石英晶体振荡电路

1、9.7.4 石英晶体振荡电路 正弦波振荡器的频率稳定问题 n频率稳定度频率稳定度 频率稳定度一般用一段时间内频率的相对变频率稳定度一般用一段时间内频率的相对变 化量来表示。化量来表示。 n影响振荡频率的主要因素影响振荡频率的主要因素 影响振荡频率的主要因素主要影响振荡频率的主要因素主要 是是LCLC并联回路的参数并联回路的参数L L、C C和和R R对品质因数对品质因数Q Q的影响，的影响，Q Q值越高，值越高， 选频特性越好，频率越稳定。选频特性越好，频率越稳定。 LC LC振荡电路的振荡电路的Q Q为数百，石英晶体振荡电路的为数百，石英晶体振荡电路的Q Q为为10104 4 10106 6

2、 n提高频率稳定度的措施提高频率稳定度的措施 提高频率稳定度的措施是尽量减提高频率稳定度的措施是尽量减 小小R R并加大并加大L/CL/C值。在要求频率稳定度很高的场合，采用石值。在要求频率稳定度很高的场合，采用石 英晶体振荡器。英晶体振荡器。 石英晶体的基本特性 石英晶体的物理特性石英晶体的物理特性 石英晶体是一种各向异性的结晶体，石英晶体是一种各向异性的结晶体， 主要成分是二氧化硅。主要成分是二氧化硅。 石英晶体的压电效应石英晶体的压电效应 若在晶片的两个极板间若在晶片的两个极板间加一电场加一电场， 会使晶体会使晶体产生机械变形产生机械变形；反之，若在极板间；反之，若在极板间施加机械力施加

3、机械力， 又会在相应的方向上又会在相应的方向上产生电场产生电场。 石英晶体的压电谐振石英晶体的压电谐振 当晶片两极当晶片两极加上交变电压加上交变电压时，晶片时，晶片 就会就会产生机械变形振荡产生机械变形振荡，同时晶片的，同时晶片的机械振荡又会产生交机械振荡又会产生交 流电场流电场。当外加交变电压的频率等于晶片的固有频率（。当外加交变电压的频率等于晶片的固有频率（与与 晶片尺寸有关晶片尺寸有关）时时，机械振荡幅度最大。，机械振荡幅度最大。 O f X fsfp 容容 性性 容容 性性 感性感性 石英晶体的等效电路 C Co o为静电电容，约为静电电容，约1010-12 -12F F 1010-1

4、1 -11F F。 。 L L模拟晶体的惯性，约模拟晶体的惯性，约1010-3 -3 10102 2H H。 C C模拟晶体的弹性，约模拟晶体的弹性，约1010-14 -14 1010-13 -13F F。 。 R R等效摩擦损耗，约几百等效摩擦损耗，约几百 。 回路的回路的Q Q很大，可达很大，可达10104 410106 6。 LC fs 2 1 o o o p C C LC CC CC L f 1 2 1 2 1 石英晶体振荡器 石英晶体振荡器有并联型晶体振荡器和串联型晶体振石英晶体振荡器有并联型晶体振荡器和串联型晶体振 荡器两类。荡器两类。 并联型晶体振荡器中，石英晶体以并联谐振的形式

5、出并联型晶体振荡器中，石英晶体以并联谐振的形式出 现，起电感作用。现，起电感作用。 串联型晶体振荡器中，石英晶体以串联谐振的形式出串联型晶体振荡器中，石英晶体以串联谐振的形式出 现，起电阻作用。现，起电阻作用。 振荡频率振荡频率 CCC CCC L f 0 0 0 )( 2 1 21 21 CC CC C 其其中中 CCC 0 由由于于 s0 2 1 f LC f 一、并联型石英晶体振荡电路 当振荡频率等于当振荡频率等于f fS S时，晶体阻抗最小，且为纯电阻，时，晶体阻抗最小，且为纯电阻， 此时正反馈最强，相移为零，电路满足自激振荡条件。此时正反馈最强，相移为零，电路满足自激振荡条件。 振荡

