一般影響振蕩器頻率穩(wěn)定性的因素：溫度變化、負(fù)載變化以及直流電源電壓的變化等等。選擇合適的諧振反饋電路元件，包括放大器，可以大大提高輸出信號(hào)的頻率穩(wěn)定性。但是，從普通LC和RC諧振電路可以獲得的穩(wěn)定性是有限度的。

為了能讓振蕩器在穩(wěn)定的情況下保持高精度，通常用石英晶體來做頻率確定設(shè)備，以產(chǎn)生另一種通常稱為石英晶體振蕩器(XO)的振蕩器電路。當(dāng)電壓施加到一小塊石英晶體上時(shí)，它開始改變形狀，產(chǎn)生一種稱為壓電效應(yīng)的特性。這種壓電效應(yīng)是晶體的特性，通過這種特性，電荷通過改變晶體的形狀來產(chǎn)生機(jī)械力，反之亦然，施加到晶體上的機(jī)械力會(huì)產(chǎn)生電荷。然后，壓電設(shè)備可以歸類為換能器，因?yàn)樗鼈儗⒁环N能量轉(zhuǎn)換為另一種能量（電到機(jī)械或機(jī)械到電）。這種壓電效應(yīng)會(huì)產(chǎn)生機(jī)械振動(dòng)或振蕩，可用于替代以前振蕩器中的標(biāo)準(zhǔn)LC諧振電路。

有許多不同類型的晶體物質(zhì)可以用作振蕩器，其中最重要的電子電路都使用石英晶體，很大部分原因是石英晶體具有更高的機(jī)械強(qiáng)度。

石英晶體振蕩器中使用的石英晶體是一塊非常小的、薄的石英切割片或晶片，其兩個(gè)平行表面被金屬化以進(jìn)行所需的電連接。一塊石英晶體的物理尺寸和厚度受到嚴(yán)格控制，因?yàn)樗鼤?huì)影響振蕩的最終頻率或基本頻率?；l一般稱為晶體的“特征頻率”。一旦切割和成型，晶體就不能在任何其他頻率下使用。換句話說，石英晶體的大小和形狀決定了石英晶體振蕩器的基本振蕩頻率。

晶體特征或特征頻率與其兩個(gè)金屬化表面之間的物理厚度成反比。晶體機(jī)械振動(dòng)可以用等效電路表示，該電路由低電阻R、大電感L和小電容C組成，如下所示。

石英晶體的等效電路顯示了一個(gè)串聯(lián)RLC電路，它代表晶體的機(jī)械振動(dòng)，與一個(gè)電容并聯(lián)，Cp代表與晶體的電氣連接。石英晶體振蕩器傾向于朝著它們的“串聯(lián)諧振”運(yùn)行。

晶體的等效阻抗具有串聯(lián)諧振，其中Cs在晶體工作頻率下與電感Ls諧振。該頻率稱為晶體系列頻率?s。除了這個(gè)串聯(lián)頻率，當(dāng)Ls和Cs與并聯(lián)電容器Cp諧振時(shí)，由于并聯(lián)諧振而建立了第二個(gè)頻率點(diǎn)，如圖所示。

晶體阻抗對頻率

上面晶體阻抗的斜率表明，隨著頻率在其端子上增加。在特定頻率下，串聯(lián)電容器Cs和電感器Ls之間的相互作用創(chuàng)建了一個(gè)串聯(lián)諧振電路，將晶體阻抗降低到最小值并等于Rs。這個(gè)頻率點(diǎn)稱為晶體串聯(lián)諧振頻率?s，低于?s的晶體是電容性的。

當(dāng)頻率增加到高于該串聯(lián)諧振點(diǎn)時(shí)，晶體的行為就像一個(gè)電感器，直到頻率達(dá)到其并聯(lián)諧振頻率?p。在這個(gè)頻率點(diǎn)，串聯(lián)電感Ls和并聯(lián)電容Cp之間的相互作用形成了一個(gè)并聯(lián)調(diào)諧LC諧振電路，因此晶體兩端的阻抗達(dá)到其最大值。

