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串联谐振石英晶体谐振器
2021-12-16

华天电力专业生产串联谐振,下面为大家介绍石英晶体谐振器。


对于 RC(电阻-电容)或 RLC(电阻-电感-电容)振荡器,在需要稳定和准确振荡的情况下,它们不是很好的选择。温度变化会影响负载和电源线,进而影响振荡器电路的稳定性。在RC和RLC电路的情况下,稳定性可以提高到一定程度,但在特定情况下仍然是不够的。


在这种情况下,使用石英晶体。石英是由硅和氧原子组成的矿物。当电压源施加到石英晶体时,它会发生反应。它产生一种特性,称为压电效应。当电压源加在它上面时,它会改变形状并产生机械力,机械力又恢复原状,并产生电荷。


串联谐振

由于它将电能转换为机械能,将机械能转换为电能,因此被称为换能器。这些变化产生非常稳定的振动,并且作为压电效应产生稳定的振荡。


石英晶体及其等效电路


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这是晶体振荡器的符号。石英晶体由石英晶片的薄片制成,紧密贴合并控制在两个平行的金属化表面之间。金属化表面用于电气连接,石英的物理尺寸和密度以及厚度受到严格控制,因为形状和尺寸的变化直接影响振荡频率。一旦被整形和控制,产生的频率是固定的,基频不能改变为其他频率。这个特定晶体的特定频率称为特征频率。


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在上图中,左侧电路代表石英晶体的等效电路,如右侧所示。我们可以看到,使用了 4 个无源元件,两个电容器 C1 和 C2 以及一个电感器 L1、电阻器 R1。C1、L1、R1串联,C2并联。


由一个电容、一个电阻和一个电感组成的串联电路,象征着晶体和并联电容器的受控行为和稳定运行,C2代表电路或等效晶体的并联电容。


在工作频率下,C1 与电感 L1 发生共振。该工作频率称为晶体串联频率 (fs)。由于该串联频率,次级频率点与并联谐振一起被识别。L1 和 C1 也与并联电容器 C2 谐振。并联电容器 C2 常被描述为 C0 的名称,称为石英晶体的并联电容器。


晶体输出阻抗与频率

如果我们在两个电容器之间应用电抗公式,那么对于串联电容器 C1,容抗将为:-


X C1 = 1 / 2πfC 1

在哪里,


F = 频率,C1 = 串联电容值。


同样的公式也适用于并联电容器,并联电容器的容抗将为:-


X C2 = 1 / 2πfC 2

在哪里,


F = 频率,C2 = 并联电容值。


在计算串联阻抗和并联阻抗的情况下,公式将是:-

image.png

如果我们看到输出阻抗与频率之间的关系图,我们将看到阻抗的变化。


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在上图中,我们看到了晶体振荡器的阻抗曲线,也看到了当频率变化时斜率如何变化。有两个点,一个是串联谐振频点,另一个是并联谐振频点。


在串联谐振频率点阻抗变得最小。串联电容器 C1 和串联电感器 L1 产生一个等于串联电阻的串联谐振。


所以,在这个串联谐振频率点,会发生以下事情:-


与其他频率时间相比,阻抗最小。

阻抗等于串联电阻。

在该点以下,晶体充当电容形式。

接下来频率发生变化,斜率缓慢增加到并联谐振频率的最大点,此时,在达到并联谐振频率点之前,晶体充当串联电感器。


到达并联频率点后,阻抗斜率达到最大值。并联电容器 C2 和串联电感器形成 LC 槽路,因此输出阻抗变高。


这就是晶体在串联和并联谐振中充当电感器或电容器的方式。晶体可以在这两个谐振频率下运行,但不能同时运行。需要调到任何一个特定的位置才能操作。


对频率的晶体电抗

可以使用以下公式测量电路的串联电抗:-


X S = R2 + (XL 1 – XC 1 ) 2

其中,R是电阻值


Xl1 是电路的串联电感


Xc1 是电路的串联电容。


电路的并联容抗将为:-


X CP = -1 / 2πfCp

电路的并联电抗将为:-


Xp = Xs * Xcp / Xs + Xcp

如果我们看到图表,它将如下所示:-


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正如我们在上图中看到的,串联谐振点的串联电抗与 C1 成反比,在从fs到fp的点,晶体充当电感,因为在这一点上,两个并联电容变得可以忽略不计。


另一方面,当频率在 fs 和 fp 点之外时,晶体将处于电容形式。


我们可以使用这两个公式计算串联谐振频率和并联谐振频率 -


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石英晶体的 Q 系数:

Q 是 Quality 的简称。它是石英晶体共振的一个重要方面。这个 Q 因子决定了 Crystal 的频率稳定性。一般来说,晶体的 Q 因子范围从20, 000 到超过 100,000。有时,晶体的 Q 因子也可以观察到超过 200,000。


可以使用以下公式计算晶体的 Q 因子 -


Q = X L / R = 2πfsL 1 / R

其中,X大号 为电感电抗,R是电阻。


石英晶体振荡器示例与计算

当以下几点可用时,我们将计算石英晶体的串联谐振频率、并联谐振频率和晶体的品质因数-


R1 = 6.8R


C1 = 0.09970pF


L1 = 3mH


而 C2 = 30pF


晶体的串联谐振频率为 -

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晶体的并联谐振频率, fp 是 –


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现在,我们可以理解串联谐振频率为9.20 MHz,并联谐振频率为9.23 MHz


该晶体的Q 因子将为-


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Colpitts 晶体振荡器


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使用双极晶体管或各种类型的场效应晶体管构成的晶体振荡器电路。在上图中,显示了一个 colpitts 振荡器;所述电容分压器被用于反馈。晶体管Q1为共发射极配置。在上层电路中,R1 和 R2 用于晶体管的偏置,C1 用作旁路电容器,以保护基极免受 RF 噪声的影响。


在这种配置中,由于从集电极到地的连接,晶体将充当分流器。它是并联谐振配置。电容 C2 和 C3 用于反馈。晶体Q2作为并联谐振电路连接。


这种配置中的输出放大率很低,以避免晶体中的过度功耗。


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