con el mismo número del mismo fabricante nominal varían a lo largo de los años, tanto por cambios en el diseño como en el proceso de fabricación. En consecuencia, la resistencia óptima Rf necesaria para desviar la puerta hacia un modo de amplificador lineal no es fácil de predecir. Es probable que un valor muy bajo resulte en una ganancia de bucle inadecuada, y un valor demasiado alto creará cambios de fase inaceptables dentro del rango de frecuencia de funcionamiento previsto.

Las compuertas lógicas se diseñaron como interruptores rápidos, no como amplificadores lineales, por lo que su desempeño en un circuito lineal no se caracteriza por sus datos típicos, y para los osciladores no son una excelente opción para la estabilidad, confiabilidad y reproducibilidad. Pueden fallar en el arranque automático, oscilar en modos de vibración de cristal no deseados, o incluso sin un cristal conectado. En consecuencia, el valor del análisis riguroso de su operación en este rol es cuestionable, ya que los resultados se aplican solo a la marca y al lote en particular. Sin embargo, son baratos y convenientes, y generalmente se puede esperar que funcionen adecuadamente con cristales de frecuencias de 1 a 20 MHz, comúnmente utilizados en aplicaciones digitales, utilizando valores de componentes de ejemplo proporcionados en hojas de datos y notas de aplicación. Si la aplicación es crítica, el circuito debe probarse en los rangos de temperatura y voltaje de suministro, y con puertas y cristales de diferentes lotes, edades y actividad.

Hay información adicional en "Marvin E. Frerking, Diseño de oscilador de cristal y compensación de temperatura, Van Nostrand Reinhold 1978", páginas 100-103 (agotado, pero disponible de forma gratuita en Internet Archive, archive.org ), junto con un análisis detallado de muchos otros diseños de osciladores de cristal.