什么是石英晶體？了解石英晶體振蕩器。

什么是石英晶體？了解石英晶體振蕩器?   

石英是地球上第二豐富的礦物，它主要功能性材料是二氧化硅(SiO?)結晶體，基于這些信息，你有沒有想過石英晶體會成為無處不在的電子元件，成為無數(shù)高性能振蕩器電路的核心成分？

毫無疑問，你可以在不了解石英晶體的真正含義的情況下使用石英晶體：將晶體連接到一些微控制器引腳，添加幾個負載電容器，然后就有了一個振蕩器。

你可能永遠不需要確切地知道為什么一塊石英可以將反饋電路變成振蕩器，但這些信息是廣泛的知識的一部分，它使我們能夠真正理解基本的電子概念。

電路

下圖為石英晶體的等效電路：

讓我們明確一點：石英晶體是石英晶體。如果你用錘子敲擊晶體，它不會碎成一個電感器、一個電阻器和兩個電容器。然而，石英晶體具有機電特性，這些特性會導致晶體在電子電路的環(huán)境中表現(xiàn)出來，就像上面顯示的無源元件的集合一樣。

等效電路中的所有這些組件都非常常見。那么，你可能想知道，我們?yōu)槭裁匆褂檬⒕w，為什么不在同一個排列中使用電容、電感器和電阻器呢？正如我們稍后將看到的，使用無源器件永遠無法獲得同等的性能，尤其是考慮到石英晶體有多小。

諧振

電感器和電容器儲存能量，如果你以允許能量在兩個組件之間來回流動的方式連接電感器和電容器，則你要有一個諧振電路，在理想化的電路中，這種來回流動永遠持續(xù)下去，你就會有一個振蕩器。在現(xiàn)實電路中，隨著能量被電阻元件（如電線或 PCB 走線）耗散，振蕩幅度會減?。ú⒆罱K停止）。更大的阻力意味著振蕩更“阻尼”，即振幅減小得更快。Q 因子與電阻成反比，這意味著較低的 Q 對應于更快消失的振蕩。

諧振發(fā)生在串聯(lián) LC 電路和并聯(lián) LC 電路中，如果回頭看等效電路，你會發(fā)現(xiàn)晶體同時具有串聯(lián)和并聯(lián)諧振。串聯(lián)電感和電容的諧振頻率標準公式：

$$ f_{SR}=frac{1}{2pisqrt{LC_S}}$$

并聯(lián)諧振有點復雜。該諧振頻率計算如下：

$$f_{PR}=frac{1}{2pisqrt{Lleft(frac{C_SC_P}{C_S+C_P}right)}}$$

然而，事實證明 C P比C S大得多（可能大 2000 倍），這意味著 C S C P /(C S + C P ) 大約等于 C S C P /C P。然后我們取消 C P項并留下

$$f_{PR}approxfrac{1}{2pisqrt{LC_S}} Rightarrow f_{PR}approx f_{SR}$$

所以這兩個共振頻率非常接近。當你選擇晶體時，會指定特定頻率，出于所有實際目的，我們可以說晶體的工作頻率等于 f SR。

高Q

如上所述，你不能只用等效的無源組件集合替換晶體。為什么？你需要一些重要的 PCB 空間來匹配晶體的電感，此外，晶體的大電感與相對較小的電阻相結合，從而產(chǎn)生非常高的 Q 因子。

頻率響應

電感器和電容器具有電抗，石英晶體也有電抗，盡管由于三種反應成分之間的相互作用，這種電抗有點復雜。在低頻時，容抗占主導地位。隨著頻率的增加，電抗的幅度減小，并最終在 f SR處達到零（正如預期的那樣 - 串聯(lián) LC 電路在諧振頻率處具有零阻抗）。在f SR處電抗通過零后，它迅速增加到無窮大，因為f PR略高于f SR并且理想并聯(lián)LC電路的阻抗在諧振頻率下是無限的。

振蕩

石英晶體，而不是振蕩器，為了產(chǎn)生振蕩，必須將晶體結合到具有振蕩電路所表現(xiàn)出的典型特性的電路中，即放大和反饋。如果你查看經(jīng)典的振蕩器拓撲，例如 Colpitts 或 Hartley，你會看到一個放大器（例如 BJT）、一個 LC 諧振電路（用于提供諧振）和一個反饋連接 - 例如在 Colpitts 振蕩器中，反饋從儲能電路中兩個電容器之間的節(jié)點到 BJT 的發(fā)射極：

總體思路與基于石英的振蕩器相同，因為石英晶體本質上是一種非常高性能的諧振元件。Pierce（或 Pierce-Gate）振蕩器是一種用于產(chǎn)生數(shù)字振蕩的常見拓撲結構。它看起來像這樣：

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