石英晶体振荡器

封面,7.8石英晶体振荡器,金沙江虎跳峡,返回,引言,本页完,引言,晶体振荡电路是利用石英晶体(石英晶体谐振器的简称，有时也称为晶振器)作为选频元件(经常是作为电感元件)构成的电路。主要用来产生振荡频率较高、且稳定度也很高的正弦信号，稳定度一般可达10-1210-13的量级(LC振荡器一般只达到10-3104，RC振荡器就更低了)。其振荡原理与LC振荡电路产生正弦振荡的原理基本相同。,返回,学习要点,本节学习要点和要求,晶体振荡器,晶振器等效电路的工作原理,晶体振荡电路的工作过程,晶体谐振器应用在电路中的串、并联正反馈,返回,主页,晶体振荡电路主页,使用说明：要学习哪部分内容，只需把鼠标移到相应的目录上单击鼠标左键即可，按空格键或鼠标左键进入下一页。,结束,石英晶体简介,石英晶体的等效电路及特性,石英晶体振荡电路,西藏古格废墟,返回,1、石英晶体简介(1)石英晶体的压电效应,晶体振荡器,1、石英晶体简介,继续,(1)石英晶体的压电效应,石英晶体的符号,本页完,若在晶片的两极板间加一电场，会使晶体产生机械变形；反之若在极板间施加机械力，又会在相应的方向上产生电场，这种现象称为压电效应。,若在极板间所加的是交变电场，就会产生机械变形振动，同时机械变形振动又会产生交变电场。,金属片,金属片,晶体,石英晶体的结构,当然这种机械振动在一般情形下的振幅是很小的，但振动频率却很稳定。,石英晶体实物图片,(2)压电谐振,继续,石英晶体的符号,本页完,当外加交变电压的频率与晶片的固有频率(决定于晶体的尺寸)相等时，机械振动的幅度将急剧增加，这种现象称为压电谐振，因此石英晶体又称为石英晶体谐振器。,金属片,金属片,晶体,石英晶体的结构,(2)石英晶体的压电谐振,利用石英晶体作振荡用，可以得到稳定度非常高的频率，因为其谐振频率由晶体的几何尺寸决定，而其几何尺寸几乎不随温度而变。,晶体振荡器,1、石英晶体简介,(1)石英晶体的压电效应,石英晶体实物图片,本内容结束页,继续,石英晶体的符号,本页完,当外加交变电压的频率与晶片的固有频率(决定于晶体的尺寸)相等时，机械振动的幅度将急剧增加，这种现象称为压电谐振，因此石英晶体又称为石英晶体谐振器。,金属片,金属片,晶体,石英晶体的结构,(2)石英晶体的压电谐振,利用石英晶体作振荡用，可以得到稳定度非常高的频率，因为其谐振频率由晶体的几何尺寸决定，而其几何尺寸几乎不随温度而变。,晶体振荡器,1、石英晶体简介,(1)石英晶体的压电效应,石英晶体实物图片,返回,继续,2、石英晶体的等效电路及特性(1)石英晶体的等效电路,继续,石英晶体的符号,本页完,(1)石英晶体的等效电路。,金属片,金属片,晶体,石英晶体的结构,(2)石英晶体的频率特性。,石英晶体等效电路,等效电路的总阻抗X为：,XC0,XC,XL,X,XC0,1,+,XL+XC,1,1,1,=,jC0,-j,1,L-,C,1,2、石英晶体的等效电路及特性,晶体振荡器,1、石英晶体简介,C、L和R串联后再与C0并联，得出总阻抗Z。通常R0为感性区域,X0为感性区域,X0为感性区域,X0为感性区域,X0为感性区域,X0为感性区域,X0为感性区域,X0为感性区域,Xfs。,但因为C0为感性区域,Xfs。,但因为C0为感性区域,X0为容性区域,s,p,C0两金属片间电容C振动弹性，等效于电容L晶体等效质量惯性，等效于电感R振动的磨擦损耗，等效于电阻R,串联支路的谐振频率,并联回路的谐振频率,返回,继续,两个频率非常接近。同时由图中可以看出，晶体在fpfs之间才呈感性，晶体在这个区间内可作电感L用，其他区间呈容性，只能作为电容使用。由于感性区间很窄，所以选频特性很好。,3、石英晶体振荡电路(1)并联型晶振器运放组成的晶振器,继续,本页完,(1)并联型晶体振荡器,运放组成的并联晶体振荡器,3、石英晶体振荡电路,由图得反馈信号反馈回运放的“-”端。