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了解石英晶体振荡器的操作
了解石英晶体振荡器的操作
晶体有两个共振频率
晶体的等效电路如图 1 所示。
基于此模型，我们可以找到典型石英晶体单元的电抗与频率曲线，如图 2 所示：
为了深入了解晶体的操作，让我们假设晶体是理想的并且 R m可以忽略不计。因此，在晶体电模型的较低分支中，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。在该频率下，较低支路的阻抗以及晶体两端的总阻抗降至零。这对应至f小号在图2中，其通常被称为晶体的串联谐振频率。请注意，C o 不会影响该频率的值。
刚好在 f s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电感行为。该有效电感（L m和C m的串联组合）的电抗随频率而增加，并且在某个频率（f a）下，它变得等于 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。该频率始终高于串联谐振频率。
晶体以什么频率振荡？
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，电阻最小；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，这取决于振荡器拓扑。
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产生的分压器具有更大的增益，如上图所示。因此，通过上述布置，电路可以在 f s处振荡。
另一种振荡器拓扑结构，通常称为皮尔斯栅极振荡器，如图 4 所示。
图 4.皮尔斯门振荡器示例。
使用这种拓扑，放大器提供 180° 的相移。因此，R s、C 2、C 1和晶体的网络应提供180°的额外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，它会经历一些来自晶体和 C 1组合的相移。该相移量取决于信号频率。
低于 f s，晶体充当电容器，X 1和 C 1的相移接近 0°。在 f s 处，晶体具有电阻阻抗，此相移约为 90°。在 f s之上，晶体表现出电感行为，相移可以接近 180°。
实际上，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°。这就是晶体需要在其电感区域（图 2 中的f s和 f a之间）的某处工作的原因。
并联谐振和串联谐振振荡器
上述讨论表明，石英晶体可以在串联谐振频率 (f s ) 和反谐振频率 (f a )之间的任何频率振荡，具体取决于振荡器拓扑结构。
许多常见的振荡器电路，例如 Pierce、Colpitts 和 Clapp 型振荡器，在 f s和 f a之间的区域内操作晶体。该区域通常称为“并联谐振区域”，迫使晶体在该区域运行的振荡器称为“并联谐振振荡器”。
迫使晶体在f操作振荡器小号都不是很常见的。这些振荡器被称为“串联谐振振荡器”。值得一提的是，在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。
这两种晶体之间有什么物理区别吗？
我们知道每个晶体都有其特定的串联谐振频率和“并联谐振面积”；我们可以在这两种共振条件中的任何一种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
负载电容是指晶体在其端子上应该“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组件（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电感区域。并且，晶体与外部负载电容形成一个 LC 槽。因此，负载电容的值起着关键作用并决定了振荡频率。
并联晶体实际上在出厂时已校准，当连接到其指定的负载电容时，会以其标称频率振荡。为了达到标称频率，我们的应用板应提供相同的负载电容。