晶体振荡器（石英晶体）

石英晶体振荡器是一种振荡器电路，其利用石英晶体作为谐振器来稳定或控制其频率。这些通常用于产生模拟电路和数字系统的时钟。

这些用于需要更大稳定性的应用，即，准确地保持诸如手表，通信发射机和接收器的振荡的精确频率。在LC振荡器中，频率由电感和电容值确定。

但这种变量可以随着气候，时间和温度波动而改变。因此，LC振荡器不适用于频率稳定性应用。但在晶体振荡器的情况下，晶体是提供高频稳定性的频率确定元件。

什么是石英水晶？

这些晶体要么是人工制造的，要么是表现压电效应的天然元素。压电效应是一种机电现象，每当机械压力作用于晶体的一组面时，就会在晶体的相反面产生电位差。因此，每当力引起晶体振动时，就会产生交流电压。

相反，当将交流电压施加到晶体时，机械振动是设置在晶体形状中的机械失真。这些振动或振荡以谐振频率振荡，由晶体的切割和物理尺寸决定。

这是因为每个晶体都有自己的谐振频率，这取决于其切割。因此，它在机械振动的影响下产生恒定频率信号。
在上述图中给出了具有符号表示的气密密封外壳中的薄片石英。基本上，它是六边形的六角形，金字塔在末端。但是，它被切割到矩形板块以进行实际使用。

切割过程包括X切割，Y切割，AT切割等。然后这块板被安装在两块金属板之间。这些金属板被称为托板，因为它们之间夹着水晶板。

晶体可从几千赫到几兆赫兹和质量因数从几千到几十万。这些高的质量因子值使晶体在温度和时间方面非常稳定。

石英晶体等效电路

当晶体是稳定的，即不振动，然后晶体等效电容由于其机械安装。这种电容被称为安装电容CM，它存在于两个金属板之间，金属板之间被一种像晶体板一样的介质隔开。这个CM是一个分流电容。

当晶体开始振动时，将存在由电阻R表示的内部摩擦损失，而晶体具有一些质量，因此其惯性由电感L表示。在振动条件下，晶体显示出一些由此表示的刚度。电容器C.

因此，三个元素R，L和C是天然晶体的特性，而CM是支撑晶体的电极的电容。所有这些值都由晶体切割，其尺寸和振动的性质决定。晶体的整体等效电路如下所示。

这些RLC参数形成谐振电路，谐振频率表示为

FR =（1 /（2π√（LC）））√（Q2 /（1 + Q2））

其中Q是质量因子，其值等于2 π f L / r。晶体的Q值非常高，通常为20000。因式√(Q2 / (1 + Q2))变成了单位。那么共振频率为

FR =（1 /（2π√（LC））

实际上，晶体频率与厚度成反比。因此，厚度应该非常小，以便具有非常高的频率。但是，将有可能在振动下受损。因此，晶体振荡器用于约200或300kHz的频率范围。

串并联谐振

从晶体振荡器的等效电路中可以看出，该电路有两个谐振频率，即串联谐振频率和并联谐振频率。串联谐振发生在串联RLC分支的电抗相等时，即XC = XL。

在串联谐振频率下，串联LC臂的电抗为零，该支路在串联谐振时提供的阻抗为R。这个串联谐振频率表示为

f = (1/ (2π√(LC)))

当串联谐振腿的电抗等于安装电容器的电抗时，发生并联谐振条件。串联臂的电抗在大于FS的频率下是电感的。在该共振条件下，晶体向外部电路提供的阻抗非常高。

并联谐振下的等效电容是

CEQ = C._mC / C._m+ C.

