晶体振荡器(石英晶体)

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

这些被用于需要更大的稳定性的应用,例如,准确地保持一个精确的振荡频率,如手表,通信发射机和接收器。在LC振荡器中,频率是由电感和电容值决定的。

但这些变量会随着气候、时间和温度的波动而变化。因此,LC振荡器不适用于频率稳定的应用。但在晶体振荡器中,晶体是一种频率决定元件,具有较高的频率稳定性。

什么是石英晶体?

这种晶体既可以是人工制造的,也可以是自然产生的具有压电效应的元素。压电效应是一种机电现象,当机械压力作用于晶体的一组面时,它会在晶体的相反面产生电位差。因此,每当力使晶体振动时,就会在晶体上产生交流电压。

相反,当交变电压作用于晶体时,就会产生机械振动,造成晶体形状的机械变形。这些振动或振荡以共振频率振荡,而共振频率是由晶体的切割和物理尺寸决定的。

这是因为每个晶体都有它自己的共振频率取决于它的切割。因此,在机械振动的影响下,产生恒频信号。
如图所示,在一个具有象征意义的密封外壳中有薄片石英。基本上,它的形状是六角形,末端是金字塔。但为了实际应用,将其切割成矩形板片。

切割所涉及的过程包括X切割、Y切割、AT切割等。然后这块板安装在两块金属板之间。这些金属板被称为夹持板,因为它们之间夹持着晶体板。

水晶可从几千赫到几兆赫和质量因数从几千到几十万。这些高品质因子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,那么晶体是等价的电容由于其机械安装。这种电容称为安装电容CM,它存在于由电介质隔开的两块金属板之间。这个CM是一个分流电容。

当晶体开始振动时,会有内摩擦损失,用电阻R表示,而晶体有质量,所以其惯性用电感l表示。在振动条件下,晶体表现出一定的刚度,用电容C表示。

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。所有这些值都是由晶体的切割、大小和振动的性质决定的。晶体的总体等效电路如下所示。

石英晶体等效电路

这些RLC参数构成了谐振电路,谐振频率表示为:

fr = (1/ (2π√(LC)))√(Q2 / (1 + Q2)))

其中Q是质量因子,它的值等于2 π f L / r。晶体的Q值很高,通常为20000。因此因子√(Q2 / (1 + Q2)变成一个单位。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,以便有非常高的频率。但是,晶体也有可能在振动下受损。因此,晶体振荡器的频率范围约为200或300千赫。亚博彩票下载

串并联谐振

从晶体振荡器的等效电路可以看出,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RLC支腿的电抗相等时发生串联谐振,即XC = XL。

在串联谐振频率下,串联LC臂的电抗为零,该支路在串联谐振下提供的阻抗仅为R。此系列谐振频率表示为

fs = 1/ (2π√(LC))

当串联谐振支腿的电抗等于安装电容的电抗时,就出现并联谐振状态。串联臂的电抗在频率大于fs时具有感应性。在这种谐振条件下,晶体提供给外部电路的阻抗是非常高的。

并联谐振时的等效电容为

测查= CC / C+ C

并联谐振频率由

fp = 1/ (2π√(LCeq))

下图是串联支腿电容值远小于CM时晶体阻抗与频率的关系。

串并联谐振

一般来说,fp和fs非常接近,因此可以说一个晶体只有一个谐振频率。

Colpitts晶体振荡器

科尔皮茨晶体振荡器主要用于高射频的稳定振荡器,它使用石英晶体来控制振荡器的频率。

反馈通过电容分压器提供,通常是外部的,但也可以通过电容元件提供。下图显示了一个使用外部电容反馈方法的共发射极Colpitts电路。

Colpitts晶体振荡器

在上述电路中,分压器偏置由R1和RB电阻提供,便于启动,C3是旁路电容,有效地从射频变化隔离基极。电容C1和2连接在集电极和发射极之间,用于反馈。

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,作为一个并联谐振电路工作。

集电极通过RFC与作为电源隔离电路的C4一起供电。输出可以在集电极端以电容方式获得。

操作

这个晶体振荡器的工作依赖于由电容C1和C2组成的分压器电路的作用。当功率加到电路上时,一个小的偏置电流流过RB。然后集电极电流和电压出现在电容分压器上。

  • 假设噪声脉冲发生在晶体管内导致集电极电流增加。这将导致集电极电压下降,电容C2将此电压变化耦合到发射极。
  • 应用于发射器的减少的负信号(正信号)是再生的。这将导致集电极电流的进一步增加。
  • 集电极电压持续下降(负电压向正方向变化),电容器C2继续将此充电电压与发射极耦合。
  • 同时,集电极电压也发生了变化。因此晶体在压电作用下受到机械上的轻微拉伸。
  • 当集电极电流达到饱和水平,不再发生进一步的变化,再生动作停止。
  • 此时晶体的静电应变开始下降,电容C1开始通过RE进行轻微放电,最后集电极电流开始下降。这个动作也是再生的,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),此时晶体应力方向相反。
  • 因此,对于这个作用的每一个周期,晶体都以它的平行共振频率振荡。由于晶体的振荡会在其上产生电压,一旦开始振动,晶体将继续振荡。
  • 由于晶体从集电极连接到地的分流,它有效地发挥了并联谐振电路的作用,并将振荡的脉冲平滑成近似的正弦波形。

也可以用各种电路配置来设计晶体振荡器。其他电路安排的最常见类型包括米勒晶体振荡器和皮尔斯晶体振荡器。

微处理器晶体时钟

正如我们已经讨论过的,晶体振荡器是用来产生频率稳定性更高的振荡的。这就是为什么在数字系统中使用晶体振荡器产生时钟信号的原因。由于微处理器或控制器的指令执行与时钟信号同步。

某些类型的控制器有内置振荡器电路,它们只需要一个石英晶体来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,以便从它产生时钟脉冲。

微处理器晶体时钟

上图显示了石英晶体振荡器用于微处理器时钟频率的产生,在微控制器的情况下,石英晶体谐振器足以完成这项工作。根据系统运行时的最大时钟频率,决定振荡器电路或晶体的值。

下图显示了8051单片机,它基于一个外部晶体振荡器。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,是内部时钟产生电路的输入,而XTAL2是反相振荡器放大器的输出。在8052微控制器的情况下,最常用的晶体频率是12兆赫和11.059兆赫,然而11.059更常见。

8051单片机晶体电路

例子问题

石英晶体具有以下参数:C= 1 pF, R= 5K欧姆,L = 0.4 H, C= 0.085pF。然后求出晶体的串联谐振频率、并联谐振频率和品质因数。

由上述讨论的并联和串联谐振的概念,串联谐振频率表示为

fs = 1/ (2π√(LC))

= 1/ (2π√(0.4 × 0.085 × 10-12年))

= 0.856兆赫

并联谐振频率由

fp = 1/ (2π√(LCeq))

并联谐振时的等效电容为

测查= CC / C+ C

= (0.085 × 1) / (0.085 + 1)

= 0.078 pF

fp = 1/ (2π√(LC))

= 1/ (2π√(0.4 × 0.078 × 10-12年))

= 0.899兆赫

质量因子Q = ws L / R

= 2π fs L / R

= (2π × 0.856 × 106 × 0.4) / 5 × 103.

= 430.272

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