深度剖析振蕩器電路中晶體的高穩定性

高質(zhì)量RC振蕩器的穩定性預計在0.1%左右，而通常我們可以假設LC振蕩器的穩定性高達0.01%。當需要更高水平的穩定性時(shí)，我們必須使用基于晶體的振蕩器電路。

與LC網(wǎng)絡(luò )相比，晶體在振蕩器電路中如此重要的主要原因是其高度的穩定性，可確保精確的振蕩頻率，幾乎沒(méi)有高輸出幅度。

LC 共振與晶體共振

與LC電路相關(guān)的電磁共振相反，我們發(fā)現壓電晶體的機電共振。唯一的區別是晶體可以簡(jiǎn)單地通過(guò)機器加工，以獲得接近百萬(wàn)分之10（ppm）的固有頻率的高精度結果。

晶體中使用哪種材料

許多晶體材料，其中石英恰好是一個(gè)主要的例子，具有這些材料在暴露于機械應力時(shí)能夠產(chǎn)生電場(chǎng)的特性。另一方面，石英材料一旦暴露在電場(chǎng)中，往往會(huì )發(fā)生物理變形。這種現象稱(chēng)為壓電效應。因此，您可以切割晶體，使其在暴露于交流電場(chǎng)后立即以某個(gè)指定頻率進(jìn)行物理振蕩。

盡管石英是最常用的物質(zhì)之一，但其他材料，例如鉭酸鋰、氧化鉍鍺、鈮酸鋰和磷酸鋁也應用于多種應用。

此外，您會(huì )發(fā)現陶瓷元素，例如用于制造晶體的PZT陶瓷，其中涉及鉛，鋯和鈦的固體溶液。另一個(gè)壓電類(lèi)別包括聚氯乙烯和二氟聚乙烯等聚合物。對于這些材料，壓電特性取決于這些材料的加工方式。

使用上述材料的細塑料薄膜首先加熱，然后受到強大的電場(chǎng)，隨后在室溫下冷卻。這個(gè)過(guò)程有助于物質(zhì)的極化，隨后獲得壓電屬性。

晶體電子建模

從電子角度來(lái)看，如下圖所示的RLC電路可以作為模擬晶體工作的模型來(lái)實(shí)現。

電感L可以與石英片的質(zhì)量進(jìn)行比較。電容器C與石英片的剛性進(jìn)行比較。電阻R對應于由于晶體中發(fā)生的物理失真而發(fā)生的能量損失。

另一個(gè)電容器Co的行為類(lèi)似于涂覆在石英材料兩側的導電電極之間的電容。

通常，L可以是非常大的電感，而C的值非常低。例如，在適當切割以200 kHz振動(dòng)的晶體中，L可以是27 H，C基本上可以是0.024 pF，R可以是2 kΩ，C0可以是9 pF。

像這樣的星等通常在計算機模擬中對晶體行為進(jìn)行建模時(shí)使用。所使用的L與C比非常高，我們可以通過(guò)使用真正的電子零件獲得，為晶體提供極高的Q（品質(zhì)因數）。

晶體的Q因數通常在100，000左右，而大多數LC網(wǎng)絡(luò )的Q值僅在幾百范圍內。

串聯(lián)和并聯(lián)諧振模式下的工作晶體

您可以在串聯(lián)共振模式或并聯(lián)共振模式下操作晶體。當應用于串聯(lián)諧振模式時(shí)，晶體的行為類(lèi)似于串聯(lián)連接的電容器和電感。晶體阻抗可以最?。▋H對應于R）。

當在并聯(lián)諧振模式下使用時(shí)，晶體的工作原理類(lèi)似于并聯(lián)的電感器和電容器。在這種模式下，晶體的阻抗在施加的諧振頻率下增加到最高水平。

晶體的切割方式通常允許它們在串聯(lián)或并聯(lián)共振模式下以最佳方式運行。

晶體的切割決定了晶體將如何振蕩，振動(dòng)的方式以及實(shí)現所需的晶體薄膜的大小。如果晶體被激發(fā)為縱向振動(dòng)函數，則可以使用以下給定公式粗略計算諧振頻率。

fo= 2.7 x 103/ 升

這里L(fēng)表示晶體的大小參數，其中單位將以米為單位。公式中的數值常數表示晶體振動(dòng)的相速度。

因此，如果所需的頻率fo選擇為100 kHz，則L必須為2.7cm。如果 fo 要求為 10 MHz，則 L 為 0.27 mm

晶體基頻和泛音頻率

此外，它們的切割方式通常允許它們在基波模式或諧波（泛音）模式下工作。

泛音是晶體基頻的奇次諧波，確保晶體能夠在基波和諧波下工作。例如，如果我們有一個(gè)晶體切割以 100 kHz 振蕩，那么它也應該以 300 kHz、500 kHz、700 kHz 和其他更大的諧波振蕩。

