皮尔斯震荡器-电路实现

皮尔斯震荡器
皮尔斯震荡器（Pierce oscillator，或称皮尔斯晶体震荡器）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。

得名于发明者：乔治·皮尔斯（George W. Pierce，1872-1956）。

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皮尔斯震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，几乎均使用皮尔斯震荡器电路，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。

简单的皮尔斯震荡器电路
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。

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加入这个电阻的主要目的有:
1. 抑制高频混附(spurious)振荡，以获得干净的输出讯号。

2. 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。

电路实现
参照以上电路，搭建皮尔斯振荡电路，反相器使用三极管搭建。

当VCC=5V，R1=R2=1K，R3=1M时，测量XT1左侧的峰峰值为124mV，
当VCC=5V，R1=R2=1K，R3=100K时，测量XT1左侧的峰峰值为412mV，
当VCC=3.3V，R1=R2=1K，R3=1M时，测量XT1左侧的峰峰值为84mV，
当VCC=3.3V，R1=R2=1K，R3=100K时，测量XT1左侧的峰峰值为254mV(这个值和测得的STM 32外接8M晶振正常工作时的幅度是一样的)
而当电阻R1和R2变为100Ω时，却没有信号。

其中R3是偏压电阻。