石英晶體振蕩器是一種利用石英晶體作為諧振器來(lái)穩(wěn)定或控制其頻率的振蕩電路，這些通常用于生成模擬電路和數(shù)字系統(tǒng)的時(shí)鐘。

這些用于需要更高穩(wěn)定性的應(yīng)用，即精確保持振蕩的精確頻率，例如手表、通信發(fā)射器和接收器。在 LC 振蕩器中，頻率由電感和電容值決定。

但這些變量會(huì)隨著氣候、時(shí)間和溫度波動(dòng)而變化。因此，LC 振蕩器不適用于頻率穩(wěn)定應(yīng)用。但在晶體振蕩器的情況下，晶體是一種頻率確定元件，可提供高頻率穩(wěn)定性。

一、什么是石英晶體？

晶體要么是合成制造的，要么是天然存在的元素，它們表現(xiàn)出壓電效應(yīng)。壓電效應(yīng)是一種機(jī)電現(xiàn)象，每當(dāng)在晶體的一組面上施加機(jī)械壓力時(shí)，它就會(huì)導(dǎo)致晶體的相對(duì)面產(chǎn)生電位差。因此，只要力導(dǎo)致晶體振動(dòng)，就會(huì)在晶體上產(chǎn)生交流電壓。

相反，當(dāng)對(duì)晶體施加交流電壓時(shí)，會(huì)產(chǎn)生機(jī)械振動(dòng)，導(dǎo)致晶體形狀發(fā)生機(jī)械變形。這些振動(dòng)或振蕩以諧振頻率振蕩，諧振頻率由晶體的切割和物理尺寸決定。

這是因?yàn)槊總€(gè)晶體都有自己的諧振頻率，具體取決于其切割。因此，它在機(jī)械振動(dòng)的影響下產(chǎn)生恒定頻率信號(hào)。

上圖給出了密封外殼中的石英薄片，帶有符號(hào)表示?；旧?，它是六邊形，末端是金字塔。但是，為了實(shí)際使用，它被切割成矩形板片。

切割涉及的過(guò)程包括X切割、Y切割、AT切割等。然后將這塊板安裝在兩塊金屬板之間。這些金屬板被稱為支撐板，因?yàn)樗鼈儗⒕w板夾在它們之間。

晶體可以從幾 KHz 到幾 MHz，品質(zhì)因數(shù)從幾千到幾十萬(wàn)不等。這些高品質(zhì)因數(shù)值使晶體在溫度和時(shí)間方面極其穩(wěn)定。

二、石英晶體等效電路

當(dāng)晶體穩(wěn)定即不振動(dòng)時(shí)，由于其機(jī)械安裝，晶體相當(dāng)于一個(gè)電容。該電容稱為安裝電容CM，它存在于由電介質(zhì)隔開(kāi)的兩個(gè)金屬板之間，如晶體板。該 CM 是一個(gè)并聯(lián)電容。

當(dāng)晶體開(kāi)始振動(dòng)時(shí)，會(huì)有內(nèi)部摩擦損失，用電阻 R 表示，而晶體有一定的質(zhì)量，所以它的慣性用電感 L 表示。在振動(dòng)條件下，晶體表現(xiàn)出一定的剛度，用電容器 C。

因此，三個(gè)元素 R、L 和 C 是天然晶體的特性，而 CM 是支撐晶體的電極的電容。所有這些值都由晶體切割、其大小和振動(dòng)性質(zhì)決定。晶體的整體等效電路如下圖所示。

這些 RLC 參數(shù)形成諧振電路，諧振頻率表示為：

fr = (1/ (2π √ (LC))) √ (Q2 / (1 + Q2))

其中 Q 是品質(zhì)因數(shù)，其值等于 2 π f L / R。晶體的 Q 值非常高，通常為 20000。因此因子 √ (Q2 / (1 + Q2) 變?yōu)?1 . 那么諧振頻率為：

fr = (1/ (2π √ (LC))

事實(shí)上，晶體頻率與厚度成反比。因此，厚度應(yīng)該非常小以具有非常高的頻率。但是，晶體有可能在振動(dòng)下受到損壞。因此，晶體振蕩器用于大約 200 或 300 KHz 的頻率范圍。

三、串聯(lián)和并聯(lián)諧振

從晶體振蕩器的等效電路可以看出，該電路有兩個(gè)諧振頻率，即串聯(lián)諧振頻率和并聯(lián)諧振頻率。當(dāng)串聯(lián) RLC 支路的電抗相等時(shí)，即 XC = XL，就會(huì)發(fā)生串聯(lián)諧振。

在串聯(lián)諧振頻率下，串聯(lián) LC 臂的電抗為零，該支路提供的阻抗在串聯(lián)諧振下僅為 R。該串聯(lián)諧振頻率表示為

fs = (1/(2π√(LC))

當(dāng)串聯(lián)諧振臂的電抗等于安裝電容器的電抗時(shí)，就會(huì)出現(xiàn)并聯(lián)諧振條件。串聯(lián)臂的電抗在頻率大于 fs 時(shí)是感性的。在這種諧振條件下，晶體提供給外部電路的阻抗非常高。

并聯(lián)諧振下的等效電容為：

Ceq = CMC/ CM + C

并聯(lián)諧振頻率由下式給出：

fp = (1/ (2π √ (LCeq))