然后我們可以看到石英晶體是串聯(lián)和并聯(lián)調(diào)諧諧振電路的組合，以兩種不同的頻率振蕩，兩者之間的差異非常小，這取決于晶體的切割。此外，由于晶體可以在其串聯(lián)或并聯(lián)諧振頻率下工作，因此需要將晶體振蕩器電路調(diào)諧到一個(gè)或另一個(gè)頻率，因?yàn)槟荒芡瑫r(shí)使用這兩種頻率。

因此，根據(jù)電路特性，石英晶體可以用作電容器、電感器、串聯(lián)諧振電路或并聯(lián)諧振電路，為了更清楚地說明這一點(diǎn)，我們還可以繪制晶體電抗與頻率的關(guān)系，如圖所示。

晶體對頻率的電抗

電抗對頻率的斜率表明，頻率?s處的串聯(lián)電抗與Cs成反比，因?yàn)榈陀?s和高于?p晶體出現(xiàn)電容性。在頻率?s和?p之間，晶體呈現(xiàn)電感性，因?yàn)閮蓚€(gè)并聯(lián)電容相互抵消。

然后晶體串聯(lián)諧振頻率的公式，?s給出為：

串聯(lián)諧振頻率

當(dāng)串聯(lián)LC支路的電抗等于并聯(lián)電容器的電抗Cp時(shí)，會(huì)出現(xiàn)并聯(lián)諧振頻率?p，其公式如下：

并聯(lián)諧振頻率

石英晶體振蕩器示例No1

石英晶體具有以下值：Rs=6.4Ω，Cs=0.09972pF和Ls=2.546mH。如果其端子上的電容Cp測量為28.68pF，計(jì)算晶體的基本振蕩頻率及其次級(jí)諧振頻率。

晶體串聯(lián)諧振頻率，?s

晶體的并聯(lián)諧振頻率?p

我們可以看到的區(qū)別?s，晶體的基頻和?p小約18KHZ（10.005MHz - 9.987MHz）。然而，在此頻率范圍內(nèi)，晶體的Q因數(shù)（品質(zhì)因數(shù)）非常高，因?yàn)榫w的電感值遠(yuǎn)高于其電容或電阻值。我們的晶體在串聯(lián)諧振頻率下的Q因子為：

晶體振蕩器Q因數(shù)

那么我們的晶體示例的Q因子約為25000，這是因?yàn)閄L/R比率很高。大多數(shù)晶體的Q因子在20000到200000之間，而我們之前看到的良好的LC調(diào)諧槽路電路遠(yuǎn)小于1000。這種高Q因子值還有助于晶體在其工作頻率下具有更高的頻率穩(wěn)定性，使其成為構(gòu)建晶體振蕩器電路的理想選擇。

因此，我們已經(jīng)看到石英晶體的諧振頻率類似于電調(diào)諧 LC 諧振電路的諧振頻率，但Q因子要高得多。這主要是由于其低串聯(lián)電阻Rs。因此，石英晶體是用于振蕩器，尤其是極高頻振蕩器的絕佳組件選擇。

典型的晶體振蕩器的振蕩頻率范圍可以從大約40kHz到超過100MHz，具體取決于它們的電路配置和所使用的放大設(shè)備。晶體的切割也決定了它的行為方式，因?yàn)橐恍┚w會(huì)以一種以上的頻率振動(dòng)，產(chǎn)生稱為泛音的額外振蕩。

此外，如果晶體不是平行或均勻的厚度，它可能具有兩個(gè)或多個(gè)諧振頻率，其基頻產(chǎn)生所謂的諧波和諧波，例如二次或三次諧波。

通常，盡管石英晶體的基本振蕩頻率比它周圍的二次諧波更強(qiáng)或更明顯，因此這將是使用的頻率。我們在上圖中已經(jīng)看到，晶體等效電路具有三個(gè)電抗元件、兩個(gè)電容器和一個(gè)電感器，因此有兩個(gè)諧振頻率，最低的是串聯(lián)諧振頻率，最高的是并聯(lián)諧振頻率。

