虽然Pierce振荡器在业界里已经是老生常谈了,但是关于它的研究却从未停止过, Pierce是频率元件的其中一种电路,中文名字是皮尔斯,作用是配合石英晶振产生振荡信号.作为振荡器比较常见的一种电路,其操作和布局相对简单,而且非常实用,帮助工程师们解决许多问题.本文内容主要为广大用户分析Pierce振荡器的实用性,资料由Statek晶振公司提供,康华尔电子整理,希望可以帮助各大工程或技术.

为了从Pierce晶体振荡器获得最佳性能,例如:良好的频率稳定性和低长期老化,必须仔细考虑晶体参数,晶体驱动电流和石英晶体振荡器增益要求.经过多年的经验,已经发现过多的晶体驱动电流是振荡器故障的主要原因之一.过度驱动晶体会导致频率随时间不稳定,对于调谐叉晶体,过度的运动位移会破坏晶体尖齿.

本技术说明描述了测量皮尔斯振荡器关键参数的实用方法.这允许设计人员根据实际振荡器性能检查振荡器设计,并确保满足振荡器设计规则.(有关分析,请参阅Statek晶振技术说明30.)本说明包括以下主题:

1.确定晶体驱动电流的实用程序.

2.测量放大器跨导gm和输出电阻RO的实用程序.

3.确定皮尔斯振荡器电路的总负载电容CL的实际过程.

基本晶体振荡器:

基本的石英晶体CMOS皮尔斯振荡器电路配置如图1所示.晶体振荡器电路由放大部分和反馈网络组成.为了发生振荡,必须满足巴克豪森标准:

(a)环路增益必须大于1.

(b)环路周围的相移必须是2π的整数倍.

CMOS放大器提供放大,而两个电容器CD和CG,电阻器RA和晶体用作反馈网络.电阻器RA稳定放大器的输出电压,用于降低晶体驱动电平.

图1:基本穿孔振荡器电路

晶体驱动电流由等式给出:

在

增益方程是:

工作频率由下式给出:

其中CL是振荡的负载电容.使用CMOS普通有源晶振的闭环和相图分析得出振荡频率,增益和晶体驱动的等式.有关详细信息,请参阅Statek的技术说明30.

测量水晶驱动水平:

良好的振荡器设计最重要的参数之一是晶体驱动电流.随着对超小型石英晶体谐振器的需求不断增加,必须仔细考虑晶体参数和振荡器元件.不应超过建议的最大晶振水平.

影响驱动级别的主要因素:

是电源电压(VDD),R1,RA,CD,CG和杂散电容Cs.

测量程序:

1.测量CG:去除晶振并中和节点(d).未施加电源时,使用电容计测量CG.

2.测量CD:取下晶体并断开RA.未施加电源时,使用电容计测量CD和Cd.

3.计算阻抗XG=1/(ωCG),XD=1/(ωCD),并且Xd=1/(ωCd).

4.安装晶振,重新连接RA并打开工作电源电压.

5.计算峰-峰电流:(IG)p-p=(VG)p-p/XG和(ID)p-p=(VD)p-p/XD.

6.通过晶振的AC电流将在(IG)RMS和(ID)RMS之间,更接近(IG)RMS.

7.测量的电流不应超过建议的最大值

8.使用不超过2pF电容的示波器探头,测量CG和CD上的峰峰值电压.注意:将信号交流耦合到示波器探头,以避免改变直流偏置电压.