石英晶体振荡电路优化：从理论到实践

石英晶体振荡器，简称为晶振，它是利用具有压电效应的石英晶体片制成的。这种石英晶体薄片受到外加交变电场的作用时会产生机械振动，当交变电场的频率与田英晶体的固有频率相同时，振动便变得很强烈，这就是晶体谐振特性的反应。利用这种特性，就可以用石英谐振器取代LC谐振回路、滤波器等。由于石英谐振器具有体积小、重量轻、可靠性高、频率稳定度极高（即Δω/ω₀可低于10-5），已被广泛用于要求频率十分稳定的振荡电路中作谐振元件。

1.石英谐振器的电特性

石英谐振器具有压电效应：如果在晶片的两个电极上施加交变电压，晶片中就会产生机械振动和声波，而机械振动又会在晶体表面上产生交变电场，因而在一定的频率下晶片会产生共振。共振现象可用电参数来模拟。图9-14a是石英谐振器的符号，图9-14b是它的等效电路，图9-14c则是其电抗频率特性曲线。

图9-14 石英谐振器

a）符号 b）等效电路 c）电抗频率特性

当石英晶体不振动时，用静态电容C₀来模拟，C₀之值一般约为几到几十皮法。当石英晶体振动时，用电感L来模拟晶片的惯性；用电容C模拟晶片的弹性，而晶体振动时的摩擦损耗则用电阻R来等效。

由于晶片的L值很大，C值和R值都很小，所以品质因数Q很高，可达10⁴～10⁶数量级，因此利用石英谐振器可以构成频率稳定度很高的晶振电路。(www.xing528.com)

由图9-14c的电抗频率特性可见，石英谐振器有一串联谐振频率f_s，另有一并联谐振频率f_p。在串联谐振频率f_s处，石英晶体呈纯阻性，且阻抗值最小，而在其他频率处则表现为感抗或容抗性质。

2.石英晶体振荡电路举例

利用石英晶体的上述频率特性可以构成图9-15所示的LC晶振电路。对于图9-15a分立元件晶振电路，它与电感三点式振荡器的接线相似。因为欲使反馈信号能传递到发射极，石英晶体应工作于串联谐振点f_s，此时晶体与LC回路串联，且呈纯电阻性质，阻值接近于零，故它是一种串联型电感三点式晶振电路，它的振荡频率f₀=f_s。

图9-15 两种石英晶体振荡电路

a）串联型f₀=f_s b）并联型f_s＜f₀＜f_p

对于图9-15b的集成运放晶振电路，其同性质电抗之中点接至集成运放的同相输入端，故接成了正反馈，但此时石英晶体须呈电感性质，才能组成LC并联谐振回路，输出正弦波振荡信号。因此，图9-15b晶振的石英晶体的谐振频率应处于f_s～f_P之间，此时该电路为并联型电容三点式晶振电路。