晶體振蕩器的工作原理/類型/優(yōu)缺點(diǎn)/電路

晶體振蕩器是產(chǎn)生穩(wěn)定、準(zhǔn)確和重復(fù)信號(hào)的電子設(shè)備，廣泛用于各種電子應(yīng)用。由于其出色的穩(wěn)定性、精度和低噪聲，它們已成為許多電子電路中的關(guān)鍵元件。在這篇文章中，我們將了解晶體振蕩器的工作原理，以及它們的多種品種、應(yīng)用、優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)。

工作原理：

晶體振蕩器是一種利用石英晶體的壓電作用產(chǎn)生恒定和精確頻率的電路。

壓電效應(yīng)是一種現(xiàn)象，其中材料在施加機(jī)械應(yīng)力時(shí)會(huì)產(chǎn)生電場(chǎng)，或者在施加電場(chǎng)時(shí)振蕩。

在晶體振蕩器的情況下，諧振器是石英晶體。每當(dāng)向晶體提供交流電壓時(shí)，它都會(huì)以晶體物理尺寸定義的指定頻率諧振。

晶體振蕩器電路由放大器和反饋網(wǎng)絡(luò)組成。石英晶體連接在反饋回路中，而放大器輸出則反饋給晶體。

在這里，晶體充當(dāng)諧振器，反饋網(wǎng)絡(luò)使預(yù)期的反饋能夠在晶體的共振頻率下保持振蕩。

晶體振蕩器的輸出信號(hào)是正弦波，其頻率由晶體的諧振頻率設(shè)定。

晶體振蕩器類型：

晶體振蕩器有幾種類型，包括：

皮爾斯振蕩器：最流行的晶體振蕩器類型是皮爾斯振蕩器。它由石英晶體和反饋網(wǎng)絡(luò)組成，該反饋網(wǎng)絡(luò)提供必要的相變以保持振蕩運(yùn)行。通常，反饋系統(tǒng)包括兩個(gè)電容器和一個(gè)電阻器。

科爾皮茨振蕩器：晶體振蕩器的另一種形式是科爾皮茨振蕩器。一個(gè)石英晶體、兩個(gè)電容器和兩個(gè)電感器組成電路。反饋網(wǎng)絡(luò)提供所需的相位變化，以保持振蕩。

拍板振蕩器：Clapp振蕩器是Colpitts振蕩器的修改版本。它在反饋網(wǎng)絡(luò)中包括一個(gè)額外的電容器，可提供額外的穩(wěn)定性并降低寄生電容的影響。

巴特勒振蕩器：巴特勒振蕩器是一種高頻晶體振蕩器，常用于射頻應(yīng)用。巴特勒振蕩器的基波相移由反饋網(wǎng)絡(luò)、晶體和放大器產(chǎn)生。

晶體振蕩器的優(yōu)點(diǎn)：

高精度：晶體振蕩器確保其輸出結(jié)果的高精度。這種精度對(duì)于精確的定時(shí)應(yīng)用至關(guān)重要。

穩(wěn)定的輸出：晶體振蕩器確保其輸出始終穩(wěn)定。這種穩(wěn)定性對(duì)于高頻應(yīng)用至關(guān)重要。

低噪音：晶體振蕩器確保其信號(hào)具有非常低的噪聲。這種低噪聲輸出對(duì)于敏感的電子應(yīng)用至關(guān)重要。

低功耗：晶體振蕩器確保其功耗最低。此功能對(duì)于電池供電的設(shè)備至關(guān)重要。

晶體振蕩器的缺點(diǎn)：

貴：與其他正常類型的振蕩器相比，晶體振蕩器有時(shí)相當(dāng)昂貴。

頻率范圍有限：晶體振蕩器的頻率范圍通?？赡苡邢?，可能不適合相當(dāng)多的應(yīng)用。

易受沖擊和振動(dòng)：晶體振蕩器對(duì)沖擊和振動(dòng)敏感，這會(huì)影響其精度和穩(wěn)定性。

對(duì)溫度的敏感性：晶體振蕩器易受溫度變化的影響。這個(gè)缺點(diǎn)會(huì)影響它們的頻率穩(wěn)定性。為了克服這個(gè)問(wèn)題，必須采用溫度補(bǔ)償技術(shù)。

晶體振蕩器的應(yīng)用：

一些電子應(yīng)用采用晶體振蕩器，因?yàn)樗鼈兙哂幸韵聝?yōu)點(diǎn)：

時(shí)基生成器：由于其出色的精度和穩(wěn)定性，晶體振蕩器經(jīng)常被用作時(shí)鐘和定時(shí)電路的時(shí)基。

微控制器：為了同步其內(nèi)部活動(dòng)，微控制器采用晶體振蕩器作為時(shí)鐘源。

通信系統(tǒng)：晶體振蕩器用于在包括無(wú)線電和電視發(fā)射器和接收器在內(nèi)的通信系統(tǒng)中產(chǎn)生載波信號(hào)。

信號(hào)發(fā)生器：信號(hào)發(fā)生器使用晶體振蕩器產(chǎn)生具有各種頻率和波形的信號(hào)。

使用科爾皮茨振蕩器的晶體電路

下圖可以看到一個(gè)易于構(gòu)建的晶體Colpitts振蕩器，范圍為1至20 MHz。它圍繞并聯(lián)操作晶體和老式鍺NPN雙極晶體管構(gòu)建。

