什么是石英晶體？

石英是地球上第二豐富的礦物。它由“SiO 4硅 - 氧化四面體的連續框架”中的硅和氧（不完全是奇異元素）組成（不確定是什么意思......）。基于這些信息，您是否曾想過石英晶體將成為普遍存在的電子元件，在無數高性能振蕩器電路中作為中心元件？

毫無疑問，您可以使用石英晶體，而不必了解它們的真正含義：將晶體連接到某些微控制器引腳，添加幾個負載電容，并且您有一個振蕩器。但是，我一般認為，對我們在設計中不斷使用的元件和子電路知之甚少或不了解并不是一個好主意。

電路

這是石英晶體的等效電路：

讓我們明確一點：石英晶體是一種石英晶體。如果你用錘子敲擊水晶，它就不會闖入電感器，電阻器和兩個電容器。然而，石英晶體（在我看來相當神秘）的機電特性導致晶體在電子電路的環境中表現，如上面所示的無源元件的集合。

等效電路中的所有組件都非常常見。那么，您可能想知道為什么我們會厭煩石英晶體。為什么不在相同的布置中使用電容器，電感器和電阻器？好吧，正如我們稍后將會看到的那樣，使用無源器件永遠無法達到相同的性能，特別是考慮到石英晶體的尺寸。

諧振

電感器和電容器存儲能量。如果以允許能量在兩個組件之間來回流動的方式連接電感器和電容器，則會有諧振電路。在一個理想化的電路中，這種來回的流動將永遠持續下去，你會得到一個振蕩器。在現實生活中的電路中，當電阻元件（如導線或PCB走線）消耗能量時，振蕩幅度會減小（并最終停止）。更大的阻力意味著振蕩更“衰減”，即振幅更快地減小。Q因子與電阻成反比，意味著較低的Q對應于更快消失的振蕩。

串聯LC電路和并聯LC電路都會產生諧振，如果回顧等效電路，可以看到晶體同時具有串聯和并聯諧振。串聯電感和電容的諧振頻率遵循標準公式：

F小號[R= 12 πL C.小號- - - - √fSR=12πLCS

并聯諧振有點復雜。該共振頻率計算如下：

FP[R= 12 πL （C小號CPC小號+ C.P）- - - - - - - - - √fPR=12πL(CSCPCS+CP)

然而，事實證明是c P是多少更大的比C s（如較大的也許2000倍），這意味著是C s P /（C s + C P）近似等于C s P / C P。然后我們取消C P條款并留下

FP[R≈ 12 πL C.小號- - - - √ F P[R≈ F小號[RfPR≈12πLCS fPR≈fSR

因此兩個共振頻率彼此非常接近。當您購買水晶時，它被指定為特定頻率。出于所有實際目的，我們可以說晶體的工作頻率等于f SR。

（極端）高Q值

如上所述，您不能僅僅使用等效的無源元件集替換晶體。為什么？好吧，你需要一些嚴肅的PCB空間來匹配水晶的電感 - 我的教科書說它可能高達數百只henrys，我發現這個StackExchange線程有人說它可能有數千個。Digi-Key銷售的最大固定電感器是150亨利; 它具有3.7kΩ的電阻，重量為半磅，寬度超過兩英寸。此外，晶體的大電感與相對較小的電阻相結合，從而產生非常高的Q因子。

頻率響應

如您所知，電感器和電容器具有電抗。石英晶體也具有電抗，盡管由于三種反應性組分之間的相互作用，這種電抗有點復雜。

**在低頻時，容抗占主導地位。**隨著頻率的增加，電抗的幅度減小，最終在f SR時達到零（正如預期的那樣 - 串聯LC電路在諧振頻率處具有零阻抗）。在f SR處電抗通過零之后，它快速增加到無窮大，因為f PR略高于f SR并且理想并聯LC電路的阻抗在諧振頻率處是無限的。

使它振蕩

石英晶體是晶體，而不是振蕩器。為了產生振蕩，必須將晶體結合到具有振蕩器電路所呈現的典型特性的電路中，即放大和反饋。如果你看一下像Colpitts或Hartley這樣的經典振蕩器拓撲結構，你會看到一個放大器（如BJT），一個LC振蕩電路（提供諧振）和一個反饋連接 - 例如，在Colpitts振蕩器中，反饋從儲能電路中的兩個電容器之間的節點到BJT的發射極：

一般的想法與石英振蕩器相同，因為石英晶體本質上是一種非常高性能的諧振元件。Pierce（或Pierce-Gate）振蕩器是用于產生數字振蕩的常見拓撲; 它看起來像這樣：