【电路笔记】-石英晶体振荡器

石英晶体振荡器

1、概述

任何振荡器最重要的特性之一是其频率稳定性，或者换句话说，其在变化的负载条件下提供恒定频率输出的能力。

石英晶体振荡器克服了一些影响振荡器频率稳定性的因素。 这些通常包括：温度变化、负载变化以及直流电源电压的变化等。

通过正确选择用于谐振反馈电路的元件（包括放大器），可以大大提高输出信号的频率稳定性。 但普通 LC 和 RC 储能电路所能获得的稳定性是有限的。

为了获得非常高水平的振荡器稳定性，通常使用石英晶体作为频率确定装置来产生另一种类型的振荡器电路，通常称为石英晶体振荡器（XO）。

当电压源施加到一小片石英晶体时，它开始改变形状，产生一种称为压电效应的特性。 这种压电效应是晶体的特性，电荷通过改变晶体的形状产生机械力，反之亦然，施加到晶体的机械力产生电荷。

然后，压电设备可以归类为换能器，因为它们将一种能量转换为另一种能量（电到机械或机械到电）。 这种压电效应会产生机械振动或振荡，可用于取代以前振荡器中的标准 LC 储能电路。

有许多不同类型的晶体物质可用作振荡器，其中对于电子电路最重要的是石英矿物，部分原因是它们具有更高的机械强度。

石英晶体振荡器中使用的石英晶体是一块非常小、很薄的切割石英片或晶片，其两个平行表面经过金属化以形成所需的电气连接。 一块石英晶体的物理尺寸和厚度受到严格控制，因为它会影响振荡的最终频率或基频。 基频通常称为晶体的“特征频率”。

一旦切割和成型，晶体就不能用于任何其他频率。 换句话说，它的尺寸和形状决定了它的基本振荡频率。

2、石英晶体等效模型

晶体特征或特征频率与其两个金属化表面之间的物理厚度成反比。 机械振动晶体可以用由低电阻 R、大电感 L 和小电容 C 组成的等效电路来表示，如下所示：

石英晶体的等效电路显示了串联 RLC 电路（代表晶体的机械振动）与电容 $C_p$（代表与晶体的电气连接）并联。 石英晶体振荡器往往朝着“串联谐振”方向运行。

晶体的等效阻抗具有串联谐振，其中 $C_s$ 在晶体工作频率下与电感 $L_s$ 谐振。 该频率称为晶体系列频率 $f_s$。 除了该串联频率之外，还有第二个频率点，这是由于 $L_s$ 和 $C_s$ 与并联电容器 $C_p$ 谐振时产生的并联谐振而建立的，如图所示：

上面晶体阻抗的斜率表明，随着其端子上的频率增加。 在特定频率下，串联电容器 $C_s$ 和电感器 $L_s$ 之间的相互作用产生串联谐振电路，将晶体阻抗降低到最小值并等于 $R_s$