基于石英晶体振荡电路的评析与应用

摘要

本文从晶体振荡器的发展历史与物理性质开始，先分析石英的一些压电谐振特性，之后把石英晶体振荡器放进电路中，分析了它的等效模型、电抗特性与谐振频率等基本问题。并简单仿真探究了静态工作点对石英振荡稳定性的影响。然后对两类石英晶振的振荡电路开始具体探究讨论：主要分析了并联型电路的输出频率以及频域特性，同时简要论述了串联型电路，随后联系变容二极管分析压控晶体振荡电路的特征，提出了解决一定工程问题的办法。最后，设计并调试一个简单晶振分频电路的PCB。

关键词：等效模型、石英晶体振荡器、串并联型电路、频域分析、VCXO、分频

绪论

石英晶体振荡器的发展及意义

石英晶体振荡器是一种利用石英晶体的压电效应产生稳定振荡信号的电子装置，在电子和通信领域有着广泛的应用。其发展始于1880年法国物理学家皮埃尔·居里和雅克·居里兄弟发现压电效应，奠定了石英晶体振荡器的基础。1917年，美国物理学家沃尔特·盖顿·克兰福特和W.A.萨瑟韦特进一步研究了石英晶体的压电效应，并于1921年在贝尔实验室开发了第一个石英晶体振荡器，用于稳定无线电频率[1]。这一发明在1920年代显著提升了无线电通信的准确性和稳定性。

二战期间，石英晶体振荡器在军事通信和雷达技术中发挥了重要作用。战后，技术不断进步，应用范围扩展到消费电子、计时设备和科学仪器中。随着半导体技术的发展，1970年代和1980年代石英晶体振荡器逐渐微型化，广泛应用于计算机、手机和导航设备。现代石英晶体振荡器在精度和稳定性方面不断提升，特别是在GPS、通信网络和高精度计时系统中的应用显得尤为重要。

石英晶体振荡器的发展不仅推动了无线电通信、消费电子和科学仪器的进步，还在军事和民用技术中发挥了关键作用，其对现代科技和日常生活具有深远意义。

石英晶体振荡器主要特性

压电效应

石英晶体的压电效应就是当晶片感受到两端有电压存在时，晶体就会发生机械振动，振动的大小基本正比于外加电压幅度；反之，如果晶体片产生机械型改变，晶体片间会因形变而生成交变电压，表面电荷极性随机械力的方向变化而改变。前者被称为反压电效应，后者则被称为正压电效应[2]。

压电效应本质上是将机械能与电能进行相互转换，因此石英晶体也被称为换能器（Transducer）。压电效应是晶体振荡器输出频率稳定的基础。

石英晶体振荡器的等效模型

石英晶体本身具有谐振回路的特性，可以等效看作一个LCR振荡电路，等效电路如图1所示。