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?fù)浣Y(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(yùn)行，我們假設(shè)晶體是理想的，R m可以忽略不計(jì)。因此，在晶體電學(xué)模型的下分支中，我們有 L m和 C m串聯(lián)。

當(dāng)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(diǎn)上，我們實(shí)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?。蝗欢?，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?fù)洹?

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(shí)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?fù)?，通常稱為Pierce-Gate振蕩器。

圖4: Pierce-Gate振蕩器

使用這種拓?fù)浣Y(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(dāng)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(dāng)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(shí)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?fù)?，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(yùn)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(jì)中不使用反諧振點(diǎn)。

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(biāo)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(biāo)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(biāo)稱頻率振蕩的條件有關(guān)。

他們是否指定晶體將達(dá)到其標(biāo)稱頻率的振蕩器拓?fù)漕愋?？它是并?lián)諧振振蕩器還是串聯(lián)諧振型？

負(fù)載電容

負(fù)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(fù)載電容并不重要（并且未指定）。

然而，對于并聯(lián)晶體，負(fù)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(fù)載電容形成一個 LC 諧振回路。因此，負(fù)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(shí)際上在工廠校準(zhǔn)為在連接到其指定負(fù)載電容時以其標(biāo)稱頻率振蕩。為了達(dá)到標(biāo)稱頻率，我們的應(yīng)用板應(yīng)提供相同的負(fù)載電容。

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