通信电子线路PPT电子课件-第4章 正弦波振荡器第6～7节.ppt

近代科学技术的发展对正弦波振荡器的稳定度 要求愈来愈高。例如，作为频率标准的振荡器的 频 率稳定度要求达到 以上，而对于lc振荡器， 尽 管采用各种稳频措施，但理论分析和实践都表明 ， 其频率稳定度一般只能达到 ，究其原因主要 是 回路的q 值不能做得很高（约200以下）。 石英晶体振荡器就是以石英晶体谐振器取代lc 振荡器中构成谐振回路的电感、电容元件所组 成的正弦波振荡器，它的频率稳定度可达 数量级。 4.6 石英晶体谐振器 1 石英晶体振荡器之所以具有极高的频率稳定 度，其关键是采用了石英晶体这种具有高q 值的 谐振元件。 由石英谐振器（石英晶体振子）构成的振荡 电路通常叫“晶振电路”。晶体振荡器电路的种 类很多，但从晶体在电路中的作用来看分两类： 一类是工作在晶体并联谐振频率附近，晶体 等效为电感的情况，叫做“并联晶振电路”。 另一类是工作在晶体串联谐振频率附近，晶 体近于短路的情况，叫做“串联晶振电路”。 2 一、石英晶体的压电效应及等效 电路 1. 等效电路和符号 (a) 结构示意图(b)等效电路 (c)符号 图4-20 石英谐振器的的结构示意图、等效电路和符号 3 2.石英谐振器的特点 等效电感lq非常大，而cq和rq都非常小， 所 以石英谐振器的q 值非常高（ ）， 可以达几万到几百万，因此石英晶体谐振器 的振荡频率稳定度非常高。 4 3. 等效参数 一般常用石英谐振器的等效参数大致是： cq大约0.005 0.1pf ；c0大约2pf 5pf ； rq大约1欧姆到几十欧姆； q大约105；lq大约100h（频率约100 khz） ；1h（频率约1mhz）；10mh（频率约 10mhz）。 lq的数值取决于晶片的厚度，低频晶体较厚， 质量较大，动态电感lq 较大，而高频晶体较薄 ，质量较小，所以lq较小。 5 二、石英晶体的阻抗特性 从等效电路可看出，石英谐振器有两个 谐振频率，串联谐振频率和并联谐振频率。 1.串联谐振频率 fs 在等效电路中，lq、cq组成串联谐振回 路，串联谐振频率为 6 2. 并联谐振频率 fp 如果将c0 也考虑进去，则lq、cq与c0 组成并联谐振回路，并联谐振频率为 （4-38） 7 由于 ，所以fp 和fs 相隔很近， 由式（4-38）有 当 时, 8 3、不计动态电阻 rq 时的等效阻抗 （4-40） 9 由上式看出： 当 时，lq 、cq支路产生串联谐振，z =0 ； 当 时，产生并联谐振， 或 时， ，电抗呈容性 ； 时， ，电抗呈感性。 10 由于 与 两谐振频率与之差很小，所以呈 感 性的阻抗曲线非常陡峭。实用中，石英谐振器 工 作在频率范围窄的电感区（可以把它看成一个 电 感），只是在电感区，电抗曲线才有非常大的 斜 率（这对稳定频率很有利），电容区是不宜使 用 的。 11 4.考虑 rq 的晶体等效阻抗特性 这时，晶体的等效阻抗 z 表达式为 （4-41） 12 图4-22 石英谐振器的电抗特性 电抗频率曲线（考虑rq ） 13 三、石英谐振器的频率温度 特性 虽然石英谐振器等效回路具有高q 的优 点，但是，如果它的电参数不稳定，仍然不 能保证频率稳定度的提高。这还要看温度变 化时，它的频率是否稳定。 在一定的温度范围之内，石英晶体的各 电参量具有较小的温度系数。具体情况与晶 片切割类型有关。 14 1.它的频率温度系数小，用恒温设备后， 更可保证频率稳定。 2.