简述石英晶体振荡器的主要作用和原理

振荡器是一种机械或电子结构，可根据少数变量产生振荡。一个好发振荡器会产生稳定的频率。

对于 RC（电阻-电容）或RLC（电阻-电感-电容）振荡器，它们不是稳定和准确振荡的好选择。温度变化会影响负载和电源线，进而影响振荡器电路的稳定性。在RC和RLC电路的情况下，稳定性可以提高到一定程度，但在特定情况下仍然不够提高。

在这种情况下，使用石英晶体。石英是由硅和氧原子组成的矿物。当电压源施加到石英晶体时，它会发生反应，它产生一种特性，称为压电效应。当在其上施加电压源时，它会改变形状并产生机械力，然后机械力会恢复并产生电荷。

由于它将电能转换为机械能量和机械能量转换为电能，因此它被称为换能器。这些变化会产生非常稳定的振动，并且作为压电效应会产生稳定的振动，因此得名Crystal Oscillator，中文名石英晶体振荡器。

石英晶体振荡器及其等效电路

上图是石英晶体振荡器的符合。石英晶体由薄薄的石英晶片制成，紧密安装并控制在两个平行的金属化表面之间。金属化表面用于电连接，石英的物理尺寸和密度以及厚度受到严格控制，因为形状和尺寸的变化直接影响振荡频率。一旦被整形和控制，产生的频率就固定了，基频不能改变为其他频率。这种特定晶体的特定频率称为特征频率。

在上图中，左侧电路代表石英晶体振荡器的等效电路。不难发现，该电路使用了4个无源元件，两个电容器C1和C2以及一个电感器L1、电阻器R1。C1、L1、R1串联，C2并联。

由一个电容、一个电阻和一个电感组成的串联电路，象征着晶振和并联电容的受控行为和稳定工作，C2代表电路的并联电容或等效晶振。

在工作频率下，C1与电感L1谐振。该工作频率称为晶体串联频率 (fs)。由于这个串联频率，一个次级频率点被识别为并联谐振。L1和C1也与并联电容器C2谐振。并联电容C2常被描述为C0的名称，称为石英晶体的分流电容。

石英晶体振荡器输出阻抗对频率

如果在两个电容器之间应用电抗公式，那么对于串联电容器C1，容抗将是：

X C1 = 1 / 2πfC 1

其中，F=频率，C1=串联电容值。

同样的公式也适用于并联电容器，并联电容器的容抗将是：

X C2 = 1 / 2πfC 2

其中，F=频率，C2=并联电容值。

那么，在计算串联阻抗和并联阻抗的情况下，公式将是：

如果看到输出阻抗与频率之间的关系图，将看到阻抗的变化。

在上图中，可以看到石英晶体振荡器的阻抗曲线，还可以看到这个斜率在频率变化时如何变化。有两个点，一个是串联谐振频率点，另一个是并联谐振频率点。

在串联谐振频率点，阻抗变得最小。串联电容C1和串联电感 L1 产生一个串联谐振，该谐振等于串联电阻。所以，在这个串联谐振频率点，会发生以下事情：

• 与其他频率时间相比，阻抗最小。
• 阻抗等于串联电阻。
• 在此点以下，晶体充当电容形式。

接下来频率发生变化，斜率缓慢增加到并联谐振频率处的最大点，此时，在达到并联谐振频率点之前，晶体充当串联电感。

到达并联频率点后，阻抗斜率达到最大值。并联电容C2和串联电感形成LC谐振电路，因此输出阻抗变高。

这就是晶体在串联和并联谐振中充当电感器或电容器的方式，也就是说，石英晶体振荡器可以在这两个共振频率下工作，但不能同时工作，它需要在任何特定的地方进行调整才能运行。

