什么是石英晶体？石英晶体等效电路分析

石英晶体振荡器是一种利用石英晶体作为谐振器来稳定或控制其频率的振荡电路，这些通常用于生成模拟电路和数字系统的时钟。

这些用于需要更高稳定性的应用，即精确保持振荡的精确频率，例如手表、通信发射器和接收器。在 LC 振荡器中，频率由电感和电容值决定。

但这些变量会随着气候、时间和温度波动而变化。因此，LC振荡器不适用于频率稳定应用。但在晶体振荡器的情况下，晶体是一种频率确定元件，可提供高频率稳定性。

一、什么是石英晶体？

晶体要么是合成制造的，要么是天然存在的元素，它们表现出压电效应。压电效应是一种机电现象，每当在晶体的一组面上施加机械压力时，它就会导致晶体的相对面产生电位差。因此，只要力导致晶体振动，就会在晶体上产生交流电压。

相反，当对晶体施加交流电压时，会产生机械振动，导致晶体形状发生机械变形。这些振动或振荡以谐振频率振荡，谐振频率由晶体的切割和物理尺寸决定。

这是因为每个晶体都有自己的谐振频率，具体取决于其切割。因此，它在机械振动的影响下产生恒定频率信号。

上图给出了密封外壳中的石英薄片，带有符号表示。基本上，它是六边形，末端是金字塔。但是，为了实际使用，它被切割成矩形板片。

切割涉及的过程包括X切割、Y切割、AT切割等。然后将这块板安装在两块金属板之间。这些金属板被称为支撑板，因为它们将晶体板夹在它们之间。

晶体可以从几 KHz 到几 MHz，品质因数从几千到几十万不等。这些高品质因数值使晶体在温度和时间方面极其稳定。

二、石英晶体等效电路

当晶体稳定即不振动时，由于其机械安装，晶体相当于一个电容。该电容称为安装电容CM，它存在于由电介质隔开的两个金属板之间，如晶体板。该 CM

是一个并联电容。

当晶体开始振动时，会有内部摩擦损失，用电阻 R 表示，而晶体有一定的质量，所以它的惯性用电感 L 表示。在振动条件下，晶体表现出一定的刚度，用电容器

C。

因此，三个元素 R、L 和 C 是天然晶体的特性，而 CM

是支撑晶体的电极的电容。所有这些值都由晶体切割、其大小和振动性质决定。晶体的整体等效电路如下图所示。

这些 RLC 参数形成谐振电路，谐振频率表示为：

fr = （1/ （2π √ （LC））） √ （Q2 / （1 + Q2））

其中 Q 是品质因数，其值等于 2 π f L / R。晶体的 Q 值非常高，通常为 20000。因此因子 √ （Q2 / （1 + Q2） 变为 1

。 那么谐振频率为：

fr = （1/ （2π √ （LC））

事实上，晶体频率与厚度成反比。因此，厚度应该非常小以具有非常高的频率。但是，晶体有可能在振动下受到损坏。因此，晶体振荡器用于大约 200 或 300

KHz 的频率范围。

三、串联和并联谐振

从晶体振荡器的等效电路可以看出，该电路有两个谐振频率，即串联谐振频率和并联谐振频率。当串联 RLC 支路的电抗相等时，即 XC =

XL，就会发生串联谐振。

在串联谐振频率下，串联 LC 臂的电抗为零，该支路提供的阻抗在串联谐振下仅为 R。该串联谐振频率表示为

fs = （1/（2π√（LC））

当串联谐振臂的电抗等于安装电容器的电抗时，就会出现并联谐振条件。串联臂的电抗在频率大于 fs

时是感性的。在这种谐振条件下，晶体提供给外部电路的阻抗非常高。

并联谐振下的等效电容为：

Ceq = CMC/ CM + C

并联谐振频率由下式给出：

fp = （1/ （2π √ （LCeq））

下图显示了当串联支路的电容值远小于 CM 时晶体阻抗与频率的关系。

通常，fp 和 fs 彼此非常接近，因此实际上可以说晶体只存在一个谐振频率。

四、Colpitts晶体振荡器

Colpitts 晶体振荡器主要用于高频射频，作为使用石英晶体来控制振荡器频率的稳定振荡器。

反馈是通过电容分压器装置提供的，该分压器装置通常在外部，但也可以通过电容器元件提供。下图显示了使用外部电容反馈方法的共发射极 Colpitts

电路。

在上述电路中，分压器偏置由 R1 和 RB 电阻器提供，以便于启动，C3 是一个旁路电容器，可有效地将基极与 RF

变化隔离开来。电容器C1和2连接在集电极和发射极之间用于反馈。

反馈的调节和控制由这两个可变电容器提供。晶体连接在集电极和地之间，作为并联谐振电路工作。集电极通过 RFC 与用作电源隔离电路的 C4

一起提供。输出可以在集电极端子处以电容方式获取。

该晶体振荡器的操作取决于由电容器 C1 和 C2

组成的分压器电路的作用。当电路通电时，一个小的偏置电流流过RB。然后集电极电流流过，电容器分压器两端出现电压。

（1）假设晶体管内出现的噪声脉冲导致集电极电流增加。这将导致集电极电压降低，电容器 C2 将此电压变化耦合到发射极。

（2）施加到发射器的递减负信号（正向）是可再生的。这将导致集电极电流进一步增加。

（3）集电极电压继续降低（负电压沿正方向变化），电容器 C2 继续将此充电电压耦合到发射极。

（4）同时，晶体两端的集电极电压发生变化。因此，晶体在压电作用下会受到轻微的机械应变。

（5）当集电极电流达到饱和水平时，不会发生进一步的变化并且再生动作停止。

（6）此时晶体两端的静电应变开始减小，电容器 C1 开始通过 RE

轻微放电，最后集电极电流开始下降。这个动作也是再生的，晶体管很快进入截止模式。

（7）随着集电极电流的降低，集电极电压增加（更负），现在晶体应力反向。

（8）对于这个动作的每个循环，晶体以其平行谐振频率振荡。由于晶体的振荡会在其两端产生电压，一旦开始振动，晶体将继续振荡。

（9）由于晶体以并联方式从集电极连接到地，它有效地用作并联谐振电路并将振荡脉冲平滑成近似正弦波形。

也可以设计具有多种电路配置的晶体振荡器。最常见的其他电路布置类型包括米勒晶体振荡器和皮尔斯晶体振荡器。

五、单片机晶体时钟

正如我们已经讨论过的，晶体振荡器用于产生具有更高频率稳定性的振荡。这就是为什么在数字系统中使用晶体振荡器来产生时钟信号的原因。由于单片机或控制器的指令执行与时钟信号同步发生。

某些类型的控制器具有内置的振荡器电路，它们只需要一个石英晶体来产生必要的时钟信号。某些数字设备可能不包含内置振荡器单元，因此它们需要外部振荡器电路以从中产生时钟脉冲。

上图显示了用于微处理器时钟频率生成的石英晶体振荡器的使用，在单片机的情况下，石英晶体谐振器足以完成这项工作。根据系统可以运行的最大时钟频率的值，决定振荡器电路或晶体的值。

下图说明了基于外部晶体振荡器运行的8051单片机。通常情况下，石英晶体振荡器连接在输入引脚 XTAL1 和 XTAL2 之间。

XTAL1 是反相振荡器放大器的输入和内部时钟生成电路的输入，而 XTAL2 是反相振荡器放大器的输出。对于 8052 单片机，最常用的晶体频率是

12 兆赫和 11.059 兆赫，但 11.059 更为常见。