我們在之前的教程中已經(jīng)看到，如果放大器電路的環(huán)路增益大于或等于1并且反饋為正，則放大器電路將發(fā)生振蕩。在石英晶體振蕩器電路中，振蕩器將以晶體基本并聯(lián)諧振頻率振蕩，因?yàn)楫?dāng)施加電壓源時(shí)晶體總是想要振蕩。

但是，也可以將晶體振蕩器“調(diào)諧”到基頻的任何偶次諧波（2nd、4th、8th 等），這些通常稱為諧波振蕩器，而泛音振蕩器以基頻的奇數(shù)倍振動(dòng)、第 3、第 5、第 11 等）。通常，在泛音頻率下工作的晶體振蕩器使用它們的串聯(lián)諧振頻率來實(shí)現(xiàn)。

Colpitts石英晶體振蕩器

晶體振蕩器電路通常使用雙極晶體管或FET構(gòu)成。這是因?yàn)楸M管運(yùn)算放大器可用于許多不同的低頻 (≤100kHz) 振蕩器電路，但運(yùn)算放大器不具備在適用于1MHz以上晶體的較高頻率下成功運(yùn)行的帶寬。

一個(gè)設(shè)計(jì)晶體振蕩器是非常相似的Colpitts振蕩器的我們看著在前面的教程的設(shè)計(jì)，不同的是LC諧振電路，其提供所述反饋的振蕩已經(jīng)由石英晶體替換如下所示。

Colpitts晶體振蕩器

這種類型的晶體振蕩器是圍繞一個(gè)公共集電極（發(fā)射極跟隨器）放大器設(shè)計(jì)的。R1和R2電阻網(wǎng)絡(luò)設(shè)在基部的DC偏置電平，而發(fā)射極電阻器[R ?設(shè)置輸出電壓電平。電阻R2設(shè)置得盡可能大，以防止加載到并聯(lián)晶體。

晶體管2N4265是一種通用NPN晶體管，連接在公共集電極配置中，能夠以超過100Mhz的開關(guān)速度運(yùn)行，遠(yuǎn)高于大約 1MHz到5MHz之間的晶體基頻。

Colpitts晶體振蕩器電路的上述電路圖顯示電容器C1和C2分流晶體管的輸出，從而降低了反饋信號(hào)。因此，晶體管的增益限制了C1和C2的最大值。輸出幅度應(yīng)保持較低，以避免晶體中的過度功耗，否則會(huì)因過度振動(dòng)而損壞自身。

皮爾斯振蕩器

石英晶體振蕩器的另一種常見設(shè)計(jì)是皮爾斯振蕩器。皮爾斯振蕩器在設(shè)計(jì)上與之前的Colpitts振蕩器非常相似，非常適合使用晶體作為其反饋電路的一部分來實(shí)現(xiàn)晶體振蕩器電路。

皮爾斯振蕩器主要是一個(gè)串聯(lián)諧振調(diào)諧電路（與Colpitts振蕩器的并聯(lián)諧振電路不同），它使用 JFET 作為其主放大設(shè)備，因?yàn)镕ET提供非常高的輸入阻抗，晶體通過電容器C1連接在漏極和柵極之間，如如下所示。

皮爾斯晶體振蕩器

在這個(gè)簡單的電路中，晶體確定振蕩頻率并以其串聯(lián)諧振頻率?s 工作，從而在輸出和輸入之間提供低阻抗路徑。諧振有 180 o相移，使反饋為正。輸出正弦波的幅度被限制在 Drain 端子的最大電壓范圍內(nèi)。

電阻器R1控制反饋和晶體驅(qū)動(dòng)量，而射頻扼流圈RFC在每個(gè)周期中反轉(zhuǎn)。大多數(shù)數(shù)字時(shí)鐘、手表和計(jì)時(shí)器以某種形式使用皮爾斯振蕩器，因?yàn)樗梢允褂米钌俚慕M件來實(shí)現(xiàn)。

