晶体振荡器(石英晶体)

石英晶体振荡器是一种利用石英晶体作为谐振腔来稳定或控制其频率的振荡器电路。这些常用于生成时钟模拟电路和数字系统．

这些被用于需要更大的稳定性的应用，即精确地维持一个精确的振荡频率，如手表，通信发射机和接收机。在LC振荡器中，频率由电感和电容值决定。

但这些变量会随着气候、时间和温度的波动而变化。因此，LC振荡器不适合用于频率稳定的应用。但在晶体振荡器中，晶体是一种频率决定元件，具有很高的频率稳定性。

什么是石英晶体?

这些晶体要么是人工合成的，要么是自然产生的，表现出压电效应的元素。压电效应是一种机电现象，每当在晶体的一个面施加机械压力时，它就会在晶体的相反面产生电位差。因此，当力引起晶体振动时，就会在整个晶体上产生交流电压。

相反，当对晶体施加交流电压时，就会产生机械振动，造成晶体形状的机械变形。这些振动或振荡以共振频率振荡，该频率由晶体的切割和物理尺寸决定。

这是因为每个晶体都有自己的共振频率，这取决于它的切割。因此，它在机械振动的影响下产生恒频信号。
上图是在密封的外壳中用符号表示的石英薄片。基本上，它是六角形的，两端是金字塔。但为了实际应用，将其简化为矩形板片。

切割过程涉及到X切割、Y切割、AT切割等。然后这个平板被安装在两块金属板之间。这些金属板被称为托板，因为它们中间夹着一块水晶板。

晶体从几千赫到几兆赫，质量因数从几千到几十万。这些高质量因子值使晶体在温度和时间方面极为稳定。

石英晶体等效电路

当晶体是稳定的，即不振动时，由于其机械安装，晶体相当于一个电容。这种电容称为安装电容CM，它存在于由电介质作为晶板隔开的两块金属板之间。这个CM是并联电容。

当晶体开始振动时，会有内摩擦损失，用电阻R表示，而晶体有一定的质量，所以其惯性用电感l表示。在振动状态下，晶体表现出一定的刚度，用电容C表示。

因此，R、L、C三个元素是天然晶体的特性，而CM是支撑晶体的电极的电容。所有这些值都是由晶体切割，它的大小和振动的性质决定的。晶体的整体等效电路如下图所示。

这些RLC参数构成了谐振电路，谐振频率表示为:

fr = (1/ (2π√(LC))√(Q2 / (1 + Q2))

其中Q是质量因子，其值等于2 π f L / r。晶体的Q值非常高，一般为20000。因此√(Q2 / (1 + Q2))变成了一个单位。则共振频率为

fr = (1/ (2π√(LC))

事实上，晶体频率与厚度成反比。因此，厚度应该非常小，以有非常高的频率。但是，晶体有可能在振动下受损。因此，晶体振荡器用于大约200或300千赫的频率范围。

串并联共振

从晶体振荡器的等效电路可以看出，该电路有两个谐振频率，即串联谐振频率和并联谐振频率。当串联RLC支臂电抗相等，即XC = XL时，发生串联共振。

在串联谐振频率处，串联LC臂的电抗为零，串联谐振时该支路提供的阻抗仅为R。该系列谐振频率表示为

fs = (1/ (2π√(LC))

当串联谐振腿的电抗等于安装电容的电抗时，则发生并联谐振条件。当频率大于fs时，串联臂的电抗是感应的。在这种谐振条件下，晶体提供给外部电路的阻抗非常高。

并联谐振时的等效电容为

测查= C_米C / C_米+ C

并联谐振频率由

fp = (1/ (2π√(LCeq))

