[LTspice] Pierce-Oszillator mit CMOS-Inverter und XTAL?

[Marek N. (Gast)]

Moin,

ich versuche, einen einfachen Pierce-Oszillator mit Quarz und Inverter 
aus CMOS-NAND in LTspice zu modellieren.
Leider führen die in der "Educational"-Testumgebung ermittelten 
Parameter nicht zum Erfolg.
Was muss noch beachtet werden?

Simulationsfile und Libs im Anhang.

Beste Grüße, Marek

[Wilhelm S. (wilhelmdk4tj)]

Hallo Marek,

du brauchst kein NAND sondern einen Schmitt Trigger; so etwas wie 
74*132.
Wie der in CMOS heisst, weiss ich gerade nicht.

73
Wilhelm

[K. S. (the_yrr)]

Cs sind 0.002 * cp = 8*10^-15F, soll das wirklich so sein?

Ein IC mit schmitt trigger Eingang könnte auch helfen.

[Thomas (Gast)]

K. S. schrieb:
> Cs sind 0.002 * cp = 8*10^-15F, soll das wirklich so sein?

ja schaut richtig aus.

Wilhelm S. schrieb:
> du brauchst kein NAND sondern einen Schmitt Trigger; so etwas wie
> 74*132.

Warum soll ein NAND hier nicht funktionieren?

Marek N. schrieb:
> Was muss noch beachtet werden?
Probier mal R1=100M und setz Rs auf was kleineres, 5Ohm oder so und 
simulier mit Rauschen.

[K. S. (the_yrr)]

Mit R1 vom 1Meg läuft es schneller an, oder beim Startup den Eingang auf 
Vcc/2 setzen. hab mal schnell das Symbol vom 4011b verändert, mit 40106B 
(und dem nicht ganz schönen Symbol) läuft es.

[hinz (Gast)]

Das funktioniert in der Realität auch nur mit "Unbuffered CMOS", eben 
weil die auch als Analogverstärker taugen. Mit einem Schmitttrigger wird 
das gar nichts, die Hysterese ist viel zu groß.

[Marek N. (Gast)]

K. S. schrieb:
> Mit R1 vom 1Meg läuft es schneller an, oder beim Startup den
> Eingang auf
> Vcc/2 setzen. hab mal schnell das Symbol vom 4011b verändert, mit 40106B
> (und dem nicht ganz schönen Symbol) läuft es.

Hi, danke, das geht in die richtige Richtung, aber die Frequenz sind 
gerade mal 400 kHz.
Kann sein, dass die 22p-Kondensatoren das zu stark belasten?

[Günni (Gast)]

Die CD4000-Serie ist für 10 MHz zu lahm. Beim 4011 beträgt die 
Durchlaufzeit bei einer Versorgung von 5V typ. 75 (max. 150 ns). Das 
liegt schon über der Periodendauer einer Schwingung, weil für jede 
Periode 2 Durchläufe benötigt werden. Eine vernünftige Phasenbeziehung 
kann so nicht zustande kommen.Die unbuffered Gatter z.B. 4007 UB haben 
als Durchlaufzeit bei 5 V 60 (120) ns. So viel schneller sind die also 
auch nicht. Schön sieht man das im Datenblatt des 4060 (Oszillator mit 
Zähler), weil da genau dieser Oszillator auf dem IC enthalten ist. 
Dieser Baustein hat eine 8 MHz Counting Rate bei einer 
Versorgungsspannung von 10 V. Bei 5 V Versorgung sind es typ. nur noch 4 
MHz (und garantiert sogar nur 2 MHz).

[npn (Gast)]

Günni schrieb:
> Die CD4000-Serie ist für 10 MHz zu lahm.

Marek N. schrieb:
> aber die Frequenz sind gerade mal 400 kHz.

;-)

[Marek N. (Gast)]

Ach stimmt, 10 MHz ist schon sehr viel für die 4000-er.
Wenn ich den Quarz mit fs=1e6 parametriere, schaut das wie gewünscht 
aus. Dann sind die Lastkapazitäten und der Startwiderstand R1 
unkritisch.

Wenn ich daheim bin, probiere ich das mit einem 74HC00 oder so aus.

Vielen Dank!

[Marek N. (Gast)]

Also, 74HC '00, '02 und '14 laufen auch noch bei 5 MHz wie erwaret in 
der Simulation, brauchen aber mehrere 100 µs zum Einschwingen.

[Günter Lenz (Gast)]

Marek N. schrieb:
>Kann sein, dass die 22p-Kondensatoren das zu stark belasten?

Nein, die sollen ja eine Phasendrehung bewirken,
sonst schwingt es nicht. Je kleiner die Frequenz um
so größer müssen die werden. Mann findet bei
vielen Beispielen so einer Schaltung noch einen
Widerstand vom Ausgang des NAND nach C2,
versuche daß mal.

[hinz (Gast)]

Marek N. schrieb:
> 74HC00 oder so aus.

Oder so: 74HCU04

[Günni (Gast)]

hinz schrieb:
> Das funktioniert in der Realität auch nur mit "Unbuffered CMOS", eben
> weil die auch als Analogverstärker taugen. Mit einem Schmitttrigger wird
> das gar nichts, die Hysterese ist viel zu groß.
Hinz hat übrigens Recht. Lineare Eigenschaften haben vom  Prinzip her 
nur die unbuffered CMOS Bausteine. Aber wie das mit Prinzipien so 
ist.... Ich habe auch Standard (buffered) CMOS Bausteine mit Erfolg für 
analoge Anwendungen "missbraucht". Da ist nur die Durchlaufzeit etwas 
höher, was man im Design der Schaltung berücksichtigen muss, dann klappt 
das auch. Was nicht geht, sind Schmitttrigger. Durch die Hysterese 
bilden schon der Rückkopplungswiderstand und der Kondensator zusammen 
mit dem Gatter ein schwingungsfähiges Gebilde. Einfach mal ausprobieren: 
R1 100 kOhm, C3 10 nF oder etwas in diesen Größenordnungen. Quarz und C2 
weglassen, ein Gatter mit Schmitttrigger einsetzen und sehen, was 
passiert.
Fazit: Bei dieser Schaltung mit einem Schmitttriggerbaustein kann man 
nicht wissen, wer die Frequenz bestimmt - die "Grundschaltung", der 
Quarz oder eine Mischung von beiden. Das hängt davon ab, wie nahe die 
einzelnen Frequenzen beieinander liegen.