一般影響振蕩器頻率穩定性的因素：溫度變化、負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的頻率穩定性。但是，從普通LC和RC諧振電路可以獲得的穩定性是有限度的。

為了能讓振蕩器在穩定的情況下保持高精度，通常用石英晶體來做頻率確定設備，以產生另一種通常稱為石英晶體振蕩器(XO)的振蕩器電路。當電壓施加到一小塊石英晶體上時，它開始改變形狀，產生一種稱為壓電效應的特性。這種壓電效應是晶體的特性，通過這種特性，電荷通過改變晶體的形狀來產生機械力，反之亦然，施加到晶體上的機械力會產生電荷。然后，壓電設備可以歸類為換能器，因為它們將一種能量轉換為另一種能量（電到機械或機械到電）。這種壓電效應會產生機械振動或振蕩，可用于替代以前振蕩器中的標準LC諧振電路。

有許多不同類型的晶體物質可以用作振蕩器，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械強度。

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，其兩個平行表面被金屬化以進行所需的電連接。一塊石英晶體的物理尺寸和厚度受到嚴格控制，因為它會影響振蕩的最終頻率或基本頻率。基頻一般稱為晶體的“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金屬化表面之間的物理厚度成反比。晶體機械振動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串聯RLC電路，它代表晶體的機械振動，與一個電容并聯，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“串聯諧振”運行。

晶體的等效阻抗具有串聯諧振，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。除了這個串聯頻率，當Ls和Cs與并聯電容器Cp諧振時，由于并聯諧振而建立了第二個頻率點，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，串聯電容器Cs和電感器Ls之間的相互作用創建了一個串聯諧振電路，將晶體阻抗降低到最小值并等于Rs。這個頻率點稱為晶體串聯諧振頻率?s，低于?s的晶體是電容性的。

當頻率增加到高于該串聯諧振點時，晶體的行為就像一個電感器，直到頻率達到其并聯諧振頻率?p。在這個頻率點，串聯電感Ls和并聯電容Cp之間的相互作用形成了一個并聯調諧LC諧振電路，因此晶體兩端的阻抗達到其最大值。

然后我們可以看到石英晶體是串聯和并聯調諧諧振電路的組合，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或并聯諧振頻率下工作，因此需要將晶體振蕩器電路調諧到一個或另一個頻率，因為您不能同時使用這兩種頻率。

因此，根據電路特性，石英晶體可以用作電容器、電感器、串聯諧振電路或并聯諧振電路，為了更清楚地說明這一點，我們還可以繪制晶體電抗與頻率的關系，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處的串聯電抗與Cs成反比，因為低于?s和高于?p晶體出現電容性。在頻率?s和?p之間，晶體呈現電感性，因為兩個并聯電容相互抵消。

然后晶體串聯諧振頻率的公式，?s給出為：

串聯諧振頻率

當串聯LC支路的電抗等于并聯電容器的電抗Cp時，會出現并聯諧振頻率?p，其公式如下：

并聯諧振頻率

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，計算晶體的基本振蕩頻率及其次級諧振頻率。

晶體串聯諧振頻率，?s

晶體的并聯諧振頻率?p

我們可以看到的區別?s，晶體的基頻和?p小約18KHZ（10.005MHz - 9.987MHz）。然而，在此頻率范圍內，晶體的Q因數（品質因數）非常高，因為晶體的電感值遠高于其電容或電阻值。我們的晶體在串聯諧振頻率下的Q因子為：

晶體振蕩器Q因數

那么我們的晶體示例的Q因子約為25000，這是因為XL/R比率很高。大多數晶體的Q因子在20000到200000之間，而我們之前看到的良好的LC調諧槽路電路遠小于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定性，使其成為構建晶體振蕩器電路的理想選擇。

因此，我們已經看到石英晶體的諧振頻率類似于電調諧 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備。晶體的切割也決定了它的行為方式，因為一些晶體會以一種以上的頻率振動，產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，它可能具有兩個或多個諧振頻率，其基頻產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或更明顯，因此這將是使用的頻率。我們在上圖中已經看到，晶體等效電路具有三個電抗元件、兩個電容器和一個電感器，因此有兩個諧振頻率，最低的是串聯諧振頻率，最高的是并聯諧振頻率。

