了解石英晶體振蕩器的工作原理

在本文中，我們將嘗試更深入地了解石英晶體振蕩器的操作。

在本系列的第一部分中，我們研究了用于表征石英晶體頻率偏差的一些重要指標。現(xiàn)在，我們將更仔細地研究這些設備的運行情況。

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，并討論電路架構(gòu)如何迫使晶體以特定頻率振蕩。

基于這一討論，我們將能夠查看并聯(lián)和串聯(lián)晶體的定義 - 這兩個技術術語有時會引起混淆。

晶體有兩個共振頻率

晶體的等效電路如圖1所示。

***圖1. **圖片由意法半導體提供。

基于該模型，我們可以找到典型石英晶體單元的電抗與頻率的關系曲線，如圖2所示：

***圖2. *圖片由賽普拉斯提供。

為了深入了解晶體的操作，讓我們假設晶體是理想的，并且 Rm可以忽略不計。因此，在晶體電模型的下分支中，我們有Lm和 Cm串聯(lián)。

當 Lm和 Cm處于串聯(lián)諧振中，它們的阻抗相互抵消。在此頻率下，下支路的阻抗以及晶體兩端的總阻抗降至零。這對應于 fs在圖2中，通常稱為晶體的串聯(lián)諧振頻率。請注意，Co不影響此頻率的值。

正好在 f 上方 s 、L的電抗m變得比 C 大m我們觀察到晶體表現(xiàn)出感應行為。該有效電感的電抗（L 的串聯(lián)組合m和 C m ） 隨頻率和一定頻率增加 （f 一個 ），它等于 C 的電抗o在晶體模型中。在這一點上，我們實際上有一個平行的LC共振，晶體的總阻抗接近無窮大。頻率 f一個稱為反共振頻率。該頻率始終高于串聯(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。在兩個f上s和 f 一個 ，晶體的阻抗是電阻性的。在 f s ，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，晶體在振蕩器電路中使用時會以什么頻率振蕩？

答案是，這取決于振蕩器拓撲。

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

例如，考慮圖3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，晶體和R引起的相移1應為零。這種零相移可以在晶體具有純阻性阻抗（fs和 f 一個 ).

在 f s ，晶體的阻抗最小，因此，晶體和R產(chǎn)生的分壓器1具有更大的增益，如上圖所示。因此，通過上述布置，電路可以以f s .

另一種振蕩器拓撲，通常稱為皮爾斯-門振蕩器，如圖4所示。

***圖4. *皮爾斯-門振蕩器示例。圖片由Ramon Cerda提供。

采用這種拓撲結(jié)構(gòu)時，放大器可提供180°的相移。因此，R的網(wǎng)絡 s ， C 2 ， C 1 ，晶體應提供 180° 的額外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)歷晶體和C的一些相移1組合。該相移的量取決于信號頻率。

低于f s ，晶體充當電容器，X的相移1和 C1接近 0°。在 f s ，晶體具有阻性阻抗，該相移約為90°。以上 f s ，晶體表現(xiàn)出感應行為，相移可以接近180°。

實際上，R提供的相移s和 C2小于 90°，因此，X 的組合1和 C1需要提供90°以上。這就是為什么晶體需要在其感應區(qū)域的某個地方工作（在fs和 f一個在圖 2 中）。

并聯(lián)諧振和串聯(lián)諧振振蕩器

上述討論表明，石英晶體可以在串聯(lián)諧振頻率（f s ） 和反共振頻率 （f 一個 ） 取決于振蕩器拓撲。

許多常見的振蕩器電路，如皮爾斯振蕩器、科爾皮茨振蕩器和克拉普式振蕩器，在s和 f 一個 .該區(qū)域通常稱為“并聯(lián)諧振區(qū)域”，迫使晶體在該區(qū)域工作的振蕩器稱為“并聯(lián)諧振振蕩器”。

迫使晶體在 f 下工作的振蕩器s不是很常見。這些振蕩器被稱為“串聯(lián)諧振振蕩器”。值得一提的是，反諧振點未用于振蕩器設計。

并聯(lián)和串聯(lián)諧振晶體

晶體行業(yè)中有兩個技術術語偶爾會引起混淆：“平行諧振晶體”（或簡稱平行晶體）和“串聯(lián)諧振晶體”（或串聯(lián)晶體）。

平行晶體旨在用于并聯(lián)諧振振蕩器。由于并聯(lián)諧振振蕩器將晶體工作在fs和f之間 一個 ，平行晶體的標稱頻率是該范圍內(nèi)的頻率，即在晶體的“平行共振區(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)諧振頻率相同（f s ).

這兩種類型的晶體之間有什么物理區(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)共振面積”;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。

這兩個術語只是關于晶體在其標稱頻率振蕩的條件。

他們是否指定晶體將達到其標稱頻率的振蕩器拓撲類型？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（也沒有指定）。

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

平行晶體實際上在工廠進行校準，以在連接到其指定的負載電容時以標稱頻率振蕩。為了達到標稱頻率，我們的應用板應提供相同的負載電容。