石英晶体振荡器电抗频率

可以使用以下公式测量电路的串联电抗：

X S = R2 + (XL 1 – XC 1 ) 2

其中，R是电阻值，Xl1是电路的串联电感，Xc1是电路的串联电容。

电路的并联电容电抗为：

X CP = -1 / 2πfCp

电路的并联电抗为：

Xp = Xs * Xcp / Xs + Xcp

其图表形式将如下所示：

如上图所示，串联谐振点处的串联电抗与C1成反比，在fs到fp的点处，晶体起到电感的作用，因为在这一点上，两个并联电容变得可以忽略不计。

另一方面，当频率在fs和fp点之外时，晶体将处于电容形式，这时可以使用这两个公式计算串联谐振频率和并联谐振频率：

石英晶体振荡器Q因子

Q是Quality的缩写形式，它是石英晶体共振的一个重要方面。这个Q因子决定了晶体的频率稳定性。一般来说，晶体的Q因子在20,000到100,000以上的范围内。有时，也可以观察到晶体的Q因子超过 200,000。

晶体的Q因子可以使用以下公式计算：

Q = X L / R = 2πfsL 1 / R
其中，XL是电感电抗，R是电阻。

石英晶体振荡器的几种常见类型

1、Colpitts晶体振荡器

使用双极晶体管或各种类型的FET构成的晶体振荡器电路。在上图中，显示了一个colpitts振荡器；电容分压器用于反馈。晶体管Q1采用共发射极配置。在上层电路中，R1和R2用于晶体管的偏置，C1用作保护基极免受射频噪声影响的旁路电容器。

在这种配置中，由于从集电极到地的连接，晶体将充当分流器。它是并联谐振配置。电容C2和C3用于反馈。晶体Q2连接为并联谐振电路。

在这种配置中，输出放大率很低，以避免晶体中过多的功耗。

2、皮尔斯晶体振荡器

它是石英晶体振荡器中使用的另一种配置，其中晶体管变为JFET用于放大，当晶体使用电容器连接在漏极到栅极时， JFET 处于非常高的输入阻抗。

在上图中，显示了皮尔斯晶体振荡器电路。C4在此振荡器电路中提供必要的反馈。该反馈是正反馈，即在谐振频率处有180度相移。R3控制反馈，晶体提供必要的振荡。

皮尔斯晶体振荡器需要最少的组件数量，因此时间控制器的首选，例如数字时钟、定时器和各种类型的手表都使用皮尔斯晶振电路。输出正弦波幅度峰峰值受 JFET 电压范围限制。

3、CMOS振荡器

使用CMOS反相器可以制作使用并联谐振晶体配置的基本振荡器。CMOS反相器可用于实现所需的幅度。它包括反相施密特触发器，如4049、40106或晶体管-晶体管逻辑 (TTL) 芯片 74HC19 等。

在上图中，74HC14N在反相配置中用作施密特触发器。晶体将在串联谐振频率中提供必要的振荡。R1是CMOS的反馈电阻，提供高Q因子和高增益能力。第二个74HC14N是升压器，为负载提供足够的输出。

逆变器以180度相移输出运行，Q1、C2、C1提供额外的180度相移。在振荡过程中，相移始终保持360度。

该CMOS晶体振荡器提供方波输出，最大输出频率由 CMOS 反相器的开关特性决定。可以使用电容值和电阻值更改输出频率，但C1和C2的值必须相同。

带计算的石英晶体振荡器示例演示

当知道以下几个参数数值时，就可以计算出石英晶体的串联谐振频率、并联谐振频率和晶体的品质因数：

R1 = 6.8R

C1 = 0.09970pF

L1 = 3mH

C2 = 30pF
石英晶体的串联谐振频率为：

石英晶体的并联谐振频率fp为：

现在，知道了串联谐振频率为9.20MHz，并联谐振频率为9.23MHz，那么该石英晶体的Q因子将是：

总结

简单来说，晶体振荡器是一种电子电路或设备，用于在晶体而不是调谐电路的帮助下产生稳定的频率。原理就是，晶体振动时，它就像一个谐振器，因此会产生一个振荡频率，从而在谐振器电路使用晶体产生振荡。