晶体振荡器

每当振荡器处于连续工作状态时，其频率稳定性就会受到影响。其频率会发生变化。影响振荡器频率的主要因素有

• 电源变化
• 温度变化
• 负载或输出电阻变化

在 RC 和 LC 振荡器中，电阻、电容和电感的值会随温度变化而变化，因此频率会受到影响。为了避免这个问题，振荡器中使用了压电晶体。

在并联谐振电路中使用压电晶体可为振荡器提供高频率稳定性。这种振荡器被称为晶体振荡器。

晶体振荡器

晶体振荡器的原理取决于压电效应。晶体的自然形状是六边形。当晶体晶片垂直于X轴切割时，称为X切割，当沿Y轴切割时，称为Y切割。

晶体振荡器中使用的晶体表现出一种称为压电特性的特性。因此，让我们了解一下压电效应。

压电效应

晶体表现出这样的特性：当在晶体的一个面上施加机械应力时，晶体的相对面上会产生电位差。相反，当在其中一个面上施加电位差时，会沿其他面产生机械应力。这被称为压电效应。

某些晶体材料（如罗谢尔盐、石英和电气石）表现出压电效应，此类材料被称为压电晶体。石英是最常用的压电晶体，因为它价格低廉且在自然界中随时可用。

当压电晶体受到适当的交流电势时，它会产生机械振动。当交流电压的频率等于晶体的固有频率时，机械振动的振幅最大。

石英晶体的工作原理

为了使晶体在电子电路中工作，晶体以电容器的形式放置在两个金属板之间。石英是最常用的晶体类型，因为它既便宜又容易获得、坚固耐用。交流电压与晶体并联施加。

石英晶体的电路布置如下所示 −

如果施加交流电压，晶体将以施加电压的频率开始振动。但是，如果施加电压的频率等于晶体的固有频率，则会发生共振，晶体振动达到最大值。该固有频率几乎是恒定的。

晶体的等效电路

如果我们尝试用等效电路表示晶体，我们必须考虑两种情况，即晶体振动和不振动的情况。下图分别表示晶体的符号和电气等效电路。

上述等效电路由串联 R-L-C 电路与电容 C_m 并联组成。当安装在交流电源上的晶体不振动时，它相当于电容 C_m。当晶体振动时，它就像一个调谐的 R-L-C 电路。

频率响应

晶体的频率响应如下所示。该图显示了电抗 (X_L 或 X_C) 与频率 (f) 的关系。显然，晶体具有两个间距很近的谐振频率。

第一个是串联谐振频率 (f_s)，当电感 (L) 的电抗等于电容 C 的电抗时发生。在这种情况下，等效电路的阻抗等于电阻 R，振荡频率由以下关系给出，

$$f = \frac{1}{2\pi \sqrt{L.C}}$$

第二个是并联谐振频率 (f_p)，当 R-L-C 分支的电抗等于电容器 C_m 的电抗时发生。在此频率下，晶体对外部电路提供非常高的阻抗，并且振荡频率由关系给出。

$$f_p = \frac{1}{2\pi \sqrt{L.C_T}}$$

其中

$$C_T = \frac{C C_m}{(C + C_m)}$$

与 C 相比，C_m 的值通常非常大。因此，C_T 的值约等于 C，因此串联谐振频率约等于并联谐振频率（即 f_s = f_p）。

晶体振荡器电路

晶体振荡器电路可以通过多种方式构建，例如晶体控制调谐集电极振荡器、 Colpitts 晶体振荡器、Clap 晶体振荡器等。但最常用的是 晶体管皮尔斯晶体振荡器。这种电路通常被称为晶体振荡器电路。

以下电路图显示了晶体管皮尔斯晶体振荡器的布置。

在此电路中，晶体作为从集电极到基极的反馈路径中的串联元件连接。电阻器 R₁、R₂ 和 R_E 提供分压器稳定的直流偏置电路。电容器 C_E 提供发射极电阻的交流旁路，RFC（射频扼流圈）线圈提供直流偏置，同时解耦任何交流。电源线上的信号不会影响输出信号。耦合电容器 C 在电路工作频率下的阻抗可以忽略不计。但它会阻止集电极和基极之间的任何直流电。

振荡电路的频率由晶体的串联谐振频率设定，其值由以下关系给出：

$$f_o = \frac{1}{2\pi \sqrt{L.C}}$$

需要注意的是，电源电压、晶体管器件参数等的变化对电路工作频率没有影响，电路工作频率由晶体保持稳定。

优点

晶体振荡器的优点如下 −

• 它们具有高阶频率稳定性。
• 晶体的品质因数 (Q) 非常高。

缺点

晶体振荡器的缺点如下 −

• 它们易碎，可用于低功耗电路。
• 振荡频率不能明显改变。

振荡器的频率稳定性

振荡器应在较长时间内保持其频率不变，以便为电路操作提供更平滑清晰的正弦波输出。因此，当涉及到振荡器时，无论是正弦振荡器还是非正弦振荡器，频率稳定性这一术语都非常重要。

振荡器的频率稳定性定义为振荡器在尽可能长的时间间隔内保持所需频率恒定的能力。让我们尝试讨论影响此频率稳定性的因素。

工作点的变化

我们已经了解了晶体管参数，并了解了工作点的重要性。对于用于放大电路的晶体管（BJT 或 FET），此工作点的稳定性是更重要的考虑因素。

所用有源器件的工作被调整为其特性的线性部分。该点由于温度变化而偏移，因此稳定性受到影响。

温度变化

振荡器电路中的谐振电路包含各种频率确定元件，例如电阻器、电容器和电感器。它们的所有参数都与温度有关。由于温度变化，它们的值会受到影响。这会导致振荡器电路频率的变化。

由于电源

供电的变化也会影响频率。电源变化导致 V_cc 的变化。这将影响产生的振荡频率。

为了避免这种情况，实施了稳压电源系统。这简称为 RPS。稳压电源的细节在电子电路教程的电源部分中有明确讨论。

输出负载的变化

输出电阻或输出负载的变化也会影响振荡器的频率。当连接负载时，储能电路的有效电阻会发生变化。结果，LC 调谐电路的 Q 因子会发生变化。这会导致振荡器输出频率发生变化。

元件间电容的变化

元件间电容是在 PN 结材料（如二极管和晶体管）中产生的电容。这些电容是由于它们在运行过程中存在的电荷而产生的。

元件间电容会因温度、电压等各种原因而发生变化。可以通过将淹没电容器连接到有问题的元件间电容器来解决此问题。

Q 值

振荡器中的 Q 值（品质因数）必须很高。调谐振荡器中的 Q 值决定了选择性。由于此 Q 与调谐电路的频率稳定性成正比，因此 Q 值应保持较高。

频率稳定性可以用数学表示为：

$$S_w = d heta/dw$$

其中 dθ 是标称频率 f_r 发生小幅频率变化时引入的相移。 (dθ/dw) 值较大的电路具有更稳定的振荡频率。