什么是皮尔斯振荡器？皮尔斯振荡器电路原理分析案例

什么是皮尔斯振荡器？

皮尔斯振荡器是 石英晶体振荡器最常见的设计之一 ，皮尔斯振荡器的核心是一个反馈回路，其中包括一个谐振电路和一个放大器。这种振荡器的特点是具有高稳定性、低相位噪声和良好的频率稳定性。

皮尔斯振荡器电路如何工作？

皮尔斯振荡器的工作原理是通过谐振电路产生一个稳定的振荡频率，然后通过放大器放大这个信号。谐振电路通常由一个电感和一个电容组成，它们共同决定了振荡器的频率。放大器的作用是将谐振电路产生的微弱信号放大到一个可用的水平。

下图显示了简单的皮尔斯振荡器电路图片，其中 ** X1 为晶振** ， R1 为反馈电阻 ， U1为数字反相器 ， C1、C2为并联电容 ，晶体 X1 与 C1 和 C2 是并联模式，工作在电感区域，这称为平行晶体。

皮尔斯振荡器电路图片

皮尔斯振荡器电路图片

** 为了在谐振频率下产生振荡，振荡器电路必须满足两个条件：1、环路增益的幅度值必须为单位；2、环路周围的相移应为 360° 或 0°。**

皮尔斯振荡器电路原理分析案例

案例1

以下电路图显示了晶体管皮尔斯晶体振荡器电路图片，在这个电路中，晶振作为一个串联元件连接在从集电极到基极的反馈路径中。

皮尔斯振荡器电路图片

电阻R 1、R 2和R E提供了一个分压器稳定的直流偏置电路。电容 Ce 提供发射极电阻的交流旁路，而 RFC（射频扼流圈）线圈提供直流偏置，同时使电源线上的任何交流信号不影响输出信号。

耦合电容 C 在电路工作频率下的阻抗可以忽略不计，但它会阻止集电极和基极之间的任何直流电。

案例2

下图所示皮尔斯振荡电路通常 用于数字设计 ，本质上它是一个模拟电路。像每个振荡电路一样，当相位为 0 或 360° 时，我们必须在要求的频率下获得 > 1 的增益，使电路不断地自我激励。

为了保证使用 12 到 19 MHz 之间的晶体取得成功，使用 4 和 4.4 MHz 晶体时，(关注公众号 电路一点通）不得不干扰电路（通过摆动插座中的晶体来引入一些反弹）以使电路振荡。

皮尔斯振荡器电路图片

皮尔斯震荡电路分析：单极交流小信号电路分析

由于公式的推导过程复杂，可按照图三，简单理解为：因为工作在放大区，所以此时反向器具有放大作用。

具体方大倍数推导过程，可参考如下链接：

以CMOS 反相器作为类比信号放大器的原理 - 豆丁网 (docin.com)

也可参考图7的电路仿真，以帮助理解

图7 逆变放大器 仿真结果

皮尔斯晶体振荡器设计

1、反馈电阻RF

在几乎所有的ST的MCU中，RF是内嵌在芯片内的。它的作用是让反相器作为一个放大器来工作。

Vin和Vout之间增加的反馈电阻使放大器在Vout＝ Vin时产生偏置，迫使反向器工作在线性区域(图5中阴影区)。该放大器放大了晶振的正常工作区域内（Fs与Fa之间）的噪声(例如晶振的热噪声)，该噪声从而引发晶振起振。在某些情况下，起振后去掉反馈电阻RF，振荡器仍可以继续正常工作。

2、负载电容CL

负载电容CL是指连接到晶振上的终端电容。CL值取决于外部电容器CL1和CL2，杂散电容Cs。CL值由由晶振制造商给出。

振荡频率精度，主要取决于振荡电路的实际负载电容与晶振制造商给出的CL值是否相同。振荡频率是否稳定则主要取决于负载电容值是否保持稳定不变。

调整外部电容器CL1和CL2，使振荡电路实际的负载电容等于晶振制造商标定的负载值CL参数（晶振规格书一般会提供），可以获得标定的振荡频率。

计算公式如下：

举个计算的示例：

如果晶振规格书手册中CL ＝15pF，并假定Cs = 5pF，则匹配电容CL1，CL2有：

皮尔斯振荡器的应用

由于皮尔斯振荡器具有很好的频率稳定性和低相位噪声，因此在射频和微波领域中有着广泛的应用。以下是一些典型的应用案例：

1.无线通信系统：皮尔斯振荡器可以作为无线通信系统中的本地振荡器，为混频器提供稳定的本振信号。这对于保证通信质量和降低误码率至关重要。

2.雷达系统：在雷达系统中，皮尔斯振荡器可以用于产生稳定的发射信号和接收信号。这有助于提高雷达的探测距离和分辨率。

3.导航系统：在GPS、GLONASS等导航系统中，皮尔斯振荡器可以用于产生高精度的时钟信号。这对于提高导航精度和可靠性至关重要。

4.测试仪器：在射频和微波测试仪器中，皮尔斯振荡器可以用于产生稳定的频率信号，以便对被测设备进行准确的性能评估。

5.科学研究：在科学研究中，皮尔斯振荡器可以用于产生特定频率的信号，以便进行各种物理实验和研究。

总之，皮尔斯振荡器作为一种高性能的电子振荡器，在射频和微波领域中有着广泛的应用。它的高稳定性、低相位噪声和良好的频率稳定性使其成为许多关键应用的理想选择。