但是，作者已經(jīng)測(cè)試了兩個(gè)電路，并且沒(méi)有遇到任何啟動(dòng)問(wèn)題。如果發(fā)現(xiàn)問(wèn)題（C1和C2），可以測(cè)試偏置電阻和反饋電容的不同值。

基波模式晶體振蕩器

下一個(gè)電路旨在根據(jù)使用C500和C20的反饋電路中使用的電容值在2 kHz和3 MHz之間運(yùn)行。

根據(jù)所使用的晶體，這些電容器的標(biāo)準(zhǔn)值顯示在相鄰的表中。為了將工作頻率精確地調(diào)諧到需要的位置，采用了頻率調(diào)整電容器（C1）。

如果將反饋電阻（R1）替換為更高值的反饋電阻（R《》），則電路將以更高的穩(wěn)定性和更少的諧波失真工作。

一些調(diào)查可以確定精確的值。但是，只有在振蕩器自由運(yùn)行時(shí)，才應(yīng)應(yīng)用該策略。如果 R1

的值太高，則如果它被鍵控或以某種方式打開(kāi)和關(guān)閉，則可能存在問(wèn)題。

當(dāng)電阻值較高時(shí)，振蕩器將比較低的振蕩器更快地增加到其最大輸出幅度。但是，使用值小于2200歐姆的電阻器可能會(huì)導(dǎo)致晶體過(guò)驅(qū)動(dòng)。

基波模式，20 MHz晶體振蕩器

下圖顯示了頻率穩(wěn)定性為百萬(wàn)分之十（PPM）的基本頻率振蕩器電路。晶體管的發(fā)射極和電容分壓器反饋網(wǎng)絡(luò)的結(jié)耦合到該電路中的晶體。

可以使用具有并聯(lián)和串聯(lián)模式的晶體。通過(guò)實(shí)驗(yàn)，可以改變反饋電容比以獲得最佳（最大穩(wěn)定性）性能。

R3可以更改為歐姆值在100和1000之間的任何電阻，以改變晶體XTAL1的輸出電平。R3值越低，穩(wěn)定性提高，晶體耗散降低。

C4將電感L1諧振至晶體頻率。找到一種接近諧振的配置幾乎總是可行的，其中晶體振蕩器每次接通時(shí)都會(huì)持續(xù)激活。如果L1線圈調(diào)諧或構(gòu)建錯(cuò)誤，電路將根本無(wú)法啟動(dòng)。

皮爾斯晶體振蕩器電路

下一個(gè)晶體振蕩器描繪了一個(gè)皮爾斯振蕩器電路。該電路包含一個(gè)在有源器件的輸出和輸入之間互連的晶體，類似于所有皮爾斯振蕩器。

晶體連接在電路的漏極和柵極之間，因?yàn)槭褂玫氖荍FET，而不是雙極晶體管的集電極和基極。

隔直功能由與晶體串聯(lián)的電容器（C2）執(zhí)行。雖然在某些低壓晶體管設(shè)計(jì)中可以去除這種電容器，但對(duì)于我們的目的來(lái)說(shuō)它是必要的。

單結(jié)晶體振蕩器

下圖所示，我們的下一個(gè)設(shè)計(jì)是一個(gè)圍繞單結(jié)晶體管（UJT）構(gòu)建的奇數(shù)100 kHz振蕩器。

晶體XTAL1調(diào)節(jié)該電路的工作頻率。該簡(jiǎn)單晶體控制振蕩器的輸出可以發(fā)送到分頻器計(jì)數(shù)器，以提供穩(wěn)定的低頻輸出，用作時(shí)鐘發(fā)生器或用作標(biāo)記發(fā)生器以對(duì)齊通信接收器的模擬撥盤。

基于UJT的振蕩器中包含的大多數(shù)RC定時(shí)電路用于調(diào)節(jié)振蕩器的頻率。

對(duì)于頻率穩(wěn)定性不是主要問(wèn)題的許多應(yīng)用，這種方法非常有效。最便宜和最簡(jiǎn)單的解決方案是使用頻率穩(wěn)定性至關(guān)重要的石英晶體。

為了獲得出色的正弦波，需要調(diào)整上述振蕩器輸出。您將需要一臺(tái)示波器。

只需將示波器連接到電路的輸出并調(diào)整R4即可獲得看起來(lái)最干凈的波形。如果沒(méi)有示波器，可以使用AM無(wú)線電獲得良好的結(jié)果。

只需打開(kāi)AM收音機(jī)并將撥盤調(diào)整到頻譜低頻部分的頻段即可。

將收音機(jī)靠近振蕩器，然后調(diào)整R4，直到聽(tīng)到外差（拍頻信號(hào)）。

結(jié)論：

總之，由于其出色的穩(wěn)定性、精度和低噪聲，晶體振蕩器是許多電子電路的重要組成部分。它們廣泛用于多個(gè)系統(tǒng)，例如信號(hào)發(fā)生器、微控制器、通信系統(tǒng)以及時(shí)鐘和定時(shí)電路。

盡管存在一些缺點(diǎn)，包括高成本和對(duì)沖擊、振動(dòng)和溫度的敏感性，但由于它們提供的優(yōu)勢(shì)，它們?nèi)匀皇窃S多電子應(yīng)用的首選。隨著技術(shù)的發(fā)展，晶體振蕩器繼續(xù)在當(dāng)前的電子設(shè)備中發(fā)揮重要作用，預(yù)計(jì)其重要性在未來(lái)將增長(zhǎng)。