什么是石英晶体？了解石英晶体振荡器。

什么是石英晶体？了解石英晶体振荡器?   

石英是地球上第二丰富的矿物，它主要功能性材料是二氧化硅(SiO₂)结晶体，基于这些信息，你有没有想过石英晶体会成为无处不在的电子元件，成为无数高性能振荡器电路的核心成分？

毫无疑问，你可以在不了解石英晶体的真正含义的情况下使用石英晶体：将晶体连接到一些微控制器引脚，添加几个负载电容器，然后就有了一个振荡器。

你可能永远不需要确切地知道为什么一块石英可以将反馈电路变成振荡器，但这些信息是广泛的知识的一部分，它使我们能够真正理解基本的电子概念。

电路

下图为石英晶体的等效电路：

让我们明确一点：石英晶体是石英晶体。如果你用锤子敲击晶体，它不会碎成一个电感器、一个电阻器和两个电容器。然而，石英晶体具有机电特性，这些特性会导致晶体在电子电路的环境中表现出来，就像上面显示的无源元件的集合一样。

等效电路中的所有这些组件都非常常见。那么，你可能想知道，我们为什么要使用石英晶体，为什么不在同一个排列中使用电容、电感器和电阻器呢？正如我们稍后将看到的，使用无源器件永远无法获得同等的性能，尤其是考虑到石英晶体有多小。

谐振

电感器和电容器储存能量，如果你以允许能量在两个组件之间来回流动的方式连接电感器和电容器，则你要有一个谐振电路，在理想化的电路中，这种来回流动永远持续下去，你就会有一个振荡器。在现实电路中，随着能量被电阻元件（如电线或 PCB 走线）耗散，振荡幅度会减小（并最终停止）。更大的阻力意味着振荡更“阻尼”，即振幅减小得更快。Q 因子与电阻成反比，这意味着较低的 Q 对应于更快消失的振荡。

谐振发生在串联 LC 电路和并联 LC 电路中，如果回头看等效电路，你会发现晶体同时具有串联和并联谐振。串联电感和电容的谐振频率标准公式：

$$ f_{SR}=frac{1}{2pisqrt{LC_S}}$$

并联谐振有点复杂。该谐振频率计算如下：

$$f_{PR}=frac{1}{2pisqrt{Lleft(frac{C_SC_P}{C_S+C_P}right)}}$$

然而，事实证明 C P比C S大得多（可能大 2000 倍），这意味着 C S C P /(C S + C P ) 大约等于 C S C P /C P。然后我们取消 C P项并留下

$$f_{PR}approxfrac{1}{2pisqrt{LC_S}} Rightarrow f_{PR}approx f_{SR}$$

所以这两个共振频率非常接近。当你选择晶体时，会指定特定频率，出于所有实际目的，我们可以说晶体的工作频率等于 f SR。

高Q

如上所述，你不能只用等效的无源组件集合替换晶体。为什么？你需要一些重要的 PCB 空间来匹配晶体的电感，此外，晶体的大电感与相对较小的电阻相结合，从而产生非常高的 Q 因子。

频率响应

电感器和电容器具有电抗，石英晶体也有电抗，尽管由于三种反应成分之间的相互作用，这种电抗有点复杂。在低频时，容抗占主导地位。随着频率的增加，电抗的幅度减小，并最终在 f SR处达到零（正如预期的那样 - 串联 LC 电路在谐振频率处具有零阻抗）。在f SR处电抗通过零后，它迅速增加到无穷大，因为f PR略高于f SR并且理想并联LC电路的阻抗在谐振频率下是无限的。

振荡

石英晶体，而不是振荡器，为了产生振荡，必须将晶体结合到具有振荡电路所表现出的典型特性的电路中，即放大和反馈。如果你查看经典的振荡器拓扑，例如 Colpitts 或 Hartley，你会看到一个放大器（例如 BJT）、一个 LC 谐振电路（用于提供谐振）和一个反馈连接 - 例如在 Colpitts 振荡器中，反馈从储能电路中两个电容器之间的节点到 BJT 的发射极：

总体思路与基于石英的振荡器相同，因为石英晶体本质上是一种非常高性能的谐振元件。Pierce（或 Pierce-Gate）振荡器是一种用于产生数字振荡的常见拓扑结构。它看起来像这样：

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