什么是皮爾斯振蕩器？皮爾斯振蕩器電路如何工作？

本文介紹皮爾斯振蕩器的電路工作原理。

什么是皮爾斯（Pierce）振蕩器

皮爾斯振蕩器是石英晶體振蕩器最常見的設(shè)計(jì)之一，皮爾斯振蕩器在設(shè)計(jì)上與之前的 Colpitts 振蕩器非常相似，非常適合使用晶體作為其反饋電路的一部分來(lái)實(shí)現(xiàn)晶體振蕩器電路。

與標(biāo)準(zhǔn)振蕩器相比的成本、尺寸、復(fù)雜性和功率，皮爾斯振蕩器是在大多數(shù)嵌入式解決方案和設(shè)備中被廣泛首選，以產(chǎn)生穩(wěn)定的頻率振蕩。

一個(gè)簡(jiǎn)單的皮爾斯振蕩器具有以下組件，如數(shù)字反相器、電阻、兩個(gè)電容和一個(gè)石英晶體。

皮爾斯振蕩器電路如何工作

下圖顯示了簡(jiǎn)單的皮爾斯振蕩器電路圖片，其中 X1 為晶振，R1 為反饋電阻，U1為數(shù)字反相器，C1、C2為并聯(lián)電容，晶體 X1 與 C1 和 C2 是并聯(lián)模式，工作在電感區(qū)域，這稱為平行晶體。

上圖是皮爾斯振蕩器電路圖片。

反饋電阻 R1 是通過(guò)從逆變器的輸出對(duì)逆變器輸入電容充電來(lái)制成線性逆變器，如果逆變器是理想的，則具有無(wú)限的輸入阻抗和零輸出阻抗值。這樣，輸入和輸出電壓將相等。因此逆變器工作在過(guò)渡區(qū)。

下圖展示了皮爾斯振蕩器電路簡(jiǎn)化電路圖。逆變器 U1 在環(huán)路中提供 180° 相移。電容 C1 和 C2 以及晶體 X1 一起為環(huán)路提供額外的 180° 相移，以滿足振蕩的相移標(biāo)準(zhǔn)，通常選擇 C1 和 C2 值相等。

上圖是皮爾斯振蕩器電路圖片。

為了在諧振頻率下產(chǎn)生振蕩，振蕩器電路必須滿足兩個(gè)條件：1、環(huán)路增益的幅度值必須為單位；2、環(huán)路周圍的相移應(yīng)為 360° 或 0°。

如果振蕩器滿足上述兩個(gè)條件，那么只有它們才能成為有價(jià)值的振蕩器。這里，該振蕩器通過(guò)電路的環(huán)路和反相器的使用來(lái)滿足上述兩個(gè)條件。

皮爾斯振蕩器電路原理分析案例1

皮爾斯振蕩器主要是一個(gè)串聯(lián)諧振調(diào)諧電路（與 Colpitts 振蕩器的并聯(lián)諧振電路不同），它使用 JFET 作為其主要放大設(shè)備，因?yàn)?FET 提供非常高的輸入阻抗，晶體通過(guò)電容 C1 連接在漏極和柵極之間，如下圖所示。

上圖，皮爾斯振蕩器電路圖片。

在這個(gè)簡(jiǎn)單的電路中，晶體決定振蕩頻率并在其串聯(lián)諧振頻率下工作，?s 在輸出和輸入之間提供低阻抗路徑。共振時(shí)有 180°的相移，使反饋為正，輸出正弦波的幅度被限制在漏極端子的最大電壓范圍內(nèi)。

電阻 R1 控制反饋量和晶體驅(qū)動(dòng)量，而射頻扼流圈 RFC 兩端的電壓在每個(gè)周期內(nèi)反轉(zhuǎn)。大多數(shù)數(shù)字時(shí)鐘、手表和計(jì)時(shí)器都使用某種形式的皮爾斯振蕩器，因?yàn)樗梢允褂米钌俚慕M件來(lái)實(shí)現(xiàn)。

皮爾斯振蕩器電路原理分析案例2

以下電路圖顯示了晶體管皮爾斯晶體振蕩器電路圖片，在這個(gè)電路中，晶振作為一個(gè)串聯(lián)元件連接在從集電極到基極的反饋路徑中。

上圖，皮爾斯振蕩器電路圖片。

電阻R 1、R 2和R E提供了一個(gè)分壓器穩(wěn)定的直流偏置電路。電容 Ce 提供發(fā)射極電阻的交流旁路，而 RFC（射頻扼流圈）線圈提供直流偏置，同時(shí)使電源線上的任何交流信號(hào)不影響輸出信號(hào)。

耦合電容 C 在電路工作頻率下的阻抗可以忽略不計(jì)，但它會(huì)阻止集電極和基極之間的任何直流電。

皮爾斯振蕩器電路原理分析案例3

下圖顯示了數(shù)字處理器設(shè)計(jì)中常用的皮爾斯振蕩器電路圖，在這種類型的晶體振蕩器設(shè)計(jì)中，濾波器由晶體的等效模型和外部負(fù)載電容組成。

振蕩器運(yùn)行的確切頻率取決于振蕩器電路內(nèi)的環(huán)路相位角偏移，相位角的變化將導(dǎo)致輸出頻率的變化。

上圖，皮爾斯振蕩器電路圖片。

皮爾斯振蕩器電路原理分析案例4

下圖所示電路通常用于數(shù)字設(shè)計(jì)，本質(zhì)上它是一個(gè)模擬電路。像每個(gè)振蕩電路一樣，當(dāng)相位為 0 或 360° 時(shí)，我們必須在要求的頻率下獲得 > 1 的增益，使電路不斷地自我激勵(lì)。

為了保證使用 12 到 19 MHz 之間的晶體取得成功，使用 4 和 4.4 MHz 晶體時(shí)，不得不干擾電路（通過(guò)擺動(dòng)插座中的晶體來(lái)引入一些反彈）以使電路振蕩。

設(shè)計(jì)上面皮爾斯振蕩器電路需要用到的一些組件：

一個(gè) 100 μH 電感

一個(gè) J112 JFET

任何 1 nF 電容

任何 10 MΩ 電阻

用于電源、輸出和放置不同晶體的剩余母頭。

晶振

剩余的穿孔板

3 V 和 18 V 之間的直流電源，單個(gè) CR 2032 紐扣電池即可?；蛞粚?duì) AA(A)、9 V 電池。

皮爾斯振蕩器電路原理分析案例5

下圖電路是一個(gè)皮爾斯振蕩器電路，可將3 2.768 kHz晶體的振蕩轉(zhuǎn)換為數(shù)字方波，該方波可饋入（兩個(gè)）UNO 外部中斷引腳中的一個(gè)。

需要晶振、12 ρF 負(fù)載電容和 330 kΩ 固定電阻。

在面包板上構(gòu)建皮爾斯振蕩器。

皮爾斯振蕩器的應(yīng)用

適用于嵌入式解決方案和鎖相環(huán) (PLL) 設(shè)備。

在麥克風(fēng)中，語(yǔ)音控制設(shè)備和在這些設(shè)備中將聲能轉(zhuǎn)換為電能的設(shè)備是首選，因?yàn)榫哂谐錾念l率穩(wěn)定性因子。

由于其低制造成本，可用于大多數(shù)消費(fèi)電子應(yīng)用。

審核編輯：劉清