石英晶体振荡器

在以前的RC相移振荡器和Wein桥振荡器教程中，我们对什么是振荡器有了一个很好的认识。振荡器是一种机械或电子结构，会根据少量变量产生振荡。一个适当的好振荡器会产生稳定的频率。

对于RC（电阻-电容）或RLC（电阻-电容）振荡器，在需要稳定而精确的振荡的情况下，它们不是很好的选择。温度变化会影响负载和电源线，进而会影响振荡器电路的稳定性。在RC和RLC电路的情况下，可以将稳定性提高到一定水平，但是在特定情况下，这种改进还是不够的。

在这种情况下，将使用石英晶体。石英是由硅和氧原子组成的矿物。当将电压源施加到石英晶体时，它会做出反应。它产生一个特性，称为压电效应。当在其上施加电压源时，它将改变形状并产生机械力，并且机械力会回复原状并产生电荷。

由于它将电能从机械转换为机械，并将机械转换为电，因此称为换能器。这些变化产生非常稳定的振动，并且由于压电效应产生稳定的振荡。

石英晶体及其等效电路

这是晶体振荡器的符号。石英晶体由紧密固定并在两个平行的金属化表面之间控制的薄薄的石英晶片制成。金属化表面用于电连接，石英的物理尺寸和密度以及厚度也受到严格控制，因为形状和尺寸的变化直接影响振荡频率。一旦对其进行了成形和控制，产生的频率就固定了，基本频率就无法更改为其他频率。特定晶体的特定频率称为特征频率。

在上图中，左侧电路表示石英晶体的等效电路，如右侧所示。可以看到，使用了4个无源元件，两个电容器C1和C2，一个电感L1，电阻R1。C1，L1，R1串联连接，而C2并联连接。

由一个电容器，一个电阻器和一个电感器组成的串联电路表示晶体和并联电容器的受控行为和稳定工作，C2表示电路或等效晶体的并联电容。

C1在工作频率下与电感L1谐振。该工作频率称为晶体串联频率（fs）。由于该串联频率，次级频率点具有并联谐振。L1和C1也与并联电容器C2谐振。并联电容器C2通常被描述为C0的名称，被称为石英晶体的并联电容。

晶体输出阻抗与频率的关系

如果我们在两个电容器之间应用电抗公式，那么对于串联电容器C1，电容电抗将为：-

X _C1 = 1 /2πfC ₁

哪里，

F =频率，C1 =串联电容值。

同样的公式也适用于并联电容器，并联电容器的容抗为：

X _C2 = 1 /2πfC ₂

如果我们看到输出阻抗与频率之间的关系图，我们将看到阻抗的变化。

在上图中，我们看到了晶体振荡器的阻抗曲线，还看到了当频率变化时该斜率如何变化。有两个点，一个是串联谐振频率点，另一个是并联谐振频率点。

在串联谐振频率点，阻抗变为最小。串联电容器C1和串联电感器L1产生的串联谐振等于串联电阻。

因此，在这个串联谐振频率点，将发生以下情况：

与其他频率时间相比，阻抗最小。
阻抗等于串联电阻。
在此点以下，晶体起电容形式的作用。

接下来，频率改变，并且斜率在并联谐振频率处缓慢增加到最大点，这时，在达到并联谐振频率点之前，晶体充当串联电感器。

到达并行频率点后，阻抗斜率达到最大值。并联电容器C2和串联电感器产生LC谐振电路，因此输出阻抗变高。

这就是晶体在串联和并联谐振中表现为电感器或电容器的方式。晶体可以在这两个谐振频率下工作，但不能同时工作。需要调整任何特定的操作。

晶体对频率的电抗

可以使用以下公式测量电路的串联电抗：

X _S = R2 +（XL ₁ – XC ₁）²

其中，R为电阻值

Xl1是电路的串联电感

Xc1是电路的串联电容。

电路的并联电容电抗为：-

X _CP = -1 /2πfCp

电路的并联电抗为：-

Xp = Xs * Xcp / Xs + Xcp

如果我们看到该图，它将看起来像这样：

从上图可以看出，串联谐振点的串联电抗与C1成反比，在fs至fp的点，晶体起电感作用，因为此时两个并联电容可忽略不计。

另一方面，当频率在fs和fp点之外时，晶体将处于电容形式。

我们可以使用这两个公式来计算串联谐振频率和并联谐振频率–

石英晶体的Q因子：

Q是Quality的缩写。这是石英晶体共振的重要方面。这个Q系数决定了Crystal的频率稳定性。通常，晶体的Q因子的范围为20 000至100,000以上。有时，晶体的Q因子也超过200,000。

