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(biāo)?，F(xiàn)在，我們將更仔細(xì)地研究這些設(shè)備的運(yùn)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?fù)?，并討論電路架?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(gè)技術(shù)術(shù)語有時(shí)會(huì)引起混淆。

晶體有兩個(gè)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(dǎo)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(guān)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(shè)晶體是理想的，并且 Rm可以忽略不計(jì)。因此，在晶體電模型的下分支中，我們有Lm和 Cm串聯(lián)。

當(dāng) 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(yīng)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(yīng)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(gè) ），它等于 C 的電抗o在晶體模型中。在這一點(diǎn)上，我們實(shí)際上有一個(gè)平行的LC共振，晶體的總阻抗接近無窮大。頻率 f一個(gè)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(gè)f上s和 f 一個(gè) ，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(shí)會(huì)以什么頻率振蕩？

答案是，這取決于振蕩器拓?fù)洹?/p>

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(yīng)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(yīng)為零。這種零相移可以在晶體具有純阻性阻抗（fs和 f 一個(gè) ).

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?fù)洌ǔ７Q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?fù)浣Y(jié)構(gòu)時(shí)，放大器可提供180°的相移。因此，R的網(wǎng)絡(luò) s ， C 2 ， C 1 ，晶體應(yīng)提供 180° 的額外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(shí)，它會(huì)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(dāng)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(yīng)行為，相移可以接近180°。

實(shí)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(yīng)區(qū)域的某個(gè)地方工作（在fs和 f一個(gè)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(gè) ） 取決于振蕩器拓?fù)洹?/p>

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(gè) .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(diǎn)未用于振蕩器設(shè)計(jì)。

并聯(lián)和串聯(lián)諧振晶體

晶體行業(yè)中有兩個(gè)技術(shù)術(shù)語偶爾會(huì)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(gè) ，平行晶體的標(biāo)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(biāo)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(gè)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(gè)術(shù)語只是關(guān)于晶體在其標(biāo)稱頻率振蕩的條件。

他們是否指定晶體將達(dá)到其標(biāo)稱頻率的振蕩器拓?fù)漕愋停渴遣⒙?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(fù)載電容并不重要（也沒有指定）。

然而，對于并聯(lián)晶體，負(fù)載電容是一個(gè)關(guān)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(fù)載電容形成LC諧振電路。因此，負(fù)載電容的值起著關(guān)鍵作用，并決定了振蕩頻率。

平行晶體實(shí)際上在工廠進(jìn)行校準(zhǔn)，以在連接到其指定的負(fù)載電容時(shí)以標(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。