一般影響振蕩器頻率穩(wěn)定性的因素：溫度變化、負(fù)載變化以及直流電源電壓的變化等等。選擇合適的諧振反饋電路元件，包括放大器，可以大大提高輸出信號的頻率穩(wěn)定性。但是，從普通lc和rc諧振電路可以獲得的穩(wěn)定性是有限度的。
石英晶體振蕩器
為了能讓振蕩器在穩(wěn)定的情況下保持高精度，通常用石英晶體來做頻率確定設(shè)備，以產(chǎn)生另一種通常稱為石英晶體振蕩器(xo)的振蕩器電路。當(dāng)電壓施加到一小塊石英晶體上時，它開始改變形狀，產(chǎn)生一種稱為壓電效應(yīng)的特性。這種壓電效應(yīng)是晶體的特性，通過這種特性，電荷通過改變晶體的形狀來產(chǎn)生機(jī)械力，反之亦然，施加到晶體上的機(jī)械力會產(chǎn)生電荷。然后，壓電設(shè)備可以歸類為換能器，因?yàn)樗鼈儗⒁环N能量轉(zhuǎn)換為另一種能量（電到機(jī)械或機(jī)械到電）。這種壓電效應(yīng)會產(chǎn)生機(jī)械振動或振蕩，可用于替代以前振蕩器中的標(biāo)準(zhǔn)lc諧振電路。
有許多不同類型的晶體物質(zhì)可以用作振蕩器，其中最重要的電子電路都使用石英晶體，很大部分原因是石英晶體具有更高的機(jī)械強(qiáng)度。
石英晶體振蕩器中使用的石英晶體是一塊非常小的、薄的石英切割片或晶片，其兩個平行表面被金屬化以進(jìn)行所需的電連接。一塊石英晶體的物理尺寸和厚度受到嚴(yán)格控制，因?yàn)樗鼤绊懻袷幍淖罱K頻率或基本頻率?；l一般稱為晶體的“特征頻率”。一旦切割和成型，晶體就不能在任何其他頻率下使用。換句話說，石英晶體的大小和形狀決定了石英晶體振蕩器的基本振蕩頻率。
晶體特征或特征頻率與其兩個金屬化表面之間的物理厚度成反比。晶體機(jī)械振動可以用等效電路表示，該電路由低電阻r、大電感l(wèi)和小電容c組成，如下所示。
石英晶體等效模型
石英晶體的等效電路顯示了一個串聯(lián)rlc電路，它代表晶體的機(jī)械振動，與一個電容并聯(lián)，cp代表與晶體的電氣連接。石英晶體振蕩器傾向于朝著它們的“串聯(lián)諧振”運(yùn)行。
晶體的等效阻抗具有串聯(lián)諧振，其中cs在晶體工作頻率下與電感l(wèi)s諧振。該頻率稱為晶體系列頻率?s。除了這個串聯(lián)頻率，當(dāng)ls和cs與并聯(lián)電容器cp諧振時，由于并聯(lián)諧振而建立了第二個頻率點(diǎn)，如圖所示。
晶體阻抗對頻率
上面晶體阻抗的斜率表明，隨著頻率在其端子上增加。在特定頻率下，串聯(lián)電容器cs和電感器ls之間的相互作用創(chuàng)建了一個串聯(lián)諧振電路，將晶體阻抗降低到最小值并等于rs。這個頻率點(diǎn)稱為晶體串聯(lián)諧振頻率?s，低于?s的晶體是電容性的。
當(dāng)頻率增加到高于該串聯(lián)諧振點(diǎn)時，晶體的行為就像一個電感器，直到頻率達(dá)到其并聯(lián)諧振頻率?p。在這個頻率點(diǎn)，串聯(lián)電感l(wèi)s和并聯(lián)電容cp之間的相互作用形成了一個并聯(lián)調(diào)諧lc諧振電路，因此晶體兩端的阻抗達(dá)到其值。
然后我們可以看到石英晶體是串聯(lián)和并聯(lián)調(diào)諧諧振電路的組合，以兩種不同的頻率振蕩，兩者之間的差異非常小，這取決于晶體的切割。此外，由于晶體可以在其串聯(lián)或并聯(lián)諧振頻率下工作，因此需要將晶體振蕩器電路調(diào)諧到一個或另一個頻率，因?yàn)槟荒芡瑫r使用這兩種頻率。
因此，根據(jù)電路特性，石英晶體可以用作電容器、電感器、串聯(lián)諧振電路或并聯(lián)諧振電路，為了更清楚地說明這一點(diǎn)，我們還可以繪制晶體電抗與頻率的關(guān)系，如圖所示。
晶體對頻率的電抗
電抗對頻率的斜率表明，頻率?s處的串聯(lián)電抗與cs成反比，因?yàn)榈陀?s和高于?p晶體出現(xiàn)電容性。在頻率?s和?p之間，晶體呈現(xiàn)電感性，因?yàn)閮蓚€并聯(lián)電容相互抵消。
然后晶體串聯(lián)諧振頻率的公式，?s給出為：
串聯(lián)諧振頻率
