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了解石英晶體振蕩器的操作
了解石英晶體振蕩器的操作
晶體有兩個(gè)共振頻率
晶體的等效電路如圖 1 所示。
基于此模型，我們可以找到典型石英晶體單元的電抗與頻率曲線，如圖 2 所示：
為了深入了解晶體的操作，讓我們假設(shè)晶體是理想的并且 R m可以忽略不計(jì)。因此，在晶體電模型的較低分支中，我們有 L m和 C m串聯(lián)。
當(dāng)L m和C m串聯(lián)諧振時(shí)，它們的阻抗相互抵消。在該頻率下，較低支路的阻抗以及晶體兩端的總阻抗降至零。這對(duì)應(yīng)至f小號(hào)在圖2中，其通常被稱為晶體的串聯(lián)諧振頻率。請(qǐng)注意，C o 不會(huì)影響該頻率的值。
剛好在 f s之上，L m的電抗變得大于 C m的電抗，我們觀察到晶體表現(xiàn)出電感行為。該有效電感（L m和C m的串聯(lián)組合）的電抗隨頻率而增加，并且在某個(gè)頻率（f a）下，它變得等于 晶體模型中C o的電抗。在這一點(diǎn)上，我們實(shí)際上有一個(gè)并聯(lián)的 LC 諧振，晶體的總阻抗接近無窮大。頻率 f a稱為反諧振頻率。該頻率始終高于串聯(lián)諧振頻率。
晶體以什么頻率振蕩？
我們看到晶體有兩種共振模式。在 f s和 f a 處，晶體的阻抗都是電阻性的。在 f s 處，電阻最小；然而，在反諧振頻率下，晶體的等效阻抗接近無窮大。
現(xiàn)在要問的問題是，在振蕩器電路中使用時(shí)，晶體將以什么頻率振蕩？
答案是，這取決于振蕩器拓?fù)洹?span>
在振蕩頻率下，振蕩器的環(huán)路增益必須等于或大于 1，其相移應(yīng)為 2π 的整數(shù)倍（正反饋）。這些條件決定了晶體的振蕩頻率。
例如，考慮圖 3 中所示的振蕩器。
圖 3
在這種情況下，放大級(jí)的相移是 2π 的整數(shù)倍。因此，在振蕩頻率下，由晶體和R 1引起的相移應(yīng)該為零。這種零相移可以在晶體具有純電阻阻抗（f s和 f a）的頻率下實(shí)現(xiàn)。
在 f s 處，晶體的阻抗最小，因此，由晶體和 R 1產(chǎn)生的分壓器具有更大的增益，如上圖所示。因此，通過上述布置，電路可以在 f s處振蕩。
另一種振蕩器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，通常稱為皮爾斯柵極振蕩器，如圖 4 所示。
圖 4.皮爾斯門振蕩器示例。
使用這種拓?fù)洌糯笃魈峁?span> 180° 的相移。因此，R s、C 2、C 1和晶體的網(wǎng)絡(luò)應(yīng)提供180°的額外相移以滿足振蕩相位條件。當(dāng)放大器輸出信號(hào)通過反饋路徑時(shí)，它會(huì)經(jīng)歷一些來自晶體和 C 1組合的相移。該相移量取決于信號(hào)頻率。
低于 f s，晶體充當(dāng)電容器，X 1和 C 1的相移接近 0°。在 f s 處，晶體具有電阻阻抗，此相移約為 90°。在 f s之上，晶體表現(xiàn)出電感行為，相移可以接近 180°。
實(shí)際上，R s和C 2提供的相移小于90°，因此，X 1和C 1的組合需要提供大于90°。這就是晶體需要在其電感區(qū)域（圖 2 中的f s和 f a之間）的某處工作的原因。
并聯(lián)諧振和串聯(lián)諧振振蕩器
上述討論表明，石英晶體可以在串聯(lián)諧振頻率 (f s ) 和反諧振頻率 (f a )之間的任何頻率振蕩，具體取決于振蕩器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。
許多常見的振蕩器電路，例如 Pierce、Colpitts 和 Clapp 型振蕩器，在 f s和 f a之間的區(qū)域內(nèi)操作晶體。該區(qū)域通常稱為“并聯(lián)諧振區(qū)域”，迫使晶體在該區(qū)域運(yùn)行的振蕩器稱為“并聯(lián)諧振振蕩器”。
迫使晶體在f操作振蕩器小號(hào)都不是很常見的。這些振蕩器被稱為“串聯(lián)諧振振蕩器”。值得一提的是，在振蕩器設(shè)計(jì)中不使用反諧振點(diǎn)。
并聯(lián)和串聯(lián)諧振晶體
晶體行業(yè)中有兩個(gè)技術(shù)術(shù)語有時(shí)會(huì)引起混淆：“并聯(lián)諧振晶體”（或簡稱為并聯(lián)晶體）和“串聯(lián)諧振晶體”（或串聯(lián)晶體）。
并聯(lián)晶體旨在用于并聯(lián)諧振振蕩器。由于并聯(lián)諧振振蕩器在 fs 和 f a之間的某處操作晶體，因此并聯(lián)晶體的標(biāo)稱頻率是該范圍內(nèi)的頻率，即在晶體的“并聯(lián)諧振區(qū)域”中。
另一方面，串聯(lián)晶體旨在用于串聯(lián)諧振振蕩器。因此，晶體的標(biāo)稱頻率與其串聯(lián)諧振頻率 (f s ) 相同。
這兩種晶體之間有什么物理區(qū)別嗎？
我們知道每個(gè)晶體都有其特定的串聯(lián)諧振頻率和“并聯(lián)諧振面積”；我們可以在這兩種共振條件中的任何一種條件下操作給定的晶體。因此，并聯(lián)晶體和串聯(lián)晶體的物理結(jié)構(gòu)沒有區(qū)別。
這兩個(gè)術(shù)語僅與晶體以其標(biāo)稱頻率振蕩的條件有關(guān)。
他們是否指定晶體將達(dá)到其標(biāo)稱頻率的振蕩器拓?fù)漕愋停克遣⒙?lián)諧振振蕩器還是串聯(lián)諧振型？
負(fù)載電容
負(fù)載電容是指晶體在其端子上應(yīng)該“看到”的外部電容量。對(duì)于串聯(lián)諧振振蕩器，振蕩器反饋路徑中沒有電抗組件（請(qǐng)參見圖 3 中所示的示例振蕩器）。這就是為什么，對(duì)于串聯(lián)晶體，負(fù)載電容并不重要（并且未指定）。
然而，對(duì)于并聯(lián)晶體，負(fù)載電容是一個(gè)關(guān)鍵參數(shù)。在這種情況下，晶體用于其電抗曲線的電感區(qū)域。并且，晶體與外部負(fù)載電容形成一個(gè) LC 槽。因此，負(fù)載電容的值起著關(guān)鍵作用并決定了振蕩頻率。
并聯(lián)晶體實(shí)際上在出廠時(shí)已校準(zhǔn)，當(dāng)連接到其指定的負(fù)載電容時(shí)，會(huì)以其標(biāo)稱頻率振蕩。為了達(dá)到標(biāo)稱頻率，我們的應(yīng)用板應(yīng)提供相同的負(fù)載電容。