下图显示了当串联leg中的电容值远小于CM时晶体阻抗与频率的关系。

一般来说，fp和fs非常接近，因此实际上可以说晶体只存在一种共振频率。

Colpitts晶体振荡器

Colpitts晶体振荡器主要用于高频的稳定振荡器，它使用石英晶体来控制振荡器的频率。

反馈通过通常外部的电容分压器装置提供，但也可以通过电容元件提供。下图显示了使用外部电容反馈方法的共发射极柯尔皮茨电路。

在上述电路中，分压器偏置由R1和RB电阻提供，以方便启动，C3是一个旁路电容，有效地隔离基极与RF变化。电容器C1和2连接在集电极和发射极之间，用于反馈。

反馈的调节和控制是由这两个可变电容提供的。晶体连接在集电极和地之间，作为并联谐振电路工作。

集电极通过RFC供电，并结合C4作为电源隔离电路。输出可以在集电极端电容性地获得。

操作

该晶体振荡器的工作依赖于分压器电路的作用，分压器电路由电容器C1和C2组成。当功率被施加到电路中时，一个小的偏置电流流过RB。然后集电极电流流过电容器分压器并产生电压。

• 假设晶体管内部产生的噪声脉冲会增加集电极电流。这将导致集电极电压下降，电容C2将这一电压变化耦合到发射极。
• 减小的负信号(正信号)应用到发射器是再生的。这将导致集电极电流进一步增加。
• 集电极电压继续下降(负电压向正方向变化)，电容C2继续将这个充电电压耦合到发射极。
• 与此同时，集电极电压的变化出现在整个晶体上。因此晶体受到压电作用的轻微机械应变。
• 当集电极电流达到饱和水平时，不再发生进一步的变化，再生动作停止。
• 此时晶体上的静电应变开始减小，电容C1通过RE开始轻微放电，最后集电极电流开始下降。这个动作也是再生的，晶体管很快进入截止模式。
• 当集电极电流减小时，集电极电压增加(更负)，现在晶体在相反的方向上应力。
• 因此，这种作用每持续一个周期，晶体就会以其平行共振频率振荡。由于晶体的振荡产生一个横跨它的电压，一旦开始进入振动，晶体将继续振荡。
• 由于晶体从集电极到地以分流的方式连接，它有效地发挥了并联谐振电路的作用，并将振荡脉冲平滑成近似的正弦波形。

也可以设计具有多种电路配置的晶体振荡器。其他最常见的电路结构包括米勒晶体振荡器和皮尔斯晶体振荡器。

微处理器晶体时钟

正如我们所讨论的，晶体振荡器被用来产生具有更高频率稳定性的振荡。这就是为什么晶体振荡器被用于数字系统产生时钟信号的原因。由于微处理器或控制器的指令执行与时钟信号同步进行。

某些类型的控制器有内置的振荡器电路，他们只需要一个石英晶体产生必要的时钟信号。某些数字器件可能不包含内置的振荡器单元，因此需要外部振荡器电路来产生时钟脉冲。

上图显示了石英晶体振荡器用于微处理器时钟频率的产生，在微控制器的情况下，石英晶体谐振器足以完成这项工作。根据系统运行的最大时钟频率的值来决定振荡器电路或晶体的值。

下图说明了8051单片机它的工作原理是一个外部晶体振荡器。石英晶体振荡器通常连接在输入引脚XTAL1和XTAL2之间。

XTAL1是反相振荡器放大器的输入和内部时钟产生电路的输入，而XTAL2是反相振荡器放大器的输出。在8052单片机的情况下，最常用的晶体频率是12兆赫和11.059兆赫，然而11.059更常见。

例子问题

石英晶体具有以下参数:C_米= 1pf, R= 5K ω， L = 0.4 H, C= 0.085pF。然后求出晶体的串联谐振频率、并联谐振频率和品质因数。

由上述讨论的并联谐振和串联谐振概念，串联谐振频率表示为

fs = (1/ (2π√(LC))

= (1/ (2π√(0.4 × 0.085 × 10)^-12年）)

= 0.856兆赫

并联谐振频率由

fp = (1/ (2π√(LCeq))

并联谐振时的等效电容为

测查= C_米C / C_米+ C

= (0.085 × 1) / (0.085 + 1)

= 0.078 pF

fp = (1/ (2π√(LC))

= (1/ (2π√(0.4 × 0.078 × 10)^-12年）)

= 0.899兆赫

质量因子Q = ws L / R

= 2π fs L / R

= (2π × 0.856 × 106 × 0.4) / 5 × 10^3.

= 430.272