晶体振荡器电路图 晶体振荡器的工作原理和分类

一、晶体振荡器的定义

晶体振荡器是一种电子振荡器电路，其核心是利用石英晶体的压电效应产生稳定的频率信号。具体来说，晶体振荡器是由一块石英晶体上按一定方位角切下的薄片（晶片）构成，通常被封装在金属、玻璃、陶瓷或塑料等外壳中。石英晶体具有压电效应，即当受到机械应力作用时，会产生电场；反之，当受到电场作用时，也会产生机械振动。这种特性使得石英晶体成为理想的谐振元件，用于产生稳定的频率信号。

在电子技术的快速发展中，晶体振荡器以其独特的性能，成为电子设备中不可或缺的一部分。其凭借高频率稳定性、低功耗和优异的抗干扰能力，被广泛应用于计算机、通信设备、计时器等众多领域。

二、晶体振荡器的工作原理

晶体振荡器的工作原理基于晶体的压电效应和谐振特性。当一个交变电场作用于晶体时，晶体会发生压电效应，即晶体会产生机械振动。在晶体振荡器中，晶体谐振器被设计成在特定的频率下具有共振特性。当输入的交变电场频率与晶体的谐振频率相匹配时，晶体会开始振动，并且这种振动会被放大器放大，形成一个稳定的振荡输出信号。这个输出信号经过放大器放大后，一部分被反馈回到晶体谐振器，以维持振荡的稳定性。

具体来说，晶体振荡器通常由以下几个部分组成：

晶体谐振器：这是晶体振荡器的核心部分，由石英晶体构成。晶体谐振器具有特定的谐振频率，当外界电场频率与其谐振频率相匹配时，晶体会发生共振并产生稳定的频率信号。

放大器：放大器用于放大晶体谐振器产生的微弱信号，使其达到足够的幅度以供后续电路使用。

反馈网络：反馈网络将放大后的信号部分地反馈到晶体谐振器，以维持振荡的稳定性。反馈网络的设计对于晶体振荡器的性能具有重要影响。

三、晶体振荡器的分类

晶体振荡器根据不同的分类标准，可以分为多种类型。以下将按照功能、封装形式以及实现技术进行分类介绍。

1、功能分类

（1）普通晶体振荡器（SPXO）：这是最简单的晶体振荡器，通常由晶体元件与振荡电路按设计要求集成装配在PCB电路板上，并用金属外壳封装而成。它通常用作微处理器的时钟器件。

（2）温度补偿晶体振荡器（TCXO）：在晶振内部采取了对晶体频率温度特性进行补偿的措施，以达到在宽温温度范围内满足稳定度要求的晶体振荡器。由于其良好的开机特性、优越的性能价格比及功耗低、体积小、环境适应性较强等多方面优点，通常用于通信设备如手机、GPS定位等。

（3）差分晶体振荡器（DXO）：输出差分信号使用两种相位彼此完全相反的信号，从而消除了共模噪声并产生一个更高性能的系统。差分晶振一般为六脚贴片，输出类型分为好几种，如LVDS、LV-PECL等，具有低电平、低抖动、低功耗等特性。

（4）压控晶体振荡器（VCXO）：一种可通过调整外加电压使晶振输出频率随之改变的晶体振荡器，主要用于锁相环路或频率微调。

2、封装形式分类

晶体振荡器的封装形式多样，常见的有金属封装、玻璃封装、陶瓷封装和塑料封装等。不同的封装形式对晶体振荡器的性能、成本和可靠性等方面具有不同的影响。

3、实现技术分类

根据实现技术的不同，晶体振荡器可以分为有源晶振和无源晶振两大类。有源晶振内部集成了完整的振荡电路和放大电路，无需外部电路即可直接输出稳定的频率信号；而无源晶振则需要外部电路提供激励信号和放大电路才能实现振荡。

晶体振荡器作为一种重要的电子元件，在电子技术的发展中发挥着不可或缺的作用。其工作原理基于晶体的压电效应和谐振特性，能够产生稳定的频率信号，并广泛应用于各种电子设备中。通过对晶体振荡器的分类介绍，我们可以更加深入地了解不同类型的晶体振荡器的特点和应用场景。随着电子技术的不断进步和应用领域的不断拓展，晶体振荡器的性能和应用将会得到进一步的提升和拓展。

