晶体振荡器

---

---

当振荡器处于连续工作状态时，其频率稳定性会受到影响。其频率会发生变化。影响振荡器频率的主要因素有

• 电源电压变化
• 温度变化
• 负载或输出电阻的变化

在 RC 和 LC 振荡器中，电阻、电容和电感的数值会随温度变化而变化，因此频率也会受到影响。为了避免这个问题，在振荡器中使用了压电晶体。

在并联谐振电路中使用压电晶体可以提供振荡器的高频率稳定性。这种振荡器称为晶体振荡器。

晶体振荡器

晶体振荡器的原理取决于压电效应。晶体的自然形状是六边形。当晶片垂直于 X 轴切割时，称为 X 切割；当沿 Y 轴切割时，称为 Y 切割。

晶体振荡器中使用的晶体表现出一种称为压电特性的特性。因此，让我们了解一下压电效应。

压电效应

晶体表现出这样的特性：当在晶体的一个面上施加机械应力时，在晶体的相对面上会产生电位差。反之，当在晶体的一个面上施加电位差时，在其他面上会产生机械应力。这被称为压电效应。

某些晶体材料，如罗谢尔盐、石英和电气石，表现出压电效应，这些材料称为压电晶体。石英是最常用的压电晶体，因为它价格低廉，并且在自然界中很容易获得。

当压电晶体受到适当的交流电位作用时，它会机械振动。当交流电压的频率等于晶体的固有频率时，机械振动的幅度达到最大。

石英晶体的运作

为了使晶体在电子电路中工作，晶体被放置在两个金属板之间，形成电容器。石英是使用最广泛的晶体类型，因为它价格低廉且性质稳定，同时易于获取。交流电压并联施加到晶体上。

石英晶体的电路布置如下所示：

如果施加交流电压，晶体将以施加电压的频率开始振动。但是，如果使施加电压的频率等于晶体的固有频率，则会发生共振，晶体振动达到最大值。这个固有频率几乎是恒定的。

晶体的等效电路

如果我们尝试用等效电路表示晶体，我们必须考虑两种情况，即晶体振动和不振动。下图分别表示晶体的符号和电等效电路。

上述等效电路由一个串联 R-L-C 电路与电容 C_m 并联组成。当安装在交流电源两端的晶体不振动时，它等效于电容 C_m。当晶体振动时，它表现得像一个调谐 R-L-C 电路。

频率响应

晶体的频率响应如下图所示。该图显示了电抗 (X_L 或 X_C) 与频率 (f) 的关系。很明显，晶体有两个紧密间隔的谐振频率。

第一个是串联谐振频率 (f_s)，当电感的电抗 (L) 等于电容 C 的电抗时发生。在这种情况下，等效电路的阻抗等于电阻 R，振荡频率由以下关系给出：

$$f = \frac{1}{2\pi \sqrt{L.C}}$$

第二个是并联谐振频率 (f_p)，当 R-L-C 支路的电抗等于电容 C_m 的电抗时发生。在此频率下，晶体对外部电路提供非常高的阻抗，振荡频率由以下关系给出。

$$f_p = \frac{1}{2\pi \sqrt{L.C_T}}$$

其中

$$C_T = \frac{C C_m}{(C + C_m)}$$

C_m 的值通常比 C 大得多。因此，C_T 的值近似等于 C，因此串联谐振频率近似等于并联谐振频率 (即 f_s = f_p)。

晶体振荡器电路

晶体振荡器电路可以通过多种方式构建，例如晶体控制的调谐集电极振荡器、柯尔皮兹晶体振荡器、克拉普晶体振荡器等。但是晶体管皮尔斯晶体振荡器是最常用的。此电路通常称为晶体振荡器电路。

下面的电路图显示了晶体管皮尔斯晶体振荡器的布置。

在此电路中，晶体作为反馈路径（从集电极到基极）中的串联元件连接。电阻 R₁、R₂ 和 R_E 提供一个分压稳定的直流偏置电路。电容 C_E 提供发射极电阻的交流旁路，RFC（射频扼流圈）线圈提供直流偏置，同时将电源线上任何交流信号与输出信号解耦。耦合电容 C 在电路工作频率下的阻抗可以忽略不计。但它阻挡了集电极和基极之间的任何直流电。

振荡电路频率由晶体的串联谐振频率决定，其值由以下关系给出：

$$f_o = \frac{1}{2\pi \sqrt{L.C}}$$

需要注意的是，电源电压、晶体管器件参数等的改变对电路工作频率没有影响，该频率由晶体稳定。

优点

晶体振荡器的优点如下：

• 它们具有高频稳定性。
• 晶体的品质因数 (Q) 非常高。

缺点

晶体振荡器的缺点如下：

• 它们易碎，只能用于低功率电路。
• 振荡频率不能明显改变。

振荡器的频率稳定性

期望振荡器在较长时间内保持其频率不变，以确保电路操作能够获得更平滑、清晰的正弦波输出。因此，当涉及到振荡器（无论是正弦波还是非正弦波）时，频率稳定性这个术语非常重要。

振荡器的频率稳定性定义为振荡器在尽可能长的的时间间隔内保持所需频率恒定的能力。让我们尝试讨论影响此频率稳定性的因素。

工作点的变化

我们已经了解了晶体管参数，并了解了工作点的重要性。电路中用于放大（BJT 或 FET）的晶体管的工作点稳定性至关重要。

所用有源器件的工作点被调整到其特性的线性部分。由于温度变化，该点会发生偏移，因此稳定性会受到影响。

温度变化

振荡器电路中的谐振电路包含各种频率确定元件，例如电阻、电容和电感器。它们的所有参数都与温度有关。由于温度变化，其值会受到影响。这会导致振荡器电路频率的变化。

由于电源

电源的变化也会影响频率。电源变化会导致 V_cc 的变化。这将影响产生的振荡频率。

为了避免这种情况，采用了稳压电源系统。简称为 RPS。稳压电源的详细信息在电子电路教程的电源部分进行了详细讨论。

输出负载的变化

输出电阻或输出负载的变化也会影响振荡器的频率。当连接负载时，谐振电路的有效电阻会发生变化。结果，LC 调谐电路的品质因数发生变化。这导致振荡器输出频率发生变化。

互电容的变化

互电容是在 PN 结材料（如二极管和晶体管）中产生的电容。这些电容是由于它们在工作期间存在的电荷而产生的。

互电容由于温度、电压等各种原因而发生变化。这个问题可以通过在有问题的互电容上并联连接旁路电容来解决。

Q 值

振荡器中的 Q 值（品质因数）必须很高。调谐振荡器中的 Q 值决定了选择性。由于此 Q 值与调谐电路的频率稳定性成正比，因此应保持 Q 值较高。

频率稳定性可以用数学方式表示为：

$$S_w = d\theta/dw$$

其中 dθ 是在标称频率 f_r 的小频率变化下引入的相移。产生较大 (dθ/dw) 值的电路具有更稳定的振荡频率。