石英谐振器的q值非常高，在谐振频率 fp或 fs 附近，相位特性变化率很高（相频特 性的斜率很大），这有利于稳频。 3.石英谐振器的 ，使振荡频率基 本上由cq和 lq 决定，外电路对振荡频率的 影响很小。 四、石英谐振器频率稳定度高的 原因 15 4.7 石英晶体振荡器电路 由石英谐振器（石英晶体振子）构成的 振荡电路通常叫“晶振电路”。 并联晶振电路工作在晶体并联谐振 频率附近，晶体等效为电感； 串联晶振电路工作在晶体串联谐振 频率附近，晶体近于短路。 16 1. 电路 电路由晶体与外接电容 器或线圈构成并联谐振回路 ，按三点线路的连接原则组 成振荡器，晶体等效为? 理论上可以构成三种类 型基本电路，但在实际应用 中常用的是图所示的电路， 称“皮尔斯”电路。这种电 路不需外接线圈，而且频率 稳定度较高。 图4-25 并联晶体振荡器 原理电路图 一、并联晶振电路 17 图4-26 并联晶体振荡器实例 2振荡频率 f0的确定 这里，晶体等效为电感，晶体与外接电容（包括 4.520pf与 20pf 两个小电容）和c1、 c2 组成并联 回 路，其振荡频率应落在 fp 与 fs 之间。 图4-27是图4-26中谐振回路的等效电路。该谐振 回 路的电感就是lq ，而谐振回路的总电容应由cq 、 c0 及 外接电容 c 、 c1 、 c2 组合而成。 由下式决定，即 19 图4-27 图4-26中谐振回路的等效电路 选择电容时， ， ， 所以 （4-49） 20 3f0 总是处在 fp 与 fs 两频率之间 调节c 可使 f0 产生很微小的变动。 如果c 很大，取 代入式（4-49） 可得f0 最小值为 即晶体串联谐振频率 21 可得 f0 的最大值为 即晶体并联谐振频率。可见，无论怎样调 节c，f0 总是处于晶体fp 与 fs 的两频率之间。但 是，只有在fp 附近，晶体才具有并联谐振回路的 特点。 若c 很小，取c=0代入式（4-49） 22 图4-28 串联型晶体振荡器的一种方框图 二、串联型晶振电路 晶体工作在串联谐振频率附近，阻抗呈 短路，构成正反馈产生振荡。 串联型晶体振荡器的一种框图如图4-28 所示。因为是两级共发放大器,所以输出电 压与输入电压同相。输出经石英谐振器和 负载电容反馈到输入端，这个反馈是正反 馈。由于石英谐振器的选频作用，只有在 石英谐振器和负载电容所决定的串联谐振 频率上，串联阻抗最小，正反馈最强。因 此，在这个频率上产生振荡。 24 图4-29 串联型晶体振荡器的实例（一） 图4-30 串联晶振实例（二） 所谓泛音，是指石英片振动的机械谐波 。它与电气谐波的主要区别是，电气谐波与 基频是整数倍的关系，且谐波和基波同时并 存；而泛音是在基频奇数倍附近，且两者不 能同时并存。 石英谐振器的频率越高，则要求晶片越 薄，则机械强度越差，用在电路中易于振碎 。一般晶体频率不超过30mhz。 三、泛音晶振电路 27 为了提高晶振电路的工作频率可使电路 振荡频率工作在晶体的谐波（一般在三次到 七次谐波）频率上，这是一种特制的晶体， 叫做泛音晶体（例如ja12型）。 这样就可利用几十兆赫基频的晶片产生上 百兆赫的稳定振荡。 28 图431 并联型泛音晶体振荡器 并联型泛音晶体振荡器如图所示。 它与皮尔斯振荡器不同之处是用谐振回 路代替了电容，而根据三点式振荡器的组成 原则，该谐振回路应该呈容性阻抗。假如要 求晶体工作在5次泛音，则调谐好的回路对3 次泛音呈现感性阻抗，不满足三点式电路的 相位条件，电路不能起振；而对5次泛音，回 路