基礎入門的LC水晶振蕩器資料
來源：http://www.benpai.com.cn 作者：金洛鑫電子 2018年12月21
簡單的說LC是晶體振蕩器的電路，這種電路的振蕩器可以做叫LC振蕩器，特點就是可以選擇的頻率范圍比較廣泛，從低頻到高頻都有，可應用到許多產品身上。而且電路設計靈活多變，生產成本小，適合應用到大量的生產當中，因此國外很多晶振廠家采用的就是這種LC振蕩器電路，可以自主輸出不一樣的頻點，形成不相同的交流信號，有正弦波振蕩器以及非正弦波振蕩器這兩種。
振蕩器將直流輸入（電源電壓）轉換為交流輸出（波形），可以具有各種波形和頻率，可以是復雜的，也可以是簡單的正弦波，具體取決于應用。振蕩器還用于許多測試設備中，產生正弦波正弦波，方波，鋸齒波或三角波形或只有一系列可變或恒定寬度的脈沖。LC振蕩器通常用于射頻電路，因為它們具有良好的相位噪聲特性和易于實現。
一個振蕩器基本上是用“正反饋”，或回饋（同相）和電子電路設計中的許多問題之一，而試圖讓振蕩器振蕩是由振蕩停止放大器的放大器。振蕩器工作是因為它們通過以所需頻率將DC能量施加到該諧振器電路中而以相同電路中的電容器，電感器或兩者的形式克服其反饋諧振器電路的損耗。換句話說，振蕩器是使用正反饋的放大器，其在不使用輸入信號的情況下產生輸出頻率。
因此，石英晶體振蕩器是自持電路，以精確的頻率產生周期性輸出波形，并且對于任何電子電路作為振蕩器工作，它必須具有以下三個特性。
1、某種形式的放大
2、正反饋（再生）
3、頻率確定反饋網絡
振蕩器具有小信號反饋放大器，其開環增益等于或略大于1，以便啟動振蕩，但是為了繼續振蕩，平均環路增益必須返回到單位。除了這些電抗元件之外，還需要諸如運算放大器或雙極晶體管的放大裝置。與放大器不同，不需要外部AC輸入來使振蕩器工作，因為振蕩器將DC電源能量轉換為所需頻率的AC能量。
基本振蕩器反饋電路：
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其中：β是反饋分數，振蕩器增益無反饋。
振蕩器獲得反饋
貼片振蕩器是以所需頻率產生連續電壓輸出波形的電路，其中電感器，電容器或電阻器的值形成頻率選擇LC諧振回路電路和反饋網絡。該反饋網絡是衰減網絡，其增益小于1（β<1）并且當Aβ>1時開始振蕩，一旦振蕩開始，其返回到單位（Aβ=1）。
LC振蕩器頻率使用調諧或諧振電感/電容（LC）電路控制，其結果輸出頻率稱為振蕩頻率。通過使振蕩器反饋反應網絡，反饋的相位角將隨頻率而變化，這稱為相移。
基本上有各種類型的振蕩器：
1.正弦振蕩器-這些被稱為諧波振蕩器，通常是“LC調諧反饋”或“RC調諧反饋”型振蕩器貼片晶振，可產生恒定幅度和頻率的純正弦波形。
2.非正弦振蕩器-這些被稱為弛豫振蕩器，產生復雜的非正弦波形，從一種穩定狀態到另一種穩定狀態變化很快，如“方波”，“三角波”或“鋸齒波”類型波形。
振蕩器共振：
當恒定電壓但頻率變化的電壓施加到由電感器，電容器和電阻器組成的電路時，電容器/電阻器和電感器/電阻器電路的電抗將改變輸出信號的幅度和相位。輸入信號由于所用元件的電抗。在高頻時，電容器的電抗非常低，起短路作用，而電感器的電抗作為開路電路很高。在低頻時反之亦然，電容器的電抗充當開路，電感器的電抗充當短路。
