在頻率控制元器件行業(yè)里，有一種電子振蕩電路叫做皮爾斯振蕩器，是現(xiàn)在應(yīng)用比較廣泛的oscillator crystal電路之一，幾十年來國內(nèi)外許多頻率元件制造商都在研究皮爾斯振蕩器電路，它的優(yōu)點是電路比較簡單不復(fù)雜，工作時也比較穩(wěn)定而有效。電路的組合也只有一個晶體，電阻，反相器，外加兩個電容基本就能開始工作了，就是這么的簡單，這就是為什么工程們?nèi)绱绥姁鬯脑颉Ｆ査拐袷幤麟娐愤m用于大面積的量產(chǎn)，而且交期快，可幫助廠家和用戶節(jié)省不少時間，加上現(xiàn)在的IC大部分都在內(nèi)部安置了電阻和反相器，這樣操作起來更簡單便捷，效率更快。

穿孔振蕩器介紹：

皮爾斯振蕩器是科爾皮茲振蕩器的變體，它們與石英晶體諧振器一起廣泛使用。皮爾斯振蕩器需要減少一組外部元件，從而降低最終設(shè)計成本。另外，皮爾斯振蕩器與晶體諧振器，特別是石英晶體諧振器配對時，其穩(wěn)定的振蕩頻率是眾所周知的。

圖1.穿孔振蕩器電路

Inv：用作放大器的內(nèi)部逆變器

Q：水晶石英或陶瓷諧振器

RF：內(nèi)部反饋電阻

RExt：外部電阻，用于限制逆變器輸出電流

CL1和CL2：是兩個外部負(fù)載電容

Cs：雜散電容是微控制器引腳電容（OSC_IN和OSC_OUT）和PCB電容的增加：它是寄生電容。

RF反饋電阻：

在大多數(shù)STM icroelectronics微控制器中，RF嵌入在OSC振蕩器電路中。它的作用是使逆變器充當(dāng)放大器。反饋電阻連接在Vin和Vout之間，以便在Vout=Vin時偏置放大器，并強制它在線性區(qū)域（圖6中的陰影區(qū)域）中工作。放大器放大串行到并行頻率（Fa，F(xiàn)a）范圍內(nèi)的噪聲（例如，晶體的熱噪聲）。這種噪音會引起振蕩。在某些情況下，如果在振蕩穩(wěn)定后移除RF，則振蕩器繼續(xù)正常工作。

圖2.逆變器傳輸功能

表1提供了RF的典型值。

表1.給定頻率的典型反饋電阻值

CL負(fù)載電容：

負(fù)載電容是連接到有源晶體振蕩器的電路的終端電容。該值由外部電容器CL1和CL2以及印刷電路板和連接（Cs）的雜散電容確定。CL值由晶體制造商指定。主要是，為了使頻率準(zhǔn)確，振蕩器電路必須向晶體顯示與調(diào)整晶體相同的負(fù)載電容。頻率穩(wěn)定性主要要求負(fù)載電容恒定。外部電容器CL1和CL2用于調(diào)節(jié)CL的期望值以達(dá)到晶體制造商規(guī)定的值。以下等式給出CL的表達(dá)式：

CL1和CL2計算的示例：

例如，如果晶體的CL值等于15 pF，并且假設(shè)Cs=5pF，則：

振蕩器跨導(dǎo)

理論上，為了使振蕩開始并積累直至達(dá)到穩(wěn)定的振蕩階段，石英晶體振蕩器應(yīng)提供足夠的增益，同時補償振蕩回路損耗并提供使振蕩積聚的能量。當(dāng)振蕩變得穩(wěn)定時，實現(xiàn)振蕩器提供的功率和振蕩回路耗散功率之間的相等性。

實際上，由于無源元件值的容差及其對環(huán)境參數(shù)（例如溫度）的依賴性，不建議振蕩器增益與振蕩環(huán)臨界增益之間的x1之比。這將導(dǎo)致振蕩器啟動時間過長，甚至可能阻止振蕩器啟動。

本文介紹了兩種可用于檢查STM32振蕩器是否可以與給定諧振器配對的方法，以確保在諧振器和振蕩器的指定條件下振蕩開始并保持。該方法取決于如何在微控制器數(shù)據(jù)表中指定振蕩器參數(shù)：

