深度剖析振荡器电路中晶体的高稳定性

高质量RC振荡器的稳定性预计在0.1%左右，而通常我们可以假设LC振荡器的稳定性高达0.01%。当需要更高水平的稳定性时，我们必须使用基于晶体的振荡器电路。

与LC网络相比，晶体在振荡器电路中如此重要的主要原因是其高度的稳定性，可确保精确的振荡频率，几乎没有高输出幅度。

LC 共振与晶体共振

与LC电路相关的电磁共振相反，我们发现压电晶体的机电共振。唯一的区别是晶体可以简单地通过机器加工，以获得接近百万分之10（ppm）的固有频率的高精度结果。

晶体中使用哪种材料

许多晶体材料，其中石英恰好是一个主要的例子，具有这些材料在暴露于机械应力时能够产生电场的特性。另一方面，石英材料一旦暴露在电场中，往往会发生物理变形。这种现象称为压电效应。因此，您可以切割晶体，使其在暴露于交流电场后立即以某个指定频率进行物理振荡。

尽管石英是最常用的物质之一，但其他材料，例如钽酸锂、氧化铋锗、铌酸锂和磷酸铝也应用于多种应用。

此外，您会发现陶瓷元素，例如用于制造晶体的PZT陶瓷，其中涉及铅，锆和钛的固体溶液。另一个压电类别包括聚氯乙烯和二氟聚乙烯等聚合物。对于这些材料，压电特性取决于这些材料的加工方式。

使用上述材料的细塑料薄膜首先加热，然后受到强大的电场，随后在室温下冷却。这个过程有助于物质的极化，随后获得压电属性。

晶体电子建模

从电子角度来看，如下图所示的RLC电路可以作为模拟晶体工作的模型来实现。

电感L可以与石英片的质量进行比较。电容器C与石英片的刚性进行比较。电阻R对应于由于晶体中发生的物理失真而发生的能量损失。

另一个电容器Co的行为类似于涂覆在石英材料两侧的导电电极之间的电容。

通常，L可以是非常大的电感，而C的值非常低。例如，在适当切割以200 kHz振动的晶体中，L可以是27 H，C基本上可以是0.024 pF，R可以是2 kΩ，C0可以是9 pF。

像这样的星等通常在计算机模拟中对晶体行为进行建模时使用。所使用的L与C比非常高，我们可以通过使用真正的电子零件获得，为晶体提供极高的Q（品质因数）。

晶体的Q因数通常在100，000左右，而大多数LC网络的Q值仅在几百范围内。

串联和并联谐振模式下的工作晶体

您可以在串联共振模式或并联共振模式下操作晶体。当应用于串联谐振模式时，晶体的行为类似于串联连接的电容器和电感。晶体阻抗可以最小（仅对应于R）。

当在并联谐振模式下使用时，晶体的工作原理类似于并联的电感器和电容器。在这种模式下，晶体的阻抗在施加的谐振频率下增加到最高水平。

晶体的切割方式通常允许它们在串联或并联共振模式下以最佳方式运行。

晶体的切割决定了晶体将如何振荡，振动的方式以及实现所需的晶体薄膜的大小。如果晶体被激发为纵向振动函数，则可以使用以下给定公式粗略计算谐振频率。

fo= 2.7 x 103/ 升

这里L表示晶体的大小参数，其中单位将以米为单位。公式中的数值常数表示晶体振动的相速度。

因此，如果所需的频率fo选择为100 kHz，则L必须为2.7cm。如果 fo 要求为 10 MHz，则 L 为 0.27 mm

晶体基频和泛音频率

此外，它们的切割方式通常允许它们在基波模式或谐波（泛音）模式下工作。

泛音是晶体基频的奇次谐波，确保晶体能够在基波和谐波下工作。例如，如果我们有一个晶体切割以 100 kHz 振荡，那么它也应该以 300 kHz、500 kHz、700 kHz 和其他更大的谐波振荡。

晶体限制

我们在晶体中可能发现的缺点之一是，当晶体被切割成包含较大的基频时，最终可能会变得非常薄。因此，它很容易受到物理损坏和破损。

基模晶体的最高频率限制约为 70 Hz。 用于在可能数百MHz范围内的频率下工作的晶体被切割，以便它们获得略低的基波范围，但可以在谐波模式下进行控制。

通过这种方法，可以获得晶体的最大振荡频率约为500 MHz。

晶体的热稳定性

热稳定性在某些振荡器应用中至关重要。温度系数由晶体的切割方式决定。例如，流行的AT-cut在−55°C至+105°C的温度范围内提供温度系数约为±0.002%的晶体。

该温度系数范围相当于大多数电容器的一定百分比。

为了获得更高的稳定性，晶体通常在“烤箱”中进行处理。在这个过程中，晶体被切割，以便能够在可能高于室温的温度下获得最小温度系数。在这里，烘箱保持在高于室温的规定。

由于烤箱中使用的高功率参与，涉及巨大笨重的烤箱以及烤箱加热所需的时间，您可能会发现在此过程中的缺点。

然而，我们得到的高度改进的结果是晶体的热稳定性增强，大约是千万分之±5。

随着高频通信信道的增加，以及数字电路中时钟速度的提高，晶体逐渐被陶瓷谐振器所取代。这些陶瓷谐振器通常是PZT陶瓷或类似压电元件的微小圆盘，可有效处理千兆赫兹范围内的频率。

振荡器中的晶体

由于其高稳定性，晶体用于替代或部分替代大多数振荡器电路中的LC谐振电路级。

例如，Colpitts振荡器的晶体控制模型包括晶体和电容器，而不是电感L1。

当安装晶体代替电感器时，频率设置得更准确。在这种类型的振荡器电路中，晶体通常以并联谐振模式控制，在谐振频率中具有尽可能高的阻抗，从而产生具有非常高幅度的输出频率。

下图中所示的皮尔斯振荡器是一个示例，它展示了在串联谐振模式下工作的晶体。反馈通过晶体引导，当晶体在串联模式下谐振时，它达到最大电平，使用最小阻抗。

请注意，该振荡器可以在需要调谐电路的情况下可靠地工作，只需依靠晶体即可决定其振荡频率。晶体振荡器不仅功能非常准确，而且通常是最快的振荡器之一。当今的数字电路需要极快的时钟来操作它们，频率可能在数百兆赫兹之间。

表面声波器件

您会发现一些与表面声波 （SAW） 器件配合使用的最快振荡器。它们是微小的压电物质条，其末端镀有许多电极，如下所示。

在可以是输入端的一端，当在电极之间施加电场时，会导致带材的外部变形。该动作产生沿带材表面积传播的振动波。这就像一个声波，能够以非常高的速度穿过条带，与大约3000米/秒的声速一样快。几分之一秒后，一旦波涌入延伸到另一端，可以是条带的输出，与波有关的电场就会在连接的电极上产生电位差。

由于两端电极之间的间隙可以确定哪个频率会更强烈地馈入SAW并从另一端检索，因此SAW通常用于带通滤波器。波穿过条带所需的时间为滤波器提供了延迟块单元的特性。

当用作振荡器的元件时，SAW延迟块可以完全按照上述方式在相移滤波器的RC网络中使用。产生180°相移所需的时间非常短，因此，这种振荡器的频率非常高。通常，它们的范围高达2 GHz左右。 在反馈回路中使用介电谐振器的振荡器甚至可以超出2 GHz范围。在这个层面上，我们可以有效地进入微波频谱，它具有自己的特殊特征。