當(dāng)串聯(lián)lc支路的電抗等于并聯(lián)電容器的電抗cp時，會出現(xiàn)并聯(lián)諧振頻率?p，其公式如下：
并聯(lián)諧振頻率
石英晶體振蕩器示例no1
石英晶體具有以下值：rs=6.4ω，cs=0.09972pf和ls=2.546mh。如果其端子上的電容cp測量為28.68pf，計(jì)算晶體的基本振蕩頻率及其次級諧振頻率。
晶體串聯(lián)諧振頻率，?s
晶體的并聯(lián)諧振頻率?p
我們可以看到的區(qū)別?s，晶體的基頻和?p小約18khz（10.005mhz - 9.987mhz）。然而，在此頻率范圍內(nèi)，晶體的q因數(shù)（品質(zhì)因數(shù)）非常高，因?yàn)榫w的電感值遠(yuǎn)高于其電容或電阻值。我們的晶體在串聯(lián)諧振頻率下的q因子為：
晶體振蕩器q因數(shù)
那么我們的晶體示例的q因子約為25000，這是因?yàn)閤l/r比率很高。大多數(shù)晶體的q因子在20000到200000之間，而我們之前看到的良好的lc調(diào)諧槽路電路遠(yuǎn)小于1000。這種高q因子值還有助于晶體在其工作頻率下具有更高的頻率穩(wěn)定性，使其成為構(gòu)建晶體振蕩器電路的理想選擇。
因此，我們已經(jīng)看到石英晶體的諧振頻率類似于電調(diào)諧 lc 諧振電路的諧振頻率，但q因子要高得多。這主要是由于其低串聯(lián)電阻rs。因此，石英晶體是用于振蕩器，尤其是頻振蕩器的組件選擇。
典型的晶體振蕩器的振蕩頻率范圍可以從大約40khz到超過100mhz，具體取決于它們的電路配置和所使用的放大設(shè)備。晶體的切割也決定了它的行為方式，因?yàn)橐恍┚w會以一種以上的頻率振動，產(chǎn)生稱為泛音的額外振蕩。
此外，如果晶體不是平行或均勻的厚度，它可能具有兩個或多個諧振頻率，其基頻產(chǎn)生所謂的諧波和諧波，例如二次或三次諧波。
通常，盡管石英晶體的基本振蕩頻率比它周圍的二次諧波更強(qiáng)或更明顯，因此這將是使用的頻率。我們在上圖中已經(jīng)看到，晶體等效電路具有三個電抗元件、兩個電容器和一個電感器，因此有兩個諧振頻率，的是串聯(lián)諧振頻率，的是并聯(lián)諧振頻率。
我們在之前的教程中已經(jīng)看到，如果放大器電路的環(huán)路增益大于或等于1并且反饋為正，則放大器電路將發(fā)生振蕩。在石英晶體振蕩器電路中，振蕩器將以晶體基本并聯(lián)諧振頻率振蕩，因?yàn)楫?dāng)施加電壓源時晶體總是想要振蕩。
但是，也可以將晶體振蕩器“調(diào)諧”到基頻的任何偶次諧波（2nd、4th、8th 等），這些通常稱為諧波振蕩器，而泛音振蕩器以基頻的奇數(shù)倍振動、第 3、第 5、第 11 等）。通常，在泛音頻率下工作的晶體振蕩器使用它們的串聯(lián)諧振頻率來實(shí)現(xiàn)。
colpitts石英晶體振蕩器
晶體振蕩器電路通常使用雙極晶體管或fet構(gòu)成。這是因?yàn)楸M管運(yùn)算放大器可用于許多不同的低頻 (≤100khz) 振蕩器電路，但運(yùn)算放大器不具備在適用于1mhz以上晶體的較高頻率下成功運(yùn)行的帶寬。
一個設(shè)計(jì)晶體振蕩器是非常相似的colpitts振蕩器的我們看著在前面的教程的設(shè)計(jì)，不同的是lc諧振電路，其提供所述反饋的振蕩已經(jīng)由石英晶體替換如下所示。
colpitts晶體振蕩器
這種類型的晶體振蕩器是圍繞一個公共集電極（發(fā)射極跟隨器）放大器設(shè)計(jì)的。r1和r2電阻網(wǎng)絡(luò)設(shè)在基部的dc偏置電平，而發(fā)射極電阻器[r ?設(shè)置輸出電壓電平。電阻r2設(shè)置得盡可能大，以防止加載到并聯(lián)晶體。
晶體管2n4265是一種通用npn晶體管，連接在公共集電極配置中，能夠以超過100mhz的開關(guān)速度運(yùn)行，遠(yuǎn)高于大約 1mhz到5mhz之間的晶體基頻。
colpitts晶體振蕩器電路的上述電路圖顯示電容器c1和c2分流晶體管的輸出，從而降低了反饋信號。因此，晶體管的增益限制了c1和c2的值。輸出幅度應(yīng)保持較低，以避免晶體中的過度功耗，否則會因過度振動而損壞自身。
