石英晶體正弦波振蕩電路

石英晶體諧振器, 簡稱石英晶體, 具有非常穩(wěn)定的固有頻率。 對于振蕩頻率的穩(wěn)定性要求高的電路, 應選用石英晶體作選頻網(wǎng)絡。
一、石英晶體的特點
將二氧化硅（SiO2）結(jié)晶體按一定的方向切割成很薄的晶片, 再將晶片兩個對應的表面拋光和涂敷銀層, 并作為兩個極引出管腳, 加以封裝, 就構(gòu)成石英晶體諧振器。 其結(jié)構(gòu)示意圖和符號如右圖所示。

1.壓電效應和壓電振蕩
在石英晶體兩個管腳加交變電場時, 它將會產(chǎn)有利于一定頻率的機械變形, 而這種機械振動又會產(chǎn)生交變電場, 上述物理現(xiàn)象稱為壓電效應。 一般情況下, 無論是機械振動的振幅, 還是交變電場的振幅都非常小。 但是, 當交變電場的頻率為某一特定值時, 振幅驟然增大, 產(chǎn)生共振, 稱之為壓電振蕩。 這一特定頻率就是石英晶體的固有頻率, 也稱諧振頻率。
2.石英晶體的等效電路和振蕩頻率
石英晶體的等效電路如下圖（a）所示。 當石英晶體不振動時, 可等效為一個平板電容C0, 稱為靜態(tài)電容；其值決定于晶片的幾何尺寸和電極面積, 一般約為幾到幾十皮法。 當晶片產(chǎn)生振動時, 機械振動的慣性等效為電感L, 其值為幾毫亨。 晶片的彈性等效為電容C, 其值僅為0.01到0.1pF, 因此, C<0。 晶片的磨擦損耗等效為電阻R, 其值約為100Ω, 理想情況下R=0。

當?shù)刃щ娐分械腖、C、R支路產(chǎn)生串聯(lián)諧振時, 該支路呈純阻性, 等效電阻為R, 諧振頻率

諧振頻率下整個網(wǎng)絡的電抗等于R并聯(lián)C0的容抗, 因R<<ω0C0, 故可近似認為石英晶體也呈純阻性, 等效電阻為R。
當f<fs時, C0和C電抗較大, 起主導作用, 石英晶體呈容性。
當f>fs時, L、C、R支路呈感性, 將與C0產(chǎn)生并聯(lián)諧振, 石英晶體又呈純阻性, 諧振頻率

由于C<0, 所以fP≈fS。
當f>fP時, 電抗主要決定于C0, 石英晶體又呈容性。 因此, 石英晶體電抗的頻率特性如上圖所示, 只有在fs<f<fP的情況下, 石英晶體才呈現(xiàn)感性；并且C0和C的容量相差愈懸殊, fs和fP愈接近, 石英晶體呈感性的頻帶愈狹。
根據(jù)品質(zhì)因數(shù)的表達式

由于C和R的數(shù)值都很小, L數(shù)值很大, 所以Q值高達104~106。 頻率穩(wěn)定度Δf/f0可達10-6~10-8, 采用穩(wěn)頻措施后可達10-10~10-11。 而LC振蕩器的Q值只能達到幾百, 頻率穩(wěn)定度只能達到10-5。
二、石英晶體正弦波振蕩電路
1.并聯(lián)型石英晶體正弦波振蕩電路
如果用石英晶體取代LC振蕩電路中的電感, 就得到并聯(lián)型石英晶體正弦波振蕩電路, 如左下圖所示, 電路的振蕩頻率等于石英晶體的并聯(lián)諧振頻率。


2.串聯(lián)型石英晶體振蕩電路
如右上圖所示為串聯(lián)型石英晶體振蕩電路。 電容Cb為旁路電容, 對交流信號可視為短路。 電路的第一級為共基放大電路, 第二級為共集放大電路。 若斷開反饋, 給放大電路加輸入電壓是, 極性上“+”下“-”；則T1管集電極動態(tài)電位為“+”, T2管的發(fā)射極動態(tài)電位也為“+”。 只有在石英晶體呈純阻性, 即產(chǎn)生串聯(lián)諧振時, 反饋電壓才與輸入電壓同相, 電路才滿足正弦波振蕩的相位平衡條件。 所以電路的振蕩頻率為石英晶體的串聯(lián)諧振頻率fS。 調(diào)整Rf的阻值, 可使電路滿足正弦波振蕩的幅值平衡條件。