皮尔斯振荡器

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。得名于发明者：乔治·皮尔斯（George W. Pierce，1872-1956。^[1]^[2]

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。皮尔斯振荡器所需零件很少：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。

工作原理

简单的皮尔斯振荡器电路

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。

在发生振荡的频率上，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振荡。

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。^[3]

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。

参见

Colpitts振荡器

参考资料

^ George W. Pierce (October 1923) "Piezoelectric crystal resonators and crystal oscillators applied to the precision calibration of wavemeters," Proceedings of the American Academy of Arts and Sciences, vol. 59, no. 4, pages 81-106.
^ George W. Pierce, "Electrical System," U.S. patent 2,133,642 (filed: 25 February 1924; issued: 18 October 1938). Available on-line at: http://patimg1.uspto.gov/.piw?Docid=02133642&homeurl=http%3A%2F%2Fpatft.uspto.gov%2Fnetacgi%2Fnph-Parser%3FSect1%3DPTO1%2526Sect2%3DHITOFF%2526d%3DPALL%2526p%3D1%2526u%3D%25252Fnetahtml%25252FPTO%25252Fsrchnum.htm%2526r%3D1%2526f%3DG%2526l%3D50%2526s1%3D2,133,642.PN.%2526OS%3DPN%2F2,133,642%2526RS%3DPN%2F2,133,642&PageNum=&Rtype=&SectionNum=&idkey=NONE&Input=View+first+page .
^ Fairchild Semiconductor Corporation, HCMOS Crystal Oscillators: Fairchild Semiconductor Application Note 340, May 1983, pp. 1-2PDF (45.4 KiB)

[1] George W. Pierce (October 1923) "Piezoelectric crystal resonators and crystal oscillators applied to the precision calibration of wavemeters," Proceedings of the American Academy of Arts and Sciences, vol. 59, no. 4, pages 81-106.

[2] George W. Pierce, "Electrical System," U.S. patent 2,133,642 (filed: 25 February 1924; issued: 18 October 1938). Available on-line at: http://patimg1.uspto.gov/.piw?Docid=02133642&homeurl=http%3A%2F%2Fpatft.uspto.gov%2Fnetacgi%2Fnph-Parser%3FSect1%3DPTO1%2526Sect2%3DHITOFF%2526d%3DPALL%2526p%3D1%2526u%3D%25252Fnetahtml%25252FPTO%25252Fsrchnum.htm%2526r%3D1%2526f%3DG%2526l%3D50%2526s1%3D2,133,642.PN.%2526OS%3DPN%2F2,133,642%2526RS%3DPN%2F2,133,642&PageNum=&Rtype=&SectionNum=&idkey=NONE&Input=View+first+page .

[Fairchild_AN340-3] Fairchild Semiconductor Corporation, HCMOS Crystal Oscillators: Fairchild Semiconductor Application Note 340, May 1983, pp. 1-2PDF (45.4 KiB)

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