在這兩個極端之間，電感和電容的組合產生一個“調諧”或“諧振”電路，它具有諧振頻率，（ƒr）其中電容和電感電抗是相等的并相互抵消，只留下電阻反對電流的電路。這意味著沒有相移，因為電流與電壓同相。考慮下面的電路。
基本LC振蕩器儲能電路
該電路由感應線圈L和電容C組成。電容器以靜電場的形式存儲能量并且在其板上產生電勢（靜電電壓），而電感線圈以電磁場的形式存儲其能量。電容器被充電至直流電源電壓，V通過將開關在位置甲。當電容器完全充電開關改變位置乙。
現在，充電電容器并聯連接在電感線圈上，因此電容器開始通過線圈自身放電。當通過線圈的電流開始上升時，C兩端的電壓開始下降。
該上升電流在線圈周圍建立電磁場，抵抗這種電流。當電容器C完全放電時，原先存儲在電容器中的能量C作為靜電場現在存儲在感應線圈L中，作為線圈繞組周圍的電磁場。由于 電路中沒有外部電壓來維持線圈內的電流，因此隨著電磁場開始崩潰，電路開始下降。在線圈中感應出反電動勢（e=-Ldi/dt），保持電流沿原始方向流動。
該電流對電容器C充電，其極性與其原始電荷相反。C繼續充電，直到電流減小到零并且線圈的電磁場完全坍塌。
最初通過開關引入電路的能量已經返回到電容器，電容器上再次具有靜電電壓，盡管它現在具有相反的極性。電容器現在開始通過線圈再次放電，并重復整個過程。當電能在電容器和電感器之間來回傳遞時，電壓的極性發生變化，產生AC型正弦電壓和電流波形。
然后，該過程形成LC石英晶振儲能電路的基礎，理論上來回循環將無限期地繼續。然而，事情并不完美，每次能量從電容器C傳遞到電感器L，然后從L傳遞回到C，會發生一些能量損失，隨著時間的推移將振蕩衰減到零。
如果不是電路內的能量損失，那么在電容器C和電感器L之間來回傳遞能量的這種振蕩動作將無限地繼續。在電感器線圈的DC或實際電阻中，電容器的電介質中以及來自電路的輻射中電能損失，因此振蕩穩定地減小，直到它們完全消失并且過程停止。
然后在實際的LC電路中，振蕩電壓的幅度在振蕩的每個半周期減小，并最終消失為零。然后，振蕩被稱為“阻尼”，阻尼量由電路的質量或Q因子確定。
阻尼的振蕩
OSC晶振振蕩電壓的頻率取決于LC諧振電路中的電感和電容值。我們現在知道，為了在諧振電路中發生諧振，必須有一個頻率點是XC的值，容抗與XL的值相同，感應電抗（XL=XC）和因此，它們將相互抵消，僅留下電路中的直流電阻以抵抗電流的流動。
如果我們現在將用于對所述電容器的電容性電抗的曲線的頂部的電感器的電感性電抗曲線，使得兩條曲線是在相同的頻率軸，交點會給我們的諧振頻率點，（ƒ-[R或ωr）如下圖所示。
共振頻率
其中：ƒ-[R的單位是赫茲，大號是在亨利和Ç單位是法拉。然后，發生這種情況的頻率如下：
然后，通過簡化上面的公式，我們得到的最終方程共振頻率，ƒ[R在調諧LC電路：
LC振蕩器的諧振頻率
哪里：
1、L是亨利斯的電感
2、C是法拉德的電容
3、ƒ-[R是以赫茲為單位的輸出頻率
該等式表明，如果L或C減小，則頻率增加。該輸出頻率通常給出（的縮寫ƒ-[R）來標識它作為“諧振頻率”。
為了保持LC諧振電路中的振蕩，我們必須更換每個振蕩中的所有能量損失，并將這些振蕩的幅度保持在恒定水平。因此，替換的能量必須等于每個循環期間的能量損失。如果更換的能量太大，則振幅將增加，直到發生供電軌的削波。或者，如果替換的能量太小，則振幅最終將隨時間減小到零并且振蕩將停止。
