什么是石英晶體？了解石英晶體振蕩器。

什么是石英晶體？了解石英晶體振蕩器?   

石英是地球上第二豐富的礦物，它主要功能性材料是二氧化硅(SiO?)結(jié)晶體，基于這些信息，你有沒(méi)有想過(guò)石英晶體會(huì)成為無(wú)處不在的電子元件，成為無(wú)數(shù)高性能振蕩器電路的核心成分？

毫無(wú)疑問(wèn)，你可以在不了解石英晶體的真正含義的情況下使用石英晶體：將晶體連接到一些微控制器引腳，添加幾個(gè)負(fù)載電容器，然后就有了一個(gè)振蕩器。

你可能永遠(yuǎn)不需要確切地知道為什么一塊石英可以將反饋電路變成振蕩器，但這些信息是廣泛的知識(shí)的一部分，它使我們能夠真正理解基本的電子概念。

電路

下圖為石英晶體的等效電路：

讓我們明確一點(diǎn)：石英晶體是石英晶體。如果你用錘子敲擊晶體，它不會(huì)碎成一個(gè)電感器、一個(gè)電阻器和兩個(gè)電容器。然而，石英晶體具有機(jī)電特性，這些特性會(huì)導(dǎo)致晶體在電子電路的環(huán)境中表現(xiàn)出來(lái)，就像上面顯示的無(wú)源元件的集合一樣。

等效電路中的所有這些組件都非常常見(jiàn)。那么，你可能想知道，我們?yōu)槭裁匆褂檬⒕w，為什么不在同一個(gè)排列中使用電容、電感器和電阻器呢？正如我們稍后將看到的，使用無(wú)源器件永遠(yuǎn)無(wú)法獲得同等的性能，尤其是考慮到石英晶體有多小。

諧振

電感器和電容器儲(chǔ)存能量，如果你以允許能量在兩個(gè)組件之間來(lái)回流動(dòng)的方式連接電感器和電容器，則你要有一個(gè)諧振電路，在理想化的電路中，這種來(lái)回流動(dòng)永遠(yuǎn)持續(xù)下去，你就會(huì)有一個(gè)振蕩器。在現(xiàn)實(shí)電路中，隨著能量被電阻元件（如電線或 PCB 走線）耗散，振蕩幅度會(huì)減?。ú⒆罱K停止）。更大的阻力意味著振蕩更“阻尼”，即振幅減小得更快。Q 因子與電阻成反比，這意味著較低的 Q 對(duì)應(yīng)于更快消失的振蕩。

諧振發(fā)生在串聯(lián) LC 電路和并聯(lián) LC 電路中，如果回頭看等效電路，你會(huì)發(fā)現(xiàn)晶體同時(shí)具有串聯(lián)和并聯(lián)諧振。串聯(lián)電感和電容的諧振頻率標(biāo)準(zhǔn)公式：

$$ f_{SR}=frac{1}{2pisqrt{LC_S}}$$

并聯(lián)諧振有點(diǎn)復(fù)雜。該諧振頻率計(jì)算如下：

$$f_{PR}=frac{1}{2pisqrt{Lleft(frac{C_SC_P}{C_S+C_P}right)}}$$

然而，事實(shí)證明 C P比C S大得多（可能大 2000 倍），這意味著 C S C P /(C S + C P ) 大約等于 C S C P /C P。然后我們?nèi)∠?C P項(xiàng)并留下

$$f_{PR}approxfrac{1}{2pisqrt{LC_S}} Rightarrow f_{PR}approx f_{SR}$$

所以這兩個(gè)共振頻率非常接近。當(dāng)你選擇晶體時(shí)，會(huì)指定特定頻率，出于所有實(shí)際目的，我們可以說(shuō)晶體的工作頻率等于 f SR。

高Q

如上所述，你不能只用等效的無(wú)源組件集合替換晶體。為什么？你需要一些重要的 PCB 空間來(lái)匹配晶體的電感，此外，晶體的大電感與相對(duì)較小的電阻相結(jié)合，從而產(chǎn)生非常高的 Q 因子。

頻率響應(yīng)

電感器和電容器具有電抗，石英晶體也有電抗，盡管由于三種反應(yīng)成分之間的相互作用，這種電抗有點(diǎn)復(fù)雜。在低頻時(shí)，容抗占主導(dǎo)地位。隨著頻率的增加，電抗的幅度減小，并最終在 f SR處達(dá)到零（正如預(yù)期的那樣 - 串聯(lián) LC 電路在諧振頻率處具有零阻抗）。在f SR處電抗通過(guò)零后，它迅速增加到無(wú)窮大，因?yàn)閒 PR略高于f SR并且理想并聯(lián)LC電路的阻抗在諧振頻率下是無(wú)限的。

振蕩

石英晶體，而不是振蕩器，為了產(chǎn)生振蕩，必須將晶體結(jié)合到具有振蕩電路所表現(xiàn)出的典型特性的電路中，即放大和反饋。如果你查看經(jīng)典的振蕩器拓?fù)?，例?Colpitts 或 Hartley，你會(huì)看到一個(gè)放大器（例如 BJT）、一個(gè) LC 諧振電路（用于提供諧振）和一個(gè)反饋連接 - 例如在 Colpitts 振蕩器中，反饋從儲(chǔ)能電路中兩個(gè)電容器之間的節(jié)點(diǎn)到 BJT 的發(fā)射極：

總體思路與基于石英的振蕩器相同，因?yàn)槭⒕w本質(zhì)上是一種非常高性能的諧振元件。Pierce（或 Pierce-Gate）振蕩器是一種用于產(chǎn)生數(shù)字振蕩的常見(jiàn)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。它看起來(lái)像這樣：

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