體波石英晶體元件的功率消耗

振蕩電路中的石英晶體
在普通皮爾斯振蕩電路（Pierce Circuit）中，石英晶體振蕩器拓撲結構的頻率主要由石英晶體決定，如圖2所示。在穩態(tài)時(shí)，其振蕩頻率大約等于石英晶體元件的串聯(lián)諧振頻率，開(kāi)環(huán)增益和開(kāi)環(huán)相位是一致的，分別是2π的整倍數。

圖2 皮爾斯振蕩電路的頻率主要由石英晶體決定

如果皮爾斯拓撲結構的非線(xiàn)性增益大于某個(gè)最小值，而且非線(xiàn)性延時(shí)提供了滿(mǎn)足接近石英晶體單元串聯(lián)諧振頻率相移條件的足夠相移，它就可以很好地使振蕩頻率接近石英晶體串聯(lián)諧振頻率而使振蕩器進(jìn)入穩態(tài)。如果振蕩能夠滿(mǎn)足這些條件，當放大器延遲改變時(shí)，輸入/輸出放大器的波形幅值包跡將隨著(zhù)時(shí)間增加，直到穩態(tài)振蕩條件得到滿(mǎn)足。在許多情況下，當峰峰值輸出幅值達到供電電壓和地之間的差值時(shí)，放大器增益就可以達到一個(gè)基本不變的穩態(tài)值。

在振蕩的穩態(tài)，振蕩器的功率消耗可以通過(guò)計算石英晶體元件輸出波形的有效值（RMS），以及振蕩頻率下的石英晶體阻抗來(lái)獲得。通常，如果振蕩器的振蕩頻率相對串行諧振頻率是已知的，而且在振蕩頻率下的振蕩器波形幅度有效值也是已知的，諧振器的功率消耗就可以計算出來(lái)。

諧振電路模型的功率消耗
巴特沃斯Van-Dyke諧振模型包括一個(gè)電阻項R1，用于代表振蕩頻率接近基頻時(shí)壓電介質(zhì)材料的損耗。如果有效電壓為Vrms的正弦電壓源被加到諧振模型上，并且它的頻率在一定范圍內可調節，頻率從低于振蕩器串行諧振頻率到高于串行諧振頻率，諧振器的功率消耗就可以通過(guò)驅動(dòng)源頻率ω相對于串行諧振頻率的函數計算，如公式(1)。

(1)
當驅動(dòng)源的頻率接近串行諧振頻率ω0時(shí)，諧振器的功率消耗達到一個(gè)最大值Vrms2/R1。由于驅動(dòng)源頻率和ω0之間頻率差的存在，當頻率差增加時(shí)，諧振電路的功耗將降低。

結論
如果計算振蕩放大器中石英晶體的功率消耗，必須知道放大器的穩態(tài)、信號幅值和輸入電容等參數，這樣才能確定石英晶體元件阻抗特性中的合適工作點(diǎn)。很明顯，為了降低石英晶體元件的功率消耗，振蕩器的工作頻率不能在石英晶體的串聯(lián)諧振頻率上。放大器的輸入電容必須低于石英晶體元件的高輸入電抗。

在石英晶體的功率消耗是非常重要的參數應用中，振蕩放大器的輸入阻抗和石英晶體的端電壓的選擇必須滿(mǎn)足振蕩器功率消耗約束的范圍。