更換這種損失能量的最簡單方法是從LC諧振電路中獲取部分輸出，將其放大，然后再將其反饋回LC電路。使用運算放大器，FET或雙極晶體管作為其有源晶體的電壓放大器可以實現該過程。但是，如果反饋放大器的環路增益太小，則所需的振蕩衰減到零，如果太大，則波形變得失真。
為了產生恒定的振蕩，必須精確控制反饋到LC網絡的能量水平。然后，當幅度試圖從參考電壓向上或向下變化時，必須有某種形式的自動幅度或增益控制。為了保持穩定的振蕩，電路的總增益必須等于1或1。任何更少的振蕩都不會開始或消失為零，振蕩將會發生，但振幅將被供電軌限制，從而導致失真。考慮下面的電路。
基本晶體管LC振蕩器電路
雙極晶體管用作LC振蕩器放大器，調諧LC諧振電路用作集電極負載。另一個線圈L2連接在晶體管的基極和發射極之間，其電磁場與線圈L的電磁場“相互”耦合。
兩個電路之間存在“互感”，并且在一個線圈電路中流動的變化電流通過電磁感應在另一個線圈電路中感應出電位電壓（變壓器效應），從而在調諧電路中發生振蕩，電磁能量從線圈傳輸L到線圈L2并且在晶體管的基極和發射極之間施加與調諧電路中的頻率相同的電壓。以這種方式，必要的自動反饋電壓被施加到放大晶體管。
可以通過改變兩個線圈L和L2之間的耦合來增加或減少反饋量。當電路振蕩時，其阻抗是電阻性的，集電極和基極電壓相位相差180 °。為了保持振蕩（稱為頻率穩定性），施加到調諧電路的電壓必須與調諧電路中發生的振蕩“同相”。
因此，我們必須在收集器和基座之間的反饋路徑中引入額外的180 °相移。這是通過將L2線圈相對于線圈L以正確的方向纏繞來實現的，從而為石英振蕩器電路提供正確的幅度和相位關系，或者通過在放大器的輸出和輸入之間連接相移網絡來實現。
因此，LC振蕩器是“正弦振蕩器”或“諧波振蕩器”，因為它更常被稱為“振蕩振蕩器”。LC振蕩器可以產生高頻正弦波，用于射頻（RF）型應用，晶體管放大器是雙極晶體管或FET。
諧波振蕩器有許多不同的形式，因為有許多不同的方法來構建LC濾波器網絡和放大器，最常見的是Hartley LC振蕩器，Colpitts LC振蕩器，Armstrong振蕩器和Clapp振蕩器等等。
LC振蕩器示例No1
200mH的電感和10pF的電容并聯連接在一起以形成LC振蕩器振蕩電路。計算振蕩頻率。
然后我們可以從上面的例子中看出，通過減小電容，C或電感的值，L將具有增加LC諧振電路的振蕩頻率的效果。
LC振蕩器總結：
LC振蕩器諧振回路電路所需的基本條件如下。
1、為了存在振蕩，振蕩器電路必須包含無功（頻率相關）分量，“電感”，（L）或“電容”，（C）以及直流電源。
2、在簡單的電感器 - 電容器LC電路中，由于有源晶振和電路損耗，振蕩會隨著時間的推移而衰減。
3、需要電壓放大來克服這些電路損耗并提供正增益。
4、放大器的總增益必須大于1，單位。
5、通過將一些輸出電壓反饋到具有正確幅度和同相（0 o）的調諧電路，可以保持振蕩。
6、振蕩只能在反饋為“正”（自我再生）時發生。
7、電路的整體相移必須為零或360 o，以便來自反饋網絡的輸出信號與輸入信號“同相”。
