什么是皮爾斯振蕩器？皮爾斯振蕩器電路原理分析案例

什么是皮爾斯振蕩器？

皮爾斯振蕩器是 石英晶體振蕩器最常見的設計之一 ，皮爾斯振蕩器的核心是一個反饋回路，其中包括一個諧振電路和一個放大器。這種振蕩器的特點是具有高穩定性、低相位噪聲和良好的頻率穩定性。

皮爾斯振蕩器電路如何工作？

皮爾斯振蕩器的工作原理是通過諧振電路產生一個穩定的振蕩頻率，然后通過放大器放大這個信號。諧振電路通常由一個電感和一個電容組成，它們共同決定了振蕩器的頻率。放大器的作用是將諧振電路產生的微弱信號放大到一個可用的水平。

下圖顯示了簡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為數字反相器 ， C1、C2為并聯電容 ，晶體 X1 與 C1 和 C2 是并聯模式，工作在電感區域，這稱為平行晶體。

皮爾斯振蕩器電路圖片

皮爾斯振蕩器電路圖片

** 為了在諧振頻率下產生振蕩，振蕩器電路必須滿足兩個條件：1、環路增益的幅度值必須為單位；2、環路周圍的相移應為 360° 或 0°。**

皮爾斯振蕩器電路原理分析案例

案例1

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

皮爾斯振蕩器電路圖片

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

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

案例2

下圖所示皮爾斯振蕩電路通常 用于數字設計 ，本質上它是一個模擬電路。像每個振蕩電路一樣，當相位為 0 或 360° 時，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。

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，(關注公眾號 電路一點通）不得不干擾電路（通過擺動插座中的晶體來引入一些反彈）以使電路振蕩。

皮爾斯振蕩器電路圖片

皮爾斯震蕩電路分析：單極交流小信號電路分析

由于公式的推導過程復雜，可按照圖三，簡單理解為：因為工作在放大區，所以此時反向器具有放大作用。

具體方大倍數推導過程，可參考如下鏈接：

以CMOS 反相器作為類比信號放大器的原理 - 豆丁網 (docin.com)

也可參考圖7的電路仿真，以幫助理解

圖7 逆變放大器 仿真結果

皮爾斯晶體振蕩器設計

1、反饋電阻RF

在幾乎所有的ST的MCU中，RF是內嵌在芯片內的。它的作用是讓反相器作為一個放大器來工作。

Vin和Vout之間增加的反饋電阻使放大器在Vout＝ Vin時產生偏置，迫使反向器工作在線性區域(圖5中陰影區)。該放大器放大了晶振的正常工作區域內（Fs與Fa之間）的噪聲(例如晶振的熱噪聲)，該噪聲從而引發晶振起振。在某些情況下，起振后去掉反饋電阻RF，振蕩器仍可以繼續正常工作。

2、負載電容CL

負載電容CL是指連接到晶振上的終端電容。CL值取決于外部電容器CL1和CL2，雜散電容Cs。CL值由由晶振制造商給出。

振蕩頻率精度，主要取決于振蕩電路的實際負載電容與晶振制造商給出的CL值是否相同。振蕩頻率是否穩定則主要取決于負載電容值是否保持穩定不變。

調整外部電容器CL1和CL2，使振蕩電路實際的負載電容等于晶振制造商標定的負載值CL參數（晶振規格書一般會提供），可以獲得標定的振蕩頻率。

計算公式如下：

舉個計算的示例：

如果晶振規格書手冊中CL ＝15pF，并假定Cs = 5pF，則匹配電容CL1，CL2有：

皮爾斯振蕩器的應用

由于皮爾斯振蕩器具有很好的頻率穩定性和低相位噪聲，因此在射頻和微波領域中有著廣泛的應用。以下是一些典型的應用案例：

1.無線通信系統：皮爾斯振蕩器可以作為無線通信系統中的本地振蕩器，為混頻器提供穩定的本振信號。這對于保證通信質量和降低誤碼率至關重要。

2.雷達系統：在雷達系統中，皮爾斯振蕩器可以用于產生穩定的發射信號和接收信號。這有助于提高雷達的探測距離和分辨率。

3.導航系統：在GPS、GLONASS等導航系統中，皮爾斯振蕩器可以用于產生高精度的時鐘信號。這對于提高導航精度和可靠性至關重要。

4.測試儀器：在射頻和微波測試儀器中，皮爾斯振蕩器可以用于產生穩定的頻率信號，以便對被測設備進行準確的性能評估。

5.科學研究：在科學研究中，皮爾斯振蕩器可以用于產生特定頻率的信號，以便進行各種物理實驗和研究。

總之，皮爾斯振蕩器作為一種高性能的電子振蕩器，在射頻和微波領域中有著廣泛的應用。它的高穩定性、低相位噪聲和良好的頻率穩定性使其成為許多關鍵應用的理想選擇。