下圖顯示了當(dāng)串聯(lián)支路的電容值遠(yuǎn)小于 CM 時(shí)晶體阻抗與頻率的關(guān)系。

通常，fp 和 fs 彼此非常接近，因此實(shí)際上可以說(shuō)晶體只存在一個(gè)諧振頻率。

四、Colpitts晶體振蕩器

Colpitts 晶體振蕩器主要用于高頻射頻，作為使用石英晶體來(lái)控制振蕩器頻率的穩(wěn)定振蕩器。

反饋是通過(guò)電容分壓器裝置提供的，該分壓器裝置通常在外部，但也可以通過(guò)電容器元件提供。下圖顯示了使用外部電容反饋方法的共發(fā)射極 Colpitts 電路。

在上述電路中，分壓器偏置由 R1 和 RB 電阻器提供，以便于啟動(dòng)，C3 是一個(gè)旁路電容器，可有效地將基極與 RF 變化隔離開(kāi)來(lái)。電容器C1和2連接在集電極和發(fā)射極之間用于反饋。

反饋的調(diào)節(jié)和控制由這兩個(gè)可變電容器提供。晶體連接在集電極和地之間，作為并聯(lián)諧振電路工作。集電極通過(guò) RFC 與用作電源隔離電路的 C4 一起提供。輸出可以在集電極端子處以電容方式獲取。

該晶體振蕩器的操作取決于由電容器 C1 和 C2 組成的分壓器電路的作用。當(dāng)電路通電時(shí)，一個(gè)小的偏置電流流過(guò)RB。然后集電極電流流過(guò)，電容器分壓器兩端出現(xiàn)電壓。

（1）假設(shè)晶體管內(nèi)出現(xiàn)的噪聲脈沖導(dǎo)致集電極電流增加。這將導(dǎo)致集電極電壓降低，電容器 C2 將此電壓變化耦合到發(fā)射極。
（2）施加到發(fā)射器的遞減負(fù)信號(hào)（正向）是可再生的。這將導(dǎo)致集電極電流進(jìn)一步增加。
（3）集電極電壓繼續(xù)降低（負(fù)電壓沿正方向變化），電容器 C2 繼續(xù)將此充電電壓耦合到發(fā)射極。
（4）同時(shí)，晶體兩端的集電極電壓發(fā)生變化。因此，晶體在壓電作用下會(huì)受到輕微的機(jī)械應(yīng)變。
（5）當(dāng)集電極電流達(dá)到飽和水平時(shí)，不會(huì)發(fā)生進(jìn)一步的變化并且再生動(dòng)作停止。
（6）此時(shí)晶體兩端的靜電應(yīng)變開(kāi)始減小，電容器 C1 開(kāi)始通過(guò) RE 輕微放電，最后集電極電流開(kāi)始下降。這個(gè)動(dòng)作也是再生的，晶體管很快進(jìn)入截止模式。
（7）隨著集電極電流的降低，集電極電壓增加（更負(fù)），現(xiàn)在晶體應(yīng)力反向。
（8）對(duì)于這個(gè)動(dòng)作的每個(gè)循環(huán)，晶體以其平行諧振頻率振蕩。由于晶體的振蕩會(huì)在其兩端產(chǎn)生電壓，一旦開(kāi)始振動(dòng)，晶體將繼續(xù)振蕩。
（9）由于晶體以并聯(lián)方式從集電極連接到地，它有效地用作并聯(lián)諧振電路并將振蕩脈沖平滑成近似正弦波形。

也可以設(shè)計(jì)具有多種電路配置的晶體振蕩器。最常見(jiàn)的其他電路布置類型包括米勒晶體振蕩器和皮爾斯晶體振蕩器。

五、單片機(jī)晶體時(shí)鐘

正如我們已經(jīng)討論過(guò)的，晶體振蕩器用于產(chǎn)生具有更高頻率穩(wěn)定性的振蕩。這就是為什么在數(shù)字系統(tǒng)中使用晶體振蕩器來(lái)產(chǎn)生時(shí)鐘信號(hào)的原因。由于單片機(jī)或控制器的指令執(zhí)行與時(shí)鐘信號(hào)同步發(fā)生。

某些類型的控制器具有內(nèi)置的振蕩器電路，它們只需要一個(gè)石英晶體來(lái)產(chǎn)生必要的時(shí)鐘信號(hào)。某些數(shù)字設(shè)備可能不包含內(nèi)置振蕩器單元，因此它們需要外部振蕩器電路以從中產(chǎn)生時(shí)鐘脈沖。

上圖顯示了用于微處理器時(shí)鐘頻率生成的石英晶體振蕩器的使用，在單片機(jī)的情況下，石英晶體諧振器足以完成這項(xiàng)工作。根據(jù)系統(tǒng)可以運(yùn)行的最大時(shí)鐘頻率的值，決定振蕩器電路或晶體的值。

下圖說(shuō)明了基于外部晶體振蕩器運(yùn)行的8051單片機(jī)。通常情況下，石英晶體振蕩器連接在輸入引腳 XTAL1 和 XTAL2 之間。

XTAL1 是反相振蕩器放大器的輸入和內(nèi)部時(shí)鐘生成電路的輸入，而 XTAL2 是反相振蕩器放大器的輸出。對(duì)于 8052 單片機(jī)，最常用的晶體頻率是 12 兆赫和 11.059 兆赫，但 11.059 更為常見(jiàn)。

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