除了使用晶體管和FET，我們還可以通過使用CMOS反相器作為增益元件來創(chuàng)建一個(gè)簡單的基本并聯(lián)諧振晶體振蕩器，其操作類似于皮爾斯振蕩器?；镜氖⒕w振蕩器由單個(gè)反相施密特觸發(fā)器邏輯門（如 TTL 74HC19 或 CMOS 40106、4049 類型）、一個(gè)電感晶體和兩個(gè)電容器組成。這兩個(gè)電容決定了晶體負(fù)載電容的值。串聯(lián)電阻有助于限制晶體中的驅(qū)動(dòng)電流，并將逆變器輸出與由電容-晶體網(wǎng)絡(luò)形成的復(fù)阻抗隔離。

CMOS晶體振蕩器

晶體以其串聯(lián)諧振頻率振蕩。CMOS反相器最初被反饋電阻器R1偏置到其工作區(qū)域的中間。這確保了反相器的 Q 點(diǎn)處于高增益區(qū)域。這里使用了一個(gè) 1MΩ 值的電阻器，但它的值并不重要，只要它大于 1MΩ。額外的反相器用于緩沖從振蕩器到連接負(fù)載的輸出。

逆變器提供180o的相移，晶體電容器網(wǎng)絡(luò)提供振蕩所需的額外180o。CMOS晶體振蕩器的優(yōu)點(diǎn)在于，它總會(huì)自動(dòng)重新調(diào)整自身保持這個(gè)360?相移振蕩。

與之前基于晶體管的晶體振蕩器產(chǎn)生正弦輸出波形不同，由于 CMOS 反相振蕩器使用數(shù)字邏輯門，因此輸出是在高電平和低電平之間振蕩的方波。自然，最大工作頻率取決于所用邏輯門的開關(guān)特性。

微處理器晶體石英時(shí)鐘

如果不提及微處理器晶體時(shí)鐘，我們就無法完成石英晶體振蕩器教程。幾乎所有的微處理器、微控制器、PIC和CPU通常都使用石英晶體振蕩器作為其頻率確定設(shè)備來產(chǎn)生時(shí)鐘波形，因?yàn)槲覀円呀?jīng)知道，與電阻電容相比，晶體振蕩器提供了最高的精度和頻率穩(wěn)定性，（ RC）或電感電容，（LC）振蕩器。

CPU時(shí)鐘決定了處理器運(yùn)行和處理數(shù)據(jù)的速度有多快，時(shí)鐘速度為 1MHz 的微處理器、PIC 或微控制器意味著它可以在每個(gè)時(shí)鐘周期內(nèi)每秒處理一百萬次數(shù)據(jù)。通常，產(chǎn)生微處理器時(shí)鐘波形所需的只是一個(gè)晶體和兩個(gè)陶瓷電容器，其值在 15 到 33pF 之間，如下所示。

微處理器振蕩器

大多數(shù)微處理器、微控制器和 PIC 有兩個(gè)標(biāo)記為OSC1和OSC2 的振蕩器引腳，用于連接到外部石英晶體電路、標(biāo)準(zhǔn)RC振蕩器網(wǎng)絡(luò)甚至陶瓷諧振器。在這種類型的微處理器應(yīng)用中，石英晶體振蕩器產(chǎn)生一系列連續(xù)方波脈沖，其基頻由晶體本身控制。該基頻調(diào)節(jié)控制處理器設(shè)備的指令流。例如，主時(shí)鐘和系統(tǒng)時(shí)序。

石英晶體振蕩器示例 No2

石英晶體切割后具有以下值，Rs = 1kΩ，Cs = 0.05pF，Ls = 3H和Cp = 10pF。計(jì)算晶體的串聯(lián)和并聯(lián)振蕩頻率。

串聯(lián)振蕩頻率為：

串聯(lián)振蕩頻率

并聯(lián)振蕩頻率由下式給出：

并聯(lián)振蕩頻率

那么晶體的振蕩頻率將在411kHz和412kHz之間。

審核編輯：黃飛

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