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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,讓我們假設晶體是理想的并且 R m可以忽略不計。因此,在晶體電模型的較低分支中,我們有 L m C m串聯。

L mC m串聯諧振時,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。這對應至f小號在圖2中,其通常被稱為晶體的串聯諧振頻率。請注意,C o 不會影響該頻率的值。 

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出電感行為。該有效電感(L mC m的串聯組合)的電抗隨頻率而增加,并且在某個頻率(f a)下,它變得等于 晶體模型中C o的電抗。在這一點上,我們實際上有一個并聯的 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 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。

現在要問的問題是,在振蕩器電路中使用時,晶體將以什么頻率振蕩?

答案是,這取決于振蕩器拓撲。

在振蕩頻率下,振蕩器的環路增益必須等于或大于 1,其相移應為的整數倍(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。 

在這種情況下,放大級的相移是的整數倍。因此,在振蕩頻率下,由晶體和R 1引起的相移應該為零。這種零相移可以在晶體具有純電阻阻抗(f s f a)的頻率下實現。

f s 處,晶體的阻抗最小,因此,由晶體和 R 1產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。

另一種振蕩器拓撲結構,通常稱為皮爾斯柵極振蕩器,如圖 4 所示。 

4.皮爾斯門振蕩器示例。

使用這種拓撲,放大器提供 180° 的相移。因此,R sC 2C 1和晶體的網絡應提供180°的額外相移以滿足振蕩相位條件。當放大器輸出信號通過反饋路徑時,它會經歷一些來自晶體和 C 1組合的相移。該相移量取決于信號頻率。 

低于 f s,晶體充當電容器,X 1 C 1的相移接近。在 f s 處,晶體具有電阻阻抗,此相移約為 90°。在 f s之上,晶體表現出電感行為,相移可以接近 180° 

實際上,R sC 2提供的相移小于90°,因此,X 1C 1的組合需要提供大于90°。這就是晶體需要在其電感區域(圖 2 中的f s f a之間)的某處工作的原因。

并聯諧振和串聯諧振振蕩器

上述討論表明,石英晶體可以在串聯諧振頻率 (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撲結構。 

許多常見的振蕩器電路,例如 PierceColpitts Clapp 型振蕩器,在 f s f a之間的區域內操作晶體。該區域通常稱為并聯諧振區域,迫使晶體在該區域運行的振蕩器稱為并聯諧振振蕩器 

迫使晶體在f操作振蕩器小號都不是很常見的。這些振蕩器被稱為串聯諧振振蕩器。值得一提的是,在振蕩器設計中不使用反諧振點。 

并聯和串聯諧振晶體

晶體行業中有兩個技術術語有時會引起混淆:并聯諧振晶體(或簡稱為并聯晶體)和串聯諧振晶體(或串聯晶體)。

并聯晶體旨在用于并聯諧振振蕩器。由于并聯諧振振蕩器在 fs f a之間的某處操作晶體,因此并聯晶體的標稱頻率是該范圍內的頻率,即在晶體的并聯諧振區域中。

另一方面,串聯晶體旨在用于串聯諧振振蕩器。因此,晶體的標稱頻率與其串聯諧振頻率 (f s ) 相同。 

這兩種晶體之間有什么物理區別嗎?

我們知道每個晶體都有其特定的串聯諧振頻率和并聯諧振面積;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,并聯晶體和串聯晶體的物理結構沒有區別。

這兩個術語僅與晶體以其標稱頻率振蕩的條件有關。

他們是否指定晶體將達到其標稱頻率的振蕩器拓撲類型?它是并聯諧振振蕩器還是串聯諧振型? 

負載電容

負載電容是指晶體在其端子上應該看到的外部電容量。對于串聯諧振振蕩器,振蕩器反饋路徑中沒有電抗組件(請參見圖 3 中所示的示例振蕩器)。這就是為什么,對于串聯晶體,負載電容并不重要(并且未指定)。 

然而,對于并聯晶體,負載電容是一個關鍵參數。在這種情況下,晶體用于其電抗曲線的電感區域。并且,晶體與外部負載電容形成一個 LC 槽。因此,負載電容的值起著關鍵作用并決定了振蕩頻率。

并聯晶體實際上在出廠時已校準,當連接到其指定的負載電容時,會以其標稱頻率振蕩。為了達到標稱頻率,我們的應用板應提供相同的負載電容。

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