频率元器件石英晶体振荡器电路通过从石英谐振器获取电压信号,放大并反馈给谐振器来维持振荡.石英的膨胀和收缩速率是共振频率,由晶体的切割和尺寸决定.当产生的输出频率的能量与电路中的损耗匹配时,振荡可以持续.下面龙湖电子将介绍关于石英晶体振荡器的电路.

振荡器晶体有两块导电板,中间夹着一块石英晶体片或音叉.在启动过程中,控制电路将晶体置于不稳定的平衡状态,由于系统中的正反馈,任何微小的噪声都会被放大,从而加剧振荡.石英晶体谐振器在这个系统中也可以被看作是一个高频率选择性滤波器:它只通过谐振频率附近的一个非常窄的子带,衰减所有其他的频率.最终,只有共振频率是活跃的.当振荡器放大来自晶体的信号时,晶体频带中的信号变得更强,最终控制振荡器的输出.石英晶体的窄共振带滤除了所有不想要的频率.

石英晶体振荡器的输出频率可以是基波谐振频率,也可以是该谐振频率的倍数,称为谐波频率.谐波是基频的精确整数倍.但是,像许多其他机械谐振器一样,晶体表现出几种振荡模式,通常是基频的奇整数倍.这些被称为"泛音模式",振荡器电路可以用来激励它们.泛音模式的频率近似,但不是基模频率的奇整数倍,因此泛音频率不是基模的精确谐波.

高频晶体通常被设计成在第三,第五或第七泛音下工作.制造商很难生产薄到足以产生30MHz以上基频的晶体.为了产生更高的频率,制造商制造泛音晶体,调谐到将第三,第五或第七泛音置于所需频率,因为它们比产生相同频率的基本晶体更厚,因此更容易制造——尽管激发所需泛音频率需要稍微复杂一点的振荡器电路.基本晶体振荡器电路比第三泛音电路更简单,更有效,并且具有更大的可拉性.根据晶振制造商的不同,最高可用基频可能为25MHz至66MHz.

晶体振荡器广泛使用的一个主要原因是它们的高品质因数.石英振荡器的典型品质因数范围为10至10,而液晶振荡器的品质因数可能为102.高稳定性石英振荡器的最大品质因数可以估计为品质因数=1.6×10/f,其中f是谐振频率,单位为兆赫.

石英晶体振荡器最重要的特征之一是它们可以表现出非常低的相位噪声.在许多振荡器中,谐振频率下的任何频谱能量都被振荡器放大,导致不同相位的音调集合.在晶体振荡器中,晶体主要在一个轴上振动,因此只有一个相位占优势.这种低相位噪声的特性使得它们在需要稳定信号的电信和需要非常精确时间基准的科学设备中特别有用.

温度,湿度,压力和振动的环境变化可以改变石英晶体的共振频率,但是有几种设计可以减少这些环境影响.这些包括温补晶振,麦克索和OCXO,定义如下.这些设计,尤其是OCXO晶振,经常生产出短期稳定性极好的器件.短期稳定性的限制主要是由于振荡器电路中电子元件的噪声.晶体老化限制了长期稳定性.

由于老化和环境因素(如温度和振动),如果不不断调整,很难将最好的石英振荡器保持在其标称频率的1010分之一以内.因此,原子振荡器用于需要更好长期稳定性和精度的应用.

杂散频率

对于在串联谐振下工作的晶体或通过包含串联电感或电容而远离主模式的晶体,可能会出现显著的(与温度相关的)杂散响应.虽然大多数杂散模式通常比所需串联谐振高几十千赫,但它们的温度系数不同于主模式,杂散响应可能在特定温度下通过主模式.即使寄生谐振下的串联电阻看起来高于所需频率下的串联电阻,当两个频率重合时,主模式串联电阻也会在特定温度下发生快速变化.这些活动骤降的结果是石英晶体振荡器在特定温度下可能锁定在杂散频率.这通常通过确保维持电路没有足够的增益来激活不需要的模式来最小化.

寄生频率也是通过使晶体经受振动而产生的.这通过振动的频率在很小程度上调节谐振频率.SC切割晶体旨在将安装应力的频率效应降至最低,因此对振动不太敏感.SC切割晶体的加速效应(包括重力)也会降低,因为长期安装应力变化会导致频率随时间变化.SC切割剪切模式晶体存在缺点,例如需要维持振荡器来区别其他密切相关的不需要的模式,并且当受到全模式时由于温度而增加频率变化

环境范围.当温度控制在零温度系数(周转率)时,SC切割晶体最为有利,在这种情况下,优质单元的整体稳定性性能可以接近铷频标的稳定性.