四、晶体振荡器电路图

1、简单的晶体振荡器电路图

晶体振荡器电路是产生特定频率的电子电路板。它还与振动晶体的机械共振一起工作，以产生一致的频率。一般来说，晶体振荡器由石英晶体制成，有时还由电气石和罗谢尔盐等其他物质的混合物制成。这种石英晶体材料在不同的温度范围内产生恒定的振荡。而且它是天然存在的，所以石英晶体价格便宜。在晶体振荡器元件中，石英晶体安装在两个金属板之间，并且端子从这些板引出。

当我们向晶体施加能量时，它会产生固有频率的振动。当我们施加振动时，它会产生少量的能量。这种压电效应使石英晶体成为一种独特的元素。晶体振荡器的有效运行在很大程度上依赖于变位压电性或电致伸缩性。当石英晶体的形状在电场内发生变化时，这个过程就会发生。这种效应将帮助我们产生持续的振荡。晶体振荡器有不同的频率范围和不同的尺寸。

振荡器电路的输出频率通常不如应用所需的稳定。元件值都有公差，因此实际振荡频率很容易比所需频率高或低 10%。这里这个等效电路包含两段，一段代表石英晶体的摩擦力和刚度，另一段代表极板的并联电容。串联RLC电路具有低值电阻Rs、大值电感器Ls和小值电容器Cs，以及并联电容器Cp。我们知道石英晶体是一种换能器，因为它可以将一种能量转换成另一种能量。这里给出了普通晶体振荡器的符号及其等效电路。

 

正如我们所看到的，为了制作串联谐振晶体振荡器，首先将晶体元件和耦合电容器放置在共发射极配置电路的集电极和基极端子之间。然后我们可以从集电极端获得振荡器输出。

为了制作并联谐振晶体振荡器，晶体元件跨接集电极和发射极端子放置。输出取自集电极端子，这里晶体管配置为共发射极。

众所周知，特定范围的晶体元件与数字 IC 连接。大多数微控制器和微处理器都配有外部端子，用于连接晶体元件。因此不需要外部振荡器电路。开关元件可以是FET或MOSFET的晶体管。

2、串联并联晶体振荡器电路图

振荡器是一种用于以规则的时间间隔产生周期性和连续振荡的电子器件或电路。输出信号主要是正弦波或方波。它通常用于将直流信号转换为交流信号。振荡器有不同类型，如线性振荡器、张弛振荡器和压控振荡器 (VCO)。

晶体振荡器是一种利用晶体来选择频率并获得逆压电效应的电子电路。为了获得高精度的频率信号，晶体振荡器利用了具有压电特性的振动晶体的机械共振。人们发现晶体振荡器适用于各种不同的应用。这篇文章是对晶体振荡器的详细描述。

串联谐振和并联谐振电路的电路图如下：

工作说明

原子或离子在三个非线性维度上以重复模式排列的固体称为晶体。晶体由具有弹性的电传感器组成。每个物体都有一个自然共振频率，钢具有很高的弹性和高声速，因此用于机械滤波器而不是石英。任何物体的共振频率都取决于尺寸、声速、弹性和晶体形状等参数。

晶体振荡器电路通过在某种材料上产生电场来产生机械变形（称为压电效应）来工作。因此，晶体振荡器利用由压电材料制成的振动晶体的机械共振来产生特定频率的信号。石英振荡器因其紧凑的尺寸和良好的品质因数而被广泛使用。

石英晶体振荡器由串联谐振和并联谐振两种谐振频率组成。

串联谐振晶体振荡器电路：

该电路使用共发射极配置的晶体管构建，晶体和耦合电容器放置在基极和集电极端子之间，并在集电极端子处获取输出。

串联谐振频率可计算为：

这里，串联电感器Ls和并联电容器Cp的电抗等于LsCs的电抗。在这种情况下，阻抗将最大，而反馈将最小。

并联谐振晶体振荡器电路：

为了构建并联谐振晶体振荡器，晶体被放置在集电极和发射极端子之间，而晶体管被配置为共发射极模式。输出是在集电极端子处获得的。

并联谐振频率可以计算为：

其中，Ls 是串联电感，Cs 是串联电容。晶体阻抗将最小，因此反馈将最大。