•如果指定了振蕩回路最大臨界增益參數(shù)（gm_crit_max），則必須確保振蕩回路臨界增益（gmcrit）小于指定參數(shù)。

•如果指定了振蕩器跨導(dǎo)參數(shù)（gm），請確保增益裕度比（gainmargin）大于x5。下面是gmcrit和gainmargin的計算公式。

哪里：

gm是微控制器數(shù)據(jù)表中規(guī)定的振蕩器跨導(dǎo)。請注意，HSE振蕩器跨導(dǎo)的范圍為幾十mA/V，而LSE振蕩器跨導(dǎo)的范圍從幾μA/V到幾十μA/V，具體取決于產(chǎn)品。gmcrit定義為當(dāng)振蕩環(huán)路的一部分與此參數(shù)相關(guān)時，維持穩(wěn)定振蕩所需的振蕩器的最小跨導(dǎo)。gmcrit由振蕩環(huán)無源元件參數(shù)計算。假設(shè)CL1等于CL2，并且晶體在其焊盤上看到與石英晶振廠家給出的值相同的CL，則gmcrit表示如下：

哪里:

ESR =等效串聯(lián)電阻

C0是晶體分流電容。

CL是晶體標(biāo)稱負(fù)載電容。

F是晶體標(biāo)稱振蕩頻率。

例如，為了設(shè)計嵌入STM32F1微控制器的HSE振蕩器的振蕩環(huán)路，其跨導(dǎo)值（gm）等于25 mA/V，我們選擇FOX晶振公司的石英晶體，具有以下特性：

頻率= 8MHz

C0 = 7pF

CL = 10pF

ESR =80Ω。

為了檢查這個晶體是否會與STM32F1微控制器一起振蕩，讓我們計算gmcrit：

計算增益余量給出：

增益裕度足以啟動振蕩并達(dá)到“增益裕度大于5”的條件。在微控制器數(shù)據(jù)表規(guī)定的典型延遲后，振蕩器有望達(dá)到穩(wěn)定的振蕩。如果發(fā)現(xiàn)增益裕度不足（gainmargin<5），在設(shè)計和測試時，振蕩可能會在典型條件下（在實驗室條件下實現(xiàn)）啟動最后的申請。但是，這并不能保證振蕩在運行條件下啟動。因此，強烈建議所選晶體的增益裕度大于或等于5.嘗試選擇具有較低ESR或/和較低CL的晶體。無論指定的參數(shù)如何，壓電石英晶體振蕩子跨導(dǎo)（gm）或振蕩回路最大臨界增益（gm_crit_max），如果需要，這兩個參數(shù)之間的轉(zhuǎn)換是可能的。這兩個參數(shù)之間的關(guān)系由下面的公式給出：

驅(qū)動電平（DL）和外部電阻（RExt）計算

驅(qū)動電平（DL）和外部電阻值（RExt）密切相關(guān)，將在同一節(jié)中介紹。

計算驅(qū)動電平（DL）

驅(qū)動電平是晶體消耗的功率。必須限制，否則SMD晶體會由于過度的機械振動而失效。最大驅(qū)動電平由晶體制造商指定，通常以mW為單位。超過此最大值可能會導(dǎo)致晶體損壞或器件壽命縮短。

驅(qū)動級別由以下公式給出：其中：

ESR是等效串聯(lián)電阻（由晶體制造商指定）：

IQ是流經(jīng)RMS晶體的電流。該電流可以作為正弦波顯示在示波器上?？梢詫?dāng)前值讀取為峰峰值（IPP）。使用電流探頭時（如圖7所示），示波器的電壓標(biāo)度可以轉(zhuǎn)換為1mA/1mV。

圖3.使用電流探頭進(jìn)行電流驅(qū)動測量

因此，如前所述，當(dāng)使用電位計調(diào)節(jié)電流時，通過晶體的電流不會超過IQmax RMS（假設(shè)通過晶體的電流是正弦的）。因此IQmax RMS由下式給出：

因此，通過晶體的電流（示波器上讀取的峰峰值）不應(yīng)超過最大峰峰值電流（IQmaxPP），等于：

因此，當(dāng)IQ超過IQmaxPP時，需要外部電阻（RExt）。然后添加RExt成為強制性的，并在IQmax的表達(dá)式中添加到ESR。