皮尔斯振荡器的工作原理 皮尔斯振荡器电路详解

皮尔斯振荡器（Pierce oscillator，或称皮尔斯晶体振荡器）是一种电子振荡电路，特别适用于配合**石英振荡晶体以产生振荡讯号。

皮尔斯振荡器衍生自考毕子振荡器。现今使用石英晶体进行振荡以产生时钟讯号的数位电路，几乎均使用皮尔斯振荡器电路，因为它电路简单，工作有效而稳定，优于其它型态的石英晶体振荡电路。 皮尔斯震荡器所需零件很少: 一个反相器、一个电阻、一个石英晶体、两个小电容。石英晶体在此扮演高选择度的滤波元件。 此外，很多 IC 已内建反相器与电阻，只要在外部加上石英晶体与两个电容就可以工作。 由于石英晶体频率稳定，此电路成本又很低，因此广泛用于各种消费电子产品之中。

皮尔斯振荡器的工作原理

偏压电阻

回授电阻 R1 可以看成是反相器的偏压电阻，令反相器工作在线性区域而成为高增益的反相放大器，并确保振荡的发生。

不妨这样看： 假设此反相器为理想反相器，输入阻抗无限大、输出阻抗为0，则此电阻将令输入电压与输出电压相等，因而使反相器内的晶体管不会工作在完全导通或完全截止的状态，而是工作在具有增益的中间过渡区域。

共振器

石英晶体与 C1, C2 两电容构成π型网络形式的带通滤波器，约在石英晶体的共振频率上，提供 180 度相移与所需的电压增益。

在发生震荡的频率上，石英晶体呈现电感性，可视为是具有高 Q 值的电感。π型网络的 180 度相移加上反相器的负增益，合起来成为正的环增益(正回授)，使 R1 所设定的偏压无法稳定而导致震荡。

隔离电阻

有时会在反相器的输出与石英晶体与电容的π型网络间，额外串入一个电阻，把输出与π形网络隔离开来。此电阻会与 C2 造成些许额外的相移。

加入这个电阻的主要目的有：

抑制高频混附(spurious)振荡，以获得干净的输出讯号。

降低石英晶体的驱动功率，以防止超过石英晶体的容许驱动功率（术语称驱动准位，drive level）而加速老化或造成破损，尤其是对低功率的石英晶体。

负载电容

由石英晶体看出去，电路上的总电容量称为石英晶体的“负载电容”。由于负载电容量对电路所振荡出的讯号频率有些影响，因此，石英晶体的规格中会写明负载电容的数值，规格书中的振荡频率，是以符合此负载电容值的电路为准。

因此，为达到正确的振荡频率，电路设计者应确保电路上的负载电容符合石英晶体的负载电容规格。在计算负载电容时，电路的杂散电容，例如电路板铜箔间的电容，IC 接脚的电容等，均需纳入考虑。

皮尔斯振荡器有低功耗、低成本及良好的稳定性等特点，因此常见于通常的应用中。

图 皮尔斯振荡器电路

Inv：内部反向器，作用等同于放大器。

Q：石英或陶瓷晶振。

R F ：内部反馈电阻（译注：它的存在使反相器工作在线性区，从而使其获得增益，作用等同于放大器）。

P Ext ：外部限流电阻。

CL1和C L2 ：两个外部负载电容。

Cs：由于PCB布线及连接等寄生效应引起的等效杂散电容（OSC＿IN和OSC＿OUT管脚上）。