石英晶體振蕩器電路的組成除了LC振蕩器電路，還有晶體振蕩器電路，RC振蕩器電路等，這是按照正弦波來分的，非正弦波的電路組成則有兩種，一種是反饋型，另一種則是負阻型。不管是正弦波振蕩器還是非正弦波振蕩器，這些晶振應用范圍大致相同，通常可用于超級計算機，網絡設備，通信模塊，軍工設備，工業級，汽車，人造衛星，交通工具，GPS/北斗導航定位系統，大型建筑設備等領域。
振蕩器將直流輸入（電源電壓）轉換為交流輸出（波形），可以具有各種波形和頻率，可以是復雜的，也可以是簡單的正弦波，具體取決于應用。振蕩器還用于許多測試設備中，產生正弦波正弦波，方波，鋸齒波或三角波形或只有一系列可變或恒定寬度的脈沖。LC振蕩器通常用于射頻電路，因為它們具有良好的相位噪聲特性和易于實現。
一個振蕩器基本上是用“正反饋”，或回饋（同相）和電子電路設計中的許多問題之一，而試圖讓振蕩器振蕩是由振蕩停止放大器的放大器。振蕩器工作是因為它們通過以所需頻率將DC能量施加到該諧振器電路中而以相同電路中的電容器，電感器或兩者的形式克服其反饋諧振器電路的損耗。換句話說，振蕩器是使用正反饋的放大器，其在不使用輸入信號的情況下產生輸出頻率。
因此，石英晶體振蕩器是自持電路，以精確的頻率產生周期性輸出波形，并且對于任何電子電路作為振蕩器工作，它必須具有以下三個特性。
1、某種形式的放大
2、正反饋（再生）
3、頻率確定反饋網絡
振蕩器具有小信號反饋放大器，其開環增益等于或略大于1，以便啟動振蕩，但是為了繼續振蕩，平均環路增益必須返回到單位。除了這些電抗元件之外，還需要諸如運算放大器或雙極晶體管的放大裝置。與放大器不同，不需要外部AC輸入來使振蕩器工作，因為振蕩器將DC電源能量轉換為所需頻率的AC能量。
基本振蕩器反饋電路：
其中：β是反饋分數，振蕩器增益無反饋。
振蕩器獲得反饋
貼片振蕩器是以所需頻率產生連續電壓輸出波形的電路，其中電感器，電容器或電阻器的值形成頻率選擇LC諧振回路電路和反饋網絡。該反饋網絡是衰減網絡，其增益小于1（β<1）并且當Aβ>1時開始振蕩，一旦振蕩開始，其返回到單位（Aβ=1）。
LC振蕩器頻率使用調諧或諧振電感/電容（LC）電路控制，其結果輸出頻率稱為振蕩頻率。通過使振蕩器反饋反應網絡，反饋的相位角將隨頻率而變化，這稱為相移。
基本上有各種類型的振蕩器：
1.正弦振蕩器-這些被稱為諧波振蕩器，通常是“LC調諧反饋”或“RC調諧反饋”型振蕩器貼片晶振，可產生恒定幅度和頻率的純正弦波形。
2.非正弦振蕩器-這些被稱為弛豫振蕩器，產生復雜的非正弦波形，從一種穩定狀態到另一種穩定狀態變化很快，如“方波”，“三角波”或“鋸齒波”類型波形。
振蕩器共振：
當恒定電壓但頻率變化的電壓施加到由電感器，電容器和電阻器組成的電路時，電容器/電阻器和電感器/電阻器電路的電抗將改變輸出信號的幅度和相位。輸入信號由于所用元件的電抗。在高頻時，電容器的電抗非常低，起短路作用，而電感器的電抗作為開路電路很高。在低頻時反之亦然，電容器的電抗充當開路，電感器的電抗充當短路。
在這兩個極端之間，電感和電容的組合產生一個“調諧”或“諧振”電路，它具有諧振頻率，（ƒr）其中電容和電感電抗是相等的并相互抵消，只留下電阻反對電流的電路。這意味著沒有相移，因為電流與電壓同相。考慮下面的電路。
基本LC振蕩器儲能電路
該電路由感應線圈L和電容C組成。電容器以靜電場的形式存儲能量并且在其板上產生電勢（靜電電壓），而電感線圈以電磁場的形式存儲其能量。電容器被充電至直流電源電壓，V通過將開關在位置甲。當電容器完全充電開關改變位置乙。