晶體限制

我們在晶體中可能發(fā)現的缺點(diǎn)之一是，當晶體被切割成包含較大的基頻時(shí)，最終可能會(huì )變得非常薄。因此，它很容易受到物理?yè)p壞和破損。

基模晶體的最高頻率限制約為 70 Hz。 用于在可能數百MHz范圍內的頻率下工作的晶體被切割，以便它們獲得略低的基波范圍，但可以在諧波模式下進(jìn)行控制。

通過(guò)這種方法，可以獲得晶體的最大振蕩頻率約為500 MHz。

晶體的熱穩定性

熱穩定性在某些振蕩器應用中至關(guān)重要。溫度系數由晶體的切割方式?jīng)Q定。例如，流行的AT-cut在?55°C至+105°C的溫度范圍內提供溫度系數約為±0.002%的晶體。

該溫度系數范圍相當于大多數電容器的一定百分比。

為了獲得更高的穩定性，晶體通常在“烤箱”中進(jìn)行處理。在這個(gè)過(guò)程中，晶體被切割，以便能夠在可能高于室溫的溫度下獲得最小溫度系數。在這里，烘箱保持在高于室溫的規定。

由于烤箱中使用的高功率參與，涉及巨大笨重的烤箱以及烤箱加熱所需的時(shí)間，您可能會(huì )發(fā)現在此過(guò)程中的缺點(diǎn)。

然而，我們得到的高度改進(jìn)的結果是晶體的熱穩定性增強，大約是千萬(wàn)分之±5。

隨著(zhù)高頻通信信道的增加，以及數字電路中時(shí)鐘速度的提高，晶體逐漸被陶瓷諧振器所取代。這些陶瓷諧振器通常是PZT陶瓷或類(lèi)似壓電元件的微小圓盤(pán)，可有效處理千兆赫茲范圍內的頻率。

振蕩器中的晶體

由于其高穩定性，晶體用于替代或部分替代大多數振蕩器電路中的LC諧振電路級。

例如，Colpitts振蕩器的晶體控制模型包括晶體和電容器，而不是電感L1。

當安裝晶體代替電感器時(shí)，頻率設置得更準確。在這種類(lèi)型的振蕩器電路中，晶體通常以并聯(lián)諧振模式控制，在諧振頻率中具有盡可能高的阻抗，從而產(chǎn)生具有非常高幅度的輸出頻率。

下圖中所示的皮爾斯振蕩器是一個(gè)示例，它展示了在串聯(lián)諧振模式下工作的晶體。反饋通過(guò)晶體引導，當晶體在串聯(lián)模式下諧振時(shí)，它達到最大電平，使用最小阻抗。

請注意，該振蕩器可以在需要調諧電路的情況下可靠地工作，只需依靠晶體即可決定其振蕩頻率。晶體振蕩器不僅功能非常準確，而且通常是最快的振蕩器之一。當今的數字電路需要極快的時(shí)鐘來(lái)操作它們，頻率可能在數百兆赫茲之間。

表面聲波器件

您會(huì )發(fā)現一些與表面聲波 （SAW） 器件配合使用的最快振蕩器。它們是微小的壓電物質(zhì)條，其末端鍍有許多電極，如下所示。

在可以是輸入端的一端，當在電極之間施加電場(chǎng)時(shí)，會(huì )導致帶材的外部變形。該動(dòng)作產(chǎn)生沿帶材表面積傳播的振動(dòng)波。這就像一個(gè)聲波，能夠以非常高的速度穿過(guò)條帶，與大約3000米/秒的聲速一樣快。幾分之一秒后，一旦波涌入延伸到另一端，可以是條帶的輸出，與波有關(guān)的電場(chǎng)就會(huì )在連接的電極上產(chǎn)生電位差。

由于兩端電極之間的間隙可以確定哪個(gè)頻率會(huì )更強烈地饋入SAW并從另一端檢索，因此SAW通常用于帶通濾波器。波穿過(guò)條帶所需的時(shí)間為濾波器提供了延遲塊單元的特性。

當用作振蕩器的元件時(shí)，SAW延遲塊可以完全按照上述方式在相移濾波器的RC網(wǎng)絡(luò )中使用。產(chǎn)生180°相移所需的時(shí)間非常短，因此，這種振蕩器的頻率非常高。通常，它們的范圍高達2 GHz左右。 在反饋回路中使用介電諧振器的振蕩器甚至可以超出2 GHz范圍。在這個(gè)層面上，我們可以有效地進(jìn)入微波頻譜，它具有自己的特殊特征。