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計之一，皮爾斯振蕩器在設計上與之前的 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實現晶體振蕩器電路。

與標準振蕩器相比的成本、尺寸、復雜性和功率，皮爾斯振蕩器是在大多數嵌入式解決方案和設備中被廣泛首選，以產生穩定的頻率振蕩。

一個簡單的皮爾斯振蕩器具有以下組件，如數字反相器、電阻、兩個電容和一個石英晶體。

皮爾斯振蕩器電路如何工作

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。

上圖是皮爾斯振蕩器電路圖片。

反饋電阻 R1 是通過從逆變器的輸出對逆變器輸入電容充電來制成線性逆變器，如果逆變器是理想的，則具有無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渡區。

下圖展示了皮爾斯振蕩器電路簡化電路圖。逆變器 U1 在環路中提供 180° 相移。電容 C1 和 C2 以及晶體 X1 一起為環路提供額外的 180° 相移，以滿足振蕩的相移標準，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°。

如果振蕩器滿足上述兩個條件，那么只有它們才能成為有價值的振蕩器。這里，該振蕩器通過電路的環路和反相器的使用來滿足上述兩個條件。

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串聯諧振調諧電路（與 Colpitts 振蕩器的并聯諧振電路不同），它使用 JFET 作為其主要放大設備，因為 FET 提供非常高的輸入阻抗，晶體通過電容 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。

在這個簡單的電路中，晶體決定振蕩頻率并在其串聯諧振頻率下工作，?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。

電阻 R1 控制反饋量和晶體驅動量，而射頻扼流圈 RFC 兩端的電壓在每個周期內反轉。大多數數字時鐘、手表和計時器都使用某種形式的皮爾斯振蕩器，因為它可以使用最少的組件來實現。

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。

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。

皮爾斯振蕩器電路原理分析案例3

下圖顯示了數字處理器設計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計中，濾波器由晶體的等效模型和外部負載電容組成。

振蕩器運行的確切頻率取決于振蕩器電路內的環路相位角偏移，相位角的變化將導致輸出頻率的變化。

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，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。

設計上面皮爾斯振蕩器電路需要用到的一些組件：

一個 100 μH 電感

一個 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 CR 2032 紐扣電池即可?；蛞粚?AA(A)、9 V 電池。

皮爾斯振蕩器電路原理分析案例5

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

需要晶振、12 ρF 負載電容和 330 kΩ 固定電阻。

在面包板上構建皮爾斯振蕩器。

皮爾斯振蕩器的應用

適用于嵌入式解決方案和鎖相環 (PLL) 設備。

在麥克風中，語音控制設備和在這些設備中將聲能轉換為電能的設備是首選，因為具有出色的頻率穩定性因子。

由于其低制造成本，可用于大多數消費電子應用。

審核編輯：劉清