【技术专辑】什么是石英晶体?看一下石英晶体振荡器

本文解释了极为常见的电子元件背后的一些理论。

 

维基百科告诉我们,石英是地球上第二丰富的矿物。它由“SiO 4硅 - 氧化四面体的连续框架”中的硅和氧(不完全是奇异元素)组成(不确定是什么意思......)。基于这些信息,您是否曾想过石英晶体将成为普遍存在的电子元件,在无数高性能振荡器电路中作为中心元件?

 

毫无疑问,您可以使用石英晶体,而不必了解它们的真正含义:将晶体连接到某些微控制器引脚,添加几个负载电容,并且您有一个振荡器。但是,我一般认为,对我们在设计中不断使用的元件和子电路知之甚少或不了解并不是一个好主意。

 

知识不是孤立存在的。您可能永远不需要确切知道为什么一块石英可以将反馈电路转换成振荡器,但这些信息是广泛的知识网络的一部分,这使我们能够真正理解基本的电子概念。换句话说,我们有时需要抵制忽略细节的倾向 - 它们可能会变成连接大点的小线条。

 

电路

 

这是石英晶体的等效电路:

 

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让我们明确一点:石英晶体是一种石英晶体。如果你用锤子敲击水晶,它就不会闯入电感器,电阻器和两个电容器。然而,石英晶体(在我看来相当神秘)的机电特性导致晶体在电子电路的环境中表现,如上面所示的无源元件的集合。

 

等效电路中的所有组件都非常常见。那么,您可能想知道为什么我们会厌烦石英晶体。为什么不在相同的布置中使用电容器,电感器和电阻器?好吧,正如我们稍后将会看到的那样,使用无源器件永远无法达到相同的性能,特别是考虑到石英晶体的尺寸。

 

谐振

 

电感器和电容器存储能量。如果以允许能量在两个组件之间来回流动的方式连接电感器和电容器,则会有谐振电路。在一个理想化的电路中,这种来回的流动将永远持续下去,你会得到一个振荡器。在现实生活中的电路中,当电阻元件(如导线或PCB走线)消耗能量时,振荡幅度会减小(并最终停止)。更大的阻力意味着振荡更“衰减”,即振幅更快地减小。Q因子与电阻成反比,意味着较低的Q对应于更快消失的振荡。

 

串联LC电路和并联LC电路都会产生谐振,如果回顾等效电路,可以看到晶体同时具有串联和并联谐振。串联电感和电容的谐振频率遵循标准公式:

 

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并联谐振有点复杂。该共振频率计算如下:

 

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然而,事实证明是c P是多少更大的比C s(如较大的也许2000倍),这意味着是c s Ç P /(C s + C P)近似等于C s ç P / C P。然后我们取消C P条款并留下

 

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因此两个共振频率彼此非常接近。当您购买水晶时,它被指定为特定频率。出于所有实际目的,我们可以说晶体的工作频率等于f SR。

 

(极端)高Q值

 

如上所述,您不能仅仅使用等效的无源元件集替换晶体。为什么?好吧,你需要一些严肃的PCB空间来匹配水晶的电感 - 我的教科书说它可能高达数百只henrys,我发现这个StackExchange线程有人说它可能有数千个。Digi-Key销售的最大固定电感器是150亨利; 它具有3.7kΩ的电阻,重量为半磅,宽度超过两英寸。此外,晶体的大电感与相对较小的电阻相结合,从而产生非常高的Q因子。

 

频率响应

 

如您所知,电感器和电容器具有电抗。石英晶体也具有电抗,尽管由于三种反应性组分之间的相互作用,这种电抗有点复杂。

 

•在低频时,容抗占主导地位。

 

•随着频率的增加,电抗的幅度减小,最终在f SR时达到零(正如预期的那样 - 串联LC电路在谐振频率处具有零阻抗)。

 

•在f SR处电抗通过零之后,它快速增加到无穷大,因为f PR略高于f SR并且理想并联LC电路的阻抗在谐振频率处是无限的。

 

使它振荡

 

石英晶体是晶体,而不是振荡器。为了产生振荡,必须将晶体结合到具有振荡器电路所呈现的典型特性的电路中,即放大和反馈。如果你看一下像Colpitts或Hartley这样的经典振荡器拓扑结构,你会看到一个放大器(如BJT),一个LC振荡电路(提供谐振)和一个反馈连接 - 例如,在Colpitts振荡器中,反馈从储能电路中的两个电容器之间的节点到BJT的发射极:

 

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一般的想法与石英振荡器相同,因为石英晶体本质上是一种非常高性能的谐振元件。Pierce(或Pierce-Gate)振荡器是用于产生数字振荡的常见拓扑; 它看起来像这样:

 

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你可能花了很长时间试图彻底分析和理解这个看似简单的电路的所有细节。如果你想深入研究Pierce拓扑结构和基于晶体的振荡,我认为文章“ Pierce-Gate Crystal Oscillator,一个介绍 ”(为微波产品摘要编写)将是一个很好的起点。

 

结论

 

我希望你现在有一个更清晰的想法:1)石英晶体在电子学的背景下是什么; 2)石英晶体的特性如何与正确设计的电路结合时会导致振荡。

 

有关石英振荡替代方案的信息,请参阅我关于微控制器振荡器选项的文章   以及关于MEMS振荡器的新闻报道,该振荡器的性能远远优于晶振。

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发布日期:2019年03月04日  所属分类:参考设计