石英晶体振荡器的结构与原理

衡量正弦波振荡器的指标有许多，比如输出的幅度是否稳定、波形是否好，还有一个非常重要的指标就是输出频率的稳定程度。目前，振荡器中频率稳定程度非常高的是石英晶体振荡器。石英晶体振荡器中，用石英晶体替代了LC谐振回路，以获得稳定的频率。

1.石英晶体的特点

（1）结构及符号。平时所说的石英也叫做水晶，硬度仅次于金刚石，在外界温度的影响下，体积和密度的变化都很小。石英的主要化学成分是SiO₂，当SiO₂的分子结构排列混乱时就是石英砂，是制作玻璃的主要原料；当分子结构排列整齐，形成晶体时就是石英，石英是一种六棱形的晶体。

在振荡器中所用的是将石英晶体按不同的方位和角度进行切割而成的薄片，叫做石英晶片。在石英晶片的两个对面上镀上一对金属极板，再加上封装，就构成了石英晶体谐振器，也称为石英晶振，如图3-36a所示。它的符号如图3-36b所示。

（2）石英晶体的压电效应。将成品石英晶体用于电路中，发现它在电路中产生的效果与图3-36c所示的LRC电路相同，这个电路叫做石英晶体的等效电路。从石英晶体的等效电路可知它的电抗随频率发生变化，其电抗-频率特性曲线如图3-36d所示。

图3-36 石英晶体

a）结构示意图 b）符号 c）等效电路 d）电抗-频率特性曲线

在电抗-频率特性曲线中有两个频率f_s和f_p，其中f_s是串联谐振频率，f_p是并联谐振频率。两个频率中f_p略大于f_s，且数值非常接近。在f_s和f_p之间的石英晶体为电感性，在此区域之外为电容性。

2.石英晶体振荡器

石英晶体振荡器的形式多种多样，但基本电路只有两类，分别是并联石英晶体振荡器和串联石英晶体振荡器。(www.xing528.com)

（1）并联型石英晶体振荡器。其电路如图3-37a所示，图3-37b所示是它的简化交流等效电路。

图3-37 并联型石英晶体振荡器

a）振荡电路 b）简化交流等效电路

从电路中可以看出这个电路与电容三点式电路非常相似，只不过它的谐振电路中的电感支路被石英晶体代替，所以石英晶体只有工作在电感区域时才能满足振荡的相位条件，否则就不能振荡。由于石英晶体只在f_s和f_p之间为电感性，而且f_s和f_p非常接近，在这个区域中石英晶体的电抗-频率特性曲线非常陡，正是由于这一特点使得晶体振荡器具有很高的频率稳定性。

由于并联型石英晶体振荡器只在f_s和f_p之间能振荡，故它的振荡频率也就在这个范围之间，经过理论分析可知，这种石英晶体振荡器的振荡频率基本上与f_s相等。

（2）串联型石英晶体振荡器。其电路如图3-38a所示，图3-38b是它的结构框图。

由图可知，由VT₁和VT₂组成的两级放大器，构成了振荡器的放大部分，反馈网络由晶体和可调电阻RP组成。VT₁构成的是共基极放大器，所以用瞬时极性法判断反馈的类型时要从其发射极断开，注入信号，则VT₁的集电极是信号，送入VT₂构成的射极输出器，VT₂的发射极也是信号。这样如果要构成满足振荡的相位条件，构成正反馈，则石英晶体不能有附加相移。

当石英晶体工作在其串联谐振频率f_s上时，石英晶体不但没有附加相移，而且阻抗最小，所以为f_s时电路会同时满足振荡的相位条件和振幅条件。而为f_s以外的任何频率时，石英晶体不是呈容性就是呈感性，使电路不再满足振荡的相位条件。由此可知，串联型石英晶体振荡器等于石英晶体的串联谐振频率f_s。

在以上两种情况中，石英晶体振荡器的振荡频率都与其串联谐振频率f_s有关，而f_s与晶体的固有频率相同，所以这两种振荡电路的振荡频率都是由晶体的固有频率决定的。晶体的固有频率由石英晶片的大小、形状等决定，从石英晶体的物理特点可知，它受环境影响非常小，所以振荡频率的稳定性很高。