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(jiàn)的設(shè)計(jì)之一 ，皮爾斯振蕩器的核心是一個(gè)反饋回路，其中包括一個(gè)諧振電路和一個(gè)放大器。這種振蕩器的特點(diǎn)是具有高穩(wěn)定性、低相位噪聲和良好的頻率穩(wěn)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(guò)諧振電路產(chǎn)生一個(gè)穩(wěn)定的振蕩頻率，然后通過(guò)放大器放大這個(gè)信號(hào)。諧振電路通常由一個(gè)電感和一個(gè)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(chǎn)生的微弱信號(hào)放大到一個(gè)可用的水平。

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(chēng)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(chǎn)生振蕩，振蕩器電路必須滿(mǎn)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?chē)南嘁茟?yīng)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(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。

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(xiàn)圈提供直流偏置，同時(shí)使電源線(xiàn)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。

案例2

下圖所示皮爾斯振蕩電路通常 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)，(關(guān)注公眾號(hào) 電路一點(diǎn)通）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。

皮爾斯振蕩器電路圖片

皮爾斯震蕩電路分析：?jiǎn)螛O交流小信號(hào)電路分析

由于公式的推導(dǎo)過(guò)程復(fù)雜，可按照?qǐng)D三，簡(jiǎn)單理解為：因?yàn)楣ぷ髟诜糯髤^(qū)，所以此時(shí)反向器具有放大作用。

具體方大倍數(shù)推導(dǎo)過(guò)程，可參考如下鏈接：

以CMOS 反相器作為類(lèi)比信號(hào)放大器的原理 - 豆丁網(wǎng) (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(jié)果

皮爾斯晶體振蕩器設(shè)計(jì)

1、反饋電阻RF

在幾乎所有的ST的MCU中，RF是內(nèi)嵌在芯片內(nèi)的。它的作用是讓反相器作為一個(gè)放大器來(lái)工作。

Vin和Vout之間增加的反饋電阻使放大器在Vout＝ Vin時(shí)產(chǎn)生偏置，迫使反向器工作在線(xiàn)性區(qū)域(圖5中陰影區(qū))。該放大器放大了晶振的正常工作區(qū)域內(nèi)（Fs與Fa之間）的噪聲(例如晶振的熱噪聲)，該噪聲從而引發(fā)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(xù)正常工作。

2、負(fù)載電容CL

負(fù)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(shí)際負(fù)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(wěn)定則主要取決于負(fù)載電容值是否保持穩(wěn)定不變。

調(diào)整外部電容器CL1和CL2，使振蕩電路實(shí)際的負(fù)載電容等于晶振制造商標(biāo)定的負(fù)載值CL參數(shù)（晶振規(guī)格書(shū)一般會(huì)提供），可以獲得標(biāo)定的振蕩頻率。

計(jì)算公式如下：

舉個(gè)計(jì)算的示例：

如果晶振規(guī)格書(shū)手冊(cè)中CL ＝15pF，并假定Cs = 5pF，則匹配電容CL1，CL2有：

皮爾斯振蕩器的應(yīng)用

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

1.無(wú)線(xiàn)通信系統(tǒng)：皮爾斯振蕩器可以作為無(wú)線(xiàn)通信系統(tǒng)中的本地振蕩器，為混頻器提供穩(wěn)定的本振信號(hào)。這對(duì)于保證通信質(zhì)量和降低誤碼率至關(guān)重要。

2.雷達(dá)系統(tǒng)：在雷達(dá)系統(tǒng)中，皮爾斯振蕩器可以用于產(chǎn)生穩(wěn)定的發(fā)射信號(hào)和接收信號(hào)。這有助于提高雷達(dá)的探測(cè)距離和分辨率。

3.導(dǎo)航系統(tǒng)：在GPS、GLONASS等導(dǎo)航系統(tǒng)中，皮爾斯振蕩器可以用于產(chǎn)生高精度的時(shí)鐘信號(hào)。這對(duì)于提高導(dǎo)航精度和可靠性至關(guān)重要。

4.測(cè)試儀器：在射頻和微波測(cè)試儀器中，皮爾斯振蕩器可以用于產(chǎn)生穩(wěn)定的頻率信號(hào)，以便對(duì)被測(cè)設(shè)備進(jìn)行準(zhǔn)確的性能評(píng)估。

5.科學(xué)研究：在科學(xué)研究中，皮爾斯振蕩器可以用于產(chǎn)生特定頻率的信號(hào)，以便進(jìn)行各種物理實(shí)驗(yàn)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(lǐng)域中有著廣泛的應(yīng)用。它的高穩(wěn)定性、低相位噪聲和良好的頻率穩(wěn)定性使其成為許多關(guān)鍵應(yīng)用的理想選擇。