現在，充電電容器并聯連接在電感線圈上，因此電容器開始通過線圈自身放電。當通過線圈的電流開始上升時，C兩端的電壓開始下降。
該上升電流在線圈周圍建立電磁場，抵抗這種電流。當電容器C完全放電時，原先存儲在電容器中的能量C作為靜電場現在存儲在感應線圈L中，作為線圈繞組周圍的電磁場。由于 電路中沒有外部電壓來維持線圈內的電流，因此隨著電磁場開始崩潰，電路開始下降。在線圈中感應出反電動勢（e=-Ldi/dt），保持電流沿原始方向流動。
該電流對電容器C充電，其極性與其原始電荷相反。C繼續充電，直到電流減小到零并且線圈的電磁場完全坍塌。
最初通過開關引入電路的能量已經返回到電容器，電容器上再次具有靜電電壓，盡管它現在具有相反的極性。電容器現在開始通過線圈再次放電，并重復整個過程。當電能在電容器和電感器之間來回傳遞時，電壓的極性發生變化，產生AC型正弦電壓和電流波形。
然后，該過程形成LC石英晶振儲能電路的基礎，理論上來回循環將無限期地繼續。然而，事情并不完美，每次能量從電容器C傳遞到電感器L，然后從L傳遞回到C，會發生一些能量損失，隨著時間的推移將振蕩衰減到零。
如果不是電路內的能量損失，那么在電容器C和電感器L之間來回傳遞能量的這種振蕩動作將無限地繼續。在電感器線圈的DC或實際電阻中，電容器的電介質中以及來自電路的輻射中電能損失，因此振蕩穩定地減小，直到它們完全消失并且過程停止。
然后在實際的LC電路中，振蕩電壓的幅度在振蕩的每個半周期減小，并最終消失為零。然后，振蕩被稱為“阻尼”，阻尼量由電路的質量或Q因子確定。
阻尼的振蕩
OSC晶振振蕩電壓的頻率取決于LC諧振電路中的電感和電容值。我們現在知道，為了在諧振電路中發生諧振，必須有一個頻率點是XC的值，容抗與XL的值相同，感應電抗（XL=XC）和因此，它們將相互抵消，僅留下電路中的直流電阻以抵抗電流的流動。
如果我們現在將用于對所述電容器的電容性電抗的曲線的頂部的電感器的電感性電抗曲線，使得兩條曲線是在相同的頻率軸，交點會給我們的諧振頻率點，（ƒ-[R或ωr）如下圖所示。
共振頻率
其中：ƒ-[R的單位是赫茲，大號是在亨利和Ç單位是法拉。然后，發生這種情況的頻率如下：
然后，通過簡化上面的公式，我們得到的最終方程共振頻率，ƒ[R在調諧LC電路：
LC振蕩器的諧振頻率
哪里：
1、L是亨利斯的電感
2、C是法拉德的電容
3、ƒ-[R是以赫茲為單位的輸出頻率
該等式表明，如果L或C減小，則頻率增加。該輸出頻率通常給出（的縮寫ƒ-[R）來標識它作為“諧振頻率”。
為了保持LC諧振電路中的振蕩，我們必須更換每個振蕩中的所有能量損失，并將這些振蕩的幅度保持在恒定水平。因此，替換的能量必須等于每個循環期間的能量損失。如果更換的能量太大，則振幅將增加，直到發生供電軌的削波。或者，如果替換的能量太小，則振幅最終將隨時間減小到零并且振蕩將停止。
更換這種損失能量的最簡單方法是從LC諧振電路中獲取部分輸出，將其放大，然后再將其反饋回LC電路。使用運算放大器，FET或雙極晶體管作為其有源晶體的電壓放大器可以實現該過程。但是，如果反饋放大器的環路增益太小，則所需的振蕩衰減到零，如果太大，則波形變得失真。