皮爾斯振蕩器
石英晶體振蕩器的另一種常見設(shè)計(jì)是皮爾斯振蕩器。皮爾斯振蕩器在設(shè)計(jì)上與之前的colpitts振蕩器非常相似，非常適合使用晶體作為其反饋電路的一部分來實(shí)現(xiàn)晶體振蕩器電路。
皮爾斯振蕩器主要是一個串聯(lián)諧振調(diào)諧電路（與colpitts振蕩器的并聯(lián)諧振電路不同），它使用 jfet 作為其主放大設(shè)備，因?yàn)閒et提供非常高的輸入阻抗，晶體通過電容器c1連接在漏極和柵極之間，如如下所示。
皮爾斯晶體振蕩器
在這個簡單的電路中，晶體確定振蕩頻率并以其串聯(lián)諧振頻率?s 工作，從而在輸出和輸入之間提供低阻抗路徑。諧振有 180 o相移，使反饋為正。輸出正弦波的幅度被限制在 drain 端子的電壓范圍內(nèi)。
電阻器r1控制反饋和晶體驅(qū)動量，而射頻扼流圈rfc在每個周期中反轉(zhuǎn)。大多數(shù)數(shù)字時鐘、手表和計(jì)時器以某種形式使用皮爾斯振蕩器，因?yàn)樗梢允褂米钌俚慕M件來實(shí)現(xiàn)。
除了使用晶體管和fet，我們還可以通過使用cmos反相器作為增益元件來創(chuàng)建一個簡單的基本并聯(lián)諧振晶體振蕩器，其操作類似于皮爾斯振蕩器?；镜氖⒕w振蕩器由單個反相施密特觸發(fā)器邏輯門（如 ttl 74hc19 或 cmos 40106、4049 類型）、一個電感晶體和兩個電容器組成。這兩個電容決定了晶體負(fù)載電容的值。串聯(lián)電阻有助于限制晶體中的驅(qū)動電流，并將逆變器輸出與由電容-晶體網(wǎng)絡(luò)形成的復(fù)阻抗隔離。
cmos晶體振蕩器
晶體以其串聯(lián)諧振頻率振蕩。cmos反相器最初被反饋電阻器r1偏置到其工作區(qū)域的中間。這確保了反相器的 q 點(diǎn)處于高增益區(qū)域。這里使用了一個 1mω 值的電阻器，但它的值并不重要，只要它大于 1mω。額外的反相器用于緩沖從振蕩器到連接負(fù)載的輸出。
逆變器提供180o的相移，晶體電容器網(wǎng)絡(luò)提供振蕩所需的額外180o。cmos晶體振蕩器的優(yōu)點(diǎn)在于，它總會自動重新調(diào)整自身保持這個360?相移振蕩。
與之前基于晶體管的晶體振蕩器產(chǎn)生正弦輸出波形不同，由于 cmos 反相振蕩器使用數(shù)字邏輯門，因此輸出是在高電平和低電平之間振蕩的方波。自然，工作頻率取決于所用邏輯門的開關(guān)特性。
微處理器晶體石英時鐘
如果不提及微處理器晶體時鐘，我們就無法完成石英晶體振蕩器教程。幾乎所有的微處理器、微控制器、pic和cpu通常都使用石英晶體振蕩器作為其頻率確定設(shè)備來產(chǎn)生時鐘波形，因?yàn)槲覀円呀?jīng)知道，與電阻電容相比，晶體振蕩器提供了的精度和頻率穩(wěn)定性，（ rc）或電感電容，（lc）振蕩器。
cpu時鐘決定了處理器運(yùn)行和處理數(shù)據(jù)的速度有多快，時鐘速度為 1mhz 的微處理器、pic 或微控制器意味著它可以在每個時鐘周期內(nèi)每秒處理一百萬次數(shù)據(jù)。通常，產(chǎn)生微處理器時鐘波形所需的只是一個晶體和兩個陶瓷電容器，其值在 15 到 33pf 之間，如下所示。
微處理器振蕩器
大多數(shù)微處理器、微控制器和 pic 有兩個標(biāo)記為osc1和osc2 的振蕩器引腳，用于連接到外部石英晶體電路、標(biāo)準(zhǔn)rc振蕩器網(wǎng)絡(luò)甚至陶瓷諧振器。在這種類型的微處理器應(yīng)用中，石英晶體振蕩器產(chǎn)生一系列連續(xù)方波脈沖，其基頻由晶體本身控制。該基頻調(diào)節(jié)控制處理器設(shè)備的指令流。例如，主時鐘和系統(tǒng)時序。
石英晶體振蕩器示例 no2
石英晶體切割后具有以下值，rs = 1kω，cs = 0.05pf，ls = 3h和cp = 10pf。計(jì)算晶體的串聯(lián)和并聯(lián)振蕩頻率。
串聯(lián)振蕩頻率為：
串聯(lián)振蕩頻率
并聯(lián)振蕩頻率由下式給出：
并聯(lián)振蕩頻率
那么晶體的振蕩頻率將在411khz和412khz之間。