一文讀懂石英晶振弦波振蕩電路！

由石英諧振器（石英晶體振子）構(gòu)成的振蕩器電路通常稱為晶振電路。

一、石英晶體弦波振蕩電路的應(yīng)用特點

在電子學(xué)和通信系統(tǒng)中，穩(wěn)定的頻率源是不可或缺的。石英晶體弦波振蕩電路正是這樣一種能夠提供穩(wěn)定頻率信號的電路。其利用了石英晶體的壓電效應(yīng)，通過精確的制造工藝，生成了具有高穩(wěn)定性和準確性的正弦波信號。本文將詳細介紹石英晶體弦波振蕩電路的應(yīng)用特點。

首先，該類電路最顯著的特點是其頻率的穩(wěn)定性。由于石英晶體具有高品質(zhì)的因數(shù)（Q factor），使得振蕩電路能在特定的頻率上產(chǎn)生穩(wěn)定的諧振，因此可以提供長期穩(wěn)定的頻率輸出。這一點對于需要精確時鐘或同步信號的系統(tǒng)來說至關(guān)重要，如計算機、通信設(shè)備和導(dǎo)航系統(tǒng)。

其次，石英晶體弦波振蕩電路的準確性也十分突出。石英晶體的物理特性決定了其諧振頻率可以被制造得極為精確，并且這一頻率可以在很寬的溫度范圍內(nèi)保持穩(wěn)定。這一特點使得石英晶體振蕩器成為各種高精度時序應(yīng)用的理想選擇，例如在無線通信中用于維持載波頻率的穩(wěn)定。

此外，這種振蕩電路還具有優(yōu)良的抗干擾性能。由于石英晶體的選擇性，它能夠有效地抑制不需要的頻率成分，從而在復(fù)雜的電磁環(huán)境中保持清晰的信號輸出。這對于提高通信系統(tǒng)的信噪比和可靠性非常有幫助。

值得注意的是，石英晶體弦波振蕩電路的設(shè)計相對簡單，這使得它易于生產(chǎn)和維護。簡單的設(shè)計同樣有助于降低成本，使得這種技術(shù)被廣泛應(yīng)用于從消費電子到高科技產(chǎn)品的各個領(lǐng)域。

最后，因為石英晶體振蕩電路能提供穩(wěn)定的正弦波輸出，所以它們經(jīng)常被用作模擬電路的時鐘源或濾波器的組成部分。與數(shù)字電路的方波時鐘相比，正弦波具有更少的諧波含量，這在某些精密模擬應(yīng)用中非常重要。

二、石英晶體正弦波振蕩電路

1、并聯(lián)型石英晶體正弦波振蕩電路

如果用石英晶體取代LC振蕩電路中的電感，就得到并聯(lián)型石英晶體正弦波振蕩電路，如左下圖所示，電路的振蕩頻率等于石英晶體的并聯(lián)諧振頻率。

2、串聯(lián)型石英晶體振蕩電路

如右上圖所示為串聯(lián)型石英晶體振蕩電路。電容Cb為旁路電容，對交流信號可視為短路。電路的第一級為共基放大電路，第二級為共集放大電路。若斷開反饋，給放大電路加輸入電壓是，極性上“+”下“-”；則T1管集電極動態(tài)電位為“+”，T2管的發(fā)射極動態(tài)電位也為“+”。只有在石英晶體呈純阻性，即產(chǎn)生串聯(lián)諧振時，反饋電壓才與輸入電壓同相，電路才滿足正弦波振蕩的相位平衡條件。所以電路的振蕩頻率為石英晶體的串聯(lián)諧振頻率fS。調(diào)整Rf的阻值，可使電路滿足正弦波振蕩的幅值平衡條件。

三、振蕩頻率和負載容量 (CL)

負載容量 (CL) 是用來決定在振蕩電路中晶振頻率的參數(shù),從加在振蕩電路中晶振兩端的電容可知負載容量(參閱圖12)。因振蕩電路的負載容量的不同,晶振的頻率會相應(yīng)地產(chǎn)生變動。為了獲得目標(biāo)的頻率精度,必須使晶振與負載容量相匹 配。在使用時,請根據(jù)相應(yīng)晶振的負載容量,將振蕩電路的負載容量設(shè)定為與其相符。

四、激勵等級 (或驅(qū)動等級∶DL)

石英晶振的激勵等級可以按照晶振的各種工作狀態(tài)下的消耗電力,或按照電流的等級來進行表示(參閱圖9, 10和圖11)。如 果利用過大的電力來使晶振工作,有可能產(chǎn)生頻率不穩(wěn)定等特性的惡化,以及導(dǎo)致石英芯片破損的危險。在使用之前,建 議進行電路設(shè)計時,確認一下所使用的激勵等級不超過絕對最大激勵等級。

五、為什么石英晶體可以做振蕩電路？

這是基于石英晶體的壓電效應(yīng)。當(dāng)晶片外兩個極板之間加一個電場時，晶體會產(chǎn)生機械形變；反之，當(dāng)極板間施加機械力，晶體內(nèi)會產(chǎn)生電場，這種現(xiàn)象稱為壓電效應(yīng)。

只有對這兩個基本知識有了解，才能順利進入我們今天的內(nèi)容：石英晶體振蕩器的兩種振蕩電路原理，別懵圈好好聽講才是王道。

實際上石英晶體振蕩器電路形式有很多種，我們這里說的只是其中最常用的兩類：

并聯(lián)諧振電路的仿真分析

構(gòu)建一個并聯(lián)諧振電路，如圖四所示。

圖 并聯(lián)晶振電路

仿真分析

按下仿真開關(guān)，在示波器上觀察到的石英晶體振蕩器的振蕩頻率如圖五所示。

圖 并聯(lián)振蕩器的震蕩波形

串聯(lián)諧振電路的仿真分析

構(gòu)建一個串聯(lián)諧振電路，如圖八所示。

圖 串聯(lián)晶振電路

仿真分析

在示波器上觀察到的石英晶體振蕩器的振蕩頻率如圖九所示。

圖 串聯(lián)振蕩器的震蕩波形