Перейти к содержанию

Генератор Пирса

Выводы OSC_IN и OSC_OUT у STM32, XTAL1 и XTAL2 у AVR — это вход и выход инвертора генератора Пирса. Снаружи к нему добавляют только кварц и два конденсатора, а резистор обратной связи обычно уже встроен.

Обновлено Редакция GAW

Генератор Пирса (Pierce oscillator) — схема кварцевого генератора, которую используют микроконтроллеры, в том числе STM32 и AVR, для тактирования от внешнего кварца или керамического резонатора. ST в AN2867 описывает её как разновидность генератора Колпитца, ценную тем, что нужно мало внешних деталей, а частота с кварцевым резонатором стабильна.

Схема

По рис. 5 AN2867:

  • инвертор внутри микроконтроллера — усилитель, его вход и выход выведены на OSC_IN и OSC_OUT;
  • RF — резистор обратной связи между входом и выходом инвертора, обычно встроенный;
  • кварц (или керамический резонатор) между выводами;
  • CL1, CL2 — конденсаторы от выводов на общий провод, задающие нагрузочную ёмкость;
  • REXT — необязательный резистор, ограничивающий ток через кварц и его уровень возбуждения.

Как возникают колебания

Резистор RF смещает инвертор в середину передаточной характеристики (Vвых = Vвх), где он работает как линейный усилитель; тепловой шум усиливается, и колебания на частоте кварца нарастают (AN2867, разд. 3.2). Microchip в AN2648 напоминает условия Баркгаузена: усиление петли не меньше 1 и полный сдвиг фазы 360°. Инвертор даёт 180°, кварц с двумя конденсаторами — ещё 180°.

Генератор STM32F103RFCL1, CL2
HSE 4–16 МГц200 кОм тип.5–25 пФ
LSE 32 768 Гц5 МОм5–15 пФ

Надёжность запуска проверяют расчётом запаса по усилению и измерением отрицательного сопротивления.

Не путать генератор Пирса с готовым тактовым генератором (oscillator) в корпусе: тот содержит схему внутри и подаёт сигнал на вход OSC_IN. У STM32F1 для этого есть режим HSE bypass: биты HSEBYP и HSEON в RCC_CR, внешний сигнал до 25 МГц подают на OSC_IN, а OSC_OUT оставляют в высокоимпедансном состоянии (RM0008). Схема, разводка и расчёт — в статье «Кварцевый генератор микроконтроллера», конденсаторы считает калькулятор конденсаторов кварца.

Частые вопросы

Зачем в генераторе Пирса резистор обратной связи?

Он соединяет вход и выход инвертора и смещает его в середину передаточной характеристики, где инвертор работает как линейный усилитель. Шум на входе усиливается, и колебания на частоте кварца нарастают. ST указывает, что в большинстве STM32 RF встроен — у HSE STM32F103 около 200 кОм, у LSE около 5 МОм.

Как генератор Пирса набирает сдвиг фазы 360°?

Инвертор поворачивает фазу на 180°, а кварц вместе с двумя конденсаторами на общий провод образует π-звено, которое на частоте генерации даёт ещё 180°. Вместе 360° — одно из двух условий Баркгаузена; второе — усиление петли не меньше единицы.

Что такое REXT в генераторе Пирса?

Внешний резистор между выходом инвертора и кварцем. Он ограничивает ток через кварц, чтобы не превысить допустимый уровень возбуждения, ST предлагает начинать с сопротивления, равного реактивному сопротивлению CL2: REXT = 1/(2πF·CL2). Ставят его не всегда; после установки пересчитывают запас по усилению, потому что резистор добавляется к ESR.

Источники

  1. STMicroelectronics. AN2867: Guidelines for oscillator design on STM8AF/AL/S and STM32 MCUs/MPUs (Rev 24, February 2026) — разд. 3.1, рис. 5: генератор Пирса — вариант генератора Колпитца; встроенный инвертор как усилитель, кварц или керамический резонатор, встроенный RF, внешний REXT для ограничения тока, CL1 и CL2, паразитная ёмкость Cs; мало внешних деталей и стабильная частота; разд. 3.2: RF смещает инвертор в линейную область (Vout = Vin), шум усиливается и запускает колебания; табл. 3: типичные RF от 10–25 МОм на 32 кГц до 470 кОм–5 МОм на 20 МГц
  2. Microchip. AN2648: Selecting and Testing 32.768 kHz Crystal Oscillators for AVR Microcontrollers (DS00002648D, 2022) — разд. 1.2: условия Баркгаузена — усиление петли не меньше 1 и сдвиг фазы 360°; инвертор даёт 180°, кварц с конденсаторами — ещё 180°
  3. STMicroelectronics. STM32F103x8, STM32F103xB datasheet (DS5319 Rev 20, July 2025) — табл. 22: HSE 4–16 МГц, RF 200 кОм тип., крутизна не меньше 25 мА/В, CL1 и CL2 5–25 пФ; табл. 23: LSE, RF 5 МОм
  4. Microchip. ATmega48A/PA/88A/PA/168A/PA/328/P Data Sheet (DS40002061B) — разд. 9.3, 9.4: XTAL1 и XTAL2 — вход и выход инвертирующего усилителя встроенного генератора; C1 = C2, 12–22 пФ для кварцев
  5. STMicroelectronics. RM0008 Reference manual: STM32F101xx, STM32F102xx, STM32F103xx, STM32F105xx and STM32F107xx (Rev 21, February 2021) — External source (HSE bypass): внешний сигнал до 25 МГц на OSC_IN, OSC_OUT в высокоимпедансном состоянии, биты HSEBYP и HSEON в RCC_CR

Нашли ошибку?

Смотрите также