了解石英晶体振荡器的工作原理

在本文中，我们将尝试更深入地了解石英晶体振荡器的操作。

在本系列的第一部分中，我们研究了用于表征石英晶体频率偏差的一些重要指标。现在，我们将更仔细地研究这些设备的运行情况。

我们将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，并讨论电路架构如何迫使晶体以特定频率振荡。

基于这一讨论，我们将能够查看并联和串联晶体的定义 - 这两个技术术语有时会引起混淆。

晶体有两个共振频率

晶体的等效电路如图1所示。

***图1. **图片由意法半导体提供。

基于该模型，我们可以找到典型石英晶体单元的电抗与频率的关系曲线，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 Rm可以忽略不计。因此，在晶体电模型的下分支中，我们有Lm和 Cm串联。

当 Lm和 Cm处于串联谐振中，它们的阻抗相互抵消。在此频率下，下支路的阻抗以及晶体两端的总阻抗降至零。这对应于 fs在图2中，通常称为晶体的串联谐振频率。请注意，Co不影响此频率的值。

正好在 f 上方 s 、L的电抗m变得比 C 大m我们观察到晶体表现出感应行为。该有效电感的电抗（L 的串联组合m和 C m ） 随频率和一定频率增加 （f 一个 ），它等于 C 的电抗o在晶体模型中。在这一点上，我们实际上有一个平行的LC共振，晶体的总阻抗接近无穷大。频率 f一个称为反共振频率。该频率始终高于串联谐振频率。

晶体将以什么频率振荡？

我们看到晶体有两种共振模式。在两个f上s和 f 一个 ，晶体的阻抗是电阻性的。在 f s ，阻力最小;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，晶体在振荡器电路中使用时会以什么频率振荡？

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2，其相移应为<>π（正反馈）的整数倍。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，放大级的相移是2π的整数倍。因此，在振荡频率下，晶体和R引起的相移1应为零。这种零相移可以在晶体具有纯阻性阻抗（fs和 f 一个 ).

在 f s ，晶体的阻抗最小，因此，晶体和R产生的分压器1具有更大的增益，如上图所示。因此，通过上述布置，电路可以以f s .

另一种振荡器拓扑，通常称为皮尔斯-门振荡器，如图4所示。

***图4. *皮尔斯-门振荡器示例。图片由Ramon Cerda提供。

采用这种拓扑结构时，放大器可提供180°的相移。因此，R的网络 s ， C 2 ， C 1 ，晶体应提供 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，它会经历晶体和C的一些相移1组合。该相移的量取决于信号频率。

低于f s ，晶体充当电容器，X的相移1和 C1接近 0°。在 f s ，晶体具有阻性阻抗，该相移约为90°。以上 f s ，晶体表现出感应行为，相移可以接近180°。

实际上，R提供的相移s和 C2小于 90°，因此，X 的组合1和 C1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地方工作（在fs和 f一个在图 2 中）。

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 ） 和反共振频率 （f 一个 ） 取决于振荡器拓扑。

许多常见的振荡器电路，如皮尔斯振荡器、科尔皮茨振荡器和克拉普式振荡器，在s和 f 一个 .该区域通常称为“并联谐振区域”，迫使晶体在该区域工作的振荡器称为“并联谐振振荡器”。

迫使晶体在 f 下工作的振荡器s不是很常见。这些振荡器被称为“串联谐振振荡器”。值得一提的是，反谐振点未用于振荡器设计。

并联和串联谐振晶体

晶体行业中有两个技术术语偶尔会引起混淆：“平行谐振晶体”（或简称平行晶体）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。由于并联谐振振荡器将晶体工作在fs和f之间 一个 ，平行晶体的标称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，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相同（f s ).

这两种类型的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“并联共振面积”;我们可以在这两种共振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。

这两个术语只是关于晶体在其标称频率振荡的条件。

他们是否指定晶体将达到其标称频率的振荡器拓扑类型？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“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元件（请参见图3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（也没有指定）。

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感性区域。并且，晶体与外部负载电容形成LC谐振电路。因此，负载电容的值起着关键作用，并决定了振荡频率。

平行晶体实际上在工厂进行校准，以在连接到其指定的负载电容时以标称频率振荡。为了达到标称频率，我们的应用板应提供相同的负载电容。