晶体振荡器的基本工作原理及晶体振荡器设计

晶体振荡器算是在电子元件里面比较常见的，比如手机、电脑、笔记本电脑，微控制器等。晶体振荡器在单一频率下工作是独一无二的，高度稳定且无漂移。这篇文章主要讲一下晶体振荡器的基本工作原理及晶体振荡器设计。

一、晶体振荡器的基本工作原理

任何振荡器都只需要两个东西就可以工作-正反馈和一些放大器。放大器可以是晶体管、FET、运算放大器或数字门。放大器的类型取决于频率。

运算放大器可以在低到中的低频门上工作，晶体管和FET可以在任何频率下工作，尤其是在高端。下面是一些晶体振荡器，不仅有多种形状和尺寸，而且还有不同的石英切工。

下面看下晶体振荡器的内部结构，拆下外壳的晶体振荡器显示石英盘、镀银板和连接。

从上图可以看出，主要分为三个部分：导线连接到石英片两侧的两个镀银板，形成电容。最后，石英本身的行为就像一个电感（一个大电感）和一个串联的小电容：

例如，看看下面的等效电路：

晶体振荡器的等效电路

Rs是引线的电阻，Cp是镀银板的电容，L和Cs隐藏在石英内部。

使晶体在一个频率下非常稳定的特性是它的 Q，通常为 20 到 30000。由于 Cp 和 Cs 非常小，要使 L 共振，必须很大，通常是几个亨利，Q是电抗与电阻之比。

从下图中可以看出，晶体有两个共振点。较低阻抗串联谐振主要由 Cs 和 L1 控制，较大阻抗并联谐振主要由与 L1 串联且均与 Cp 并联的 Cs 控制。

阻抗与频率

下面两种振荡电路适合串联或并联使用晶振：

串联和并联电路

二、反相门振荡器

你可以使用反相门制作一个最简单的振荡器，如下所示：一种数字CMOS栅极晶体振荡器。

一种数字CMOS栅极晶体振荡器

基本上大部分反相CMOS管都可以让这个电路运行起来，例如：4069、74HC04、74HC14等。

不直观的是，数字门都有一个增益，如果你对它们进行偏置（如上面的 1M5电阻），将用作放大器，输出仅提供 180° 的相移，因此电容在那里提供其余的相移以使反馈为正 (360°) 并引起振荡。

不过这个电路里面的组件都没有什么准确的数值。R1 可以是 10k 到 10M 之间的任何值，C1 和 C2 可以是 10p 到 100p 之间的任何值，这完全取决于晶体的频率和切割类型。

上面的值是典型值，适用于面包板。我为 C1 使用了一个可变电容，这样我就可以在计数器上将频率精确设置为 10.0000MHz。如果不需要那么精确，你可以使用第二个 39p 电容。

三、晶体振荡器和运算放大器

晶体振荡器也可以用快速运算放大器制成，这里使用了 LM318 运算放大器，输出有点不是很纯粹，还有更好的方法来制作振荡器。

运算放大器晶体振荡器

四、射频振荡器

很多无线电爱好者都依赖晶体振荡器，例如下面的电路：晶体控制的 40m QRP 发射器。

晶体控制的 40m QRP 发射器

主晶振在左下角Q1、X1等，后面是1W的小功率放大器（PA），Q3驱动低通滤波器和匹配电路。振荡器通过一个键控整形电路（Q2）开关，使其起停平缓，这可以防止点击被传输。

FET 振荡器的漏极电路是一个调谐电路 (L1 C3)，可提供更大的功率和更清晰的波形。这些都构成了一个业余波段 (40m) QRP CW（连续波或摩尔斯电码）发射机。

完成的原型板如下所示，带有晶体的详细视图，请注意，莫尔斯键是一个微动开关。

完整发射器的面包板

晶体振荡器特写

晶体振荡器特写

五、泛音振荡器

另一个有用的晶体振荡器是下图中所示的泛音振荡器。标准切割晶体很难制造；高于 20MHz，因为石英晶片变得太薄，一个很好的解决方案是使用泛音振荡器。

一个例子是 144MH 发射机的频率源。振荡器的调谐负载为晶体基频的奇数倍。事实上，很少或根本没有基波部分出现在输出端。虽然下面的电路适用于基波切割晶体，但最好使用泛音模式晶体用于此应用。

144MH 发射机的频率源

这个振荡器有一个 11.6MHz 的晶体，调谐到 34.8MHz 的第三泛音或谐波。下面的正弦波很好，在傅立叶显示中34MHz的输出几乎没有11.6MHz的基波。

输出变压器是 Amidon T-50_6 型，初级有 15 匝。次要匝数将取决于你将其连接到什么。如果输出后跟一个三倍频器 (3X) 电路，它将成为 104MHz 收发器的信号源。

11.6MHz泛音振荡器的34MHz输出

11.6MHz 信号不可见

　　审核编辑：汤梓红