了解石英晶体振荡器的操作

了解石英晶体振荡器的操作。 在本文中，我们将深入地了解石英晶体振荡器的操作。我们将首先检查典型晶体的电抗与频率曲线。有了这些知识，我们将看看两种不同的振荡器拓扑结构，并讨论电路架构如何迫使晶体以特定频率振荡。

图1：晶振的等效电路图

图2：晶振的电抗与频率曲线图

为了深入了解晶体的运行，我们假设晶体是理想的，R m可以忽略不计。因此，在晶体电学模型的下分支中，我们有 L m和 C m串联。

当L m和C m串联谐振时，它们的阻抗相互抵消。在这个频率下，下支路的阻抗以及晶体两端的总阻抗下降到零。这对应于图 2 中的fs，通常称为晶体的串联谐振频率。请注意，C o 不会影响此频率的值。

刚好在 fs 之上，L m的电抗变得大于 C m的电抗，我们观察到晶体表现出感应行为。该有效电感的电抗（L m和 C m的串联组合）随频率增加，并且在某个频率（f a）下，它等于 晶体模型中 C o的电抗。在这一点上，我们实际上有一个并联的 LC 谐振，晶体的总阻抗接近无穷大。频率 f a称为反谐振频率。这个频率总是高于串联谐振频率。

晶体将以什么频率振荡？

我们看到晶体有两种共振模式。在 f s和 f a处，晶体的阻抗都是电阻性的。在 f s处，阻力最小；然而，在反谐振频率下，晶体的等效阻抗接近无穷大。

现在要问的问题是，在振荡器电路中使用时，晶体将以什么频率振荡？

答案是，它取决于振荡器拓扑。

在振荡频率下，振荡器的环路增益必须等于或大于 1，其相移应为 2π 的整数倍（正反馈）。这些条件决定了晶体的振荡频率。

例如，考虑图 3 中所示的振荡器。

图3

在这种情况下，放大级的相移是 2π 的整数倍。因此，在振荡频率下，由晶体和R 1引起的相移应该为零。这种零相移可以在晶体具有纯电阻阻抗（f s和 f a）的频率下实现。

在 f s处，晶体的阻抗最小，因此，由晶体和 R 1创建的分压器具有更大的增益，如上图所示。因此，通过上述安排，电路可以在fs处振荡。

图 4 描绘了另一种振荡器拓扑，通常称为Pierce-Gate振荡器。

图4: Pierce-Gate振荡器

使用这种拓扑结构，放大器可提供 180° 的相移。因此，R s、C 2、C 1和晶体的网络应提供额外的 180° 相移以满足振荡相位条件。当放大器输出信号通过反馈路径时，它会经历来自晶体和 C 1组合的一些相移。该相移量取决于信号频率。

在 f s之下，晶体充当电容器，从 X 1和 C 1的相移接近 0°。在 fs 处，晶体具有电阻阻抗，并且该相移约为 90°。高于 fs时，晶体表现出感应行为，相移可接近 180°。

在实践中，R s和C 2提供的相移小于90°，因此，X 1和C 1的组合需要提供大于90°。这就是为什么晶体需要在其感应区域（图 2 中的 fs 和 fa 之间）的某个位置工作的原因。

并联谐振和串联谐振振荡器

上述讨论表明，取决于振荡器拓扑 ，石英晶体可以在串联谐振频率 (f s ) 和反谐振频率 (f a ) 之间的任何频率下振荡。

许多常见的振荡器电路，例如 Pierce、Colpitts 和 Clapp 型振荡器，都在 fs 和 fa 之间的区域运行晶体。这个区域通常被称为“平行共振区域”，迫使晶体在这个区域工作的振荡器被称为“平行共振振荡器”。

迫使晶体以 f s工作的振荡器并不常见。这些振荡器被称为“串联谐振振荡器”。值得一提的是，振荡器设计中不使用反谐振点。

并联和串联谐振晶体

晶体行业中有两个技术术语有时会引起混淆：“并联谐振晶体”（或简称为并联晶体）和“串联谐振晶体”（或串联晶体）。

并联晶体旨在用于并联谐振振荡器。由于并联谐振振荡器在 fs 和 f a之间的某处操作晶体，因此并联晶体的标称频率是该范围内的频率，即在晶体的“并联谐振区域”中。

另一方面，串联晶体旨在用于串联谐振振荡器。因此，晶体的标称频率与其串联谐振频率 (f s ) 相同。

这两种水晶有什么物理区别吗？

我们知道，每个晶体都有其特定的串联谐振频率和“并联谐振区域”；我们可以在这两种共振条件下操作给定的晶体。因此，并联晶体和串联晶体的物理结构没有区别。

这两个术语仅与晶体以其标称频率振荡的条件有关。

他们是否指定晶体将达到其标称频率的振荡器拓扑类型？它是并联谐振振荡器还是串联谐振型？

负载电容

负载电容是指晶体应该在其端子上“看到”的外部电容量。对于串联谐振振荡器，振荡器反馈路径中没有电抗元件（请参见图 3 中所示的示例振荡器）。这就是为什么对于串联晶体，负载电容并不重要（并且未指定）。

然而，对于并联晶体，负载电容是一个关键参数。在这种情况下，晶体用于其电抗曲线的感应区域。并且，晶体与外部负载电容形成一个 LC 谐振回路。因此，负载电容的值起着关键作用，并决定了振荡频率。

并联晶体实际上在工厂校准为在连接到其指定负载电容时以其标称频率振荡。为了达到标称频率，我们的应用板应提供相同的负载电容。

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