了解石英晶體振蕩器的操作

2021-06-08

了解石英晶體振蕩器的操作

晶體有兩個(gè)共振頻率

晶體的等效電路如圖 1 所示。

基于此模型，我們可以找到典型石英晶體單元的電抗與頻率曲線(xiàn)，如圖 2 所示： 

為了深入了解晶體的操作，讓我們假設晶體是理想的并且 R m可以忽略不計。因此，在晶體電模型的較低分支中，我們有 L m和 C m串聯(lián)。

當L m和C m串聯(lián)諧振時(shí)，它們的阻抗相互抵消。在該頻率下，較低支路的阻抗以及晶體兩端的總阻抗降至零。這對應至f小號在圖2中，其通常被稱(chēng)為晶體的串聯(lián)諧振頻率。請注意，C o 不會(huì )影響該頻率的值。 

剛好在 f s之上，L m的電抗變得大于 C m的電抗，我們觀(guān)察到晶體表現出電感行為。該有效電感（L m和C m的串聯(lián)組合）的電抗隨頻率而增加，并且在某個(gè)頻率（f a）下，它變得等于 晶體模型中C o的電抗。在這一點(diǎn)上，我們實(shí)際上有一個(gè)并聯(lián)的 LC 諧振，晶體的總阻抗接近無(wú)窮大。頻率 f a稱(chēng)為反諧振頻率。該頻率始終高于串聯(lián)諧振頻率。 

晶體以什么頻率振蕩？

我們看到晶體有兩種共振模式。在 f s和 f a 處，晶體的阻抗都是電阻性的。在 f s 處，電阻最??；然而，在反諧振頻率下，晶體的等效阻抗接近無(wú)窮大。

現在要問(wèn)的問(wèn)題是，在振蕩器電路中使用時(shí)，晶體將以什么頻率振蕩？

答案是，這取決于振蕩器拓撲。

在振蕩頻率下，振蕩器的環(huán)路增益必須等于或大于 1，其相移應為 2π 的整數倍（正反饋）。這些條件決定了晶體的振蕩頻率。

例如，考慮圖 3 中所示的振蕩器。 

圖 3 

在這種情況下，放大級的相移是 2π 的整數倍。因此，在振蕩頻率下，由晶體和R 1引起的相移應該為零。這種零相移可以在晶體具有純電阻阻抗（f s和 f a）的頻率下實(shí)現。

在 f s 處，晶體的阻抗最小，因此，由晶體和 R 1產(chǎn)生的分壓器具有更大的增益，如上圖所示。因此，通過(guò)上述布置，電路可以在 f s處振蕩。

另一種振蕩器拓撲結構，通常稱(chēng)為皮爾斯柵極振蕩器，如圖 4 所示。 

圖 4.皮爾斯門(mén)振蕩器示例。

使用這種拓撲，放大器提供 180° 的相移。因此，R s、C 2、C 1和晶體的網(wǎng)絡(luò )應提供180°的額外相移以滿(mǎn)足振蕩相位條件。當放大器輸出信號通過(guò)反饋路徑時(shí)，它會(huì )經(jīng)歷一些來(lái)自晶體和 C 1組合的相移。該相移量取決于信號頻率。 

低于 f s，晶體充當電容器，X 1和 C 1的相移接近 0°。在 f s 處，晶體具有電阻阻抗，此相移約為 90°。在 f s之上，晶體表現出電感行為，相移可以接近 180°。 

實(shí)際上，R s和C 2提供的相移小于90°，因此，X 1和C 1的組合需要提供大于90°。這就是晶體需要在其電感區域（圖 2 中的f s和 f a之間）的某處工作的原因。

并聯(lián)諧振和串聯(lián)諧振振蕩器

上述討論表明，石英晶體可以在串聯(lián)諧振頻率 (f s ) 和反諧振頻率 (f a )之間的任何頻率振蕩，具體取決于振蕩器拓撲結構。 

許多常見(jiàn)的振蕩器電路，例如 Pierce、Colpitts 和 Clapp 型振蕩器，在 f s和 f a之間的區域內操作晶體。該區域通常稱(chēng)為“并聯(lián)諧振區域”，迫使晶體在該區域運行的振蕩器稱(chēng)為“并聯(lián)諧振振蕩器”。 

迫使晶體在f操作振蕩器小號都不是很常見(jiàn)的。這些振蕩器被稱(chēng)為“串聯(lián)諧振振蕩器”。值得一提的是，在振蕩器設計中不使用反諧振點(diǎn)。 

并聯(lián)和串聯(lián)諧振晶體

晶體行業(yè)中有兩個(gè)技術(shù)術(shù)語(yǔ)有時(shí)會(huì )引起混淆：“并聯(lián)諧振晶體”（或簡(jiǎn)稱(chēng)為并聯(lián)晶體）和“串聯(lián)諧振晶體”（或串聯(lián)晶體）。

并聯(lián)晶體旨在用于并聯(lián)諧振振蕩器。由于并聯(lián)諧振振蕩器在 fs 和 f a之間的某處操作晶體，因此并聯(lián)晶體的標稱(chēng)頻率是該范圍內的頻率，即在晶體的“并聯(lián)諧振區域”中。

另一方面，串聯(lián)晶體旨在用于串聯(lián)諧振振蕩器。因此，晶體的標稱(chēng)頻率與其串聯(lián)諧振頻率 (f s ) 相同。 

這兩種晶體之間有什么物理區別嗎？

我們知道每個(gè)晶體都有其特定的串聯(lián)諧振頻率和“并聯(lián)諧振面積”；我們可以在這兩種共振條件中的任何一種條件下操作給定的晶體。因此，并聯(lián)晶體和串聯(lián)晶體的物理結構沒(méi)有區別。

這兩個(gè)術(shù)語(yǔ)僅與晶體以其標稱(chēng)頻率振蕩的條件有關(guān)。

他們是否指定晶體將達到其標稱(chēng)頻率的振蕩器拓撲類(lèi)型？它是并聯(lián)諧振振蕩器還是串聯(lián)諧振型？ 

負載電容

負載電容是指晶體在其端子上應該“看到”的外部電容量。對于串聯(lián)諧振振蕩器，振蕩器反饋路徑中沒(méi)有電抗組件（請參見(jiàn)圖 3 中所示的示例振蕩器）。這就是為什么，對于串聯(lián)晶體，負載電容并不重要（并且未指定）。 

然而，對于并聯(lián)晶體，負載電容是一個(gè)關(guān)鍵參數。在這種情況下，晶體用于其電抗曲線(xiàn)的電感區域。并且，晶體與外部負載電容形成一個(gè) LC 槽。因此，負載電容的值起著(zhù)關(guān)鍵作用并決定了振蕩頻率。

并聯(lián)晶體實(shí)際上在出廠(chǎng)時(shí)已校準，當連接到其指定的負載電容時(shí)，會(huì )以其標稱(chēng)頻率振蕩。為了達到標稱(chēng)頻率，我們的應用板應提供相同的負載電容。