晶体振荡器

晶体振荡器是一种将石英晶体用作频率选择元件的器件。石英晶体也称为压电晶体。因此，包含压电晶体的振荡器电路称为晶体振荡器。 它有两个电极，为晶体提供信号。 与 RC 和 LC 调谐电路振荡器相比，晶体振荡器具有高频稳定性和高品质因数。 它被认为是高度稳定的振荡器之一，适用于高频应用。

什么是晶体？

晶体是一种固体物质，其原子和分子紧密地排列成三维形状。 大多数固体物体都有其共振和振动频率。 由具有共振和振动频率的弹性材料制成的物体是晶体。 共振频率还取决于固体物体（例如钢）中的声速。 钢是一种具有高声速的金属合金。

使用石英晶体的优点如下

• 纯度更高
• 易于操作
• 成本低
• 优良的原材料
• 良好的治愈能力
• 易于获取

晶体振荡器的电路如下图所示

石英晶体与振荡器的谐振电路并联连接。 谐振电路包括一个电阻器、一个电容器和一个串联连接的电感器。 Co 是与石英晶体相关的静态电容。

原则

施加在晶体上的电压有助于它以其固有频率振动。 压电晶体产生的振动会转化为振荡。

工作方式

输入信号施加到晶体振荡器电路。 它由晶体和谐振电路组成，如上所示。 信号首先通过石英晶体的电极。 由于施加的电压，它改变了形状。 当电压被移除时，晶体恢复到其原始形状。 晶体在返回其原始位置之前会产生一个小的电压。

压电晶体使用电信号产生振动。 这意味着晶体将电能转化为机械能。 振动会转化为恒定频率的振荡。 另一个端子将机械能转换回电能。

产生的恒定频率的振荡就像一个 RLC 电路。 一旦晶体调整到特定频率和其他环境因素，它就会开始保持高频或高品质因数。

晶体振荡器的频率范围低于 1000 Hz 和高于 200M Hz。

静态电容

C_o 是与 RLC 组合并联连接的静态电容，如上所示。

电阻器、电感器和电容器串联连接。 阻抗可以表示为

Z(s) = (1/sC₁ + sL₁ + R₁)

另一个电容器 Co 并联连接。

Z(s) = (1/sC₁ + sL₁ + R₁) || 1/sC_O

将 ?_s 的值代入上面的等式，我们得到

其中，

?_s 是串联谐振角频率

?_p 是并联谐振角频率

历史

• 压电晶体最初是由两位法国物理学家P. Curie 和Jacques 于 1880 年开发的。
• 1921 年，第一个石英振荡器由工程师和美国物理学家Walter G Cady开发。 还有其他石英晶体创新者，包括英国物理学家 Louis Essen。
• 1928 年，贝尔实验室的加拿大工程师 Warren Marrison 开发了第一个石英晶体钟。
• 之后，石英晶体钟被摆钟取代，摆钟后来在 1950 年被原子钟取代。
• 第二次世界大战期间，由于晶体在收音机和雷达中的应用，对晶体的需求增加了。
• 贝尔实验室开发了一种合成方法来开发石英晶体，以克服对石英晶体日益增长的需求。
• 1970 年，电子工业中使用的大部分晶体都是合成的。
• 1968 年，使用光刻工艺来制造此类晶体。 它是由Juergen Staudte开发的。 它允许制造小型石英晶体，这些晶体易于携带。

晶体振荡器的稳定性分析

晶体的频率稳定性取决于品质因数。 振荡器的 Q 因数与其频率成反比关系。 影响 Q 因数的因素包括温度、机械应力、老化和辐射损伤。

让我们详细讨论这些因素。

温度

温度变化会直接影响振荡器的运行频率。 在这种情况下，使用晶体恒温箱来稳定温度。 晶体恒温箱是一个温度控制室，有助于晶体保持恒定温度，以避免频率波动。 不同类型的补偿器与晶体恒温箱一起使用，例如微控制器补偿器。

机械应力

电极、晶体和粘合材料会在振荡器中产生应力。 它是由粘合材料的膨胀或收缩、晶体中的缺陷或杂质，或重力对晶体的作用引起的。 其他类型的机械应力是振动、大气压变化和噪声。 振荡器中的仔细设计和传感器可以帮助克服机械应力。

老化

晶体随时间推移的逐渐变形被称为老化。 这会导致振荡器的频率变化。 电极的包装差异、杂质的扩散等是导致振荡器老化的原因。 各种金属用于防止老化，例如金、银和铝。 金可以承受强烈的机械冲击，但不会形成氧化物。 银和铝用于制造电极，并且容易形成氧化物。

辐射损伤

晶体对入射辐射敏感。 可以在无氢环境中，在电场中将晶体加热到约 400 摄氏度的高温来降低这种敏感度。 这种晶体对入射辐射的响应较慢。

频率精度

晶体振荡器的频率精度在 10^-6 到 10^-7 范围内。 该范围包括所有其他环境因素，例如温度变化和老化。

精密石英振荡器的稳定性在 10^-10 到 10^-12 范围内。 精密石英振荡器免受任何外部环境干扰。 它还在恒定温度下工作，频率波动很小，并且具有长期精度。

优点

晶体振荡器的优点如下

• 低成本
  这归功于振荡器中使用的石英晶体的紧凑尺寸和低功耗。
• 低相位噪声
  晶体振荡器仅在一个相位中振动，因此与其他振荡器相比，其噪声较低。
• 高 Q 因数
  高 Q 因数表示电路中的频率稳定性和低损耗。 由于工作频率范围高，晶体振荡器具有高 Q 因数。
• 高稳定性
  由于存在石英晶体，晶体具有高稳定性。
• 高工作频率
  这也归功于与谐振电路并联连接的压电晶体。

缺点

晶体振荡器的缺点如下

• 低工作频率的晶体不易获得。
• 它最适合高频应用。

数值例子

示例： 在晶体振荡器的等效电路中，L = 2H，C1 = 0.04p 法拉，Co =10p 法拉，R = 2000 欧姆。 找到串联和并联谐振角频率。

解决方案

给定： L = 2H

C1 = 0.04p 法拉

= 0.04 x 10^-12 F

= 4 x 10^-14 法拉

Co =10p 法拉

= 10 x 10^-12 F

=10^-11 法拉

R = 2000 欧姆

F_s = 串联谐振角频率

F_s = 1/ 2 x 3.14 x (1 x 4 x 10^-14)^1/2

F_s = 1/ 2 x 3.14 x 2 x 10^-7

F_s = 1/ 12.56 x 10^-7

F_s = 0.796 x 10⁶ Hz

F_s = 0.796M Hz

F_s =796k Hz

C_T = 0.04 x 10 / 0.04 + 10

C_T = 0.4/ 10.04

C_T = 0.0398 pF

F_p = 1/ 2 x 3.14 x (1 x 3.98 x 10^-14)^1/2

F_p = 1/ 2 x 3.14 x 1.99 x 10^-7

F_p = 1/ 12.52 x 10^-7

F_p = 0.798 x 10⁶ Hz

F_p =0.798M Hz

F_p =798k Hz

因此，如果振荡器是晶体振荡器，则振荡频率将在 796k Hz 和 798k Hz 之间。