该电路不是数字电路。事实上，它是一个数学上相当复杂的非线性模拟电路，具有自动增益控制和自持振荡模式。它被称为“皮尔斯振荡器”。

振荡频率由机电谐振器（晶体）的陡峭斜率定义，而增益控制基于输入对 DC 偏置电压的依赖性 - 如果 DC 偏置（在 C1 处）对地太低或太低接近V _cc，增益低。线性增益在地线和电源轨之间的某处最高。

（通常是内部的）偏置电阻 R1 在振荡器中起着至关重要的作用。它在 CMOS 实现中的典型值约为 1 MOhm。它与 C1 一起形成一个低通滤波器，它集成输出并根据输出信号的轻微不对称性提供可变直流偏移，即使输出达到饱和（轨限制）也是如此。

因此，根据逆变器的原始增益以及晶体谐振器和负载电容的参数，Xout 和Xin 上可能会有不同程度的非线性失真的信号形状。在增益非常低且处于自振荡边缘时，信号将接近正弦曲线，而在较高增益时，输出将达到电压轨并且可能接近矩形。制造皮尔斯振荡器的艺术是在矩形输出和正弦输出之间提供一些黄金折衷，使整个电路对温度和电压变化具有良好的稳定性。

本文讨论的是 MEMS 谐振器，而不是石英晶体，但思路是一样的。这是电路如何启动并漂移到稳定状态的示例：

晶体 (+C1/C2) 是一个带宽非常窄的谐振器/滤波器。只有基频可以通过它。

正弦波是一个单一的纯频率，所以它是一个正弦波。

方波是方波，所有奇次谐波填充驼峰，直到正弦变为方波。没有谐波=不是正方形

[注意晶体实际上确实具有称为泛音的“谐波” ，但它们彼此之间的频率略有偏差，因此基波的谐波并没有完全达到第三泛音等]

另一种观点认为，水晶就像在路上滚动的自行车的轮子。驱动它的CMOS逆变器，就像你的脚和腿。现在你可以“踩”踏板，如果你愿意的话，可以试着让动作变成方波。但是踏板无论如何都会平稳地转来转去，因为飞轮效应太大了。水晶就像一个巨大的飞轮，以正弦曲线平稳地滚动。

水晶真的就像一个沉重的飞轮。如果您突然断开驱动器，信号将需要数千个周期才能消失。当你打开振荡器时，它需要数千个周期才能启动，慢慢地增加幅度。这就是为什么你的处理器有一个“振荡器启动定时器”

晶体会将电能转换为机械能，反之亦然。当使用特定频率的正弦波形驱动时，它能够有效地做到这一点。与其他任何东西一起驱动它会导致它将大部分应用的能量转化为热量或机械降解。

虽然处理器可以向晶体输出方波，但这会导致晶体产生更多的热量并承受更多的压力，而不是用更接近正弦波形的东西来驱动它。此外，如果一个引脚的目的是用作晶体振荡器的输出，那么与一个足够强大的晶体管相比，一个不足以迫使引脚上的电压立即改变的小晶体管可能非常便宜。强行驱动方波。

请注意，在大多数情况下，处理器不会将太多功率输入晶体，并且正弦形状不是由从处理器流入晶体的能量主导，而是由反复从将水晶放入连接的盖子并再次返回。

即使信号是正弦波，引脚也有阈值电压。低于此阈值将显示为 0，高于此阈值将显示为 1。这通常是内部电路的结果。

高于阈值时，该引脚将记录为 1。该引脚具有可以正常工作的电压范围，因此即使“1”的电压在正弦波峰值期间发生变化，例如从 3.31 伏到 3.35 伏，它将以所需的方式运行。

因此，即使实际电压略有变化，引脚也会从 0 变为 1。当然，电压过高会以意想不到的方式开始工作，通常会损坏芯片。