了解石英晶體振蕩器的操作

了解石英晶體振蕩器的操作。 在本文中，我們將深入地了解石英晶體振蕩器的操作。我們將首先檢查典型晶體的電抗與頻率曲線。有了這些知識，我們將看看兩種不同的振蕩器拓撲結(jié)構(gòu)，并討論電路架構(gòu)如何迫使晶體以特定頻率振蕩。

圖1：晶振的等效電路圖

圖2：晶振的電抗與頻率曲線圖

為了深入了解晶體的運行，我們假設(shè)晶體是理想的，R m可以忽略不計。因此，在晶體電學模型的下分支中，我們有 L m和 C m串聯(lián)。

當L m和C m串聯(lián)諧振時，它們的阻抗相互抵消。在這個頻率下，下支路的阻抗以及晶體兩端的總阻抗下降到零。這對應(yīng)于圖 2 中的fs，通常稱為晶體的串聯(lián)諧振頻率。請注意，C o 不會影響此頻率的值。

剛好在 fs 之上，L m的電抗變得大于 C m的電抗，我們觀察到晶體表現(xiàn)出感應(yīng)行為。該有效電感的電抗（L m和 C m的串聯(lián)組合）隨頻率增加，并且在某個頻率（f a）下，它等于 晶體模型中 C o的電抗。在這一點上，我們實際上有一個并聯(lián)的 LC 諧振，晶體的總阻抗接近無窮大。頻率 f a稱為反諧振頻率。這個頻率總是高于串聯(lián)諧振頻率。

晶體將以什么頻率振蕩？

我們看到晶體有兩種共振模式。在 f s和 f a處，晶體的阻抗都是電阻性的。在 f s處，阻力最小；然而，在反諧振頻率下，晶體的等效阻抗接近無窮大。

現(xiàn)在要問的問題是，在振蕩器電路中使用時，晶體將以什么頻率振蕩？

答案是，它取決于振蕩器拓撲。

在振蕩頻率下，振蕩器的環(huán)路增益必須等于或大于 1，其相移應(yīng)為 2π 的整數(shù)倍（正反饋）。這些條件決定了晶體的振蕩頻率。

例如，考慮圖 3 中所示的振蕩器。

圖3

在這種情況下，放大級的相移是 2π 的整數(shù)倍。因此，在振蕩頻率下，由晶體和R 1引起的相移應(yīng)該為零。這種零相移可以在晶體具有純電阻阻抗（f s和 f a）的頻率下實現(xiàn)。

在 f s處，晶體的阻抗最小，因此，由晶體和 R 1創(chuàng)建的分壓器具有更大的增益，如上圖所示。因此，通過上述安排，電路可以在fs處振蕩。

圖 4 描繪了另一種振蕩器拓撲，通常稱為Pierce-Gate振蕩器。

圖4: Pierce-Gate振蕩器

使用這種拓撲結(jié)構(gòu)，放大器可提供 180° 的相移。因此，R s、C 2、C 1和晶體的網(wǎng)絡(luò)應(yīng)提供額外的 180° 相移以滿足振蕩相位條件。當放大器輸出信號通過反饋路徑時，它會經(jīng)歷來自晶體和 C 1組合的一些相移。該相移量取決于信號頻率。

在 f s之下，晶體充當電容器，從 X 1和 C 1的相移接近 0°。在 fs 處，晶體具有電阻阻抗，并且該相移約為 90°。高于 fs時，晶體表現(xiàn)出感應(yīng)行為，相移可接近 180°。

在實踐中，R s和C 2提供的相移小于90°，因此，X 1和C 1的組合需要提供大于90°。這就是為什么晶體需要在其感應(yīng)區(qū)域（圖 2 中的 fs 和 fa 之間）的某個位置工作的原因。

并聯(lián)諧振和串聯(lián)諧振振蕩器

上述討論表明，取決于振蕩器拓撲 ，石英晶體可以在串聯(lián)諧振頻率 (f s ) 和反諧振頻率 (f a ) 之間的任何頻率下振蕩。

許多常見的振蕩器電路，例如 Pierce、Colpitts 和 Clapp 型振蕩器，都在 fs 和 fa 之間的區(qū)域運行晶體。這個區(qū)域通常被稱為“平行共振區(qū)域”，迫使晶體在這個區(qū)域工作的振蕩器被稱為“平行共振振蕩器”。

迫使晶體以 f s工作的振蕩器并不常見。這些振蕩器被稱為“串聯(lián)諧振振蕩器”。值得一提的是，振蕩器設(shè)計中不使用反諧振點。

并聯(lián)和串聯(lián)諧振晶體

晶體行業(yè)中有兩個技術(shù)術(shù)語有時會引起混淆：“并聯(lián)諧振晶體”（或簡稱為并聯(lián)晶體）和“串聯(lián)諧振晶體”（或串聯(lián)晶體）。

并聯(lián)晶體旨在用于并聯(lián)諧振振蕩器。由于并聯(lián)諧振振蕩器在 fs 和 f a之間的某處操作晶體，因此并聯(lián)晶體的標稱頻率是該范圍內(nèi)的頻率，即在晶體的“并聯(lián)諧振區(qū)域”中。

另一方面，串聯(lián)晶體旨在用于串聯(lián)諧振振蕩器。因此，晶體的標稱頻率與其串聯(lián)諧振頻率 (f s ) 相同。

這兩種水晶有什么物理區(qū)別嗎？

我們知道，每個晶體都有其特定的串聯(lián)諧振頻率和“并聯(lián)諧振區(qū)域”；我們可以在這兩種共振條件下操作給定的晶體。因此，并聯(lián)晶體和串聯(lián)晶體的物理結(jié)構(gòu)沒有區(qū)別。

這兩個術(shù)語僅與晶體以其標稱頻率振蕩的條件有關(guān)。

他們是否指定晶體將達到其標稱頻率的振蕩器拓撲類型？它是并聯(lián)諧振振蕩器還是串聯(lián)諧振型？

負載電容

負載電容是指晶體應(yīng)該在其端子上“看到”的外部電容量。對于串聯(lián)諧振振蕩器，振蕩器反饋路徑中沒有電抗元件（請參見圖 3 中所示的示例振蕩器）。這就是為什么對于串聯(lián)晶體，負載電容并不重要（并且未指定）。

然而，對于并聯(lián)晶體，負載電容是一個關(guān)鍵參數(shù)。在這種情況下，晶體用于其電抗曲線的感應(yīng)區(qū)域。并且，晶體與外部負載電容形成一個 LC 諧振回路。因此，負載電容的值起著關(guān)鍵作用，并決定了振蕩頻率。

并聯(lián)晶體實際上在工廠校準為在連接到其指定負載電容時以其標稱頻率振蕩。為了達到標稱頻率，我們的應(yīng)用板應(yīng)提供相同的負載電容。

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