并联谐振频率由

FP =（1 /（2π√（LCEQ））

下图显示了当串联腿部电容的值远小于cm时的晶体阻抗和频率之间的关系。

通常，FP和FS彼此非常接近，因此实际上据说晶体仅存在一个谐振频率。

Colpitts晶体振荡器

Colpitts晶体振荡器主要用于高无线电频率，作为使用石英晶体来控制振荡器频率的稳定振荡器。

通过电容分频器装置提供反馈，该电容分压器装置通常是外部的，而是可以通过电容器元件提供。下图显示了使用外部电容反馈方法的公共发射器Colpitts电路。

在上面的电路中，R1和RB电阻提供分压器偏压，用于易于启动，C3是旁路电容器，其有效地将基座与RF变化隔离。电容器C1和2在收集器和发射器之间连接以进行反馈目的。

反馈的调整和控制由这两个可变电容器提供。晶体连接在集电极和地之间，并作为并联谐振电路操作。

收集器通过RFC与C4一起提供，该C4用作电源隔离电路。输出可以在收集器终端上电容拍摄。

手术

该晶体振荡器的操作取决于由电容器C1和C2组成的分压器电路的动作。当电源施加到电路时，小偏置电流流过RB。然后集电器电流流程和电压出现在电容器分压器上。

• 假设在晶体管内发生的噪声脉冲导致增加集电极电流。这将导致收集电压降低，并且电容器C2将该电压变为发射器。
• 施加到发射器的减小的负信号（正面）是再生的。这将导致收集器电流进一步增加。
• 收集电压继续降低（在正方向上变化的负电压），并且电容器C2继续将该充电电压耦合到发射极。
• 同时，集电极电压的变化出现在晶体上。因此，晶体通过压电作用机械地稍微紧张。
• 当集电极电流达到饱和度水平时，不会发生进一步的变化，并且再生动作停止。
• 此时晶体两端的静电应变开始减小，电容C1通过RE开始轻微放电，最后集电极电流开始下降。这个动作也是可再生的，晶体管很快进入截止模式。
• 当集电极电流减小时，集电极电压增加(更负)，现在晶体的应力方向相反。
• 因此，对于该动作的每个循环继续，晶体以其平行的谐振频率振荡。由于晶体的振荡产生跨越电压，因此一旦开始振动，晶体将继续振荡。
• 由于晶体从集电极分流到地，因此它有效地用作并联谐振电路，并将振荡的脉冲平滑为近似正弦波形。

还可以使用各种电路配置设计晶体振荡器。最常见的其他电路装置包括米勒晶体振荡器和刺穿晶体振荡器。

微处理器水晶钟

如我们讨论的那样，晶体振荡器用于产生具有更高频率稳定性的振荡。这就是为什么在数字系统中用于产生时钟信号的晶体振荡器的原因。由于微处理器或控制器的指令执行与时钟信号同步。

某些类型的控制器具有内置振荡器电路，并且它们仅需要石英晶体以产生必要的时钟信号。某些数字设备可能不包含内置振荡器单元，因此它们需要外部振荡器电路，以便从中产生时钟脉冲。

上图显示了用于微处理器时钟频率产生的石英晶体振荡器的用法，如果微控制器的情况下，石英晶体谐振器足以完成作业。根据系统可以运行的最大时钟频率的值，确定振荡器电路或晶体的值。

下图展示了基于外部晶体振荡器的8051微控制器。通常在输入引脚XTAL1和XTAL2之间连接一个石英晶体振荡器。

XTAL1是反相振荡器放大器的输入，并输入到内部时钟发电电路，而XTAL2从反相振荡器放大器输出。在8052微控制器的情况下，大多数常用的晶体频率为12兆赫兹和11.059兆赫兹，但是11.059更常见。

示例问题

Quartz Crystal具有以下参数：C_m= 1 pf，r = 5k欧姆，l = 0.4 h和c = 0.085pf。然后找到串联谐振频率，并联谐振频率和晶体的质量系数。

从上面讨论的并行和串联谐振概念，串联谐振频率表示为

f = (1/ (2π√(LC)))

=（1 /（2π√（0.4×0.085×10^-12）））

= 0.856 MHz.

并联谐振频率由

FP =（1 /（2π√（LCEQ））

并联谐振下的等效电容是

CEQ = C._mC / C._m+ C.

=（0.085×1）/（0.085 + 1）

= 0.078 pF

FP =（1 / /（2π√（LC））

=（1 /（2π√（0.4×0.078×10^-12）））

= 0.899 MHz.

质量因子Q = WS L / R.

=2πfs l / r

=（2π×0.856×106×0.4）/ 5×10^3.

= 430.272