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。这些通常用于产生模拟电路和数字系统的时钟。

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

但这些变量会随着气候、时间和温度的波动而变化。因此，LC振荡器不适合频率稳定应用。而对于晶体振荡器来说，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，要么是自然产生的具有压电效应的元素。压电效应是一种机电现象，每当在晶体的一组面上施加机械压力时，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，就会产生一个交流电压。

相反，当对晶体施加交变电压时，就会产生机械振动，造成晶体形状的机械畸变。这些振动或振荡以共振频率振荡，这是由晶体的切割和物理尺寸决定的。

这是因为每个晶体都有它自己的共振频率取决于它的切割。因此，它在机械振动的影响下产生恒定频率的信号。
上面的图中给出了在密封外壳中的石英薄片的符号表示。基本上，它是六边形的形状，两端是金字塔。但是，为了它的实际用途，它被切割成矩形的板片。

切割所涉及的过程包括X切、Y切、AT切等。然后这个平板被安装在两块金属板之间。这些金属板被称为支撑板，因为它们之间夹着水晶板。

晶体从几千赫到几兆赫，质量因数从几千到几十万。这些高质量因子的值使晶体相对于温度和时间非常稳定。

石英晶体等效电路

当晶体是稳定的，即不振动，然后晶体等效电容由于其机械安装。这种电容称为安装电容CM，它存在于被电介质隔开的两个金属板之间，如晶体板。这个CM是一个并联电容。

当晶体开始振动时，会产生内耗损失，内耗损失用电阻R表示，而晶体有一定的质量，所以它的惯性用电感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，三个元素R, L和C是天然晶体的特性，而CM是支撑晶体的电极的电容。所有这些数值都是由晶体切割、其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参数形成谐振电路，谐振频率表示为:

fr = (1/ (2π√(LC)))√(Q2 / (1 + Q2))

其中Q是质量因子，它的值等于2 π f L / r，晶体的Q值非常高，通常是20000。因此√(Q2 / (1 + Q2))成为单位。那么共振频率为

fr = (1/ (2π√(LC))

事实上，晶体的频率与厚度成反比。因此，为了有很高的频率，厚度应该非常小。但是，晶体在振动下也有损坏的可能。因此，晶体振荡器用于大约200或300千赫的频率范围。

串并联谐振

从晶体振荡器的等效电路可以看出，电路有两个谐振频率，即串联谐振频率和并联谐振频率。串联RLC支腿的电抗相等时发生串联谐振，即XC = XL。

在串联谐振频率处，串联LC臂的电抗为零，串联谐振下该支路提供的阻抗仅为R。此系列共振频率表示为

fs = (1/ (2π√(LC))

当串联谐振腿的电抗等于安装电容的电抗时，则发生并联谐振状态。串联臂的电抗在大于fs的频率处感应。在这种共振条件下，晶体提供给外部电路的阻抗非常高。

并联谐振下的等效电容为

测查= C_米C / C_米+ C

并联谐振频率由

fp = (1/ (2π√(LCeq))

下图为串联支腿电容值远小于CM时晶体阻抗与频率的关系。

通常情况下，fp和fs的共振频率非常接近，因此实际上一个晶体只有一个谐振频率。

Colpitts晶体振荡器

科尔皮茨晶体振荡器主要用于高射频，它是一种利用石英晶体控制振荡器频率的稳定振荡器。

反馈是通过电容分压器安排提供的，通常是外部的，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科尔皮茨电路。

在上述电路中，分压器偏置由R1和RB电阻提供，便于启动，C3是一个旁路电容，有效地隔离了射频变化的基础。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面之间，并作为并联谐振电路工作。

收集器通过RFC和C4作为电源隔离电路供电。输出可在集电极端电容式获取。

操作

该晶体振荡器的工作依赖于由电容C1和C2组成的分压器电路的作用。当功率加到电路上时，有一个小的偏置电流流过RB。然后集电极电流流动和电压出现在电容分压器上。

• 假定发生在晶体管内部的噪声脉冲导致集电极电流增加。这将导致集电极电压下降，电容C2将此电压变化耦合到发射极。
• 应用于发射器的减少的负信号(正向)是再生的。这将导致集电极电流进一步增加。
• 集电极电压继续降低(负电压向正方向变化)，电容C2继续将此充电电压耦合到发射器。
• 同时，集电极电压的变化出现在整个晶体上。因此，晶体在压电作用下会发生轻微的机械应变。
• 当集电极电流达到饱和水平时，不再发生进一步的变化，再生作用停止。
• 此时晶体上的静电应变开始减小，电容C1开始通过RE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。
• 当集电极电流降低时，集电极电压增加(更负)，此时晶体应力向相反的方向。
• 因此，这个动作的每一个循环继续，晶体以其平行谐振频率振荡。由于晶体的振荡产生电压横跨它，一旦开始振动晶体将继续振荡。
• 由于晶体从集电极并联到地面，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，使用晶体振荡器来产生频率稳定性较高的振荡。这就是为什么在数字系统中使用晶体振荡器来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。

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。某些数字设备可能不包含内置振荡器单元，因此它们需要外部振荡器电路以产生时钟脉冲。

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，石英晶体谐振器就足以完成这项工作。根据系统可以运行的最大时钟频率的值，决定了振荡器电路或晶体的值。

下图展示了8051单片机的工作原理，它基于一个外部晶体振荡器。通常石英晶体振荡器连接在输入引脚XTAL1和XTAL2之间。

XTAL1是逆变振荡器放大器的输入和内部时钟产生电路的输入，而XTAL2是逆变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，但11.059兆赫是更常见的。

例子问题

石英晶体有以下参数:C_米= 1 pF, R= 5K欧姆，L = 0.4 H和C= 0.085pF。然后求出晶体的串联谐振频率、并联谐振频率和质量因子。

由上面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))

并联谐振下的等效电容为

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