,本电路符合相位平衡条件。,+,+,事实上，本电路是属于电容三点式振荡器，晶体在此是起到一个电感L的作用，它与C1、C2并联组成选频和反馈回路。本质上是一个电容三点式LC并联谐振回路。,假设断开反馈回路，在“-”端先输入一个信号,利用瞬时极性法分析相位平衡条件：,运放组成的晶振器,晶体振荡器,+,工作原理：频率在ffp,(1)并联型晶体振荡器,3、石英晶体振荡电路,运放组成的晶振器,继续,本页完,工作原理分析：,由晶体的频率特性知，电路中ffp的频率，晶体呈现电容性质的阻抗，此时等效于一只电容器。,显然由C1、C2、C3和C组成的电路不是选频回路，不可能有谐振频率。所以这些频率受到衰减。,并联晶体振荡器,晶体振荡器,(1)并联型晶体振荡器,3、石英晶体振荡电路,工作原理：频率在fsC,所以,C,1,C,C1、C2和C3是串联，总电容为C。,C,1,=,C1,1,+,C2,1,+,C3,1,过度,(1)并联型晶体振荡器,3、石英晶体振荡电路,继续,晶体振荡器,运放组成的晶振器,谐振频率的确定：,C,1,回路的等效电容CQ及谐振频率。,(1)并联型晶体振荡器,3、石英晶体振荡电路,继续,本页完,f0,2,1,晶体振荡器,运放组成的晶振器,谐振频率的确定：,CC,整个回路的谐振频率为,LC,显然这就是石英晶体的串联谐振频率fs。,fs=f0,2,1,LC,总结,(1)并联型晶体振荡器,3、石英晶体振荡电路,继续,本页完,晶体振荡器,运放组成的晶振器,谐振频率的确定：,通过分析可知，由运放组成的并联型晶振器的谐振频率基本上由晶体的固有频率fS决定。,CC,整个回路的谐振频率为,显然这就是石英晶体的串联谐振频率fs。,f0,2,1,LC,fs=f0,2,1,LC,运放组成的晶振器,三极管组成的晶振器,继续,本页完,这是两个利用三极管组成的晶体振荡电路，工作原理与上述电路相同，其振荡频率均为,三极管组成的晶振器,同学们如果绘出这两个电路的交流等效电路就会发现，它们的振荡原理是一样的。,晶体振荡器,(1)并联型晶体振荡器,3、石英晶体振荡电路,fs=f0,2,1,LC,运放组成的晶振器,这是两个利用三极管组成的晶体振荡电路，工作原理与上述电路相同，其振荡频率均为,三极管组成的晶振器,(1)并联型晶体振荡器,3、石英晶体振荡电路,(2)使用三极管的晶体并联型晶振器,继续,本页完,但是这两个电路的反馈回路是不一样的，上图在射极反馈，放大电路为共基电路；下图在基极反馈，放大电路为共射电路。但当晶体作为L用时，都符合“射同基反”。,晶体振荡器,(2)串联型晶振器工作原理分析,继续,本页完,由图可得，晶体和电阻R组成了反馈回路。,(2)串联型晶体振荡器,显然晶体在此不是作为LC振荡的元件。,由晶体频率特性曲线知，除了s之外，晶体对所有的频率均呈现容性或感性，这些频率的信号在反馈时都有相移并被衰减。只有的=s频率令晶体的阻抗为0，反馈支路呈现纯电阻性质不产生相移。,晶体振荡器,(1)并联型晶体振荡器,3、石英晶体振荡电路,(2)串联型晶体振荡器,(1)并联型晶体振荡器,3、石英晶体振荡电路,相位平衡条件判别,继续,本页完,相位平衡条件判别：,反馈信号由T1的发射极输入，设断开反馈回路，在T1发射极输入“+”极性信号，判别其放大和反馈极性。,+,注意：T1组成的是共基放大电路，输出与输入电压同相。,+,+,+,+,+,串联型晶体振荡器只对频率s的信号产生正反馈，所以本电路只输出频率为s(晶体串联谐振频率)的信号。,通过调节电阻R改变反馈量，可得到理想的正弦波。,晶体振荡器,如果是s信号，则晶体的阻抗X=0，信号不产生相移。,正反馈,(2)串联型晶体振荡器,(1)并联型晶体振荡器,3、石英晶体振荡电路,相位平衡条件判别结束,继续,本页完,相位平衡条件判别：,+,+,+,+,+,+,晶