了解石英晶体振荡器的操作

我们将首先检查典型晶体的电抗与频率曲线。凭借这些知识，我们将看看两个不同的振荡器拓扑，并讨论电路结构如何迫使晶体以特定频率振荡。

基于此讨论，我们将能够查看平行和系列晶体的定义 - 两个有时会引起混乱的技术术语。

晶体具有两个共振频率

晶体的等效电路如图1所示。


图1。图像由Stmicroelectronics提供。

基于此模型，我们可以找到如图2所示的典型石英晶体单元的电抗和频率曲线：


图2。图像由柏树提供。

为了了解晶体的操作，让我们假设晶体是理想的，而R m可以忽略不计。因此，在晶体电气模型的下部分支中，我们串联具有L M和C M。

当L M和C M串联共振时，它们的阻抗相互抵消。在此频率下，下分支的阻抗以及因此，整个晶体的总阻抗降至零。这对应于图2中的f s，通常称为晶体的串联谐振频率。请注意，c o 不会影响此频率的值。

在F s上方，L m的电抗比C M的电抗更大，我们观察到晶体表现出感应行为。这种有效电感（L M和C M的串联组合）的电抗随频率和一定频率（F a）的增加而增加，它变得等于晶体模型中C的抗性。在这一点上，我们有效地具有共振和晶体接近无穷大的总阻抗。频率F A称为抗谐振频率。该频率总是高于串联谐振频率。

晶体将在什么频率下振荡？

我们看到晶体具有两种共振模式。在F S和F A上，晶体的阻抗都是电阻的。在f s时，电阻很小。但是，在抗谐振频率下，晶体接近无穷大的等效阻抗。

现在要问的问题是，在振荡器电路中使用时晶体将在哪个频率下振荡？

答案是，这取决于振荡器拓扑。

在振荡频率下，振荡器的环增益必须等于或大于一个，其相移应为2π的积分倍数（正反馈）。这些条件决定了晶体的振荡频率。

例如，考虑图3所示的振荡器。
图3

在这种情况下，放大阶段的相移是2π的积分倍数。因此，在振荡频率下，由晶体和R 1引起的相移应为零。可以在晶体具有纯电阻阻抗（F s和f a）的频率下实现此零相移。

在F s处，晶体的阻抗是的，因此，晶体和r 1产生的电压分隔符如上图所示。因此，通过上述排列，电路可以在f s处振荡。


图4中描述了另一种振荡器拓扑，通常称为Pierce-Gate振荡器。

图4。一个示例Pierce-Gate振荡器。图像由拉蒙·塞尔达（Ramon Cerda）提供。

通过此拓扑，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条件。随着放大器输出信号通过反馈路径传播，它经历了从晶体和C 1组合的某些相移。此相移的量取决于信号频率。

在f s下，晶体充当电容器，从x 1和c 1的相移接近0°。在F s，晶体具有电阻性阻抗，这种相移约90°。在F s上方，晶体表现出感应行为，相位移位可以接近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90°以上。这就是为什么晶体需要在其感应区域的某个位置（图2中的F S和F之间）操作。

平行谐振和串联振荡振荡器

上面的讨论表明，石英晶体可以根据振荡器拓扑结构的 频率（F s）和抗谐振频率（F a ）之间的任何频率振荡。

许多常见的振荡器电路，例如Pierce，Colpitts和Clapp Style振荡器，在F S和F a之间的区域中运行晶体。该区域通常称为“平行共振区域”，迫使晶体在该区域运行的振荡器称为“平行谐振振荡器”。

迫使晶体在f s下运行的振荡器不是很常见。这些振荡器称为“串联振荡振荡器”。值得一提的是，抗谐声点在振荡器设计中不使用。

平行和串联谐振晶体

水晶行业中有两个技术术语偶尔会引起混乱：“平行谐振晶体”（或简单的平行晶体）和“串联谐振晶体”（或串联晶体）。

平行晶体旨在用于并联谐振振荡器中。由于平行谐振振荡器在FS和F a之间操作晶体，因此平行晶体的名义频率是该范围内的频率，即在晶体的“平行共振区域”中。

另一方面，系列晶体旨在用于串联振荡器中。因此，晶体的标称频率与其串联谐振频率（F s ）相同。

这两种类型的晶体之间有任何物理差异吗？

我们知道，每个晶体都有其特定的串联谐振频率和“平行共振区域”。而且我们可以在这两个共振条件下的任何一个中操作给定的晶体。因此，平行晶体和串联晶体的物理结构没有差异。

这两个术语仅涉及晶体以标称频率振荡的条件。

它们是否用哪种类型的振荡器拓扑来指定晶体将达到其名义频率？它是平行谐振振荡器还是串联谐振类型？

负载电容

负载电容是指晶体应在其末端“看到”的外部电容的量。使用串联共振振荡器，振荡器反馈路径中没有反应性成分（请参阅图3中所示的示例振荡器）。这就是为什么对于串联晶体而言，负载电容并不重要（并且未指定）。

但是，使用平行晶体，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，晶体形成具有外部负载电容的LC储罐。因此，负载电容的值起着关键作用并确定振荡频率。

当连接到其指定的负载电容时，实际上在工厂校准了平行晶体以其标称频率振荡。为了达到标称频率，我们的应用板应提供相同的负载电容。