在频率控制元器件行业里，有一种电子振荡电路叫做皮尔斯振荡器，是现在应用比较广泛的oscillator crystal电路之一，几十年来国内外许多频率元件制造商都在研究皮尔斯振荡器电路，它的优点是电路比较简单不复杂，工作时也比较稳定而有效。电路的组合也只有一个晶体，电阻，反相器，外加两个电容基本就能开始工作了，就是这么的简单，这就是为什么工程们如此钟爱它的原因。皮尔斯振荡器电路适用于大面积的量产，而且交期快，可帮助厂家和用户节省不少时间，加上现在的IC大部分都在内部安置了电阻和反相器，这样操作起来更简单便捷，效率更快。

穿孔振荡器介绍：

皮尔斯振荡器是科尔皮兹振荡器的变体，它们与石英晶体谐振器一起广泛使用。皮尔斯振荡器需要减少一组外部元件，从而降低最终设计成本。另外，皮尔斯振荡器与晶体谐振器，特别是石英晶体谐振器配对时，其稳定的振荡频率是众所周知的。

图1.穿孔振荡器电路

Inv：用作放大器的内部逆变器

Q：水晶石英或陶瓷谐振器

RF：内部反馈电阻

RExt：外部电阻，用于限制逆变器输出电流

CL1和CL2：是两个外部负载电容

Cs：杂散电容是微控制器引脚电容（OSC_IN和OSC_OUT）和PCB电容的增加：它是寄生电容。

RF反馈电阻：

在大多数STM icroelectronics微控制器中，RF嵌入在OSC振荡器电路中。它的作用是使逆变器充当放大器。反馈电阻连接在Vin和Vout之间，以便在Vout=Vin时偏置放大器，并强制它在线性区域（图6中的阴影区域）中工作。放大器放大串行到并行频率（Fa，Fa）范围内的噪声（例如，晶体的热噪声）。这种噪音会引起振荡。在某些情况下，如果在振荡稳定后移除RF，则振荡器继续正常工作。

图2.逆变器传输功能

表1提供了RF的典型值。

表1.给定频率的典型反馈电阻值

CL负载电容：

负载电容是连接到有源晶体振荡器的电路的终端电容。该值由外部电容器CL1和CL2以及印刷电路板和连接（Cs）的杂散电容确定。CL值由晶体制造商指定。主要是，为了使频率准确，振荡器电路必须向晶体显示与调整晶体相同的负载电容。频率稳定性主要要求负载电容恒定。外部电容器CL1和CL2用于调节CL的期望值以达到晶体制造商规定的值。以下等式给出CL的表达式：

CL1和CL2计算的示例：

例如，如果晶体的CL值等于15 pF，并且假设Cs=5pF，则：

振荡器跨导

理论上，为了使振荡开始并积累直至达到稳定的振荡阶段，石英晶体振荡器应提供足够的增益，同时补偿振荡回路损耗并提供使振荡积聚的能量。当振荡变得稳定时，实现振荡器提供的功率和振荡回路耗散功率之间的相等性。

实际上，由于无源元件值的容差及其对环境参数（例如温度）的依赖性，不建议振荡器增益与振荡环临界增益之间的x1之比。这将导致振荡器启动时间过长，甚至可能阻止振荡器启动。

本文介绍了两种可用于检查STM32振荡器是否可以与给定谐振器配对的方法，以确保在谐振器和振荡器的指定条件下振荡开始并保持。该方法取决于如何在微控制器数据表中指定振荡器参数：

•如果指定了振荡回路最大临界增益参数（gm_crit_max），则必须确保振荡回路临界增益（gmcrit）小于指定参数。

•如果指定了振荡器跨导参数（gm），请确保增益裕度比（gainmargin）大于x5。下面是gmcrit和gainmargin的计算公式。

哪里：

gm是微控制器数据表中规定的振荡器跨导。请注意，HSE振荡器跨导的范围为几十mA/V，而LSE振荡器跨导的范围从几μA/V到几十μA/V，具体取决于产品。gmcrit定义为当振荡环路的一部分与此参数相关时，维持稳定振荡所需的振荡器的最小跨导。gmcrit由振荡环无源元件参数计算。假设CL1等于CL2，并且晶体在其焊盘上看到与石英晶振厂家给出的值相同的CL，则gmcrit表示如下：

哪里:

ESR =等效串联电阻

C0是晶体分流电容。

CL是晶体标称负载电容。

F是晶体标称振荡频率。

例如，为了设计嵌入STM32F1微控制器的HSE振荡器的振荡环路，其跨导值（gm）等于25 mA/V，我们选择FOX晶振公司的石英晶体，具有以下特性：

频率= 8MHz

C0 = 7pF

CL = 10pF

ESR =80Ω。

为了检查这个晶体是否会与STM32F1微控制器一起振荡，让我们计算gmcrit：

计算增益余量给出：

增益裕度足以启动振荡并达到“增益裕度大于5”的条件。在微控制器数据表规定的典型延迟后，振荡器有望达到稳定的振荡。如果发现增益裕度不足（gainmargin<5），在设计和测试时，振荡可能会在典型条件下（在实验室条件下实现）启动最后的申请。但是，这并不能保证振荡在运行条件下启动。因此，强烈建议所选晶体的增益裕度大于或等于5.尝试选择具有较低ESR或/和较低CL的晶体。无论指定的参数如何，压电石英晶体振荡子跨导（gm）或振荡回路最大临界增益（gm_crit_max），如果需要，这两个参数之间的转换是可能的。这两个参数之间的关系由下面的公式给出：

驱动电平（DL）和外部电阻（RExt）计算

驱动电平（DL）和外部电阻值（RExt）密切相关，将在同一节中介绍。

计算驱动电平（DL）

驱动电平是晶体消耗的功率。必须限制，否则SMD晶体会由于过度的机械振动而失效。最大驱动电平由晶体制造商指定，通常以mW为单位。超过此最大值可能会导致晶体损坏或器件寿命缩短。

驱动级别由以下公式给出：其中：

ESR是等效串联电阻（由晶体制造商指定）：

IQ是流经RMS晶体的电流。该电流可以作为正弦波显示在示波器上。可以将当前值读取为峰峰值（IPP）。使用电流探头时（如图7所示），示波器的电压标度可以转换为1mA/1mV。

图3.使用电流探头进行电流驱动测量

因此，如前所述，当使用电位计调节电流时，通过晶体的电流不会超过IQmax RMS（假设通过晶体的电流是正弦的）。因此IQmax RMS由下式给出：

因此，通过晶体的电流（示波器上读取的峰峰值）不应超过最大峰峰值电流（IQmaxPP），等于：

因此，当IQ超过IQmaxPP时，需要外部电阻（RExt）。然后添加RExt成为强制性的，并在IQmax的表达式中添加到ESR。