6、频率振荡频率 s0 ff 调节调节R R可改变反馈的强弱，以获得良好的正弦波。可改变反馈的强弱，以获得良好的正弦波。 二、串联型石英晶体振荡电路 9.8 非正弦信号产生电路 非正弦信号产生电路有方波产生电路、三角波产非正弦信号产生电路有方波产生电路、三角波产 生电路、锯齿波产生电路等。生电路、锯齿波产生电路等。 9.8.1 电压比较器 n电压比较器是一种用来比较电压比较器是一种用来比较 输入信号输入信号vi和参考电压和参考电压VREF 的电路。的电路。 CCOCC VvV 运算放大器工作在非线性状态下。运算放大器工作在非线性状态下。 n特点：开环，特点：开环，虚短虚短不成立不成立 增益增益A0

7、大于大于105 单门限电压比较器 n当当v vID ID= =v vi i-V -VREF REF 0 0时，运放处于负饱和状态，时，运放处于负饱和状态，v vo o=V=VOL OL； ； n当当v vID ID= =v vi i-V -VREF REF 0 0时，运放转入正饱和状态，时，运放转入正饱和状态，v vo o=V=VO O ； ； n两个二极管是为了避免集成运放内部管子进入深饱和两个二极管是为了避免集成运放内部管子进入深饱和 区来提高响应速度。区来提高响应速度。 门限电压门限电压 输入为正负对称的正弦输入为正负对称的正弦 波时，输出为方波。波时，输出为方波。 电压传输特性电压传输

8、特性 （1）过零比较器 电压传输特性电压传输特性 （2）门限电压不为零的比较器 9.8.1 9.8.1 已知已知R Rb b=51K=51K ，R Rc c=5.1K=5.1K ， =50=50，V VCES CES0 0，I ICEO CEO 0 0， 试求：试求：(1)(1)当当v vI I=1V=1V时，时，v vO O=?=?(2)(2)当当v vI I=3V=3V时，时，v vO O=? =? (3)(3)当当 v vI I=5sin=5sin t(t(V)V)时，试画出时，试画出v vI I、 、v vO2O2和 和v vO O的波形。的波形。 解：解：(1)(1)当当v vI I

9、=1V=1V时，时，v vO O=0V=0V (2)(2)当当v vI I=3V=3V时，时，v vO O=6V =6V (3)(3)当当v vI I=5sin=5sin t(t(V)V)时时 v vO O 单门限比较器的抗干扰能力单门限比较器的抗干扰能力 应为高电平应为高电平 错误电平错误电平 迟滞比较器 )( OLOPI 低电平低电平时，时，Vvvv )( OHOPI 高高电电平平时时，Vvvv 21 2 21 1 21 2 RR VR RR VR VVV RR R V Vv OHREF REFREFOHT OHO 则则 设设 21 2 21 1 21 2 RR VR RR VR VVV

10、RR R V Vv OLREF REFREFOLT OLO 则则 当当 上门限电压上门限电压 下门限电压下门限电压 回差电压回差电压 21 OLOH2 TTT )( RR VVR VVV 传输特性 21 2 21 1 RR VR RR VR VVv OHREF TOHO ， 21 2 21 1 RR VR RR VR VVv OLREF TOLO ， +VOH vI vO - -VOL OVT+ +VT- - 通过上述几种电压比较器的分析，可得出如下结论：通过上述几种电压比较器的分析，可得出如下结论： （1）用于电压比较器的运放，通常工作在开环或正反馈状态）用于电压比较器的运放，通常工作在开环