我們在之前的教程中已經看到，如果放大器電路的環路增益大于或等于1并且反饋為正，則放大器電路將發生振蕩。在石英晶體振蕩器電路中，振蕩器將以晶體基本并聯諧振頻率振蕩，因為當施加電壓源時晶體總是想要振蕩。

但是，也可以將晶體振蕩器“調諧”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倍振動、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諧振頻率來實現。

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構成。這是因為盡管運算放大器可用于許多不同的低頻 (≤100kHz) 振蕩器電路，但運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行的帶寬。

一個設計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計，不同的是LC諧振電路，其提供所述反饋的振蕩已經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公共集電極（發射極跟隨器）放大器設計的。R1和R2電阻網絡設在基部的DC偏置電平，而發射極電阻器[R ?設置輸出電壓電平。電阻R2設置得盡可能大，以防止加載到并聯晶體。

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的開關速度運行，遠高于大約 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。因此，晶體管的增益限制了C1和C2的最大值。輸出幅度應保持較低，以避免晶體中的過度功耗，否則會因過度振動而損壞自身。

皮爾斯振蕩器

石英晶體振蕩器的另一種常見設計是皮爾斯振蕩器。皮爾斯振蕩器在設計上與之前的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現晶體振蕩器電路。

皮爾斯振蕩器主要是一個串聯諧振調諧電路（與Colpitts振蕩器的并聯諧振電路不同），它使用 JFET 作為其主放大設備，因為FET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

在這個簡單的電路中，晶體確定振蕩頻率并以其串聯諧振頻率?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。

電阻器R1控制反饋和晶體驅動量，而射頻扼流圈RFC在每個周期中反轉。大多數數字時鐘、手表和計時器以某種形式使用皮爾斯振蕩器，因為它可以使用最少的組件來實現。

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建一個簡單的基本并聯諧振晶體振蕩器，其操作類似于皮爾斯振蕩器。基本的石英晶體振蕩器由單個反相施密特觸發器邏輯門（如 TTL 74HC19 或 CMOS 40106、4049 類型）、一個電感晶體和兩個電容器組成。這兩個電容決定了晶體負載電容的值。串聯電阻有助于限制晶體中的驅動電流，并將逆變器輸出與由電容-晶體網絡形成的復阻抗隔離。

CMOS晶體振蕩器

晶體以其串聯諧振頻率振蕩。CMOS反相器最初被反饋電阻器R1偏置到其工作區域的中間。這確保了反相器的 Q 點處于高增益區域。這里使用了一個 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載的輸出。

逆變器提供180o的相移，晶體電容器網絡提供振蕩所需的額外180o。CMOS晶體振蕩器的優點在于，它總會自動重新調整自身保持這個360?相移振蕩。

與之前基于晶體管的晶體振蕩器產生正弦輸出波形不同，由于 CMOS 反相振蕩器使用數字邏輯門，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特性。

微處理器晶體石英時鐘

如果不提及微處理器晶體時鐘，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備來產生時鐘波形，因為我們已經知道，與電阻電容相比，晶體振蕩器提供了最高的精度和頻率穩定性，（ RC）或電感電容，（LC）振蕩器。

CPU時鐘決定了處理器運行和處理數據的速度有多快，時鐘速度為 1MHz 的微處理器、PIC 或微控制器意味著它可以在每個時鐘周期內每秒處理一百萬次數據。通常，產生微處理器時鐘波形所需的只是一個晶體和兩個陶瓷電容器，其值在 15 到 33pF 之間，如下所示。

微處理器振蕩器

大多數微處理器、微控制器和 PIC 有兩個標記為OSC1和OSC2 的振蕩器引腳，用于連接到外部石英晶體電路、標準RC振蕩器網絡甚至陶瓷諧振器。在這種類型的微處理器應用中，石英晶體振蕩器產生一系列連續方波脈沖，其基頻由晶體本身控制。該基頻調節控制處理器設備的指令流。例如，主時鐘和系統時序。

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。計算晶體的串聯和并聯振蕩頻率。

串聯振蕩頻率為：

串聯振蕩頻率

并聯振蕩頻率由下式給出：

并聯振蕩頻率

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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