晶体的Q因子可以使用以下公式计算-

Q = X_大号/ R =2πfsL ₁ / R

其中，X _L 是电感电抗，R是电阻。

石英晶体振荡器示例与计算

当有以下几点时，我们将计算石英晶体的串联谐振频率，并联谐振频率和晶体的品质因数-

R1 = 6.8R

C1 = 0.09970pF

L1 = 3mH

C2 = 30pF

晶体的串联谐振频率为–

晶体的并联谐振频率fp为–

现在，我们可以理解串联谐振频率为9.20 MHz，并联谐振频率为9.23 MHz

该晶体的Q因子将为-

科尔皮兹晶体振荡器

用双极型晶体管或各种FET构成的晶体振荡器电路。上方的图像中显示了一个colpitts振荡器；所述电容分压器被用于反馈。晶体管Q1处于共发射极配置。在上部电路中，R1和R2用于晶体管的偏置，C1作为旁路电容器，可保护基极免受RF噪声的影响。

在这种配置中，由于集电极与地之间的连接，晶体将充当分流器。它处于并联谐振配置。电容器C2和C3用于反馈。晶体Q2被连接为并联谐振电路。

在这种配置下，输出放大率很低，以避免晶体中的功耗过大。

皮尔斯晶体振荡器

石英晶体振荡器中使用的另一种配置，其中将晶体通过电容器连接到漏极至栅极时，晶体管变为JFET进行放大，其中JFET 处于很高的输入阻抗。

上图显示了皮尔斯晶体振荡器电路。C4在该振荡器电路中提供必要的反馈。此反馈为正反馈，在谐振频率下为180度相移。R3控制反馈，晶体提供必要的振荡。

皮尔斯晶体振荡器需要最少的组件数，因此，在空间有限的情况下，它是一种首选。数字时钟，计时器和各种类型的手表均使用穿孔晶体振荡器电路。输出正弦波幅度峰峰值受JFET电压范围限制。

CMOS振荡器

可以使用CMOS反相器来制造使用并联谐振晶体配置的基本振荡器。CMOS反相器可用于实现所需的幅度。它包括反转施密特触发器，例如4049、40106或晶体管-晶体管逻辑（TTL）芯片74HC19等。

在上面的图像74HC19N中，它用作反相配置的施密特触发器。晶体将在串联谐振频率下提供必要的振荡。R1是CMOS的反馈电阻，提供高Q值和高增益功能。第二个74HC19N是增压器，可为负载提供足够的输出。

逆变器以180度相移输出运行，并且Q1，C2，C1提供额外的180度相移。在振荡过程中，相移始终保持360度。

该CMOS晶体振荡器提供方波输出。最大输出频率由CMOS反相器的开关特性决定。可以使用电容器值和电阻值来更改输出频率。C1和C2的值必须相同。

使用晶体为微处理器提供时钟

由于石英晶体振荡器的各种用途包括数字手表，计时器等，因此它也是在微处理器和CPU之间提供稳定振荡时钟的合适选择。

微处理器和CPU需要稳定的时钟输入才能运行。石英晶体被广泛用于这些目的。与其他RC或LC或RLC振荡器相比，石英晶体具有更高的精度和稳定性。

通常，用于微控制器或CPU的时钟频率范围为KHz至Mhz。此时钟频率确定处理器可以处理数据的速度。

为了达到该频率，在各自的MCU或CPU的振荡器输入两端使用了与两个相同值的电容器网络一起使用的串联晶体。

在此图中，我们可以看到带有两个电容器的晶振形成一个网络，并通过OSC1和OSC2输入引脚跨微控制器单元或中央处理器连接。通常，所有微控制器或处理器都包含这两个引脚。在某些情况下，有两种类型的OSC引脚可用。一种是用于产生时钟的主振荡器，另一种是用于副振荡器的，副振荡器用于需要副时钟频率的其他次要工作。电容值范围从10pF到42pF，介于15pF，22pF和33pF之间的任何值都被广泛使用。