為了產生恒定的振蕩，必須精確控制反饋到LC網絡的能量水平。然后，當幅度試圖從參考電壓向上或向下變化時，必須有某種形式的自動幅度或增益控制。為了保持穩定的振蕩，電路的總增益必須等于1或1。任何更少的振蕩都不會開始或消失為零，振蕩將會發生，但振幅將被供電軌限制，從而導致失真。考慮下面的電路。
基本晶體管LC振蕩器電路
雙極晶體管用作LC振蕩器放大器，調諧LC諧振電路用作集電極負載。另一個線圈L2連接在晶體管的基極和發射極之間，其電磁場與線圈L的電磁場“相互”耦合。
兩個電路之間存在“互感”，并且在一個線圈電路中流動的變化電流通過電磁感應在另一個線圈電路中感應出電位電壓（變壓器效應），從而在調諧電路中發生振蕩，電磁能量從線圈傳輸L到線圈L2并且在晶體管的基極和發射極之間施加與調諧電路中的頻率相同的電壓。以這種方式，必要的自動反饋電壓被施加到放大晶體管。
可以通過改變兩個線圈L和L2之間的耦合來增加或減少反饋量。當電路振蕩時，其阻抗是電阻性的，集電極和基極電壓相位相差180 °。為了保持振蕩（稱為頻率穩定性），施加到調諧電路的電壓必須與調諧電路中發生的振蕩“同相”。
因此，我們必須在收集器和基座之間的反饋路徑中引入額外的180 °相移。這是通過將L2線圈相對于線圈L以正確的方向纏繞來實現的，從而為石英振蕩器電路提供正確的幅度和相位關系，或者通過在放大器的輸出和輸入之間連接相移網絡來實現。
因此，LC振蕩器是“正弦振蕩器”或“諧波振蕩器”，因為它更常被稱為“振蕩振蕩器”。LC振蕩器可以產生高頻正弦波，用于射頻（RF）型應用，晶體管放大器是雙極晶體管或FET。
諧波振蕩器有許多不同的形式，因為有許多不同的方法來構建LC濾波器網絡和放大器，最常見的是Hartley LC振蕩器，Colpitts LC振蕩器，Armstrong振蕩器和Clapp振蕩器等等。
LC振蕩器示例No1
200mH的電感和10pF的電容并聯連接在一起以形成LC振蕩器振蕩電路。計算振蕩頻率。
然后我們可以從上面的例子中看出，通過減小電容，C或電感的值，L將具有增加LC諧振電路的振蕩頻率的效果。
LC振蕩器總結：
LC振蕩器諧振回路電路所需的基本條件如下。
1、為了存在振蕩，振蕩器電路必須包含無功（頻率相關）分量，“電感”，（L）或“電容”，（C）以及直流電源。
2、在簡單的電感器 - 電容器LC電路中，由于有源晶振和電路損耗，振蕩會隨著時間的推移而衰減。
3、需要電壓放大來克服這些電路損耗并提供正增益。
4、放大器的總增益必須大于1，單位。
5、通過將一些輸出電壓反饋到具有正確幅度和同相（0 o）的調諧電路，可以保持振蕩。
6、振蕩只能在反饋為“正”（自我再生）時發生。
7、電路的整體相移必須為零或360 o，以便來自反饋網絡的輸出信號與輸入信號“同相”。
石英晶體振蕩器電路的組成除了LC振蕩器電路，還有晶體振蕩器電路，RC振蕩器電路等，這是按照正弦波來分的，非正弦波的電路組成則有兩種，一種是反饋型，另一種則是負阻型。不管是正弦波振蕩器還是非正弦波振蕩器，這些晶振應用范圍大致相同，通常可用于超級計算機，網絡設備，通信模塊，軍工設備，工業級，汽車，人造衛星，交通工具，GPS/北斗導航定位系統，大型建筑設備等領域。
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