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晶体以什么频率振荡,石英晶体振荡器的操作方法

本文首先检查典型晶体的电抗与频率曲线。有了这些知识,我们将看看两种不同的振荡器拓扑结构,并讨论电路架构如何迫使晶体以特定频率振荡。

基于此讨论,我们将能够查看并联和串联晶体的定义——这两个有时会引起混淆的技术术语。

晶体有两个共振频率

晶体的等效电路如图 1 所示。


图 1.图片由STMicroelectronics 提供。

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:


 图 2.图片由赛普拉斯提供。

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 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 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。图片由Ramon Cerda 提供。

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 式振荡器,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。

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