11、或正反馈状态 和非线性区，其输出电压只有高电平和非线性区，其输出电压只有高电平VOH和低电和低电VOL两种情况。两种情况。 （2）一般用电压传输特性来描述输出电压与输入电压的函数）一般用电压传输特性来描述输出电压与输入电压的函数 关系。关系。 （3）电压传输特性的关键要素）电压传输特性的关键要素 输出电压的高电平输出电压的高电平VOH和低电平和低电平VOL 门限电压门限电压 输出电压的跳变方向输出电压的跳变方向 令令vPvN所求出的所求出的vI就是门限电压就是门限电压 vI等于门限电压时输出电压发生跳变等于门限电压时输出电压发生跳变 跳变方向取决于是同相输入方式还是反相输入方式跳变方向取决于是

12、同相输入方式还是反相输入方式 9.8.6 9.8.6 已知已知V VZ Z= = 6V6V，(1)(1)试画出该电路的电压传输特性；试画出该电路的电压传输特性；(2)(2) 画出幅值为画出幅值为6 6V V正弦信号电压正弦信号电压v vi i所对应的输出电压波形。所对应的输出电压波形。 3 1 RR R F 32 2 3vVv oZo 9V23Vv0v 9V23Vv0v Zoo Zoo 时时 时时 3V39V-V 3V39VV T T 解：解： 集成电压比较器 n集成电压比较器比集成运算放大器的开环增益低、失集成电压比较器比集成运算放大器的开环增益低、失 调电压大、共模抑制比小，因而它的灵敏度

13、往往不如调电压大、共模抑制比小，因而它的灵敏度往往不如 用集成运算放大器构成的比较器高，但由于集成电压用集成运算放大器构成的比较器高，但由于集成电压 比较器通常工作在两种状态之一，因此不需要频率补比较器通常工作在两种状态之一，因此不需要频率补 偿电容，也就不存在像集成运算放大器那样因加入补偿电容，也就不存在像集成运算放大器那样因加入补 偿电容引起转换速率受限。偿电容引起转换速率受限。 n根据输出方式不同，集成电压比较器可分为普通、集根据输出方式不同，集成电压比较器可分为普通、集 电极开路输出或互补输出三种情况。电极开路输出或互补输出三种情况。 9.8.2 方波产生电路 一、电路组成 稳压管双稳

14、压管双 向限幅向限幅 设设t=t=0 0时，时，v vC C=0=0，v vO O=+=+V VZ Z Z V RR R v 21 1 则则 t O vC O vO Z V Z V t 当当v v- -= =v vC C= =v v+ +时，时， t1t2 Z V RR R v 21 1 则则 当当v v- -= =v vC C= =v v+ +时，输出时，输出 又一次跳变，又一次跳变，v vO O=+=+V VZ Z 输出跳变，输出跳变，v vO O=-=-V VZ Z 二、工作原理 Z V RR R 21 1 Z V RR R 21 1 t O vC Z V RR R 21 1 Z V R

15、R R 21 1 O vO Z V Z V t t1t2 三、振荡周期 )(ve)(v)(v) t (v C t CCC 0 ZC V RR R )(v 21 1 0 ZC V)(v RC ) 2 1ln(2 2 1 R R RCT 改变充放电回路的时间常数及滞回比较器的电阻，即可改变充放电回路的时间常数及滞回比较器的电阻，即可 改变振荡周期。改变振荡周期。 9.8.3 三角波产生电路 一、电路组成 积分电路积分电路 同相输入迟同相输入迟 滞比较器滞比较器 O vO1 Z V Z V t O vO om V om V t 当当v v+ += =v v- -=0=0时，滞回比较器时，滞回比较器

16、的输出发生跳变。的输出发生跳变。 二、工作原理 o 21 2 o1 21 1 v RR R v RR R v O vO1 Z V Z V t O vO om V om V t 三、输出幅度和振荡周期 当当v v+ += =v v- -=0=0时，时，v vO1 O1 跳变 跳变 为为- -V VZ Z，v vO O达到最大值达到最大值V Vom om。 。 三角波的输出幅度三角波的输出幅度 Zom V R R V 2 1 振荡周期振荡周期 2 41 Z om4 44 R CRR U CUR T 9.8.3 锯齿波产生电路 一、电路组成 充放电时间充放电时间 常数不同常数不同 O vO1 Z V Z V t O