什么是皮尔斯振荡器？皮尔斯振荡器电路如何工作？

本文介绍皮尔斯振荡器的电路工作原理。

什么是皮尔斯（Pierce）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，皮尔斯振荡器在设计上与之前的 Colpitts 振荡器非常相似，非常适合使用晶体作为其反馈电路的一部分来实现晶体振荡器电路。

与标准振荡器相比的成本、尺寸、复杂性和功率，皮尔斯振荡器是在大多数嵌入式解决方案和设备中被广泛首选，以产生稳定的频率振荡。

一个简单的皮尔斯振荡器具有以下组件，如数字反相器、电阻、两个电容和一个石英晶体。

皮尔斯振荡器电路如何工作

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。

上图是皮尔斯振荡器电路图片。

反馈电阻 R1 是通过从逆变器的输出对逆变器输入电容充电来制成线性逆变器，如果逆变器是理想的，则具有无限的输入阻抗和零输出阻抗值。这样，输入和输出电压将相等。因此逆变器工作在过渡区。

下图展示了皮尔斯振荡器电路简化电路图。逆变器 U1 在环路中提供 180° 相移。电容 C1 和 C2 以及晶体 X1 一起为环路提供额外的 180° 相移，以满足振荡的相移标准，通常选择 C1 和 C2 值相等。

上图是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°。

如果振荡器满足上述两个条件，那么只有它们才能成为有价值的振荡器。这里，该振荡器通过电路的环路和反相器的使用来满足上述两个条件。

皮尔斯振荡器电路原理分析案例1

皮尔斯振荡器主要是一个串联谐振调谐电路（与 Colpitts 振荡器的并联谐振电路不同），它使用 JFET 作为其主要放大设备，因为 FET 提供非常高的输入阻抗，晶体通过电容 C1 连接在漏极和栅极之间，如下图所示。

上图，皮尔斯振荡器电路图片。

在这个简单的电路中，晶体决定振荡频率并在其串联谐振频率下工作，ƒs 在输出和输入之间提供低阻抗路径。共振时有 180°的相移，使反馈为正，输出正弦波的幅度被限制在漏极端子的最大电压范围内。

电阻 R1 控制反馈量和晶体驱动量，而射频扼流圈 RFC 两端的电压在每个周期内反转。大多数数字时钟、手表和计时器都使用某种形式的皮尔斯振荡器，因为它可以使用最少的组件来实现。

皮尔斯振荡器电路原理分析案例2

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。

上图，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。

皮尔斯振荡器电路原理分析案例3

下图显示了数字处理器设计中常用的皮尔斯振荡器电路图，在这种类型的晶体振荡器设计中，滤波器由晶体的等效模型和外部负载电容组成。

振荡器运行的确切频率取决于振荡器电路内的环路相位角偏移，相位角的变化将导致输出频率的变化。

上图，皮尔斯振荡器电路图片。

皮尔斯振荡器电路原理分析案例4

下图所示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，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。

设计上面皮尔斯振荡器电路需要用到的一些组件：

一个 100 µH 电感

一个 J112 JFET

任何 1 nF 电容

任何 10 MΩ 电阻

用于电源、输出和放置不同晶体的剩余母头。

晶振

剩余的穿孔板

3 V 和 18 V 之间的直流电源，单个 CR 2032 纽扣电池即可。或一对 AA(A)、9 V 电池。

皮尔斯振荡器电路原理分析案例5

下图电路是一个皮尔斯振荡器电路，可将3 2.768 kHz晶体的振荡转换为数字方波，该方波可馈入（两个）UNO 外部中断引脚中的一个。

需要晶振、12 ρF 负载电容和 330 kΩ 固定电阻。

在面包板上构建皮尔斯振荡器。

皮尔斯振荡器的应用

适用于嵌入式解决方案和锁相环 (PLL) 设备。

在麦克风中，语音控制设备和在这些设备中将声能转换为电能的设备是首选，因为具有出色的频率稳定性因子。

由于其低制造成本，可用于大多数消费电子应用。

审核编辑：刘清