一文詳解晶體振蕩器

晶體振蕩器的概念

晶體振蕩器是一種電子振蕩器電路，用于壓電材料振動晶體的機械諧振。它將產生具有給定頻率的電信號。該頻率通常用于記錄時間，例如手表用于數字集成電路中以提供穩定的時鐘信號，也用于穩定無線電發射器和接收器的頻率。石英晶體主要用于射頻（RF）振蕩器。石英晶體是最常見的壓電諧振器類型，在振蕩器電路中，我們使用它們，因此被稱為晶體振蕩器。晶體振蕩器的設計必須能夠提供負載電容。

由于石英晶體的物理特性，它能夠在特定的頻率下產生穩定的諧振。晶體振蕩器利用這一點，通過振蕩電路將石英晶體的諧振頻率轉化為電信號輸出，從而提供一個高精度、高穩定度的頻率源。

晶體振蕩器具有多種封裝形式，包括金屬外殼封裝、玻璃殼封裝、陶瓷封裝和塑料封裝等。其頻率穩定性受到多種因素的影響，如環境溫度、電源電壓等。因此，在使用晶體振蕩器時，需要根據具體的應用場景選擇適當的封裝形式和頻率穩定度等級。

總之，晶體振蕩器是一種利用石英晶體的壓電效應產生穩定頻率信號的電子設備，廣泛應用于各種需要高精度、高穩定度頻率源的場合。

晶體振蕩器的工作原理

晶體振蕩器電路通常根據逆壓電效應原理工作。施加的電場會在某些材料上產生機械變形。因此，它利用由壓電材料制成的振動晶體的機械共振來產生特定頻率的電信號。

通常，石英晶體振蕩器高度穩定，具有良好的品質因數（Q），尺寸小，并且經濟相關。因此，與LC電路、音叉等其他諧振器相比，石英晶體振蕩器電路更加優越。通常，在微處理器和微控制器中，我們使用 8MHz 晶體振蕩器。

等效電路還描述了晶體的晶體作用。只要看看上面所示的等效電路圖即可。電路中使用的基本元件，電感L代表晶體質量，電容C2代表柔量，C1代表因晶體機械成型而形成的電容，電阻R代表晶體內部結構摩擦力，石英晶體振蕩器電路該圖由串聯和并聯諧振等兩個諧振組成，即兩個諧振頻率。

當電容 C1 產生的電抗與電感 L 產生的電抗大小相等且方向相反時，就會發生串聯諧振。fr 和 fp 分別表示串聯和并聯諧振頻率，‘fr’ 和‘fp’ 的值可以通過上面公式確定。

晶體振蕩器的等效電路

例如，看下面的晶體振蕩器的等效電路：

Rs是引線的電阻，Cp是鍍銀板的電容，L和Cs隱藏在石英內部。

使晶體在某一頻率下非常穩定的特性是它的 Q 值，這個值很大，通常為 20 到 3 萬。由于 Cp 和 Cs 非常小，為了使 L 產生共振，它必須很大，通常是幾個亨利！ Q 是電抗與電阻之比。

從上圖中可以看出，晶體有兩個諧振點。較低阻抗串聯諧振主要由 Cs 和 L1 控制，而較大阻抗并聯諧振主要由與 L1 串聯且與 Cp 并聯的 Cs 控制。

晶體振蕩器電路圖

1、反相門晶體振蕩器電路圖

您可以制作的最簡單的振蕩器是使用一個反相門，如下所示：

幾乎所有反相門 CMOS 都可以在這里工作，包括4069、74HC04、74HC1)等。

不直觀的是，所有數字門都有增益，如果您對它們施加偏置（如上面的 1M5電阻器，它們就會充當放大器。輸出僅提供 180° 相移，因此電容器用于提供其余相移，以使反饋為正（360°）并引起振蕩。這些組件都不是非常重要的。 R1 可以是 10k 到 10M 之間的任何值，C1 和 C2 可以是 10p 到 100p 之間的值。

這完全取決于晶體的頻率和切割類型。上面的值是典型值，適用于我的面包板。我為 C1 使用了一個可變電容器，這樣我就可以將計數器上的頻率精確設置為 10.0000MHz。如果你不需要那么精確，你可以使用第二個 39p 電容器。

2、射頻晶體振蕩器電路圖

無線電愛好者幾十年來一直依賴如下電路的晶體振蕩器。許多間諜發射機是在二戰期間制造的，其電路如下所示（當然使用閥門）。

主晶振在左下角Q1、X1等，后面是一個1W的小型功率放大器（PA）Q3，驅動低通濾波器和匹配電路。振蕩器的開啟和關閉是通過一個關鍵整形電路（Q2）實現的，使其平穩地啟動和停止。這可以防止點擊被傳輸。

FET 振蕩器的漏極電路是一個調諧電路 (L1 C3)，可提供更多功率和更清晰的波形。這些都構成了業余頻段 (40m) QRP CW（連續波或莫爾斯電碼）發射機。