皮爾斯振蕩器的工作原理 皮爾斯振蕩器電路詳解

皮爾斯振蕩器（Pierce oscillator，或稱皮爾斯晶體振蕩器）是一種電子振蕩電路，特別適用于配合**石英振蕩晶體以產(chǎn)生振蕩訊號(hào)。

皮爾斯振蕩器衍生自考畢子振蕩器?，F(xiàn)今使用石英晶體進(jìn)行振蕩以產(chǎn)生時(shí)鐘訊號(hào)的數(shù)位電路，幾乎均使用皮爾斯振蕩器電路，因?yàn)樗娐泛?jiǎn)單，工作有效而穩(wěn)定，優(yōu)于其它型態(tài)的石英晶體振蕩電路。 皮爾斯震蕩器所需零件很少: 一個(gè)反相器、一個(gè)電阻、一個(gè)石英晶體、兩個(gè)小電容。石英晶體在此扮演高選擇度的濾波元件。 此外，很多 IC 已內(nèi)建反相器與電阻，只要在外部加上石英晶體與兩個(gè)電容就可以工作。 由于石英晶體頻率穩(wěn)定，此電路成本又很低，因此廣泛用于各種消費(fèi)電子產(chǎn)品之中。

皮爾斯振蕩器的工作原理

偏壓電阻

回授電阻 R1 可以看成是反相器的偏壓電阻，令反相器工作在線性區(qū)域而成為高增益的反相放大器，并確保振蕩的發(fā)生。

不妨這樣看： 假設(shè)此反相器為理想反相器，輸入阻抗無(wú)限大、輸出阻抗為0，則此電阻將令輸入電壓與輸出電壓相等，因而使反相器內(nèi)的晶體管不會(huì)工作在完全導(dǎo)通或完全截止的狀態(tài)，而是工作在具有增益的中間過(guò)渡區(qū)域。

共振器

石英晶體與 C1, C2 兩電容構(gòu)成π型網(wǎng)絡(luò)形式的帶通濾波器，約在石英晶體的共振頻率上，提供 180 度相移與所需的電壓增益。

在發(fā)生震蕩的頻率上，石英晶體呈現(xiàn)電感性，可視為是具有高 Q 值的電感。π型網(wǎng)絡(luò)的 180 度相移加上反相器的負(fù)增益，合起來(lái)成為正的環(huán)增益(正回授)，使 R1 所設(shè)定的偏壓無(wú)法穩(wěn)定而導(dǎo)致震蕩。

隔離電阻

有時(shí)會(huì)在反相器的輸出與石英晶體與電容的π型網(wǎng)絡(luò)間，額外串入一個(gè)電阻，把輸出與π形網(wǎng)絡(luò)隔離開來(lái)。此電阻會(huì)與 C2 造成些許額外的相移。

加入這個(gè)電阻的主要目的有：

抑制高頻混附(spurious)振蕩，以獲得干凈的輸出訊號(hào)。

降低石英晶體的驅(qū)動(dòng)功率，以防止超過(guò)石英晶體的容許驅(qū)動(dòng)功率（術(shù)語(yǔ)稱驅(qū)動(dòng)準(zhǔn)位，drive level）而加速老化或造成破損，尤其是對(duì)低功率的石英晶體。

負(fù)載電容

由石英晶體看出去，電路上的總電容量稱為石英晶體的“負(fù)載電容”。由于負(fù)載電容量對(duì)電路所振蕩出的訊號(hào)頻率有些影響，因此，石英晶體的規(guī)格中會(huì)寫明負(fù)載電容的數(shù)值，規(guī)格書中的振蕩頻率，是以符合此負(fù)載電容值的電路為準(zhǔn)。

因此，為達(dá)到正確的振蕩頻率，電路設(shè)計(jì)者應(yīng)確保電路上的負(fù)載電容符合石英晶體的負(fù)載電容規(guī)格。在計(jì)算負(fù)載電容時(shí)，電路的雜散電容，例如電路板銅箔間的電容，IC 接腳的電容等，均需納入考慮。

皮爾斯振蕩器有低功耗、低成本及良好的穩(wěn)定性等特點(diǎn)，因此常見于通常的應(yīng)用中。

圖 皮爾斯振蕩器電路

Inv：內(nèi)部反向器，作用等同于放大器。

Q：石英或陶瓷晶振。

R F ：內(nèi)部反饋電阻（譯注：它的存在使反相器工作在線性區(qū)，從而使其獲得增益，作用等同于放大器）。

P Ext ：外部限流電阻。

CL1和C L2 ：兩個(gè)外部負(fù)載電容。

Cs：由于PCB布線及連接等寄生效應(yīng)引起的等效雜散電容（OSC＿IN和OSC＿OUT管腳上）。